物聯網技術在礦山安全管控體系的應用

楊超凡

（四川省安全科學技術研究院，四川 成都 610046）

0 引言

當前隨著經濟和數字技術的發展，全球已經將智慧地球提升為國家經濟的發展策略，尤其將物聯網技術的應用性作應用到各行各業當中。無論在國內，還是在國外，物聯網技術發展的大趨勢逐年上升。該技術最早應用于監測領域，不過隨著時代的發展以及科學技術的進步，已經將該技術運用于交通道路、醫院病理、農業農作物等。而在采礦工程方面，就很少有科研人員將物聯網技術運用其中。采礦工程是在深層土質下進行運作的工作，這其中有很多影響安全的因素，例如地震危害、土壤氣體危害等。將物聯網技術應用到礦井安全監測、應急監測系統、人員管理系統，礦井人員安全救援系統、數據測量終端等，將會大大地提升施工人員的安全性和保證工程按時進行。

1 物聯網技術下的礦山安全管控體系的研究現狀

1.1 物聯網技術下的礦山安全管控體系的國外研究現狀

物聯網技術發展早期提出的概念是指將自動化技術當中的RFID射頻技術與計算機互聯網相結合起來，對物體進行識別、監測、管理、反饋。物聯網技術首先對物體進行標識，然后使用RFID射頻技術對物體進行識別和處理，在終端利用一系列的技術對其進行管理和控制。該項技術使人與人之間、物與物之間、人與物無論在什么時間、什么地點都能進行遠程的交互和控制。由于其有好的利用空間和運用前景，大多數行業都開始引進物聯網技術，尤其在危險作業的工程當中，更加突顯了此項技術的實用性。物聯網利用新一代的IT技術（包括RFID技術、傳感器技術、云計算技術、計算機技術等）將各類傳感設備嵌入各種物體及系統中去，從而實現物體或者系統帶的互聯。通過對原始信息進行采集與分析，遠程操作人員能依據具體情況發出指令，大大提升了工效率和減少人員出現的危險性。例如在煤工程當中，當前已經獲得了豐富的研究成果，其中最令技術人員驕傲的技術是地下數據獲取裝置、遠程控制礦井挖掘、運輸等。

1.2 物聯網技術下的礦山安全管控體系的國內研究現狀

我國首先對物聯網技術的概念進行了定義，即物聯網技術的核心是RFID傳感器技術，在此基礎上使用了計算機技術、網絡技術等，然后對物體進行了物理標記，最后實現了遠程操作使物體運動。由于我國在物聯網技術上的不成熟，所以對其研究大部分還停留在理論層面，其主要科技人員有單承贛教授、吳耀華教授、王永才教授等。由于受氣候、天氣、地質的影響，今年發生了許多煤礦安全事故，給企業和國家帶來了不可挽回的損失，給員工家庭帶來悲傷的故事。我國為了最大程度地避免事故出現，已經設想在采礦安全方面融合物聯網技術，來最大程度地保證安全。物聯網技術在采礦安全的應用上，國內的文獻研究主要立足于GIS技術、三維數字成像、ADS技術、防爆交換機、區域服務器等進行科研。在工程應用上我國的科研人員還需要繼續努力，來應對不同環境的采礦作業，尤其在煤礦物聯網系統整體研究上還需要進行進一步的完善和更新。

2 物聯網技術下的礦山安全管控體系存在的問題以及應急預警系統

2.1 信息系統化分散問題

企業在處理礦山問題上面，都出現了信息的嚴重分散化，其中主要的問題是后臺數據庫的雜亂、重復性，占據了內存資源，在數據發布的過程當中網絡服務加速慢，在數據展示環節，三維圖形展示不清晰等。各個礦山數據資源之間彼此獨立，沒有進行數據交互，從而形成了數據的閉塞，最終造成了技術人員對工程事故把握不足，無法十分正確地進行預判危險。若在工程當中加大對數據的交互和共享，技術人員可對這些數據進行分析處理，就可對礦山當中即將出現的危害信號進行測定，這也可大大地提高工程人員的安全性。

2.2 數據采集裝備較落后

當前的采礦企業普遍使用的器材都是陳舊的，有的企業甚至為了節省開支，在工具使用上能用就用，不將安全性考慮到第一位。大多數企業還是使用人工較多，可見其要達到自動化采集還有很大一段距離。要改善采礦效率低下、自動化水平落后的局面，就需要加大對物聯網技術的使用，且需要對當前的裝備水平進行升級改造和創新技術。

2.3 企業安全風險加劇

在采礦工程當中普遍會出現對深部地帶進行開采、露天開采、殘礦回收等作業過程，這些過程在運營工程當中具有不同程度的風險，而且這些風險還在隨著工作量的增長而增大，采礦作業的危險系數也隨著采礦的工作量增加而增加。由于近年來各地區發生了不同程度的煤礦或者非煤礦山的坍塌突發事件，給企業和國家、受害人家庭帶來不可挽回的損害，所以政府管理部門也對采礦礦山工程的類似企業制定了嚴格的安全風險控制標準。國務院安全生產委員會辦公室、原國家安全生產監督管理總局下發的一系列強制性標準也迫使企業進一步提高了安全管控水平[1]。

2.4 重大突發事故安全監測-應急預警系統

在礦山開采的過程中，可能會出現地面塌陷、排土場、尾礦庫等各種重大突發事故，而這些事故將會嚴重地危害到采礦人員的安全。因此當發生這些重大危險時，應該進行相應的應急預警。而想要制定出反應及時的預警監測系統，首先得以GPS為基礎平臺，在運用GIS信息處理和分析功能等的基礎上，將物聯網相關技術和軟件程序同GIS相結合，從而對礦山中出現的各種重大事故進行動態的精準的應急預警。同時通過物聯網絡，將各個獨立的監測對象進行聯接，采用射頻識別以及傳感器檢測技術等手段，實現對重大突發事故的分析、判斷以及預警，并且在建立系統的過程中需要利用數字化信息的技術建立起完善的重大突發事故自動檢測及預警的一體化系統。

3 物聯網技術在礦山安全管控體系中的應用

針對易發生危險事故的地區，建立了集數據管理集成化、自動化控制系統、工程數字化于一體的礦山安全管控體系。該系統主要建立的是人員定位系統、安全生產數據查詢系統。人員定位便于管理人員任何時間了解井下人員數量和人員采礦地點分布情況，同時也能夠針對意外事故及時作出響應，從而也為作業人員提供了第一道安全保證防線。同時，管理人員在進行定位和軌跡跟蹤過程當中，可以了解井下礦工的分布情況、工作分布區域、采礦工程進程等。此外對井下人員的采礦路線進行跟蹤記錄，生成了歷史軌跡圖，并對其進行分析，可以在此基礎上進行研究，可以對地下采礦工程的事故關鍵點安裝警報系統和設備救援物資、設備等。若作業人員遇到了礦山坍塌危險，管理人員還可以通過系統查詢作業人員位置，大大縮短了救援時間。礦山安全管控體系的安全監測，主要是對井下作業環境進行監測，以防止各種有毒有害氣體危害作業人員的生命安全，同時在此基礎上進行生產監控，可以讓管理人員對井上、井下工程的生產環節設備參數和運行狀態進行實時監控，以保證機械設備正常運行。在日常工作當中，對于日常的安全報表，礦山安全管控體系都是人工進行統計，但在礦山安全管控體系可以通過手機客戶端來進行發送和接收每日的工作和生產情況，該日報表信息是每天下班前或早上上班前發送，管理者通過查看報表數據來查看報表內容，其中主要查看原煤采集量、開拓量、專題調度問題、電廠發電量、查崗情況、帶班情況等。系統同時支持個性化領導關注項目，建立了數據超限報警系統。利用手機端將數據以短信方式發送，并配置發送頻率，可以使管理人員更加科學、高效地管理工作，從而可以避免安全事故的發生。借助于物聯網礦山安全管控體系，礦山安全負責人員能夠實時查看井下生產作業過程，對危險源進行監控，實現超限預警以及井下視頻監控等，另外還能夠實現井下應急指揮調度，為煤礦安全生產及經營管理提供準確依據[2]。

4 物聯網技術下的礦山安全管控體系技術

4.1 MySql數據庫應用技術

MySQL是一種關系型數據庫管理系統，關系數據庫將數據保存在不同的表中，而不是將所有數據放在一個大倉庫內，在一定程度上提升了速度并提高了靈活性[3]。該數據庫能連接前端和后端，并且能存儲數據、刪除數據、修改數據、查詢數據，同時也便于管理人員對數據進行管理操作。

4.2 C#語言編程技術

C#是面向對象的編程語言，可以使程序員快速地編寫各種基于MICROSOFT.NET平臺的應用程序，MICROSOFT.NET提供了一系列的工具和服務來最大程度地開發利用計算與通信領域[4]。互聯網技術下的物聯網礦山安全管控體系后端的編程語言采用了該語言，可以使工程管理系統更加快速地完成管控工作，且在后續的使用當中也能更快響應。在編寫程序當中調用的類包是Collections.Generic、Configuration、Data、Data.SqlClient、System.Linq、System.Text、Threading.Tasks、MySql.Data.MySqlClient。

5 物聯網技術下的礦山安全管控體系設計

5.1 物聯網技術下的礦山安全管控體系整體設計

采礦整體的設計是利用礦山生產調度生產線進行連接，進而可以保證在工程生產作業過程中進行優化的管理和控制，并通過數據采集功能模塊來獲取實時的數據和異常數據，從而支持管理人員進行智能化分析和決策，來保證工程的如期進行。整個系統由地面智能控制中心、高可靠通信系統、數據采集系統、定位導航系統、綜合監測系統等組成。詳細工作過程如下：地面智能控制中心首先分別與生產調度系統、數據采集系統、通信系統進行交互，以此來獲取數據，然后在監測系統部分進行分析數據，最后依靠遠程操控模塊來發送、傳輸數據。通過礦山的監測監控系統可以隨時隨地地獲取工程范圍內的環境狀態、人員工作情況、工程生產情況等。除此之外，該系統結合遠程操控技術，來對礦下情況進行控制，并且借助定位導航系統實時反饋地理位置信息，這大大減少了管理人員的工作負擔。

5.2 物聯網技術下的礦山安全管控體系硬件設計

在礦山安全管控體硬件的設計上主要是布置網絡問題，由于大多數礦物作業工程都在地表以下進行操作，所以需要考慮特殊的環境因素進行組網。當前有針對特殊場景應用的技術是無線傳感器網絡技術，該技術具有需要數量大、自身體積小、無需獨立的供電、管理起來容易的特點，所以可運用到對礦山的工程組網當中。煤礦井下傳感網絡使用的網絡設備是交換機、數字攝像機、所轄無線基站、管理分支的站點等。由于井下的環境條件特殊，有時候容易出現產品的線路在工作時候產生熱量，引發了其他電路系統事故，最終導致礦井中的出現了爆炸情況，故礦井中的組網設備都是本安型產品，來最大程度地避免類似的情況出現。該工程利用無線傳感器將煤礦的各類環境信息、設備信息、井下人員信息及定位信息及時地傳輸給地面監控中心，不僅可以擺脫現有有線網絡線纜的束縛，還可以填補現有礦山監控系統的諸多漏洞[5]。

5.3 物聯網技術下的礦山安全管控體系軟件設計

根據上一節礦山安全管控體系的硬件介紹，介紹礦山安全管控體系軟件架構的設計。該礦山安全管控體系軟件系統實現的主要功能有信息資源的分類與采集、數據檢索及統計、系統設置維護。礦山安全管控體系系統的設置維護主要是對用戶的權限問題進行設置、對清單日志進行管理，以及對后臺數據備份等。信息的資源分類是對采礦的日常事務進行分類和采集以及為關鍵性圖片和文檔進行上傳和下載，同時完善對數據的信息分類、篩選功能。數據的檢索功能模塊主要對收集的數據進行檢索和統計分析，對圖片文檔資源的在線共享等。該系統雖然在應用層面較完善，但在應對真實的地質場景時，還需要進一步的完善和優化，來保障礦山工程的如期完成和施工人員的生命安全。

6 結語

綜上所述，我國物聯網技術的發展還處在需要不斷完善的階段，只有切實地落實礦山安全管理體系的感知、傳輸以及智能管理等相關方面的應用，才能夠夠進一步地保證采礦過程中礦山工作人員的安全。為了能有效地提升礦山企業的生產效率和安全水平，各個地方的采礦工程都應該加強對高科技采礦技術的使用，無論是國企還是民營企業都要將安全工程的重要性放在第一。要切實保證采礦工程的安全性，除了需要企業加強管理系統的建設外，還需要采礦人員對自身的生命安全加強安全保護。