礦山井下安全監控系統的研究與實現

王雨 WANG Yu

（沛縣食品藥品安全監督所，徐州 221600）

0 引言

基于我國“十四五規劃”不斷落實的背景，對于煤礦行業的建設發展提出了更高的要求。但在實踐中，往往存在開采難度大、危險性高以及效率低下的礦井作業實際現狀，需要積極研發和設計科學的監控系統。通過引進智能化技術，加強井下作業安全監控，有利于規避礦難事故發生，提高公共安全保障能力，并且能夠輔助煤礦企業安全生產管理，保證井下操作人員的人身安全，及時高效地協助井下救援等，從而實現礦山生產的安全保障水平得到提升。不過目前我國對于礦井安全監控系統的研究，對煤礦復雜的物理場景、電磁環境中如何合理運用移動通信關鍵技術和設備仍存在一定空白。為此本文根據礦井生產需求設計相應的安全監控系統，借助現代化通信關鍵技術，提高系統應用價值，實現可持續發展目標。

1 案例介紹

某礦山為一新建礦井，設計規模年產原煤120萬，其采用斜井開拓方式，共設置主、副、風三個井筒，并應用綜合機械化采煤方式。該礦井為低瓦斯礦井，井下施工操作風險系數較高，而且作業環境較為復雜，各種施工機械設備、電磁設備和通信裝置較多，電磁干擾較為強烈，對井下安全生產管理造成較大的難度，因此對現代化礦井安全監控系統的需求越來越大。通過調查分析，目前該礦井開展井下安全監控的難點問題表現如下。

①井下作業環境復雜，工作點較為分散，開采人員以及裝備等頻繁移動。在礦山高效自動化和智能化開采等要求下，原有的礦井通信系統已經無法適應目前工作需求，難以實現礦井人員定位、智能采運設備調度、遙控及生產過程監控等。需要建立完善的異構協同通信系統，以此保障煤礦井下作業安全，發揮生產管理功能。現有通信模式在很大程度上限制了礦井自動化和信息化的發展，無法確保井下安全[1]。

②為保障礦上井下作業安全，多數企業在煤礦生產環境中安裝大量的檢測和監控設備。在此背景下各種信息源的傳輸速率具有較大跨度，為有效實現信息集成處理，對原有系統采用以太網接口模塊進行有線固定接入。但該模式對礦井自動化采掘、運輸等自動化產生一定約束，無法實現生產中人員及設備的高效移動和隨機接入，并且對礦井突發事件中的通信網絡快速部署以及移動終端接入等需求難以滿足。

③由于礦井巷道的空間有限，自由性較差，而且呈現狹長、分支多等特點，無線信號在傳輸中存在較為嚴重的衰落現象，導致設備發射功率存在受到一定限制。導致礦井無線通信設備的應用效果不佳。所以必須要研制符合智能開采要求的無縫移動通信系統。

2 礦山井下安全監控系統設計方案

2.1 井下測控網絡方案設計

在本次案例的礦山井下安全監控系統設計工作中，應當先確定井下測控網絡方案。根據當前科學技術以及通信形式的創新發展，適合礦井中的無線通信方案較多，但綜合考慮安全監控系統對通信的實際需求，可采用CC2430構架的無線通信網絡。其優勢體現在人員識別卡便攜、功耗相對較低等。在系統設計環節，主要將2.4GHz作為無線網絡通信頻率，有助于實現智能化的人員定位，并可快速開展搜救功能。通過將該構架作為無線網絡核心部件，能夠將個人局域網和測控網絡進行有機結合，進而對井下人員開展定位和監控功能，為安全生產和應急救援提供良好保障。

在具體設計期間，綜合考慮該礦山對井下安全監控網絡的需求特點，如采用ZigBee網絡實施構建，則存在成本高、維護繁雜等問題。比如布設ZigBee網絡節點模塊時，必須要保證兩個模塊之間的距離符合一定標準。通常情況下在空曠區域的傳輸距離為100m，當放置在巷道內時，穩定信號的傳輸距離將會進一步縮小，因此將會形成較高的成本[2]。另外，由于該網絡長度達到10km以上，則會出現較為繁重的維護任務，故障檢修壓力較大。基于此，設計人員可將ZigBee網絡與有線/無線傳輸網絡進行結合，有助于在主井、副井以及大巷道內增加傳輸距離。并可在工作面、掘進面等人員密集區域增加中繼器布置數量，為安全監控系統功能實現提供良好條件。

2.2 系統硬件設計

針對礦山井下安全監控系統的硬件設計，主要包括地面監控設備、井下人員定位系統和無線搜救器等。地面監控需合理設計監控主機、數據服務器、多路單模光端機、交換機和網絡終端等部分。井下人員定位系統需設計中繼器、人員識別卡、單路單模光端機等。無線搜救器主要設計人員識別卡及搜救器等設備。由于在安全監控系統的井下部分共用人員識別卡，因此應當做好設計工作，保障其符合功能要求。具體如下。

①人員識別卡設計。即是采用獨立供電方式、便于隨身攜帶、發射人員編碼信息、手動報警等。綜合考慮到井下環境的惡劣性，可設計采用3.3V電源，應用32MHz和32.768kHz的晶體振蕩器。同時對按鍵設計復位和報警等功能，對于提示礦井人員及其他人員的聲光報警器，可將板載天線與外接天線設計為分開工作模式，有助于增加通信距離[3]。如圖1所示。

②中繼器設計。該硬件設備主要作用時采集礦井人員的身份編碼、收集巷道內瓦斯氣體濃度、環境溫濕度等數據信息，然后發送給地面監控主機。在設計時，應保障主控芯片借助串口和無線信號采集模塊等進行連接，能夠實現人員編碼采集功能。同時利用外圍系統提供電源供電、晶振以及復位電路、報警電路等功能，順利在測控網絡中發揮作用，保障通信順暢。

③無線搜救器設計。對該設備采用CC2430射頻信號收發芯片，與井下無線信號采集模塊的原理基本相同。在發生礦難后，監控系統會彈出提示，啟用便攜式無線搜救系統，當礦井人員攜帶人員識別卡且處于正常工作狀態，可借助搜救器獲取井下被困人員的信息，以此實施救援。在設計時，應保障搜救器具有顯示功能，通過串口擴展接口和液晶顯示模塊，能夠提升數據通信效率和準確性。

2.3 系統軟件設計

礦上井下安全監控系統的軟件設計部分，主要涉及到識別卡軟件設計、中繼器軟件設計、無線搜救系統軟件流程設計等。具體如下。

①識別卡軟件設計。對識別卡上電后，應對一些基本部件進行初始化，比如選擇和啟動晶振頻率、檢測系統電源的穩定性、外圍器件初始化、芯片內部定時器初始化等。然后開啟系統任務流程，如開啟所需中斷服務，按照LED顯示執行相應動作。常見動作包括RF中斷、USART中斷、睡眠計時器比較、看門狗中斷等。同時需對無線接收信機實施初始化，合理設置格式，保障通信的有效性。對于識別卡模塊收發子程序的設計，則是在上電初始化后，設置為主動掃描信道的工作方式，當礦井人員佩戴識別卡進入到巷道后，將會掃描到無線信號采集模塊網絡并請求加入，以此建立關聯。其主程序流程如圖2所示。

圖2 人員識別卡主程序流程圖

②中繼器軟件設計。中繼器按照已定義的網絡通訊協議，與監控主機實施通信。在設計環節當單片機上電或者復位后，主程序可先對相關芯片的寄存器進行初始化，然后每500ms采集一次現場數據，每10s采集一次環境信息。主程序在每次循環中均要準確判斷是否接收到監控主機的數據請求信號、報警信號以及瓦斯濃度超標信號等。中繼器在硬件連接中可通過擴展串口、無線信號采集模塊等進行連接，在軟件處理期間采用無線信號采集模塊的中斷功能，提示單片機的人員信息并接收。當測控網絡接口收到監控主機的數據請求信號后，按照相應規則回饋信息幀，一旦發生瓦斯濃度超標或者人員報警等，監控主機可回饋相應的報警幀。

③便攜式無線搜救系統軟件設計。其設計共有初始化和射頻信號收發等部分，先進行晶振選擇和電源模式選擇，再設置I/O口方向、初始化、啟動射頻收發循環程序等。在該軟件系統設計期間，搜救器本身屬于一種網絡協調器，因此在上電初始化后，應當建立信標無法使用的網絡。當人員識別卡加入網絡后可開展數據傳輸，并可同步顯示人員識別卡的位置和相關報警信息。

3 礦山井下安全監控系統創新設計中的關鍵技術

3.1 有線/無線混合結構移動通信系統模型

針對礦井的復雜環境，為保障安全生產目標的順利實現，應當積極運用創新技術，更好地適應現代礦山井下通信需求，為安全生產管理提供良好的技術支持。因此結合當前背景，應科學構建礦山井下安全監控系統，為提高礦井自動化和信息化水平，需運用通信技術、信息技術等建立有線/無線混合的無縫全覆蓋移動通信模型。主要是按照礦井物理環境以及智能監控特點，采用終端及感知層、泛在接入及網絡層、應用層等三層體系結構。其中移動終端和感知層可利用傳感器、移動通信終端、總線設備等，有序完成數據檢測、短距離有線通信和遠距離無線通信等[4]。有助于針對礦山物理環境中的各項數據、語音、人員定位和視頻等信號的獲取；移動接入與網絡層可利用自主研發的礦井移動通信智能設備，高效傳輸感知層獲取的礦井復雜物理環境信息和工況信息，實現無縫接入和長距離傳輸；應用層的功能是完成信息識別和處理，并在特殊的礦井環境下進行人機交互。

另外，為保障安全監控系統順利運行，應當創建礦井復雜環境下的全方位協同管理和數字礦山綜合智能監控模式，通過融合冗余環形光纖工業以太網、寬帶無線技術、傳感器技術等，從而實現對煤礦數據的監控，獲取語音、視頻、人員定位等信息，實現多種網絡的異構互聯，保證通信系統反應迅速、可靠及具有兼容性和開放性。

3.2 自動組網和終端快速漫游切換技術

為有效解決礦山井下設備數量多、監控和管理難度大等特征，應當對路由采用分布式設置策略，以此保證礦井異構系統互聯的無線接入點自主組網及終端快速漫游切換。比如可在自組織網絡中按照需求距離的矢量協議，實現無線通信基站之間進行快速自動組網和對接通信。同時分布式策略能夠提供異構系統復合數據寬帶接入、無線通信帶寬資源再分配等功能。另外建立具有統一收發節點構建三種鏈路混合組網的數據廣播系統，從而保障移動終端在礦井巷道內的有限空間內，促使混合組網和移動終端進行無縫快速接入，以此解決礦山井下移動開采和工作點分散而產生的巷道通信接入技術問題，更好地開展井下通信，為安全管理提供基礎保障[5]。

除此，采用有線/無線礦井智能綜合接入網關技術，能夠在礦井異構系統復合數據的基礎上，應用無線通信帶寬再分配技術、綜合接入技術和協議轉換技術。有助于研制出帶有標識轉換功能的智能綜合接入網關，有助于解決煤礦井下監測監控系統互聯與不同傳輸速率現場總線協議的轉換難題。

3.3 井下泛在移動通信系統智能裝備

為有效適應智能開采的開放性井下無縫移動通信需求，主要是利用相應的智能化裝備。首先，采用礦用本安型通訊終端，通過車載、固定終端的有線或無線接入、無線漫游等方式，基于井下多點虛擬通訊技術，有效保障多速率數據可協同、實時傳輸，進而提升以太網冗余保護恢復時間。同時還需針對井下復雜環境，采用抗干擾、寬電壓波動供電故障診斷裝置等，避免井下各種大功率設備因頻繁開停，導致電壓波動大的現狀，盡可能防范設備出現運行故障。其次，采用礦用高防護移動寬帶基站，有助于克服礦山井下通信干擾大、彎道較多的特殊情況。通過利用無線通訊基站則能夠接入無線信道的非視距中繼傳輸和移動終端信號接入[6]。并且基站能夠提供至少兩個無線電臺，在無線系統中繼的作用下可組成寬帶無線環形網絡，能夠為用戶終端提供寬帶無線接入、無線漫游以及人員定位等智能化功能。最后，針對綜采工作面采用無線通信網絡系統，即是應用傳感器自組織、重構技術等，實現礦井高噪聲環境下，對局部通信系統進行快速重建。此外應研發安全保障控制系統，包括無線自組網匯聚裝置。并依托應急救援無線音視頻中繼器和傳輸裝置、不間斷電源關鍵裝備等，在無線傳感器網絡的基礎上，建立完善的救災應急系統平臺。

4 礦井安全監控系統研發設計成效

通過結合本次工程實際案例，研發設計礦井安全監控系統，其具有較強的技術先進性，即是注重運用泛在的移動通信關鍵技術，有效支持設備研制開發。如礦井智能綜合接入網關、多元異構數據接入和移動互聯等，同時研發高防護移動寬帶基站、便攜式手持通信終端、移動機電裝備車載通訊終端等，有效完善了礦井泛在移動通信的實施模式，有效提升井下安全監控系統的性能。另外在經濟性方面，通過設計該系統能夠大幅節約服務費，其費用水平在3萬元/d左右，而國外同類監控系統的服務費達4萬元/d，每年可節省服務費上百萬元。并且利用安全監控系統節省大量的井下故障處理費用，借助系統的實時報警、自動化處理、修復狀態跟蹤等功能，每年可節省費用近百萬元。因此合理研發設計礦井安全監控系統，創新應用泛在移動通信關鍵技術可實現綜合效益，既能夠提升系統工作效率，又能夠降低投入成本。

5 結束語

綜上所述，礦山井下安全監控系統的研發需要結合目前實際背景和要求，應當做好系統研發設計，通過詳細設計測控網絡方案、規劃系統總體設計，并針對人員識別卡、中繼器以及無線搜救器等重要部分進行硬件和軟件設計。同時注重運用有線/無線混合結構移動通信系統模型、自動組網和終端快速漫游切換技術、井下泛在移動通信系統智能裝備等關鍵技術，以此凸顯該系統的技術先進性和經濟性，充分發揮安全監控系統的功能，高效開展通信，實現人員及設備的精確定位、環境參數的準確收集、應急救援搜救等，有助于提高礦井安全生產管理水平。