基于多跳網(wǎng)絡(luò)的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

黃維

摘要：隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，使得煤礦安全生產(chǎn)管理工作有了進一步的提高。然而，煤礦事故頻繁發(fā)生，傳統(tǒng)安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)面臨著迫切的升級。為解決煤礦安全生產(chǎn)過程中存在的無法精準檢測導(dǎo)致的生產(chǎn)安全問題，文章提出了一種基于多跳網(wǎng)絡(luò)的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計通過計算機網(wǎng)絡(luò)和煤礦重要生產(chǎn)節(jié)點之間形成了多跳網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對煤礦不同生產(chǎn)地點的情況進行實時有效監(jiān)測。同時，該系統(tǒng)的設(shè)計主要利用無線通信傳感器技術(shù)，實現(xiàn)對礦井下安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，并利用無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?yīng)的服務(wù)器中，利用煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行充分挖掘，以此來檢測煤礦生產(chǎn)是否安全。最后，經(jīng)測試證明，文章提出的系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)對礦井生產(chǎn)安全過程的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：多跳網(wǎng)絡(luò)；安全生產(chǎn)；監(jiān)測系統(tǒng)；云計算技術(shù)

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）08-0094-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

0 引言

隨著煤炭能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位日益重要，煤礦企業(yè)的生產(chǎn)壓力也在逐漸增大。與此同時，安全生產(chǎn)問題也日益突顯。盡管國家已經(jīng)采取了一系列措施來應(yīng)對這些問題，但與西方國家相比，仍存在一定的差距。在這個背景下，多跳網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為煤礦企業(yè)解決安全生產(chǎn)問題提供了一種新的思路。通過將多跳網(wǎng)絡(luò)引入到煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)管理中，不僅可以提高管理效率，還能有效預(yù)防和排除各種安全生產(chǎn)隱患。實時監(jiān)測技術(shù)能夠時刻監(jiān)控煤礦的安全狀況，并將收集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。這些數(shù)據(jù)可以為生產(chǎn)決策提供重要的參考依據(jù)，進一步提高煤礦的生產(chǎn)效率[1]。因此，將多跳網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)中，不僅可以提升生產(chǎn)效率，更能保障工人的生命安全，為我國煤炭產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供有力支撐。所以，本文將詳細探討基于多跳網(wǎng)絡(luò)的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究，希望能夠有效提高煤礦的生產(chǎn)安全。

1 基于多跳網(wǎng)絡(luò)的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

基于多跳網(wǎng)絡(luò)的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層三個層次。數(shù)據(jù)采集層主要負責(zé)采集生產(chǎn)現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、壓力、流量等；數(shù)據(jù)處理層負責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、分析和挖掘，以發(fā)現(xiàn)安全隱患和異常情況；應(yīng)用層則負責(zé)將處理結(jié)果以直觀的方式呈現(xiàn)給用戶，并提供預(yù)警、報警等功能[2]。具體結(jié)構(gòu)見圖1所示。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，主要由4個部分組成。其中，煤礦井下數(shù)據(jù)采集端則是由監(jiān)控站和各項數(shù)據(jù)采集傳感器共同組成，主要實現(xiàn)了對煤礦井下生產(chǎn)過程中的環(huán)境、溫濕度等信息以及供電設(shè)備的參數(shù)進行采集分析。客戶端的設(shè)計主要由云數(shù)據(jù)中心提供相應(yīng)的服務(wù)，并對數(shù)據(jù)采集端的不同數(shù)據(jù)進行接收。接著，將所接收到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化處理，并上傳到云數(shù)據(jù)中心，利用安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)對煤礦井下安全生產(chǎn)過程進行監(jiān)測，如果存在異常問題，系統(tǒng)就會及時給出預(yù)警，并將其信息上傳到監(jiān)測指揮中心，由指揮中心實施制定應(yīng)急救援服務(wù)。同時，工作人員還可以根據(jù)井下安全生產(chǎn)所發(fā)生問題進行及時調(diào)度。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于多跳網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要包含了監(jiān)測信息采集服務(wù)器、人體特征采集模塊、井下人員定位模塊以及數(shù)據(jù)監(jiān)測中心模塊等多個部分組成。

2.1 監(jiān)測信息采集服務(wù)器

在礦井深處，瓦斯?jié)舛鹊漠惓Ｉ呤峭{安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。為了實時監(jiān)測瓦斯?jié)舛龋梢栽诘V井下布置精密的瓦斯傳感器。一旦瓦斯?jié)舛冉咏蜻_到預(yù)設(shè)的警戒值，傳感器將立即發(fā)出警報，為礦工們提供足夠的時間采取應(yīng)對措施。同時，數(shù)據(jù)檢測中心的工作人員也會收到警報，確保他們能夠迅速響應(yīng)，采取必要的措施，并通知井下的工作人員。除了瓦斯?jié)舛龋V下的溫度和濕度也是影響工人健康和生產(chǎn)效率的重要因素。為了確保礦下環(huán)境的舒適度，我們部署了溫濕度傳感器。這些傳感器會持續(xù)監(jiān)測礦下的溫度和濕度，確保它們保持在適宜的范圍內(nèi)。如果發(fā)現(xiàn)溫度或濕度超出安全范圍，系統(tǒng)會立即采取相應(yīng)措施，如啟動通風(fēng)設(shè)備或調(diào)節(jié)礦井內(nèi)的溫濕度，以確保工人們能夠在最佳的環(huán)境中工作[3]。

2.2 人體特征采集模塊

礦井下的工作環(huán)境與一般生活環(huán)境大相徑庭，其封閉、狹小的空間以及潛在的危險氣體，對礦工的身心健康構(gòu)成一定的影響。為了更好地關(guān)注礦工的身體狀況，設(shè)計了人體特征信息采集模塊。在礦工下井之前，需要預(yù)先設(shè)置好溫度傳感器，并將其穿戴在身上。這些傳感器會實時收集人體的生理數(shù)據(jù)，如體溫等，并將這些信息上傳到中心控制室。控制室的工作人員可以實時監(jiān)測到礦下工作人員的體溫數(shù)據(jù)，從而對他們的身體狀況進行評估。更為重要的是，當(dāng)發(fā)生緊急情況或事故時，根據(jù)實時上傳的人體相關(guān)數(shù)據(jù)信息，優(yōu)先對那些急需救援的人員采取行動，最大限度地減少人員傷亡。這種實時監(jiān)測機制不僅提升了救援的效率，更為礦工的生命安全提供了有力保障，進一步確保了礦井生產(chǎn)的安全順利進行。

2.3 井下人員定位模塊

該模塊的設(shè)計主要利用多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一套定位系統(tǒng)節(jié)點，以此來實現(xiàn)對井下工作人員的位置信息進行實時獲取和定位。其中，該系統(tǒng)的節(jié)點設(shè)計主要包含了未知和信標等兩個節(jié)點。簡單來說，信標節(jié)點就是指定位系統(tǒng)的坐標系，而未知節(jié)點，則是井下工作人員所配備的被定位設(shè)備節(jié)點。這些未知節(jié)點的位置信息是以信標節(jié)點為基準的相對位置信息。結(jié)合布置地點的參數(shù)信息，通過特定的計算方法，這些相對位置信息被轉(zhuǎn)換成實際的地理坐標信息。當(dāng)相關(guān)信息被上傳到控制中心之后，其工作人員就可以實時地了解和掌握工作人員的位置情況，從而促進工作效率提高，并且還能夠達到預(yù)防生產(chǎn)安全風(fēng)險的效果。尤其是在煤礦井下可能發(fā)生爆炸或者塌方的地方，通過定位系統(tǒng)可以起到更好的預(yù)防和救援作用[4]。

2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測中心模塊

該模塊作為整個煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的核心模塊，承載著信息的匯集與任務(wù)的調(diào)度功能。這個中心運行著專門開發(fā)的軟件平臺，該平臺承擔(dān)著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、上傳、顯示等多項任務(wù)。此外，它還包括電腦終端的數(shù)據(jù)接收、上傳、顯示軟件，以及安卓手機端的信息顯示軟件。所有收集的數(shù)據(jù)還會實時上傳至云平臺進行存儲。數(shù)據(jù)監(jiān)測中心的工作人員通過軟件平臺，實時監(jiān)控礦井下的各類環(huán)境參數(shù)，如瓦斯?jié)舛取囟群蜐穸鹊取＿@些數(shù)據(jù)為工作人員提供了礦井下的實時工作狀況。當(dāng)有特定的任務(wù)需要下達時，中心的工作人員會根據(jù)傳感器傳回的數(shù)據(jù)，精準地將任務(wù)指派給最適合的工作人員。這種精準的指派確保了任務(wù)能夠得到及時處理，從而大大提高了礦井下的安全生產(chǎn)水平。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件節(jié)點設(shè)計

主要為安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)軟件的運行提供了基礎(chǔ)支持。因此，在設(shè)計過程中對硬件的合理選擇，對監(jiān)測系統(tǒng)的性能就有直接的影響。結(jié)合無線傳感器的安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在接收到數(shù)據(jù)采集端所采集到的不同數(shù)據(jù)參數(shù)，會經(jīng)過多跳發(fā)送到軟件系統(tǒng)中，再由軟件對數(shù)據(jù)進行處理，然后顯示在終端顯示器上，以此完成了數(shù)據(jù)采集、傳輸和顯示等操作[5]。

3.2 礦井下數(shù)據(jù)采集端設(shè)計

該端的設(shè)計主要由3個部分組成：無線通信模塊、核心處理器以及數(shù)據(jù)采集傳感器等。其中，傳感器的設(shè)計選擇采用ZigBee芯片進行設(shè)計，該芯片能夠?qū)⑺胁杉降臄?shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器中，具體結(jié)構(gòu)見圖2所示。

根據(jù)圖2來看，該硬件設(shè)計選擇采用LPC1756型號的處理器，作為采集端的處理器芯片，該芯片具有低功耗、高集成度的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種傳感器提供服務(wù)。ZigBee模塊在接收到傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)后，通過ZigBee網(wǎng)關(guān)將這些信息傳遞給處理器。處理器采用LPC1756 ARM，負責(zé)進一步處理這些環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。隨后，這些經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至無線網(wǎng)絡(luò)采集點。這些采集點充當(dāng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，將接收到的信息再轉(zhuǎn)發(fā)到井上系統(tǒng)服務(wù)器。井上系統(tǒng)服務(wù)器不僅存儲這些數(shù)據(jù)，還提供了一個平臺，讓監(jiān)測人員能夠利用上位機軟件實時查看、分析這些數(shù)據(jù)。這種監(jiān)測模式實現(xiàn)了對煤礦生產(chǎn)過程中的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，有助于及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，確保煤礦生產(chǎn)的安全順利進行。

3.3 傳感器設(shè)計

安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器主要包含了人體溫度傳感器、瓦斯傳感器、溫濕度傳感器、定位系統(tǒng)節(jié)點傳感器等4個方面。其中，從人體溫度傳感器設(shè)計方面來看，該傳感器的設(shè)計本文選擇采用DS18B20型號傳感器為主。針對瓦斯傳感器的設(shè)計，選擇具有A/D變換器/信號放大器以及催化元件、輸出電路和單片機等多個核心部件的傳感器。這樣一來，當(dāng)井下發(fā)生瓦斯氣體泄漏時，傳感器中的催化元件就可以檢測到對應(yīng)情況，并出現(xiàn)相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)。接著，氣體的濃度會通過電壓大小的方式進行表達，并由數(shù)值的方式顯示出來。而溫濕度傳感器的設(shè)計，主要由4個部分組成：串行接口電路、溫度/濕度傳感器以及A/D轉(zhuǎn)換器等。其傳感器的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)在不同惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定地實施檢測工作，同時，該傳感器還具有較高的精準度，可以實現(xiàn)對不同傳感器進行精準。

3.4 綜合調(diào)度信息系統(tǒng)

在煤炭生產(chǎn)過程中，綜合調(diào)度信息系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色。該系統(tǒng)通過DCS信息采集技術(shù)，可以實現(xiàn)對煤礦安全生產(chǎn)工作進行相應(yīng)的調(diào)度、監(jiān)控以及反饋，還能夠?qū)ζ渖a(chǎn)安全情況、銷售情況等相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時處理。

綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的運行有助于加強對企業(yè)的規(guī)章及其執(zhí)行情況的統(tǒng)一管理。通過系統(tǒng)的實時控制，系統(tǒng)能夠及時檢測到生產(chǎn)過程中可能存在的安全隱患，并及時發(fā)布相關(guān)信息。這不僅有助于找出問題，優(yōu)化資源配置和使用，還能通過遠程控制實現(xiàn)安全生產(chǎn)管理與遠程基本信息管理的有效結(jié)合。這種結(jié)合進一步強化了對煤礦安全生產(chǎn)的排查和調(diào)度，確保事故隱患在萌芽狀態(tài)就被及時發(fā)現(xiàn)和控制。此外，綜合信息調(diào)度系統(tǒng)在調(diào)度管理方面實現(xiàn)了有效管理。調(diào)度管理的內(nèi)容包括安全隱患排查、安全生產(chǎn)管理、經(jīng)營狀況管理以及圖表臺賬的建立和應(yīng)急指揮預(yù)案的制定等。這些信息的采集和內(nèi)容管理確保系統(tǒng)全面反映煤礦企業(yè)在安全生產(chǎn)過程中的經(jīng)營狀況。同時，根據(jù)實際情況進行及時的調(diào)整和動態(tài)更新，確保對生產(chǎn)全過程的嚴格監(jiān)督和管理[6]。

4 仿真測試分析

為了驗證本系統(tǒng)的可行性和有效性，以某煤礦企業(yè)為例進行了實際應(yīng)用測試。因此，本文選擇從硬件和軟件等兩個方面進行測試分析，以此來證明所提出系統(tǒng)的性能。基于多跳網(wǎng)絡(luò)的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，不僅需要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上實現(xiàn)可靠性和安全性，還需要在監(jiān)測系統(tǒng)上確保其可行性。因此，選擇對系統(tǒng)的硬件進行測試。對于系統(tǒng)硬件的測試，本文選擇從節(jié)點采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)在節(jié)點之間的傳輸、網(wǎng)關(guān)匯聚等方面對井下安全生產(chǎn)監(jiān)測的穩(wěn)定性進行分析。針對測試的場景選擇某個學(xué)校的操場作為例子，對測試過程中的丟包率和錯誤率進行評價分析，以判斷本系統(tǒng)是否滿足需求。具體測試結(jié)果見表1所示。

經(jīng)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，受煤礦井下環(huán)境因素的影響，其通信距離在合理控制范圍內(nèi)，發(fā)送接收包成功率在98%左右，其錯誤率低于2%，滿足了系統(tǒng)通信方面的要求。同時，為了進一步確定本系統(tǒng)的可行性，又對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)節(jié)點采集功能進行了測試，包括溫濕度傳感器節(jié)點、定位系統(tǒng)節(jié)點等。首先，對溫濕度節(jié)點進行測試，當(dāng)傳感器成功采集到相關(guān)數(shù)據(jù)信息后，會經(jīng)過數(shù)字電路進行轉(zhuǎn)換，但在轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)誤差，因此需要對數(shù)據(jù)節(jié)點上的數(shù)據(jù)信息進行精準定位，以確保數(shù)據(jù)的準確性。其次，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，溫度和濕度兩者相差在兩位小數(shù)以上，所以可以忽略不計。此外，通過在本企業(yè)部署本系統(tǒng)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的全面監(jiān)測和預(yù)警報警，及時發(fā)現(xiàn)和解決了多起安全隱患，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全性。同時，本系統(tǒng)還具備良好的擴展性和可維護性，可以滿足企業(yè)不斷增長的需求。

5 結(jié)束語

基于多跳網(wǎng)絡(luò)的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)的重要手段。通過該系統(tǒng)可以對企業(yè)的生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)測和預(yù)警報警，及時發(fā)現(xiàn)和解決安全隱患，提高生產(chǎn)效率和安全性。同時，該系統(tǒng)具備良好的擴展性和可維護性，可以滿足企業(yè)不斷增長的需求。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用需求的不斷提高，該系統(tǒng)將進一步智能化、自動化和集成化，為企業(yè)提供更加高效和安全的生產(chǎn)環(huán)境。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】