煤礦安全監控系統智能化水平的提升研究

＊白 莉

（山西省能源職業學校 山西 030006）

在國內安全技術不斷發展的同時，國家對智慧礦山的高度重視，煤礦企業對監控系統的個性化和智能化要求越來越高，已有的監控體系面臨的問題也越來越突出，例如，目前的監控體系架構相對繁瑣，功能不夠完備，由于各裝置之間無法進行有效的整合，無法對所收集到的資料進行綜合分析，造成數據的使用率較低。盡管最近幾年，我國許多學者都對礦井安全監測體系做了許多研究，但是大部分的研究都是圍繞著礦井安全監測體系的運營和維修方面展開的，許多學者都在研究如何提高礦井安全監測系統的自動化和智能化。通過對實際工程的調研與分析，從數據采集、系統架構、設備的智能化水平等多個角度對監控數據進行了處理。在此基礎上，從數據的處理、應用等方面對礦井的智能化水平進行了研究。

1.煤礦智能化概念

隨著人工智能、大數據、物聯網技術的快速發展，現代煤礦產業的智能化水平也取得了長足的進步，現在已經形成了集感知、分析、決策為一體的智能控制系統，可以確保煤礦施工各個環節的自動化運行。

2.安全監控系統與智能化建設要求差距

（1）系統傳輸架構相對較復雜。在使用有線通信的情況下，傳感器與地面控制中心之間信息傳輸要經歷3 個中繼站。在無線通信系統中，傳感器與地面控制中心之間信息傳輸要經歷4 個中繼站。由于數據傳輸的網絡結構較復雜，檢修困難，且外部環境容易對網絡造成干擾。

（2）該系統功能不完善，采集數據少，自主分析數據的功能差，現有的傳感器只能收集到環境中的有毒、有害氣體及裝置的工作狀況，沒有收集到其他相關的數據。并且對所收集的數據，該系統并沒有充分的分析，例如，檢測到開采面的氣體含量逐步上升，無法判定前面是否有地質構造，是否要加大通風量來稀釋氣體等。

（3）井下監控系統設備按照功能可以分為供電設備、通信設備、信號采集設備等。由于監控系統需要采集大量的數據，同時傳感器類型單一，為了更加全面地采集信息，需要布設大量的傳感器。為了減少傳感器布設的數量，可以采用多參數傳感器。

（4）不同系統間的設備難以有效聯動。目前礦井中設備的融合主要依托的是地面的控制中心，但是該方法無法難以實現設備間的高效融合，同時存在較大的延遲，功能較為單一。

（5）該系統不能進行高效地自我診斷。在該系統中，如果傳感器安裝在不正常的情況下，不能準確地識別出故障，并且不能判斷停電閾值的設定是否合理。同時，在系統發生故障時，無法進行自我修復，并且傳感器的故障會對系統上的其他零部件產生影響，造成整個系統的癱瘓。

3.提高安全監控系統智能化水平的思路

(1)減少傳輸層級和實現硬件融合

常規的安防監控體系是3 層或4 層結構，采用以太網+總線方式進行監控，該監控體系存在的問題在于需要布設大量的設備，線路結構較為復雜，花費的費用較高，并且影響數據的傳輸效率，系統巡視周期較長。所以，把數據的采集、處理、運算和交互等各個環節都整合到一個多用途的監測分站上，并通過一個多用途的監測分站來搭建一個自組織的傳送平臺，從而建立從有線的傳感終端到地面的中央站的二級傳送結構，簡化網絡傳輸的結構。二級傳送體系結構簡單，維護周期短，建設費用低廉，穩定性高的優點。

多功能監控分站可以同時不同傳感器的數據進行采集，還可以對設備運行的實時數據進行采集，并且能夠實現不同通信系統之間的通信轉換和連接，從而提升系統工作的可靠性，加強系統間設備的融合性。

(2)裝備智能化

裝備智能化需要大量的數據支撐，只有采用多樣化的設備，同時提升裝備的計算能力，才能夠確保智能化水平的實現。所以，為了提升裝備的智能化水平，可以從提升裝備水平和運算水平兩個方面實施。

①多功能監控分站智能化

多功能監控分站的作用作為監控系統最重要的模塊，其作用包括數據的采集、轉換和傳輸，同時將系統設備進行有效融合，所以，要重視提升監控分站的智能化水平。

A.多功能監測分站采用多信號傳輸的接口，根據信號傳輸的方式還有連接設備的差異進行通信方式的選擇，如無線傳輸主要采用的通信方式為Wi-Fi，監控分站與中心站和傳感器等之間的通信方式為以太網。

B.強化異地交叉控制水平。為了確保在脫離主干網絡的情況下，一樣能保證多功能分站能夠實現區域內的設備狀態數據監測，定位人員位置，播放應急廣播信息。

C.在遠程升級上，完成了對礦井多用途監測系統的現場遙控升級。在多功能監測分站添加或改進某些功能后，不需要維修人員去礦井下逐個修改裝置，只要在中央計算機上按一下對應的裝置，就可以對礦井下裝置的程序進行升級，從而大大減少了對工作人員的需求。

D.智能化的多用途分站應該具備能夠對每一條線路上所接傳感器的種類、量程和訪問時間等進行自動辨識的能力。在實際應用中發現，由地面中心臺確定的傳感器類型及范圍，并不能滿足工程現場的要求，造成了大量的錯誤報警。通過對多功能監控分站的改造，實現了對各通道上各傳感器的種類、量程、存取時間的自動識別，并將其實時傳送至地面的控制中心，由工作人員按照上傳的數據對其進行設定，防止由于設定失誤而引起警報，實現了從被動式到積極式的轉變。

②電源箱智能化

在煤礦中，常用的電壓等級通常為127 V、380 V、660 V 三種，在傳統的變壓器中，一般采用變壓方式為抽頭，采用這種變壓方式會造成電壓出現較大范圍的波動，當波動的幅度在15%以內時，電源箱能夠穩定工作，一旦超出這個幅度，則電源箱就會出現故障，通信和數據監測功能受到影響。因此需要對電源進行智能化改造。

A.開關電源采用較寬的電壓范圍，在90～1200 V的范圍內，開關電源能夠進行快速的識別和切換，確保了在外部電源波動較大的情況下，本安電源和電源箱都能保證工作的穩定性。

B.本安輸出功率為模塊式，各模塊各自獨立工作，互不影響。

C.電源箱內參數檢測。強化對電源箱運行參數的監測，保護電壓、電流和溫度等運行狀態參數，同時還包括電池的充放電狀態等，在采集到監測參數以后，及時上傳到中心軟件。電源箱上需要具有電源指示燈狀態指示燈，并且能夠在故障消除后恢復初始狀態。

D.確保供電穩定。提供備用電源，在供電系統故障的情況下，備用電源應能立即接入，保障系統能夠穩定工作4 h 以上，備用電源應具備電池管理功能，以免出現過充或者過放。

E.確保通信穩定。電源箱的實時狀態信息應該能夠傳輸到地面中心站，操作人員也可以通過通信網絡對電源進行遠程維護。

③傳感器智能化

為了確保安全監控系統的穩定運行，需要采集大量的數據，傳感器是確保數據完整性和穩定性的基礎。以現代單片機技術為核心，研制新型的傳感器，提高其工作效率與工作穩定性，豐富傳感器檢測參數的內容，完成了對傳感器進行自檢測、自診斷功能。

A.傳感器數字化。所有傳感器、斷電器實現全數字化傳輸，使傳輸信息更多，內容更豐富。豐富傳感器監測的內容，傳感器需要對周邊環境進行監測，還需要對傳感器本身的工作狀態數據進行監測，所有的監測數據最終上傳到地面控制中心。

B.傳感器分級報警。操作人員在軟件端設置不同的報警閾值，并發送至傳感器，傳感器在獲取到監測數據后，和已設置的閾值進行對比，確定故障等級并發出相對應的報警信號。

C.傳感器精確定位。對傳感器的安裝位置進行精確地采集，并與預設的安裝位置進行對比，保證傳感器安裝在預定的位置上。

D.模擬量傳感器在線調校。在不需要在中心站軟件上設定的情況下，每個星期都會定時對該傳感器進行調校，并可以在當地和上傳平臺上自動展示調試狀態，減輕了工作人員的負擔，同時也避免了由于工作人員未及時進行調校出現的報警次數。

E.異常數據的自動標記與存儲功能。在傳感器正常工作的情況下，傳感器可以自動地識別校準數據和異常數據，并且具備數據存儲功能，用戶可以通過遠程控制來查詢數據，但是不能進行手動地更改和刪除[1]。

F.采用效率更高的開關電源，同時采用貼片型的元器件，能夠大幅度提升傳感器功率，使得傳感器信息傳輸的距離增加。

G.為了最大限度減少外部環境對傳感器的干擾，應對傳感器采取防護措施，包括抗靜電設計和防輻射措施等。

H.傳感器采用不銹鋼帶包裹，外部覆蓋注塑殼，使得傳感器具有IP68 的防護水平。

4.提高系統數據分析能力

井下傳感器采集到的數據通過數據轉換和數據傳輸至中心站軟件并存儲，用戶可以在軟件界面進行數據查看和調取歷史數據并打印；用戶可以在軟件操作界面上對井下的設備進行參數的定義。隨著各種技術的發展，為了提升系統的智能化水平，軟件還需要進行以下功能的擴展。

（1）增加即插即用功能。中央控制軟件可以對每個測量點所連接的傳感器種類、測量范圍和訪問時間等進行自動辨識，如果發現中央控制軟件所設置的傳感器種類和實際所安裝的傳感器類型不符，則不存儲所收集到的傳感器數據，并進行類型失配報警。

（2）傳感器在線調校。當傳感器工作正常時，可對其進行調試，這時，軟件就能檢測出調試狀態，并為調試數據打上專用的記號，這樣就可以把它與普通的數據區別開來。

（3）加強區域管理。對不同區域的傳感器進行獨立管理，一旦發現某個區域內部傳感器數量或者工作狀態異常，則可以迅速定位故障區域。

（4）提升系統自診斷功能。該方法以一定的時間間隔來收集數據，并對數據的變化趨勢進行分析，按設定的門限值判斷其是否存在問題，并提出相應的處理方法。

（5）增加傳感器、控制器設置及定義診斷評估功能。可以按照基本的結構信息，對傳感器裝置和傳感器報警、斷電、復位門限的設定進行自動診斷，如果不滿足規定，則無法正確地定義傳感器，并給出聲音提示報警。

（6）實現對工作站運行狀態的監測。對工作站的供電模塊、通信模塊還有各設備之間的連接狀態進行檢測，當發現工作站狀態異常時，及時發出報警信號[2]。

（7）劃分不同的警報等級。根據故障可能造成的后果嚴重程度進行故障等級的區分，并確定不同的故障閾值。傳感器采集到數據后，跟設定的閾值進行對比，從而確定對應的故障等級，并發出相應的報警信號，一般情況下，故障等級分類不得少于4 級。

（8）添加中心站對井下模擬量傳感器進行遠程升級的功能。如果傳感器添加或者改進了某些性能，那么不需要維修人員深入井下或者替換到地面上去進行逐個的更新，只要通過中央控制中心的軟件，就可以對該裝置進行修改和升級，減少了工作人員下井的次數，降低了工作量和安全風險[3]。

（9）能夠實現信息的快速查詢和篩選。

（10）具備數據記錄功能，自設備投入使用以后，系統可以對設備的操作數據、狀態數據進行記錄，并可將數據導出。

5.結語

通過對網絡傳輸結構的優化，并且采用功能更加豐富的監控分站等措施，可以實現系統結構的優化，同時提升了系統的數據分析水平；增加中心站軟件，操作人員在操控中心即可以實現對井下多種設備的程序更新，對不同設備功能的調節，減少工人下井的次數，使得監控系統的智能化水平大幅提升。