煤礦云平臺監控系統研究

摘 要：為了解決煤礦產業中存在的信息不對稱、危險源排查難度大、監控服務不全面等問題，使相關管理人員能夠基于科學數據迅速且精準地掌握煤礦安全狀況，進而有效應對各類安全問題并作出決策，采用物聯網技術、云計算、大數據等手段，構建了一種新型高效的煤礦監控云平臺。該平臺集成了數據集成、信息共享、安全管理、數據分析、安全預警、故障診斷等功能，實現了煤礦智能監控、優化調度、需求響應等業務。基于該平臺，能夠高效解決煤礦企業生產過程中的各種安全問題，滿足煤礦安全生產的需求。

關鍵詞：煤炭開采；物聯網技術；云計算；大數據；煤礦監控云平臺；煤礦安全生產

中圖分類號：TP391； TK01 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

煤炭是我國的基本能源，也是重要的工業原材料。當前，煤炭開采正朝著高強度的方向發展，并且伴隨著多種災害風險，導致煤礦事故頻繁發生，因此迫切需要改善煤礦開采的安全條件。通過對近年來煤礦安全事故的調查和分析可知，造成煤礦事故的最主要原因是對事故危險源的信息采集不全面，以及信息處理決策支撐不足，使得決策缺乏科學性[1]。

從整體應用層面來看，傳統煤礦自動化監控系統幾乎都是獨立建設和運行的小型系統，并且采用單系統單業務模式。這種情況下會存在“信息孤島”現象嚴重、業務互聯互通不足、數據價值挖掘利用差等問題[2]。傳統煤礦自動化監控系統包含4大子系統：壓風系統、提升系統、水泵系統和供電系統。其整體架構如圖1所示。

壓風系統是煤礦中用于監控壓風機的控制系統，負責實時監控通風主管路的壓力以及壓風機機體的各項參數。提升系統主要用來檢測煤礦主井和副井的工作狀態，實時監控制動油壓、潤滑站油壓、主電機電流、提升機速度等參數。水泵系統是煤礦井下監測監控系統的重要組成部分，用于實時監測井下排水系統中水泵機組的工作情況。關鍵的監控參數包括排水量、電機電流、泵體溫度等。供電系統則用來實現井上和井下變電所的遠程集控功能，并且能夠對配備高低壓綜合保護裝置的供電柜執行遙測、遙信、遙控的“三遙”功能以及相應的控制操作。

煤礦云平臺監控系統主要由物聯網、云計算、大數據等先進技術構建而成，它整合了多個監測平臺的數字資源，且具有搜集和剖析數據的能力，集數據集成、信息共享、安全管理、數據分析、安全預警、故障診斷等功能為一體，旨在為用戶提供一種更為便捷、安全且實時的監控系統。通過這一系統，煤礦企業能夠高效應對生產過程中的各類安全問題，迅速處理煤礦安全事故，從而有效改善我國當前煤礦安全生產所面臨的嚴峻形勢。

1 系統需求分析

1.1 煤礦安全監控系統存在的問題

煤礦企業對于所需的安全監測系統提出了越來越高的要求。從煤礦生產安全監測平臺系統網絡化、智能化、信息化的發展角度來看，當前的安全監測系統通過融合物聯網技術和云計算，有效整合了多個監測平臺的數字資源，實現了操控和流程的一體化集成。它將辦公智能化與生產安全平臺智能化有機融合，實現了科學高效的生產。然而，我國煤礦安全監控平臺系統仍存在以下4個問題：

（1）子系統集成簡單。目前的煤礦安全監控平臺系統僅僅是對生產平臺中的多個子系統進行了有效信息的簡單匯總。雖然所有生產平臺的內容都被統一集成在一個系統平臺上，但仍然存在一系列問題，包括“信息孤島”現象嚴重、業務互聯互通程度不夠、數據價值挖掘利用差、資源共享能力低等。

（2）子系統集成模式單一。煤礦企業的每個生產平臺子系統都有自己獨立的服務器，都是獨自配置、維護，連接性不強。這導致各個子系統集成時硬件平臺重復、繁雜，增加了不必要的維護成本。

（3）數據資源無法實現共享。由于平臺系統在建立時受限于特定的平臺網絡，使得所建平臺成為一個不夠開放的信息系統和通信平臺，這導致平臺信息資源的可用性低、共享性差，也增加了平臺系統的構建成本。

（4）自動化集成系統結構復雜。目前的煤礦安全監控平臺系統只是將生產平臺中的各個子系統數據通過網絡匯總在一起。然而，隨著煤礦企業的持續建設，子系統的數量將會增多，系統集成的復雜度也會提高，同時還會導致大量的資源浪費。

1.2 解決方法

隨著生產平臺的子系統數量不斷增加，可以采用物聯網模塊和云平臺技術相互融合的方式，設計一個云平臺自動監控系統。通過云平臺系統對各個子系統進行統一化管理，在高性能服務器上搭建虛擬服務器，充分利用現有硬件資源。在此基礎上，建設煤礦企業私有化云服務器。

針對目前大量煤礦監控數據存儲時只能實現簡單的數據分析和邏輯控制，無法對特殊信息和報警信息類型進行區分的問題[3]，可以搭建一個云平臺分布式存儲系統。該系統可以為煤礦云平臺提供可靠、安全的數據存儲和顯示服務。

1.3 煤礦云平臺監控系統的性能需求

煤礦企業已經實現了安全生產的監測監控，但系統的后期維護和日常故障處理相對繁瑣。隨著煤礦企業的建設發展，生產平臺中的子系統數量不斷增加，集成平臺的硬件投入也逐漸增多。煤礦中的各種監控子系統是獨立建設的，沒有形成統一的數據集成標準，導致數據共享和信息融合方面的問題愈發突出，故障頻發，無法充分發揮自動化平臺監測監控的功能。

為解決上述問題，提出以下性能需求：

（1）在Web網頁端為用戶提供煤礦安全監控系統、礦井人員定位系統以及煤礦生產監測系統各子系統的實時工況信息，構建系統運行的綜合顯示界面。

（2）在Web網頁端主要采取可視化展示方式，并集成了實時數據監測、異常報警監控、歷史數據查詢統計以及圖表展示等功能。這些功能能夠直觀清晰地呈現礦井工作人員的地理位置信息和異常數據相關信息[4]。

（3）實現各個子系統的歷史數據查詢和報表信息的查詢功能，以及歷史數據曲線的在線查看功能。

（4）提供基于B/S架構模式的系統搭建環境，用戶通過瀏覽器輸入具體網址即可查看相關系統的數據信息，并能通過操作界面對部分數據進行修改，實現系統的自動化監測監控。

2 煤礦云平臺監控系統平臺架構

在煤礦監測監控系統不斷發展、系統集成規模不斷擴大的過程中，為煤礦企業提供一套健全、成熟的基于云平臺的煤礦生產監控系統，實現煤礦生產的智能化管理，是保障煤礦企業高效運作的關鍵[5]。

經研究發現，現有的煤礦監控系統已無法滿足煤礦企業的發展和管理需求。因此，基于云平臺的煤礦監控系統的建設需要達到以下3個目標：

（1）系統可擴展性

基于云平臺的系統采用模塊化編程技術，以實現功能的模塊化和組件化。用戶通過模塊化編程，在不需要進行系統重新構建的前提下，就可以輕松對多個自動化系統進行集成建設，促進系統集成業務的發展。

（2）" 數據同步性

云平臺系統的數據需要與底層煤礦自動化子系統的數據保持實時同步，并確保數據的安全性。

（3）遠程管理性

云平臺系統提供B/S架構下的Web端瀏覽服務，使各級管理員和技術員能夠及時掌握煤礦生產信息并對設備進行遠程控制運作。

現代化的煤礦企業將信息化、規范化和安全化作為生產管理的建設目標，對煤礦監控系統的集成性和可靠性提出了更高的要求。“互聯網+”的出現促進了云平臺、云計算、物聯網技術與傳統行業的結合。通過研究云平臺、物聯網技術、云計算與煤礦監控監測系統的結合，得到了可靠的方法來構建基于云平臺的煤礦生產安全監控系統，實現多個子系統的集成、信息共享、智能決策，推動了煤礦產業的升級，對提升煤礦開采效益和科學監測監控水平具有重要的意義。基于云平臺的煤礦物聯網體系架構如圖2所示。

基于云平臺的煤礦物聯網體系架構分為4層：

（1）感知與控制層：位于整個架構的最底層，其功能主要是實時監控、監測各個子系統，采集和上傳系統中各設備相關數據信息。

（2）網絡層：主要職責是構建可靠且穩定的數據傳輸網絡，確保從感知與控制層采集到的數據能夠準確無誤地傳輸至云平臺的實時數據庫中。

（3）M2M層：其主要功能是部署過程控制系統，并負責開發和管理M2M系統應用接口，為煤礦云平臺監控系統提供實時數據監測服務，實現煤礦安全生產過程的可視化監控。

（4）云平臺層：位于系統平臺架構的最頂層，其主要功能是將來自于感知與控制層的數據采用分布式方式進行存儲，在云存儲架構的基礎上建立數據集群，為云平臺提供數據的存儲、解析、云端計算等各類服務。

3 煤礦云平臺監控系統架構

3.1 云平臺建設思想

以往各自動化監控系統和安全監控系統之間是相互獨立的，這種應用模式在系統功能提升、數據統一以及數據的集中處理等方面存在諸多不便。為了提高煤礦的自動化管理水平，必須通過集中部署各子系統，實現對數據信息的分布式存儲、快速處理和融合發掘。為了實現這一目標，引入了一臺高安全性的物聯網網關，它能夠直接從底層的PLC[6]中提取數據并上傳至云端服務器。這樣一來，就能擺脫對傳統自動化系統組態平臺的依賴，在云平臺上提供各種自動化系統的界面展示、遠程控制和數據應用等服務。圖3展示了云平臺監控系統的架構[7]。

云平臺監控系統的設計充分利用了云平臺的分布式存儲功能和數據管理功能。通過運用云平臺的數據處理、計算分析以及決策支持能力，并結合其數據分布式存儲特性，保障了數據的安全性和一致性，并在數據異常時提供了數據恢復能力。煤礦云平臺監控系統的運用不僅能夠降低企業管理成本，減少數據信息管理的復雜度，還能提高煤礦數據信息的安全性。

3.2 煤礦云平臺監控系統架構設計

為了實現各個煤礦子系統數據的有效采集、可靠傳輸、安全存儲以及高效上傳，設計了煤礦云平臺監控系統的實現方案。

該系統從底層的PLC采集數據，隨后通過物聯網模塊將數據發送到云平臺。系統利用嵌入式技術發掘云平臺的互聯功能，從而將自動化監控系統接入物聯網。在煤礦專用的云服務器中，實現數據的采集和安全輸送。通過云平臺提供的云計算服務，采用私有云服務器，構建了基于云平臺的自動化監控系統平臺。云平臺包括了煤礦端的采集監控服務器集群、煤礦級的云存儲服務、云平臺的數據服務中心以及云平臺應用層軟件系統。

為了解決傳統部署方式存在的問題，系統采用了服務器虛擬化技術，通過在高性能服務器上搭建多個虛擬服務器，為煤礦云平臺監控系統提供靈活的硬件資源[8]。采用云存儲技術，將采集的數據進行云存儲，為后續新增煤礦子系統提供可用的計算機資源，實現硬件資源的池化及虛擬資源的統一管理。云存儲技術為煤礦建設龐大的數據中心提供了大數據平臺，支持實時及歷史數據的展示。在應用層開發了各種功能，包括數據分析、報警信息、故障預警等，為指揮系統提供決策支持。圖4為煤礦云平臺監控系統方案架構。

煤礦云平臺監控系統包括底層的煤礦監控子系統、各子系統對應的虛擬服務器、云平臺中的專用服務器、云監控平臺以及煤炭集團和地方煤管局的數據上傳通道。通過這一系統，實現了將煤礦中的數據信息上傳至煤炭集團的數據中心，各級領導可以直接借助所提供的調度顯示平臺和調度指揮綜合顯示大屏進行管理和決策。

通過在高性能服務器上虛擬出服務器集群，滿足了煤礦子系統升級改造和新建子系統對新硬件投入的需求。在系統內部，利用網絡防火墻和局域網端口隔離技術，對煤礦內的辦公網絡和自動化集控網絡進行了物理隔離。

云平臺監控系統的專用服務器承擔了連接各個煤礦中的自動化子系統的任務，通過直接與底層PLC進行實時通信，將采集到的數據存儲于煤礦數據中心的數據庫中。該服務器不僅集成了網關和防火墻功能，能夠有效防范病毒的入侵和惡意攻擊，同時還采用了基于嵌入式系統的硬件結構，將云存儲、分析、轉發服務、防火墻、服務器有機融合，以確保系統不僅具備高可靠性，還具有高安全性。

3.3 系統功能結構設計

煤礦云平臺監控系統的主要功能是通過收集、分析和處理煤礦作業過程中所生成的數據，為煤礦集團的基礎決策提供支持，并向監管部門提供真實、準確、全面的信息，以增強其監督管理能力，從而確保煤礦的安全生產。在設計煤礦安全監測系統時，需要考慮自動化技術的需求，配置相應的傳感器設備，并關注平臺系統的規范性和開放性。在滿足系統功能需求和基本框架結構的基礎上，制定系統設計的整體方案。目前設計的系統基本結構如圖5所示。

系統由5個部分構成，每個部分的功能如下：

（1）用戶管理：實行用戶分級授權管理，通過身份驗證的方式實現不同權限用戶的資源與功能分配，不同權限的用戶可以操作或者瀏覽不同的自動化子系統[9]。

（2）礦井監控子系統：收集煤礦作業過程中各監控子系統所生成的數據，通過煤礦數據中心的數據庫，對歷史數據和實時數據進行分析、處理，利用數據、表格、趨勢圖等內容，實現對煤礦作業情況的監控。

（3）專家系統：該系統主要根據報警信息、故障預警來應對、處理突發事件，實現應急預案的制定、發布，并實時記錄落實情況。

（4）礦井人員定位系統：主要負責煤礦井下人員的定位，包括人員和設備的定位、動態監控等。該系統能夠實時監測井下人員的位置，記錄攜卡人員的關鍵數據信息，并提供查詢、報警和管理等功能。

（5）網絡傳輸系統：該系統的作用是通過已部署可靠、穩定的數據傳輸網絡，保證煤礦作業中采集數據的可靠傳輸，將數據傳輸到云平臺的實時數據庫中。以物聯網技術為基礎，通過CAN總線和GPRS網絡相結合的方式實現井上井下的信息傳遞，有效解決多網、多系統融合等局限性問題[10]。

4 結 語

本文針對煤礦集團企業裝配的多個煤礦監控平臺系統存在獨立設計、平臺集成不足、數字資源集成分享與結合程度較低的問題進行了研究，提出了一種基于云平臺的煤礦綜合自動化集成系統。該系統融合了煤礦綜合自動化監測系統中的各個子系統平臺，實現了多平臺系統中單獨數據信息的高效結合。這一方案有效解決了煤炭監控中存在的多個單獨平臺集成難度大、構造復雜、服務器堆集狀態嚴重、平臺維護管理困難以及數據結合度低等問題。通過云平臺存儲數據，提升了煤炭綜合自動化平臺大量數字信息的存儲安全性、可靠性和共享性，使煤礦綜合自動化平臺能夠更加可靠和穩定地運行。這一創新為解決煤礦監測系統在數字資源整合方面的問題提供了有效的解決方案。

注：本文通訊作者為馮鋒。

參考文獻

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