為保障煤礦安全生產(chǎn)，提升煤礦安全監(jiān)管水平，文章提出了煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層次，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與檢測、現(xiàn)場監(jiān)測與控制、遠(yuǎn)端監(jiān)控指揮等功能。

　　1 引言

　　盡管我國煤礦安全生產(chǎn)已取得了不小的進(jìn)步，但是從橫向比較，其總體水平還比較低，與國際上煤礦安全生產(chǎn)先進(jìn)水平相比還有較大差距，尤其是重特大煤礦安全事故還屢有發(fā)生。如何利用信息化產(chǎn)品，保障煤礦安全生產(chǎn)，預(yù)防事故發(fā)生，在事故發(fā)生后快速、準(zhǔn)確定位，進(jìn)行應(yīng)急搶救搶修，成為擺在我們面前的重大課題。

　　2 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控存在的問題

　　我國大多數(shù)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題不容忽視，主要有以下問題：

　　（1）煤礦井下作業(yè)遠(yuǎn)離地面，地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣，與地面人員間溝通不便、不及時，地面人員難以及時動態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況；

　　（2）煤礦事故發(fā)生后，搶險救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低，搜救效果差；

　　（3）大部分煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備落后且老化，不能很好地適應(yīng)井下環(huán)境，不能很好滿足煤礦安全生產(chǎn)需要；

　　（4）現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)各成體系，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和接口，造成了監(jiān)測工程中數(shù)據(jù)漏報、系統(tǒng)間無法正常通信等問題，導(dǎo)致安全隱患的出現(xiàn)。

　　3 煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　針對以上問題，本文提出一種煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)系統(tǒng)，按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一部署、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一接口與標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)分成三個層次，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)系統(tǒng)整體模型

　　感知層主要由傳感器組成，將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過通訊模塊傳送至控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測與采集。感知層包括：1）傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如地面井口、煤臺、井下等場所安裝的視頻監(jiān)控和傳感設(shè)備；2）數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括礦井傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)接入、傳輸和匯總。

　　網(wǎng)絡(luò)層通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，實(shí)現(xiàn)物體信息實(shí)時準(zhǔn)確地傳輸與交互。網(wǎng)絡(luò)層采用三級架構(gòu)，即煤礦企業(yè)、市級分控中心、省級監(jiān)控中心，以“分級監(jiān)管，分級響應(yīng)”的機(jī)制，搭建煤礦安全生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)控監(jiān)管。網(wǎng)絡(luò)層包括：1）礦井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的上傳；2）煤礦企業(yè)的數(shù)據(jù)專線；3）省監(jiān)控中心以及煤炭集團(tuán)、市分控中心的寬帶數(shù)據(jù)專線。應(yīng)用層利用云計(jì)算、模式識別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)與信息進(jìn)行分析和處理，對物體實(shí)施智能化的控制，包括遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制、煤礦安全事故應(yīng)急指揮、信息上傳與共享等。應(yīng)用層包括：1）主機(jī)與存儲系統(tǒng)建設(shè)；2）煤礦企業(yè)、市級、省級監(jiān)控中心顯示、調(diào)度、指揮系統(tǒng)；3 ） 煤礦企業(yè)上報信息的標(biāo)準(zhǔn)化工作；4）門戶網(wǎng)站及安全系統(tǒng)建設(shè)。按照以上設(shè)計(jì)，整體網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

圖2 煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

　　（1）煤礦井下瓦斯、風(fēng)速、設(shè)備開停等運(yùn)轉(zhuǎn)情況的適時監(jiān)測、分析和控制，同時將以上監(jiān)測數(shù)據(jù)通過公用電話網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、光纖光纜傳送到各級煤炭安全生產(chǎn)管理部門；

　　（2）煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)察監(jiān)管動態(tài)管理，實(shí)時了解煤礦的安全生產(chǎn)工作狀態(tài)，隨時掌握煤礦的有關(guān)安全技術(shù)工作參數(shù)（包括安全技術(shù)參數(shù)、安全監(jiān)察監(jiān)管要求數(shù)據(jù)）的情況，各煤礦點(diǎn)能夠?qū)嵤┯行У娜粘０踩芾恚罕O(jiān)部門能夠?qū)Ω髅旱V點(diǎn)的安全生產(chǎn)工作實(shí)施有效的監(jiān)督管理；

　　（3）在煤礦發(fā)生事故時，可提供煤礦點(diǎn)的基本技術(shù)數(shù)據(jù)、企業(yè)和政府的事故應(yīng)急處理預(yù)案、事故救援資源的分布信息等，為市、省級公共安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)提供相應(yīng)基礎(chǔ)信息支持，為科學(xué)決策實(shí)施有效救援提供技術(shù)支持。

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　　4 煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)系統(tǒng)建設(shè)

　　煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)系統(tǒng)建設(shè)方案如圖3所示，整體上按以下三個層面進(jìn)行： 

圖3 煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)系統(tǒng)的建設(shè)方案

　　4.1 感知層的建設(shè)

　　感知層主要由計(jì)算機(jī)、主控接口、分站及各種傳感器組成，如圖4所示。主控接口不斷地輪流與各個分站進(jìn)行通信，各分站接到主控接口的詢問后，立即將收到的各測點(diǎn)（開關(guān)量、模擬量）進(jìn)行檢測變換和處理，同時就地時刻等待主控接口的詢問以便把檢測的參數(shù)送到地面主控接口，主控接口將收到的各種數(shù)據(jù)處理后同時傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將收到的實(shí)時信息進(jìn)行處理和存儲，并通過顯示器顯示各種測量參數(shù)、實(shí)時或歷史數(shù)據(jù)、曲線、圖形和報表等。 

圖4 感知層內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　把感應(yīng)器嵌入或裝配到礦山設(shè)備、油氣管道、礦工設(shè)備中，可以感知危險環(huán)境中工作人員、設(shè)備機(jī)器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息，將現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺提升為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)時感知、準(zhǔn)確辨識、快捷響應(yīng)及有效控制。感知層建設(shè)包括：

　　（1）井下人員登記、考勤、定位。采用RFID卡，記錄工作人員卡號信息，讀取卡號，聲光提示。用戶卡可以放在安全帽內(nèi)，或者攜帶在身上可靠部位。被動定位，主動考勤。井下人員定位系統(tǒng)，是礦井地面監(jiān)控中心主計(jì)算機(jī)在軟件數(shù)據(jù)庫的支持下，通過傳輸接口和巷道鋪設(shè)的通訊光纜，對井下員工進(jìn)行實(shí)時跟蹤，數(shù)據(jù)信息經(jīng)軟件處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，使井下人員動態(tài)分布或環(huán)境安全狀態(tài)在主計(jì)算機(jī)中得以實(shí)時反映，從而實(shí)現(xiàn)井下安全狀態(tài)在井上數(shù)字化管理的目的。

　　（2）扇風(fēng)機(jī)狀態(tài)顯示及遠(yuǎn)控。風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，對電機(jī)電流、電壓、軸承溫度、壓風(fēng)流量、風(fēng)速、壓力等參數(shù)在線連續(xù)監(jiān)測與保護(hù)。在扇風(fēng)機(jī)控制柜上加裝狀態(tài)智能儀表，實(shí)時顯示每臺扇風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)；在地面上位機(jī)以多種形式顯示電機(jī)電流、電壓、功率因數(shù)，比如以表格、曲線形式顯示、柱狀形式顯示等；在主控機(jī)上設(shè)置就地、遠(yuǎn)控轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)對每臺扇風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)方控制。

　　（3）風(fēng)速、風(fēng)量、負(fù)壓、軸溫在線檢測。在扇風(fēng)機(jī)控制柜處設(shè)置控制主機(jī)一臺，主機(jī)上設(shè)置智能儀表，實(shí)時顯示巷道中的風(fēng)速、風(fēng)量、負(fù)壓、軸溫。

　　（4）水泵控制系統(tǒng)監(jiān)測與遠(yuǎn)控。結(jié)合礦井排水特點(diǎn)，新增加自動控制功能。由各種先進(jìn)可靠的傳感器、保護(hù)裝置、電動閘閥、電磁閥等設(shè)備組成礦井主排水自動控制系統(tǒng)，通過智能測控器的接口和光纖適配器與井下以太網(wǎng)聯(lián)接，將信息傳輸?shù)降孛嬷鳈C(jī)，構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)。

　　（5）傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)接入、傳輸方面，對于固定的井口、風(fēng)機(jī)、風(fēng)門等，采用光纜或雙絞線等有線傳輸進(jìn)行連接；對于需要經(jīng)常移動的工作面和特別監(jiān)控點(diǎn)，可采用WCDMA/GPRS或WiFi或Zigbee等無線傳輸，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控點(diǎn)快速部署。

　　4.2 網(wǎng)絡(luò)層的建設(shè)

　　對于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的上傳，具備有線傳輸條件的，可采用有線傳輸；不具備有線傳輸條件，可采用WCDMA/GPRS VPN方案，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到上級監(jiān)控中心。VPN方案是為確保網(wǎng)絡(luò)安全，在現(xiàn)有物理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立VPN邏輯虛擬專網(wǎng)。VPN可采用基于L2TP協(xié)議和專用APN（APN，Access Point Name）的方案。基于L2TP協(xié)議的方案需要煤礦/煤監(jiān)中心自建Radius服務(wù)，與運(yùn)營商AAA（Authentication Authorization Accounting）共同完成無線撥入用戶的認(rèn)證和鑒權(quán)。這里采用專用APN的方案，如圖5所示。地面監(jiān)控中心通過WCDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)分配的專用APN進(jìn)行撥號，通過DNS（Domain Name Server）解析APN對應(yīng)的企業(yè)接入端的GGSN（Gateway GPRS Support Node），GGSN將用戶的認(rèn)證請求送給AAA服務(wù)器完成用戶身份的認(rèn)證和IP等的授權(quán)。如果認(rèn)證通過，GGSN通過GRE封裝與煤礦企業(yè)VPN路由器建立隧道連接，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心與上級監(jiān)控中心的通信。 

圖5 WCDMA/GPRS無線VPN方案

　　4.3 應(yīng)用層的建設(shè)

　　應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制、安全事故應(yīng)急指揮、數(shù)據(jù)上報與信息共享等功能。應(yīng)用層的建設(shè)以云計(jì)算為框架進(jìn)行規(guī)劃，搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲中心、數(shù)據(jù)共享中心、視頻轉(zhuǎn)發(fā)平臺和統(tǒng)一展現(xiàn)門戶等，提供統(tǒng)一、易用、便捷的業(yè)務(wù)功能。

　　遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制可通過網(wǎng)絡(luò)訪問監(jiān)控中心的數(shù)字視頻服務(wù)器，監(jiān)看井上、井下視頻，監(jiān)測井上、井下環(huán)境參數(shù)。圖像監(jiān)視系統(tǒng)分為前端和客戶端。前端單元負(fù)責(zé)采集各監(jiān)視點(diǎn)的視頻信號，并將視頻信號壓縮編碼傳送到視頻監(jiān)控中心。工作人員可通過客戶端來監(jiān)視各種設(shè)備的運(yùn)行狀況，并可對前端的攝像機(jī)發(fā)布控制命令，對圖像進(jìn)行諸如取景、定位、光圈大小、聚焦遠(yuǎn)近和變倍等操作。安全事故應(yīng)急指揮可隨時視頻監(jiān)視礦井情況，并通過雙向?qū)χv機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮、調(diào)度，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)同作戰(zhàn)，指導(dǎo)施救人員和井下作業(yè)人員進(jìn)行搶險救災(zāi)。數(shù)據(jù)上報與信息共享用于上報異常報警、設(shè)備運(yùn)行狀況、人員考勤與進(jìn)出記錄等數(shù)據(jù)，下達(dá)上級的安全生產(chǎn)指示、應(yīng)急預(yù)案等信息，實(shí)現(xiàn)各煤礦企業(yè)、監(jiān)控中心間的信息共享。

　　5 結(jié)束語

　　煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)系統(tǒng)，可為煤炭安全生產(chǎn)監(jiān)管提供準(zhǔn)確的信息，豐富了煤炭安全生產(chǎn)監(jiān)管手段，將有效地提高煤礦安全監(jiān)察部門的工作效率、監(jiān)管能力和服務(wù)水平，提高處置煤礦安全生產(chǎn)事故的能力。本文所述為物聯(lián)網(wǎng)的理論應(yīng)用于實(shí)際的一個案例。從整體上來看，我國物聯(lián)網(wǎng)還處于起步階段，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用還面臨一些關(guān)鍵技術(shù)問題，包括統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)產(chǎn)業(yè)能力、盈利模式、行業(yè)壁壘、隱私與安全保護(hù)等問題。