基于物聯(lián)網(wǎng)的井下監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

戚艷軍+冀汶莉+李強(qiáng)

摘 要： 感知煤礦井下的工作環(huán)境是現(xiàn)代化煤礦智能管理的一部分。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有骨干網(wǎng)，提出了井下監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能，分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器硬件設(shè)計(jì)及定位原理，在此基礎(chǔ)上闡述井下監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)。該井下監(jiān)控系統(tǒng)可以為管理人員提供智能化管理和決策，避免和減少煤礦事故率，為緊急救援和生產(chǎn)決策提供依據(jù)。

關(guān)鍵字： 物聯(lián)網(wǎng)； 煤礦； 實(shí)時(shí)監(jiān)控； 感知礦山

中圖分類號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）14?0064?03

煤礦安全管理一直是煤礦企業(yè)一個(gè)重要的工作組成部分，相對(duì)于其他行業(yè)而言，由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境惡略，安全問(wèn)題較為突出。為了有效避免煤礦安全事故的頻發(fā)，需要建立有效的井下監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件，包括通風(fēng)、排水、壓力等基礎(chǔ)因素，井下人員定位等進(jìn)行有效監(jiān)控，保證煤礦生產(chǎn)安全進(jìn)行。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻標(biāo)簽RDID與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN等技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)覆蓋世界上所有人與物的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合入到煤礦井下作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境、生產(chǎn)人員的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，最終為煤礦安全生產(chǎn)管理決策的科學(xué)化、現(xiàn)代化和智能化服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，為煤礦安全開(kāi)采和重大災(zāi)害防治提供了新的思路和方法[1]。

1 系統(tǒng)分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的井下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)井下實(shí)際條件，采用有線和無(wú)線相結(jié)合的接入方式，利用井下現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞲删W(wǎng)上。井下監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括感知礦山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種災(zāi)害因素的預(yù)警預(yù)報(bào)。感知礦工周圍安全環(huán)境，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如風(fēng)速、溫度、壓力等，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式安全保障。感知礦山設(shè)備的工作健康狀況，如設(shè)施開(kāi)和關(guān)、設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修。同時(shí)對(duì)井下礦工位置定位，確保對(duì)礦工日常工作的監(jiān)測(cè)和災(zāi)難撤離。

1.1 體系結(jié)構(gòu)

井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是感知礦山的一部分，通過(guò)將井下的工作環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備人員數(shù)據(jù)、安全指標(biāo)數(shù)據(jù)采用物聯(lián)網(wǎng)的3層體系架構(gòu)，分別是管理層（應(yīng)用層）、網(wǎng)絡(luò)層和感知層，如圖1所示。在圖1中，應(yīng)用平臺(tái)屬于上層應(yīng)用，包括井下環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、災(zāi)難預(yù)警子系統(tǒng)、井下人員定位子系統(tǒng)、設(shè)備工作狀況子系統(tǒng)、井下車輛定位子系統(tǒng)。管理人員可以通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)象指標(biāo)預(yù)警圖、監(jiān)測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖、統(tǒng)計(jì)報(bào)表圖表、視頻聯(lián)動(dòng)、音頻聯(lián)動(dòng)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)等可視化應(yīng)用界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下工作環(huán)境及工作狀態(tài)。通過(guò)采集數(shù)據(jù)的綜合分析，結(jié)合多種方式、多種途徑的預(yù)警結(jié)果展示及通知，使得管理人員能夠預(yù)知災(zāi)難，及時(shí)做出科學(xué)決策，防止重大災(zāi)難的發(fā)生，即使事故發(fā)生，管理人員也可以采取有效措施開(kāi)展施救工作。網(wǎng)絡(luò)層以地面骨干環(huán)網(wǎng)和井下主干環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合井下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋硐室、變電所、泵房等重要工作場(chǎng)所。各個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)安裝在相應(yīng)功能的傳感器形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入到主干網(wǎng)中，由主干網(wǎng)絡(luò)完成信息的傳輸和數(shù)據(jù)的融合，并通過(guò)工業(yè)主干網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)或決策信息傳輸?shù)綉?yīng)用層。

圖1 井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

感知層是組成井下監(jiān)控系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，由于井下地形復(fù)雜，需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較多，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面較大，且不便放置較大的電源模塊；因此，采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以較好的滿足井下監(jiān)測(cè)的物理?xiàng)l件和生產(chǎn)條件。在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安監(jiān)裝傳感器、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、終端采集設(shè)備等，終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)送到井下主干網(wǎng)上。

1.2 網(wǎng)絡(luò)接口

井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，管理層（應(yīng)用層）、網(wǎng)絡(luò)層和感知層之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)接口完成數(shù)據(jù)傳輸，有井下感知層與井下網(wǎng)關(guān)的接口、井下網(wǎng)關(guān)與主干網(wǎng)的接口，主干網(wǎng)與應(yīng)用層的接口。感知層與無(wú)線網(wǎng)關(guān)之間的接口可以根據(jù)井下無(wú)線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)，支持相關(guān)數(shù)據(jù)傳送。對(duì)于WSN等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，接口需要支持WSN等無(wú)線感知方式及協(xié)議；對(duì)于WiFi無(wú)線傳感網(wǎng)，接口需要支持WiFi無(wú)線感知方式及協(xié)議；而其他的有線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，接口就需要支持煤礦有線子系統(tǒng)的接入。井下網(wǎng)關(guān)與主干網(wǎng)采用RJ45端口，主干網(wǎng)與應(yīng)用層之間的接口采用工業(yè)以太主干網(wǎng)接口協(xié)議。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

井下監(jiān)控系統(tǒng)包括井下環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、災(zāi)難預(yù)警子系統(tǒng)、井下定位子系統(tǒng)、設(shè)備工作狀況子系統(tǒng)等。各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融入到井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，子系統(tǒng)按照要求和規(guī)則，為用戶提供相關(guān)信息。環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于采集和分析井下環(huán)境參數(shù)，如風(fēng)速、溫度、壓力等，可以根據(jù)實(shí)際情況，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的工作范圍，將傳感節(jié)點(diǎn)安裝在環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)。災(zāi)難預(yù)警子系統(tǒng)采集井下安全工作數(shù)據(jù)，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等，對(duì)煤礦災(zāi)難數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行監(jiān)控。井下定位子系統(tǒng)可以通過(guò)安裝在定位節(jié)點(diǎn)（人員、車輛）上的定位模塊，該模塊記錄需要定位的基本信息以及ID編號(hào)，通過(guò)他們周圍的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算自身定位數(shù)據(jù)并最終傳輸?shù)缴蠈臃?wù)器。以GIS為信息載體框架，通過(guò)可視化界面直觀展示監(jiān)控物體的位置，也能夠?yàn)楣さV管理提供人員考勤信息。設(shè)備工作狀況子系統(tǒng)對(duì)工作設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理，使得管理人員能夠及時(shí)了解井下工作設(shè)備的狀況。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 智能礦山體系結(jié)構(gòu)圖

圖2中，各個(gè)無(wú)線監(jiān)控子網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)井下骨干網(wǎng)、井上骨干網(wǎng)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄艿V上數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)子庫(kù)中。該平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的異常處理、對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的任務(wù)進(jìn)行控制和提供數(shù)據(jù)安全傳輸機(jī)制。同時(shí)，采用抽取?轉(zhuǎn)換?加載（Extraction?Transformation?Loading，ETL）工具，以智能數(shù)據(jù)平臺(tái)為數(shù)據(jù)源，按照監(jiān)控主題，形成決策信息的數(shù)據(jù)集市，為井下監(jiān)控決策數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的建立提供數(shù)據(jù)支持，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建立OLAP或采用OLTP對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析，為煤礦管理人員提供科學(xué)的決策分析和災(zāi)難預(yù)警信息。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

上述井下監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中的中心控制節(jié)點(diǎn)是一個(gè)性能比較強(qiáng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，它由狀態(tài)檢測(cè)傳感器、電源模塊、晶振模塊、液晶顯示模塊、輸入/輸出模塊和發(fā)射天線來(lái)構(gòu)成。采用ZigBee星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已便適用煤礦井下環(huán)境干擾比較大、數(shù)據(jù)傳輸量較大的場(chǎng)合，處理器可以采用CC2430無(wú)線模塊，通過(guò)多個(gè)模塊以接力傳遞的方式最終把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)終端設(shè)備。對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，可以采用不同的傳感器，如二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等；對(duì)于需要確定井下位置的相關(guān)系統(tǒng)，在需定位物上安裝CC2431無(wú)線定位模塊，與周圍的CC2430組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，逐級(jí)、逐層將信息返回到應(yīng)用層[2]。CC2430/CC2431可以滿足以Zigbee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段對(duì)低成本、低功耗的要求。其電源經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓、電容濾波后可以形成一個(gè)比較穩(wěn)定的3.3 V電壓。發(fā)射天線采用一個(gè)非平衡天線連接非平衡變壓器，可以獲得較好的天線性能。傳感器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 CC2430網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及硬件組成

2.3 定位原理

CC2430和CC2431模塊的主要區(qū)別在于CC2431內(nèi)部集成了一個(gè)定位跟蹤引擎，采用接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI值測(cè)量定位點(diǎn)的位置。由于已知固定節(jié)點(diǎn)的位置，根據(jù)盲點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和固定接收節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，固定節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)計(jì)算信號(hào)的傳輸損耗確定盲點(diǎn)位置[3?4]。在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線信號(hào)傳輸采用簡(jiǎn)化的漸變模型（Shadowing Model）：

[[p（d）]dBm=[p（d0）]dBm-10nlg（dd0）] （1）

式中：p（d）表示距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)為d時(shí)接收節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，即RSSI值；p（d0）表示距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)為d0時(shí)接收節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)功率；n是路徑損耗（Pass Loss）指數(shù)，在實(shí)際測(cè)量中得到，障礙物越多，n值越大。

無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)有效距離內(nèi)的3～8個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)計(jì)算出某一個(gè)IP的RSSI值后，周期性地向發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含自身IP、RSSI值、位置坐標(biāo)的數(shù)據(jù)包并送入定位跟蹤引擎，當(dāng)接收到同一個(gè)IP發(fā)射的數(shù)據(jù)包到達(dá)某一規(guī)定值后，校正RSSI值，得到某一節(jié)點(diǎn)接收到該發(fā)射點(diǎn)最終的RSSI值。計(jì)算式（1）中的d值，得到發(fā)射節(jié)點(diǎn)的距離，最后根據(jù)數(shù)據(jù)包的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)，計(jì)算發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)值，得到該定位點(diǎn)的位置。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用現(xiàn)有的主干網(wǎng)絡(luò)，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與之融合，能夠有效的提高井下生產(chǎn)過(guò)程，提高煤礦企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知礦山狀態(tài)和井下人員，進(jìn)一步提高煤礦管理的現(xiàn)代化和智能化。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1） 采用ZigBee星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于環(huán)境干擾比較大、數(shù)據(jù)傳輸量較大的井下開(kāi)采。無(wú)線網(wǎng)路完全覆蓋到井下，井下沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)盲點(diǎn)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)的間距大約在100 m，同時(shí)保證相鄰的節(jié)點(diǎn)在視線范圍內(nèi)。在排水管、通風(fēng)管等金屬管道處、拐角處、分岔路口等要增加節(jié)點(diǎn)，保證整個(gè)井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。

（2） 提高了災(zāi)難預(yù)警水平。對(duì)井下環(huán)境、災(zāi)難數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，在應(yīng)用層形成環(huán)境分析圖表，當(dāng)井下環(huán)境達(dá)到災(zāi)難臨界值時(shí)，發(fā)出預(yù)警信息，提高決策者對(duì)災(zāi)難發(fā)生時(shí)的應(yīng)急處理及分析決策能力，大大提高了煤礦安全生產(chǎn)水平，減少災(zāi)難事故的發(fā)生和人員傷亡。

（3） 定位系統(tǒng)不但能夠?qū)氯藛T實(shí)施定位，同時(shí)也可以對(duì)井下人員進(jìn)行考勤，提高工作效率；還可以監(jiān)控井下車輛運(yùn)轉(zhuǎn)情況；對(duì)于突發(fā)災(zāi)難，可以及時(shí)了解人員位置，實(shí)施有效救援；整體提高和優(yōu)化煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)水平和現(xiàn)代化管理水平。

（4） 系統(tǒng)應(yīng)用層軟件及管理軟件采用人機(jī)交互界面，支持煤礦生產(chǎn)設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和遠(yuǎn)程維護(hù)，從而確保井下生產(chǎn)安全可靠運(yùn)行。

（5） 將采集的數(shù)據(jù)集成到各個(gè)子系統(tǒng)業(yè)務(wù)庫(kù)中，可以為智能礦山數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)提供數(shù)據(jù)源，進(jìn)一步的煤礦智能決策支持系統(tǒng)的決策數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的決策數(shù)據(jù)層。

4 結(jié) 語(yǔ)

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的井下監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涵蓋了井下生產(chǎn)、安全和管理的各個(gè)方面。采用現(xiàn)有主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)合通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代管理方法，為井下作業(yè)的人員安全、生產(chǎn)過(guò)程、運(yùn)行管理提供了現(xiàn)代化的智能管理方法。為煤礦企業(yè)的安全平穩(wěn)運(yùn)行、生產(chǎn)效率提高、管理水平的改進(jìn)提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，增加煤礦企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。該系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)采集方案已經(jīng)成功運(yùn)用到煤礦智能決策支持系統(tǒng)的前期建設(shè)中，實(shí)踐證明，該方案切實(shí)可行，可避免系統(tǒng)后期的重復(fù)建設(shè)。

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