為保障煤礦安全生產，提升煤礦安全監(jiān)管水平，文章提出了煤礦安全生產物聯(lián)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)方案的設計與實施。系統(tǒng)的設計與實施分為感知層、網絡層和應用層三個層次，可實現(xiàn)數(shù)據采集與檢測、現(xiàn)場監(jiān)測與控制、遠端監(jiān)控指揮等功能。

　　1 引言

　　盡管我國煤礦安全生產已取得了不小的進步，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先進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。如何利用信息化產品，保障煤礦安全生產，預防事故發(fā)生，在事故發(fā)生后快速、準確定位，進行應急搶救搶修，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)遠離地面，地形復雜、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；

　?。?）煤礦事故發(fā)生后，搶險救災、安全救護的效率低，搜救效果差；

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

　?。?）現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)各成體系，沒有統(tǒng)一標準和接口，造成了監(jiān)測工程中數(shù)據漏報、系統(tǒng)間無法正常通信等問題，導致安全隱患的出現(xiàn)。

　　3 煤礦安全生產物聯(lián)系統(tǒng)方案設計

　　針對以上問題，本文提出一種煤礦安全生產物聯(lián)系統(tǒng)，按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一部署、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一接口與標準的要求進行設計，其設計分成三個層次，分別是感知層、網絡層、應用層，如圖1所示。

圖1 煤礦安全生產物聯(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)據通過通訊模塊傳送至控制計算機，實現(xiàn)數(shù)據檢測與采集。感知層包括：1）傳感器等數(shù)據采集設備，如地面井口、煤臺、井下等場所安裝的視頻監(jiān)控和傳感設備；2）數(shù)據接入到網關之前的傳感器網絡，包括礦井傳感設備的數(shù)據接入、傳輸和匯總。

　　網絡層通過各種電信網絡與互聯(lián)網的融合，實現(xiàn)物體信息實時準確地傳輸與交互。網絡層采用三級架構，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”的機制，搭建煤礦安全生產的物聯(lián)網架構，實現(xiàn)煤礦安全生產的監(jiān)控監(jiān)管。網絡層包括：1）礦井監(jiān)控數(shù)據的上傳；2）煤礦企業(yè)的數(shù)據專線；3）省監(jiān)控中心以及煤炭集團、市分控中心的寬帶數(shù)據專線。應用層利用云計算、模式識別等各種智能計算技術，對海量數(shù)據與信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制，包括遠程監(jiān)測與控制、煤礦安全事故應急指揮、信息上傳與共享等。應用層包括：1）主機與存儲系統(tǒng)建設；2）煤礦企業(yè)、市級、省級監(jiān)控中心顯示、調度、指揮系統(tǒng)；3 ） 煤礦企業(yè)上報信息的標準化工作；4）門戶網站及安全系統(tǒng)建設。按照以上設計，整體網絡圖如圖2所示，實現(xiàn)以下目標：

圖2 煤礦安全生產物聯(lián)系統(tǒng)網絡圖

　?。?）煤礦井下瓦斯、風速、設備開停等運轉情況的適時監(jiān)測、分析和控制，同時將以上監(jiān)測數(shù)據通過公用電話網絡、無線網絡、光纖光纜傳送到各級煤炭安全生產管理部門；

　?。?）煤礦安全生產監(jiān)察監(jiān)管動態(tài)管理，實時了解煤礦的安全生產工作狀態(tài)，隨時掌握煤礦的有關安全技術工作參數(shù)（包括安全技術參數(shù)、安全監(jiān)察監(jiān)管要求數(shù)據）的情況，各煤礦點能夠實施有效的日常安全管理，煤監(jiān)部門能夠對各煤礦點的安全生產工作實施有效的監(jiān)督管理；

　?。?）在煤礦發(fā)生事故時，可提供煤礦點的基本技術數(shù)據、企業(yè)和政府的事故應急處理預案、事故救援資源的分布信息等，為市、省級公共安全應急指揮系統(tǒng)提供相應基礎信息支持，為科學決策實施有效救援提供技術支持。

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　　4 煤礦安全生產物聯(lián)系統(tǒng)建設

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

圖3 煤礦安全生產物聯(lián)系統(tǒng)的建設方案

　　4.1 感知層的建設

　　感知層主要由計算機、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（開關量、模擬量）進行檢測變換和處理，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)據處理后同時傳給計算機。計算機將收到的實時信息進行處理和存儲，并通過顯示器顯示各種測量參數(shù)、實時或歷史數(shù)據、曲線、圖形和報表等。 

圖4 感知層內部結構示意圖

　　把感應器嵌入或裝配到礦山設備、油氣管道、礦工設備中，可以感知危險環(huán)境中工作人員、設備機器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息，將現(xiàn)有的網絡監(jiān)管平臺提升為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網絡監(jiān)管平臺，實現(xiàn)實時感知、準確辨識、快捷響應及有效控制。感知層建設包括：

　?。?）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，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)控中心主計算機在軟件數(shù)據庫的支持下，通過傳輸接口和巷道鋪設的通訊光纜，對井下員工進行實時跟蹤，數(shù)據信息經軟件處理轉換成數(shù)字信號，使井下人員動態(tài)分布或環(huán)境安全狀態(tài)在主計算機中得以實時反映，從而實現(xiàn)井下安全狀態(tài)在井上數(shù)字化管理的目的。

　?。?）扇風機狀態(tài)顯示及遠控。風機在運轉過程中，對電機電流、電壓、軸承溫度、壓風流量、風速、壓力等參數(shù)在線連續(xù)監(jiān)測與保護。在扇風機控制柜上加裝狀態(tài)智能儀表，實時顯示每臺扇風機的工作狀態(tài)；在地面上位機以多種形式顯示電機電流、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；在主控機上設置就地、遠控轉換開關，通過上位機可實現(xiàn)對每臺扇風機的遠方控制。

　　（3）風速、風量、負壓、軸溫在線檢測。在扇風機控制柜處設置控制主機一臺，主機上設置智能儀表，實時顯示巷道中的風速、風量、負壓、軸溫。

　　（4）水泵控制系統(tǒng)監(jiān)測與遠控。結合礦井排水特點，新增加自動控制功能。由各種先進可靠的傳感器、保護裝置、電動閘閥、電磁閥等設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聯(lián)接，將信息傳輸?shù)降孛嬷鳈C，構成監(jiān)控系統(tǒng)。

　?。?）傳感設備的數(shù)據接入、傳輸方面，對于固定的井口、風機、風門等，采用光纜或雙絞線等有線傳輸進行連接；對于需要經常移動的工作面和特別監(jiān)控點，可采用WCDMA/GPRS或WiFi或Zigbee等無線傳輸，實現(xiàn)監(jiān)控點快速部署。

　　4.2 網絡層的建設

　　對于監(jiān)控數(shù)據的上傳，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)控數(shù)據上傳到上級監(jiān)控中心。VPN方案是為確保網絡安全，在現(xiàn)有物理網絡的基礎上建立VPN邏輯虛擬專網。VPN可采用基于L2TP協(xié)議和專用APN（APN，Access Point Name）的方案?；贚2TP協(xié)議的方案需要煤礦/煤監(jiān)中心自建Radius服務，與運營商AAA（Authentication Authorization Accounting）共同完成無線撥入用戶的認證和鑒權。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網絡分配的專用APN進行撥號，通過DNS（Domain Name Server）解析APN對應的企業(yè)接入端的GGSN（Gateway GPRS Support Node），GGSN將用戶的認證請求送給AAA服務器完成用戶身份的認證和IP等的授權。如果認證通過，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 應用層的建設

　　應用層實現(xiàn)遠程監(jiān)測與控制、安全事故應急指揮、數(shù)據上報與信息共享等功能。應用層的建設以云計算為框架進行規(guī)劃，搭建統(tǒng)一的數(shù)據存儲中心、數(shù)據共享中心、視頻轉發(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)務功能。

　　遠程監(jiān)測與控制可通過網絡訪問監(jiān)控中心的數(shù)字視頻服務器，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。前端單元負責采集各監(jiān)視點的視頻信號，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)視各種設備的運行狀況，并可對前端的攝像機發(fā)布控制命令，對圖像進行諸如取景、定位、光圈大小、聚焦遠近和變倍等操作。安全事故應急指揮可隨時視頻監(jiān)視礦井情況，并通過雙向對講機進行遠程指揮、調度，實現(xiàn)整體協(xié)同作戰(zhàn)，指導施救人員和井下作業(yè)人員進行搶險救災。數(shù)據上報與信息共享用于上報異常報警、設備運行狀況、人員考勤與進出記錄等數(shù)據，下達上級的安全生產指示、應急預案等信息，實現(xiàn)各煤礦企業(yè)、監(jiān)控中心間的信息共享。

　　5 結束語

　　煤礦安全生產物聯(lián)系統(tǒng)，可為煤炭安全生產監(jiān)管提供準確的信息，豐富了煤炭安全生產監(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)管能力和服務水平，提高處置煤礦安全生產事故的能力。本文所述為物聯(lián)網的理論應用于實際的一個案例。從整體上來看，我國物聯(lián)網還處于起步階段，物聯(lián)網在工業(yè)領域的大規(guī)模應用還面臨一些關鍵技術問題，包括統(tǒng)一標準、技術產業(yè)能力、盈利模式、行業(yè)壁壘、隱私與安全保護等問題。