基于物聯(lián)網(wǎng)的省級煤礦監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

引言

煤礦企業(yè)安全高效的運作為我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供了重要的能源和物資保障，是我國經(jīng)濟發(fā)展的不能缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是，我國煤礦企業(yè)一直以來的高強度開采，導(dǎo)致煤礦事故的不斷發(fā)生以及資源的枯竭，同時相關(guān)地方以及省份監(jiān)管部門的管理滯后，造成了目前礦區(qū)環(huán)境系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞，使得我國煤礦企業(yè)和監(jiān)管部門都面臨著很大的壓力和挑戰(zhàn)。

自2009年溫家寶總理將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)定位于我國戰(zhàn)略性發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國已逐步發(fā)展成為各產(chǎn)業(yè)新技術(shù)應(yīng)用的熱點。物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用拓展的重點，在省級礦山自動化運作管理建設(shè)中的應(yīng)用是非常重要的。

雖然目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國煤礦安全生產(chǎn)中有一定的應(yīng)用，但是與國外比較，還存在著很大的差距，尤其目前重特大的煤礦事故還在不斷的發(fā)生，而且省級地方聯(lián)動的處理緩慢。因此，如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建省級煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)煤礦的安全運作，預(yù)防事故發(fā)生，遇到意外事故能快速而準(zhǔn)確地聯(lián)合處理，顯現(xiàn)得尤為重要。

1省煤礦監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題

針對我國煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)了其中存在很多不容忽視的問題，主要問題如下：

缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和接口?，F(xiàn)有的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)各成體系，并沒有統(tǒng)一的接口及標(biāo)準(zhǔn)，從而使得系統(tǒng)之間沒法正常通信，數(shù)據(jù)漏報。

缺少共享平臺。不能夠為第三方提供統(tǒng)一的接入平臺。

學(xué)科交叉研究不夠。地質(zhì)、水文、災(zāi)害機理、系統(tǒng)集成等多學(xué)科的研究融合深度不夠。

應(yīng)用層面的信息融合缺失。各個應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息融合及聯(lián)動、決策融合缺失。

缺乏泛在的感知網(wǎng)絡(luò)。缺乏統(tǒng)一的地下無線覆蓋感知網(wǎng)絡(luò)，地下存在著很大部分的感知盲區(qū)。

設(shè)備落后及老化。感知元件單一，設(shè)備落后，不能適應(yīng)復(fù)雜的井下環(huán)境。

聯(lián)動效率低下。在煤礦事故發(fā)生以后，省及地方聯(lián)合應(yīng)急效率低下，搶險救災(zāi)、安全救護及捜救效果差。

2省級煤礦物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計

省級煤礦監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的層級結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)中主要包含省級礦山物聯(lián)網(wǎng)、市級礦山物聯(lián)網(wǎng)、礦業(yè)集團物聯(lián)網(wǎng)和感知礦山物聯(lián)網(wǎng)，這些網(wǎng)絡(luò)通常都是基于云服務(wù)平臺的。

圖1省級物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)層級圖

圖1中的云服務(wù)平臺包含礦山通風(fēng)管網(wǎng)解算云平臺、礦山安全及煤安產(chǎn)品管理云平臺、災(zāi)害仿真與反演云平臺、設(shè)備健康狀況診斷云平臺和礦山災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警云平臺，通過各種平臺實現(xiàn)信息的傳輸與共享。

針對之前提出的一些煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中存在問題，結(jié)合省級煤礦監(jiān)控系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，按照統(tǒng)一接口和標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)劃和部署的要求來設(shè)計，其一共包含了三個層面，分別是應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2省級煤礦物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3省級煤礦物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

通過前面省級煤礦物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其

中一共包括了感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層的數(shù)據(jù)采集和感知是通過采集環(huán)境中的各種物理事件和數(shù)據(jù)，主要包括各種物理量、音頻、視頻、標(biāo)識等數(shù)據(jù)。其主要由傳感器組成，在采集數(shù)據(jù)后將得到的數(shù)據(jù)傳遞到控制計算機，進而實現(xiàn)對礦區(qū)各類數(shù)據(jù)的檢測與采集。感知層一共包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)前的部分）兩部分。

網(wǎng)絡(luò)層主要通過傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的融合來實現(xiàn)信息安全、高效、無障礙的傳送。其結(jié)合前面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計可采用三級架構(gòu)，分別是省級監(jiān)控中心、市級分控中心和煤礦企業(yè)。

應(yīng)用層在這里主要包括應(yīng)用支撐平臺和工作平臺，其基于模式識別、云計算等智能技術(shù)，對數(shù)據(jù)和信息進行分析處理和對物體實施智能監(jiān)控。應(yīng)用層主要包括門戶網(wǎng)站建設(shè)、安全系統(tǒng)建設(shè)、主機和存儲系統(tǒng)建設(shè)、信息標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)等。

基于以上三個層面的設(shè)計，省級煤礦物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建如圖3所示。

圖3省級煤礦物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

4省級煤礦物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建設(shè)

通過前文對省級煤礦物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖的設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，確定了省級煤礦物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體建設(shè)方案，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

感知層建設(shè)：感知層的建設(shè)主要包括各類傳感器、計算機、主控接口和分站的建設(shè)。其中，主控接口與各個分站進行通信，獲取個測試點的數(shù)據(jù)，并控制其檢測過程，然后將各類數(shù)據(jù)傳送給計算機，計算機將各類數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲和應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

本系統(tǒng)設(shè)計時，感知層的建設(shè)主要包括井下工作人員的登記、考勤和定位；通風(fēng)機的狀態(tài)監(jiān)控；風(fēng)速/量、負(fù)壓和軸溫的檢測；水泵系統(tǒng)的監(jiān)控；傳感設(shè)備數(shù)據(jù)的接入和傳輸?shù)取?

圖5感知層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)中的數(shù)據(jù)傳輸，可采用有線傳輸，也可采用無線傳輸，比如無線VPN方案，最終將監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸給上一級的監(jiān)控中心。

應(yīng)用層建設(shè)則以云計劃為規(guī)劃框架，進而建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲與共享中心、視頻平臺和統(tǒng)一的門戶展現(xiàn)等。通過數(shù)據(jù)的上傳，省級監(jiān)控中心獲悉且指定并傳輸出安全生產(chǎn)指示和應(yīng)急方案等信息，以實現(xiàn)各級煤礦單位、監(jiān)控中心的信息共享。

5省級物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

通過以上系列的研究分析，確定了在省級物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中主要使用的關(guān)鍵技術(shù)如下：

感知層中利用傳感器、射頻、PLC等技術(shù)來建立監(jiān)控平臺,利用語音、視頻和地理信息等技術(shù)建立統(tǒng)一的可視化平臺。

網(wǎng)絡(luò)層中利于現(xiàn)場總線、統(tǒng)一應(yīng)用協(xié)議、環(huán)形以太網(wǎng)和計算機技術(shù)建立煤礦自動化網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺。

應(yīng)用層中利用統(tǒng)一通信網(wǎng)關(guān)、企業(yè)服務(wù)總線和數(shù)據(jù)庫同步等技術(shù)建立運營、生產(chǎn)、安全數(shù)據(jù)平臺。

6結(jié)語

通過介紹省級物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)方案、建設(shè)網(wǎng)絡(luò)及建設(shè)構(gòu)架，給出了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方法，并指出了系統(tǒng)建設(shè)中的技術(shù)解決方法及難點所在。本文的方案設(shè)計可為煤礦的安全生產(chǎn)監(jiān)控提供準(zhǔn)確的信息，豐富了省級監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)管手段，提高了整體的工作效率、監(jiān)管能力、協(xié)作水平和處理安全事故的能力等。

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