基于物联网的煤矿安全监控系统

基于物联网的煤矿安全监控系统

作者：甘庆华何智华

来源：《山东工业技术》2015年第15期

摘要：针对我国煤矿安全事故时有发生的现状及煤矿监控系统中存在的主要问题进行了研究，提出了基于物联网的煤矿安全监控系统。先对物联网的基础理论进行了研究，再对煤矿安全物联网监控系统进行了架构，最后进行了系统设计，有一定的实用价值。

关键字：物联网；煤矿监控；信息系统

1 引言

作为我国国民经济以及社会发展的基础，煤炭在我国的一次性能源的生产和消费中所占的比例分别是 76%和 69%。根据预测得知我国的煤炭生产和消费到 2020 年仍将占到我国总体一次性能源生产和消费的 60%左右的比例，到 2050 年的时候仍将占到 50%以上的比例煤矿开采是我国重要的传统产业，煤矿的安全运作对其起到了保证及推动的作用。根据相关统计，近五年来全国煤矿共发生了 1340 起一次死亡人数在 3-9 人的重大事故，每年平均发生270起，在全国各类重大安全事故起数中所占的比例是12%；发生 218 起一次死亡人数在 10 至 29 人的特大事故，每年平均发生 44 起，在全国各类特大事故起数中所占的比例是 36%；发生 43 起一次死亡 30 人以上的特别重大事故，每年平均发生 9 起，在全国各类特别重大事故起数中所占的比例为的 59%。可见如何构建基于物联网的煤矿安全监控系统具有重大意义。

2 煤矿安全物联网研究现状

国外对物联网的应用研究起步较早，其取得研究成果也较为丰富，比如在 20 世纪末，加拿大国际镍公司的研究员针对煤矿地下采矿设备的遥控指挥问题，研究设计了一种获取地下数据的装置，命名为“Horta”，该成果可通过激光陀螺仪对井下环境的扫描生产三维结构图，实现对矿井挖掘、运输等活动的远程控制。美国加州大学伯克利分校的Doherty等人在2000年针对煤矿物联网系统中人员定位问题，通过研究提出了凸规划定位算法，该算法通过将节点定位问题转化为凸约束优化问题来计算位置坐标，其定位精确度比较高。澳大利亚工业研究所在2002 利用虚拟建模语言研究了提出“矿井数据四维可视化”概念，并开发出了一个矿井的四维可视化平台，该平台实现了矿井地球物理、地质等数据的图片化展示，进而形成了矿山的虚拟环境。美国 Rabaey J 等人在 2002 年针对物联网 RFID 射频技术中的定位问题提出 Robust position 定位算法，该算法引入了置信度来提高定位的精确性，但是该算法在系统的实际应用中需要较长的覆盖时间。美国宾汉顿大学计算机系统研究室通过对物联网接口协议的研究，在 2005 年前后分别提出了物联网系统中的各类协议标准，进而规范了物联网设计的相关标准。

3 煤矿安全物联网监控系统架构

基于物联网的煤矿安全监控系统主要是由 3 个层面组成。主要包括了感知层，具体说就是信息采集与施用层；传输层，就是数据信息的传输层；应用层，也就是各类信息的管理应用层。最底层的感知层主要包括各类传感节点，主要功能是对煤矿的瓦斯含量、空气湿度、煤矿粉尘和生产计量等数据信息进行采集；而传感层的主要功能将各类传感节点采集的数据信息通过传输网络传输到应用层上；而应用层主要是提供煤矿安全管理中应用的各类管理应用软件，主要是完成对各类数据信息的存储和处理，分析以及应用。下面将基于上诉的网络架构，结合我国煤矿安全物联网应用中的问题，在上文需求分析的基础上，对煤矿安全物联网模型进行设计。

煤矿安全物联网监控系统是利用物联网技术，把与煤矿各类与环境、设备、人员等有关的传感器，比如瓦斯、人员识别、湿度、计量设施等传感器，装备在煤矿的开采、利用、安全监控等层面里，然后将各类传感器节点连接到系统中的无线网络和互联网，从而实现了煤矿企业安全管理工作与煤矿开采各环节的整合。接着将各类煤矿管理应用工具同时融入到这个物联网系统，用更加精细、动态和智能的方式管理煤矿生产，提高煤矿生产的效率，进一步改善煤矿安全生产条件，促进煤矿企业的整体信息化水平的提高。通过以上分析，煤矿安全物联网监控系统总体结构可以分为三个层次，分别是感知与控制层、信息集成层及管理决策应用层，结合企业需求分析，这里将在三层基本结构的基础上，加入信息展示层，作为企业的门户系统。

4 煤矿安全物联网监控系统总体设计

煤矿安全监控系统的软件系统需要保证各类异构信息能够在一个统一开放的平台的运行，其中各类异构信息主要包括了设备、环境、人员、管理等信息，这些异构信息能够在这个系统顺利的联通及共享，进而使得各个不同功能的软件系统有序、协调的运行。软件系统需要实现的主要功能包括：信息资源的分类与采集、系统设置维护、数据检索及统计、专题数据服务引擎与接口，以及三维建模分析，具体功能如下。

（1）系统设置维护。系统的设置维护需要对用户与权限进行管理、对操作日志进行管理、还需对数据字典与编码管理，以及数据备份等。

（2）信息资源分类采编。信息资源的分类与采编主要实现数据录入与采集表单、图档的上传下载、信息的分类编码功能。

（3）数据检索统计。数据的检索统计功能主要包括了数据的综合检索、数据的统计分析、图档综合检索与数据与图档下载。

（4）三维建模分析。三维建模分析主要包括了三维建模引擎、三维图形显示和三维建模分析计算这几大功能。

（5）专题数据服务引擎与接口。专题数据服务引擎与接口模块的主要功能包括了作业监督与调控、安全监测、以及 ERP 与 OA 接口。

5 总结

本文在对通过分析国内外物联网研究现状及物联网在我国煤矿安全监控系统应用现状的基础上，指出了我国传统煤矿监控系统中存在的问题，以及我国煤矿安全物联网监控系统目前的缺陷。然后在此基础之上结合物联网技术，设计出了相对完善的煤矿安全物联网监控系统，并给出了其详细的硬件设计和软件设计。

作者简介：甘庆华（1976--），男，重庆人，研究方向，物联网应用方面的开发工作。