基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字式煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)研究

1 概述
　　我國的煤礦有著復(fù)雜的地質(zhì)條件，主要是以井工煤礦為主，煤礦的數(shù)量和產(chǎn)量都很高，很容易引發(fā)和造成災(zāi)難。礦井企業(yè)的未來發(fā)展方向是信息化和數(shù)字化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有助于建設(shè)數(shù)字式煤礦，而且有助于實(shí)現(xiàn)全球感官環(huán)境，實(shí)現(xiàn)移動目標(biāo)，協(xié)調(diào)控制、操作和管理，最終改進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營和決策。
　　2 物聯(lián)網(wǎng)概述
　　物聯(lián)網(wǎng)通過諸如射頻識別、監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、人員位置監(jiān)測、視頻監(jiān)視、物理化學(xué)傳感器等信息檢測裝置，將各部分連接到互聯(lián)網(wǎng)，以便根據(jù)商定的協(xié)議進(jìn)行信息交換與對接。最后，實(shí)現(xiàn)了智能識別、定位、追蹤、監(jiān)視和管理，這其中包括在互聯(lián)網(wǎng)上建立商品之間的聯(lián)系，交換和交換信息。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)模式包括四種類型：智能控制應(yīng)用于工業(yè)或工業(yè)客戶企業(yè);智能控制應(yīng)用公共客戶;數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測;定位跟蹤行業(yè)或企業(yè)中的客戶。
　　物聯(lián)網(wǎng)的價值在于讓人與事物、事物和事物之間能夠進(jìn)行溝通。物聯(lián)網(wǎng)可以分成三個層次：感知層、底層、間隙層。感知層可以獲得在真實(shí)世界中的數(shù)據(jù)，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)應(yīng)用對象陣列;下層是用于收集數(shù)據(jù)的感知層，中間層是用于傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層，上層主要是應(yīng)用，正常情況下，感知層包括數(shù)據(jù)采集、傳輸。通過傳感器等裝置獲取數(shù)據(jù)，然后通過諸如藍(lán)牙、紅外線、總線等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)站現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)是構(gòu)成物理網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)。這也是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的延伸，正在通過各種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，如有線和無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等加以實(shí)現(xiàn)。由感知層收集的數(shù)據(jù)信息，并允許智能處理和分析，應(yīng)用層可以將工業(yè)要求結(jié)合起來，因?yàn)樗菙?shù)字信息技術(shù)與工業(yè)專業(yè)技術(shù)之間的深層融合。體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)處理數(shù)據(jù)的特征，并且提供正確的決策，實(shí)現(xiàn)知覺和傳輸信息的智能處理，并為用戶提供豐富的特殊服務(wù)。
　　3 簡述數(shù)字化煤礦
　　“數(shù)字化煤礦”是計(jì)算機(jī)和各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組合，這些技術(shù)可以自動控制井下設(shè)備，并在網(wǎng)絡(luò)平臺上均勻提供井下環(huán)境信息和電器狀況信息。物聯(lián)網(wǎng)的核心就是網(wǎng)絡(luò)，新的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)、模塊化。煤礦數(shù)字化的實(shí)施取決于為煤礦建立一個完整的四維地理信息系統(tǒng)，從而能夠建立一個三維煤礦地質(zhì)模型，一個二維電子礦井地圖，以及數(shù)字化地面物理模型。以可見和透明的方式管理煤礦的隧道。關(guān)于煤炭生產(chǎn)設(shè)施和生產(chǎn)進(jìn)展的實(shí)時數(shù)據(jù)，傳感器及監(jiān)視和監(jiān)視技術(shù)被用于動態(tài)監(jiān)視生產(chǎn)過程工作建造數(shù)字化煤礦可以創(chuàng)造一個更加安全和舒適的工作環(huán)境。這有助于控制整個生產(chǎn)過程管理。同時，虛擬設(shè)備的集成能夠?qū)崟r控制實(shí)地業(yè)務(wù)，大大提高煤炭生產(chǎn)的效率。提高企業(yè)的活力和競爭力、提高生產(chǎn)安全性，煤炭生產(chǎn)數(shù)字信息系統(tǒng)可以為煤礦企業(yè)提供技術(shù)支持。在煤炭工業(yè)中使用這兩種功能可以為煤炭生產(chǎn)提供必要的支持，并對生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和管理。還能預(yù)防突發(fā)自然災(zāi)害及相關(guān)事故并獲得智慧化生產(chǎn)，促進(jìn)我國采礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
　　4 現(xiàn)代監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)運(yùn)用中的不足
　　4.1 監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備水平參差不齊
　　中國礦產(chǎn)資源存儲量相對較大，是世界煤炭的重要產(chǎn)地。但是，國內(nèi)煤炭生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)水平以及安全防護(hù)等方面差別很大?？梢哉f中國目前煤炭生產(chǎn)的特點(diǎn)是中小型國有煤礦共存，這就使得管理煤礦部門煤炭生產(chǎn)的技術(shù)設(shè)備水平和安全生產(chǎn)質(zhì)量的監(jiān)管變得更為困難，相比于其他高水平的國家相差較大。自2012年以來，中國政府有關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)對煤炭行業(yè)的問題進(jìn)行了一系列的重組，但情況仍然危急。在中國少數(shù)大型煤礦中，許多煤礦沒有排氣設(shè)備。但是更為嚴(yán)重的是，30多家公司完全缺乏瓦斯氣體監(jiān)測系統(tǒng)，更不用說管理系統(tǒng)。同時，許多中小型煤礦，無論是生產(chǎn)設(shè)備還是監(jiān)視設(shè)備，都長期運(yùn)作，負(fù)荷過重，升級延誤，造成安全風(fēng)險(xiǎn)增加。 　　4.2 安全生產(chǎn)現(xiàn)代化監(jiān)測監(jiān)控水平不理想
　　眾所周知煤礦處于困難的自然環(huán)境中，容易發(fā)生多種事故，煤礦安全事故的受害者人數(shù)始終是世界上最高的。瓦斯氣體事故在煤礦安全事故中尤為常見，造成大量人員傷亡，并對巷道和礦井設(shè)備造成無法估量的危害，這可以說是對生產(chǎn)作業(yè)的破壞，還對工作人員的生命和安全也造成威脅。由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，與煤礦生產(chǎn)安全有關(guān)的高難度因素，以及絕大多數(shù)煤礦生產(chǎn)環(huán)境，使得生產(chǎn)安全形勢更加嚴(yán)峻。中國絕大多數(shù)采礦生產(chǎn)仍依賴于勞動力，屬于勞動密集型行業(yè)，無論是采礦生產(chǎn)還是地下的安全監(jiān)控，都是由工人自己負(fù)責(zé)?，F(xiàn)代監(jiān)測和監(jiān)視的普及率很低，覆蓋率不到60%。由此可以看出，安全生產(chǎn)的監(jiān)測和監(jiān)視水平并不令人滿意。
　　5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字化煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
　　在煤礦生產(chǎn)和管理中使用煤炭物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大大降低了安全事故的可能性，提高了安全系數(shù)，保護(hù)地下室的人身安全，為我國煤炭工業(yè)的長期發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在煤礦監(jiān)測和監(jiān)視系統(tǒng)中使用物理網(wǎng)絡(luò)，尤其表現(xiàn)在機(jī)械設(shè)備監(jiān)視方面，應(yīng)該是一個很好的例子。還包括故障診斷，實(shí)時監(jiān)測地下采礦和回收作業(yè)，以及三維定位和人員通信這些方面。
　?。?）以礦井環(huán)境的安全監(jiān)控為目標(biāo)，實(shí)時監(jiān)測礦井環(huán)境安全和各種環(huán)境參數(shù)，是基于物聯(lián)網(wǎng)的閉式在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要功能之一。環(huán)境參數(shù)通常包括氣體、正壓、負(fù)壓、溫度和密閉墻外的周圍氣體等，在收集完成這些數(shù)據(jù)之后，再由地面中心站進(jìn)行控制和超限報(bào)警處理發(fā)送。在互聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的幫助之下，可以對井下空氣中的氣體等進(jìn)行監(jiān)測，并對設(shè)備的運(yùn)行狀況、風(fēng)速、溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)對煤炭生產(chǎn)的實(shí)時、連續(xù)、遠(yuǎn)程管理。（2）對井下人員進(jìn)行實(shí)時安全監(jiān)控，電子數(shù)據(jù)應(yīng)按約定格式存入識別卡中。讀卡器和識別卡通過射頻發(fā)送非接觸式雙向數(shù)據(jù)，射頻信號通過發(fā)射天線發(fā)送。這個讀卡器的天線信號具有一定的有效區(qū)域范圍。當(dāng)識別卡到達(dá)這個有效范圍的時候，使用卡的內(nèi)置天線發(fā)送編碼信息，載波信號通過天線控制器發(fā)送到讀卡器。讀卡器利用工業(yè)總線對接收到的信號進(jìn)行解碼和設(shè)置，然后經(jīng)過總線將信息發(fā)送到各個分站。最后，讀卡器識別信息被傳輸?shù)降孛鎮(zhèn)鬏斀涌诨颦h(huán)形網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，并從采集程序處理并寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。（3）系統(tǒng)可以全面地進(jìn)行個人信息的采集，包括無線信息采集網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋到整個隧道，而有線網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步傳輸和處理數(shù)據(jù)。（4）物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控生產(chǎn)線的實(shí)時安全。工業(yè)電視監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)字化煤礦的重要組成部分。它采用各種先進(jìn)的監(jiān)控設(shè)備，在井下安裝攝像頭，能夠全面監(jiān)控煤礦區(qū)、煤儲庫、輸送機(jī)和重要地面區(qū)域，監(jiān)控信息可以傳送到調(diào)度室。各個現(xiàn)場監(jiān)控管理人員能對各生產(chǎn)線進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。這個系統(tǒng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，也是一個能夠不接觸測量煤炭產(chǎn)量來進(jìn)行計(jì)量的設(shè)備。這個系統(tǒng)通常用于煤礦開采中存在瓦斯或煤塵爆炸危險(xiǎn)的場所，還能夠連續(xù)自動測量輸送帶上散料的流量和堆積重量。（5）基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?？蓪⑷藛T位置監(jiān)測系統(tǒng)采集的氣體數(shù)據(jù)和人員信息上報(bào)、傳送至高級管理部門，能夠及時處理相關(guān)信息，能夠直接、快速地控制和管理下游煤礦的生產(chǎn)安全形勢，實(shí)時預(yù)測煤礦的潛在風(fēng)險(xiǎn)，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，排除故障實(shí)施糾正措施，為進(jìn)一步的管理和決策提供數(shù)據(jù)支持。（6）通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，能有效地控制煤炭設(shè)備，確保不發(fā)生故障，并在出現(xiàn)問題時，可以自己發(fā)現(xiàn)并解決問題。很好地規(guī)避管理人員因管理不善而可能造成的不必要的風(fēng)險(xiǎn)和損害。（7）井下采掘和道路監(jiān)控是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)的主要動力，我們利用礦井內(nèi)有限的網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器全覆蓋，在采掘和采集過程中對空間中的粉塵、一氧化碳等有毒有害物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，而且和通風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗等設(shè)備有效控制空氣中的含氧量。（8）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三維定位和個人通信可以用于地下視頻和語言通信的漫游機(jī)制中，提高地下通信的效率和通信質(zhì)量，對于井下人員的位置進(jìn)行有效的監(jiān)控，通過三維定位，也可以直接看到井下人員的移動路線和分布情況，有利于各項(xiàng)工作的開展。（9）通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山的有效運(yùn)用，使得它向著信息化、自動化、智能化方向發(fā)展，極大地改變了傳統(tǒng)意義上依靠相關(guān)人員主觀判斷的方式。通過信息采集和感知技術(shù)等大規(guī)模數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了處理平臺的發(fā)展更加的優(yōu)越和高級。
　　系統(tǒng)的應(yīng)用積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有很好的示范作用。根據(jù)目前系統(tǒng)的運(yùn)行情況，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其成功應(yīng)用為下一步開展煤礦風(fēng)險(xiǎn)研判及大數(shù)據(jù)分析提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，為煤礦開展煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有很好的示范作用。
　　6 結(jié)束語
　　我國煤礦監(jiān)控技術(shù)正處于發(fā)展初期，具有巨大的潛力和空間。如何從控制理念入手，全面學(xué)習(xí)國內(nèi)外優(yōu)秀典型的應(yīng)用案例并加以介紹和接收。同時，根據(jù)自身情況自主研發(fā)，也值得整個行業(yè)的關(guān)注。如今，人們越來越重視煤礦的安全開采，煤礦的安全開采直接影響到公司未來的發(fā)展，而煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以更好地定位煤礦開采中的移動目標(biāo)，煤礦數(shù)字化建設(shè)與相應(yīng)的技術(shù)相結(jié)合，加強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)和礦山環(huán)境實(shí)時安全監(jiān)控中的應(yīng)用，井下人員和生產(chǎn)的聯(lián)系，意識到了煤炭能源信息化的發(fā)展是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字礦山建設(shè)中的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)煤礦綜合自動化發(fā)展的最終趨勢。