基于物联网技术的煤矿安全监控系统研究*

李 强，付玉平

(1.山西煤炭进出口集团有限公司, 山西 太原 030006；2.太原科技大学 环境与安全学院， 山西 太原 030024)

基于物联网技术的煤矿安全监控系统研究*

李 强1，付玉平2

(1.山西煤炭进出口集团有限公司, 山西 太原 030006；2.太原科技大学 环境与安全学院， 山西 太原 030024)

针对目前煤矿行业信息与自动化标准缺乏、系统间孤立、信息资源不共享等现象，各种孤立的系统难以高效地发挥作用，采用物联网技术，综合煤矿井下多方面信息，构建一个关于人、环境、地理信息及调度指挥相互联系、相互互动的安全监控系统，更好地保障煤矿企业安全生产。

煤矿；物联网；实时GIS；综合信息交换

0 引 言

经过多年不懈努力，国内煤矿自动化建设与信息化改造取得良好成效。当前，煤矿安全监控系统、人员定位系统等信息化系统都是煤矿生产必备的系统，各种信息化系统的应用较好的保障了煤矿企业的安全生产。但也须清醒看到，煤矿行业信息与自动化标准缺乏、系统间孤立、信息资源不共享等现象依然普遍存在，各种孤立的系统难以高效的发挥作用[1，3]。例如当井下瓦斯超标安全监控系统会发出报警，调度室需要指挥现场人员撤离，但此时井下人员的具体分布情况是显示在人员定位系统中的，而且调度决策需要电话、扩音广播等传达到现场。可以看出，这样的体系中，人、环境、安全、通讯等各方面信息是相互孤立的，没有有效结合，发挥综合高效的安全防范与指挥作用。

矿山物联网技术方兴未艾，它的出现与成熟运用，可有效解决上述问题。狭义物联网是指连接物与物的网络，实现物品的智能识别与跟踪管理;广义物联网则为信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化，建立物与物、人与物、人与人之间的内在联系，实现高效的信息交互，并通过新的服务模式将各种信息技术融入社会行为[2，3]。物联网技术强调“联系”和“信息交互”，这一点恰恰符合煤矿安全生产的要求。因此，本文讨论用物联网技术，综合煤矿井下多方面信息，构建一个人、环境、地理信息、调度指挥相互联系、互动的安全监控体系。

1 体系结构

实现矿山物联网有以下几个要点：

(1) 终端、传感器网络化、智能化；

(2) 骨干和无线感知网络建设；

(3) 矿山地理信息的数字化，即矿山地理信息GIS与3D化，并以此作为矿山安全、定位等信息的综合现实平台；

(4) 综合信息交换平台，实现异构信息综合利用；

为此，如图1所示，将整个系统在物理上划为三层。首先是信息感知层，包括智能终端、传感器等；其次是骨干和无线感知层，主要由交换机和无线接入点(Access Point ，以下简称AP)构成；最后是软件层，用来汇聚、分析、综合展现各种信息并根据需要通过网络层下终端发出相应的命令信息。

在整个系统中，通过网络层各种信息可以汇集传至地面得以利用，而其中的无线网络可以使原有的骨干网络得以延伸到井下每一个角落，而且其无线的特质使其更不会因为工作面施工经常性地遭到破坏；智能终端是指内置处理器、通信模块、传感器、定位模块的矿灯，通过它可以实现矿工精确实时定位，环境信息、矿工体征信息采集发送以及矿工与井上监控调度人员的短信互动；软件层则相当于一个大脑，将所有井下的安全、人员、设备、环境信息汇集到一起，并作分析，最后通过GIS平台展现出这些信息，最终实现人、环境、地理、设备信息的综合关联显示。

图1 系统结构

2 关键技术

2.1 无线网络技术

系统采用基于802.11a/b/g协议的WiFi网络，利用无线AP对煤矿井下进行无线覆盖。系统中所使用的AP支持802.11a/b/g协议，速率可达54,48,36,24,18,12,11,5.5,2,1 Mbps。工作在2.4 G的ISO 国际公用频段，支持无线信道1-11。系统之所以采用WiFi网络，主要考虑其相对于蓝牙或ZigBee技术具有网络信号强、带宽大、传输速率快等优点，能够满足人员定位的需要，还可以传送实时的语音、图像等信息[6-8]。

由图2所示，无线接入点AP分为根AP(root AP)和普通AP。根AP通过有线以太网与服务器通信，并且根AP可作为普通AP的基站，负责中转普通AP的信息；多个普通AP与一个根AP可组成无线网格(MESH)，信息的跳转可多达十几跳，但是考虑到跳数与带宽衰减成正比关系，本设计方案中信息的跳转最多经过3跳。系统借助井下已有的主干以太网实现AP与服务器的互通，此方案既节省资源又减少了煤矿井下设备、线路多的情况。普通AP通过MESH连接根AP进行无线覆盖，也减少了网线覆盖的繁琐工作。

AP组网及网络拓扑的形成是全自动的，AP会不断检测其工作环境和上行链路的带宽状况，自动地、实时的选择最佳的回传路径。当有线级联的接入点(AP)之间的有线网络出现问题或者某些接入点(AP)出现故障， Mesh功能将会极大可能的使得整个无线网络具有最佳的性能和最好的稳定性和可靠性，同时，Mesh功能使得整个无线网络的组网方式可以选择有线、无线和有线无线结合等，更加丰富组网技术。

图2 无线接入点组网结构

2.2 智能终端

在现有系统中矿工属于被动得到环境状态，矿工无法实时或及时获取周围的环境信息并主动联系；通过智能终端，矿工、调度、环境信息形成了有效的闭环，在此基础上，可以实现的功能包括感知个人周围安全环境(如瓦斯、环境温度等)，人员精确定位与动态跟踪，报警与信息显示，紧急逃生指引等。

2.3 综合信息交换

综合信息交换软件子系统用来确保煤矿所有安全生产、人员、设备、管理信息等复杂异构信息在一个统一数据平台存储，在异构条件下进行联通与共享，能够使不同功能的应用系统联系起来，协调有序运行，实现将采集的感知信息及时的处理并转发给其他的应用组件、程序，从而保证信息动态顺畅的沟通。其主要结构包括：

(1) 统一数据接口。实现异构分别传输信息的统一接入，保证信息的高效、有序、可靠和安全。

(2) 信息流预处理模型。系统中的信息流预处理模块主要利用高速分布式索引技术、关联分析等手段进行初步处理，在确保数据的有效性和准确性的前提下，适当去除冗余信息和降低后端信息交换及实时处理的复杂性和重复性，提高后端系统的鲁棒性。

(3) 构建统一时空实时信息库。统一时空实时数据库是各类信息存储快速交换及融合的主要场所，主要对信息的基本属性及动态属性分别存储，通过高速Hash表对动态属性进行高速的读/写，具有时间、空间、环境特征。

2.4 实时GIS

目前，煤矿井下移动目标定位系统基本是区域定位的模式，不能够实现井下任意位置的连续监控定位，更不能在矿井地质测绘图中实时、连续、动态地显示目标位置及历史运动轨迹。系统基于WiFi无线网络，能够对井下移动目标进行连续动态定位，并且采集矿工周围环境信息，将实时感知的人员位置信息、周围环境信息、地理空间信息、网络覆盖信息与人员呼救信息的相融合，基于数字矿山、地理信息技术，在矿井实际测绘成果图中动态实时地定位人员及机车位置，查询目标历史轨迹并动态回放于电子矿图上，形成一个实时GIS系统为煤矿安监、调度部门提供实时监控井下矿工的活动状态及周围环境状况的信息平台，为分析井下移动目标运行情况、灾后应急救援提供一个综合动态的信息展示平台和历史资料查阅平台。

3 结 论

平台通过利用智能终端、无线感知网络、综合信息交换和实时GIS等技术，构建了一个基于物联网的煤矿安全监控体系，将煤矿工人信息、环境信息、地理信息、各种传感器信息和指挥调度并综合展示和交互，形成了一体化的监控和指挥平台，可以更好的保障煤矿企业安全生产。

目前该系统已经在山西霍尔辛赫煤业有限公司投入使用，取得了较好的效果。

[1]吴立新．数字地球、数字中国与数字矿区[J].矿山测量，2000(1):6-9．

[2]张 申，丁恩杰，徐 钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之二--感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化[J].工矿自动化，2010，36(11):129-132．

[3]柏振军.中国煤矿机械装备发展现状和“十二五”展望[J].中国煤炭，2011，37(4):16-19．

[4]孙其博，刘 杰，黎 羴，等.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33(3):1-9．

[5]雷文礼.基于WiFi技术的矿井多业务终端的研究与实现[D].西安：西安科技大学，2008.

[6]黄 瀛.基于无线传感器网络的煤矿安全无线与综合监控系统的研究[D].北京：北京交通大学,2007.

[7]许 金.基于物联网的煤矿安全监控系统体系架构研究[J].工矿自动化,2013,12:97-100.

[8]谢莉萍.基于RFID与WSN融合技术的煤矿安全监控系统的研究与设计[D].宁夏：宁夏大学,2013.

国家自然科学基金项目(51344002)、山西省青年基金项目(2013021029-1)、太原科技大学博士科研启动基金项目(20122006)..

2014-05-28)

李 强(1971-)，男，山西交口人，大学本科，高级工程师，主要从事煤矿安全技术研究与管理方面的研究。

付玉平(1983-)，男，山东郓城人，博士，讲师，主要从事矿山压力与岩层控制及灾害防治方面的研究。