基于物联网煤矿粉尘浓度监测预警系统的设计研究

孔 亮 康亚伟

（枣庄矿业（集团）有限责任公司蒋庄煤矿，山东 枣庄 277519）

随着煤矿井下作业向高产高效发展，煤矿井下及掘进迎头环境的粉尘浓度也越来越高，不仅给综采工作人员的身心健康带来严重危害，而且使设备的工作环境遭到破坏，加速了采煤机械设备的磨损度，增加了各类事故的发生概率。尽管枣庄矿业集团蒋庄煤矿已安装有粉尘浓度监测系统，但无法做到对粉尘浓度的实时连续监测和提前预警。针对这一情况，基于物联网技术，对物联网、大数据、人工智能等技术进行融合，设计了一套新型煤矿粉尘监测预警系统[1-6]，并进行实践应用。

1 煤矿粉尘监测预警云服务平台架构设计

物联网技术的应用给“两化融合”的实施提供了一个突破口，在环保监测及能源管理方面，物联网与环保设备的融合可以实现对工业生产过程中各种污染源及污染治理各个环节关键指标的实时监控。在这一大背景下，以蒋庄煤矿为研究对象，融合物联网、大数据、人工智能技术，设计基于物联网技术的煤矿粉尘监测预警云服务平台。

1.1 设计目标和思路

融合物联网、大数据、人工智能技术，基于云服务平台独特的运营模式，实现粉尘浓度的实时监测以及对数据的分析处理服务，对煤矿粉尘职业病的预警提供数据支持。基于物联网技术的煤矿粉尘监测预警云服务平台的构建不仅提供了粉尘浓度的实时监测设备，提高了监测数据的服务处理能力，更有效地提高了粉尘职业病防治的水平。

1.2 煤矿粉尘监测预警云服务模式

以往蒋庄煤矿井下粉尘浓度的监测主要是采取人工抽检方式，粉尘浓度数据的时效性差，真实性存疑，同时数据也存在覆盖面窄的问题，无法全面地反映井下粉尘浓度的超限问题，无法对工人职业病危害进行预警。针对以上分析，以呼吸性粉尘浓度的实时监测为主，基于上级监管部门的监管要求和工人职业病危害预警要求，构建一套“粉尘监测+服务平台+服务对象”的煤矿粉尘监测预警云服务平台，为企业和工人提供服务，其服务如图1。

图1 煤矿粉尘监测预警云服务模式示意图

各煤矿企业采用多种粉尘监测方法（个体携带采样法、固定式传感器采样等）对呼吸性粉尘浓度进行连续监测；各煤矿企业将监测数据上传至粉尘监测预警云服务平台；运营公司在平台对上传的监测数据进行分析处理，将处理后的结果提供给用户服务；同时将处理结果提供给国家各级监管部门，可实现监管部门的监管职能；云服务平台由专业的运营公司进行运营和日常管理。

1.3 云服务平台整体架构分析

设计粉尘监测预警云服务平台由“感知层+网络层+应用层”3 层结构体系组成，拓扑结构如图2。在感知层布置数据采集设备进行数据采集工作，在网络层布置“无线网络+有线网络”设备完成数据传输工作，在业务系统平台进行功能的应用。

图2 粉尘监测预警云服务平台拓扑结构示意图

在井下监控点位置采用粉尘浓度传感器、智能PDA 手持终端、本安型视频终端等设备完成对监控点粉尘浓度的采集，通过无线基站、矿用交换机、工业以太环网、地面工业以太网交换机、以太网等设备将采集的信息传递到职业危害基础数据信息库和职业危害动态数据信息库，然后进一步传递至职业病危害大数据中心和粉尘监测预警云服务平台。当监控点粉尘浓度超限后，粉尘监测预警云服务平台会采用中断预警的工作方式，同时将信息报告给政府各级监管部门。

2 煤矿粉尘监测预警云服务平台功能设计

蒋庄煤矿粉尘监测预警云服务平台业务功能情况如图3。该系统主要包括煤矿粉尘数据采集系统板块，实现数据（个体和环境的呼吸性粉尘浓度+尘肺病基础信息）的采集功能；粉尘大数据中心板块，实现数据的传输、处理、归纳和整合功能；粉尘在线监测应用系统，主要是实现数据共享、政府监管、职业病档案管理功能。

图3 煤矿粉尘监测预警云服务平台业务功能示意图

2.1 煤矿粉尘数据采集系统

煤矿粉尘数据采集系统结构主要由呼吸性粉尘浓度传感器、总粉尘浓度传感器、高清摄像头、人员定位传感器等部件组成。根据井下工作面大小和巷道长度，在设定的监测区域内设置多个采集点，对呼吸性粉尘和总粉尘浓度、作业人员定位、移动设备定位等信息进行采集，同时将采集信息传输至系统大数据中心。

2.2 煤矿粉尘大数据中心

数据传输系统结构如图4，由呼吸性粉尘浓度传感器、总粉尘浓度传感器、摄像头、数据库、视频电视墙、地面监控主站、交换机、通讯设备、服务器等部件组成。“无线传输网络+有线传输网络”的多方式网络传输共同完成数据传输功能，构建监测预警云服务平台的网络传输系统，可有效提高传输效率。

图4 数据传输系统结构示意图

对多源异构职业危害数据进行整合，构建职业危害粉尘监测基础数据库，完成职业危害预警分类数据库的建设。职业危害粉尘监测中主要的动态指标包括PM10、PM2.5、总尘浓度、游离SiO2、噪声、风速、风向、温度、湿度等。数据中心架构如图5。

图5 数据中心架构示意图

基础支撑由硬件环境、数据标准、基础软件组成；数据采集及处理由数据采集、数据抗干扰处理、数据压缩、数据融合组成；数据存储包括业务数据、基础数据、系统数据；数据管理主要包括安全访问控制、数据维护、备份恢复；数据服务包括数据检索、数据查询、数据展示、数据统计、数据发布。

2.3 煤矿粉尘在线监测应用系统

监测应用系统以采集的粉尘实时数据为基础，对各接口信令数据进行聚集处理，形成数据集市，进而完成数据的共享，提供粉尘监测的监管服务和职业病危害预警服务。

建立了面对多级部门扁平化的监管系统，针对各级地方政府的监管部门，平台均提供相应的功能部署，同时进行扁平化管理。对煤矿井下粉尘浓度的监测和工人职业病的预警构建为多方共同监管的模式，能有效提高各级监管部门对煤矿的安全监管能力，有助于工人和企业掌握职业病的危害情况和预警措施。

在线监测预警子系统对采集到的煤矿粉尘数据（监测点运行数据、粉尘浓度数据、浓度超限数据等）进行实时处理，可视化技术展现，为监管部门的决策提供依据，及时地对煤矿井下粉尘浓度安全问题进行预警处理。

构建了职业病危害档案，通过云服务平台对煤矿企业和工人开放，可分析工人累计接尘状况，可查看历史监控档案，提前预警作业工人的健康状况。

3 在线监测预警系统的实现和实践应用

3.1 在线监测预警系统的实现

对在线监测预警系统采用基于Hadoop 煤矿数据中心构架，并应用B/S 技术架构开发系统。Web前端采用HTML、CSS、JavaScript、jQuery、ajax、bootstrop 等技术，服务器后端采用Dubbo 分布式服务框架、SpringMVC、Zookeeper 等技术，选择HBase 数据库的数据管理方法和系统来对粉尘数据进行存储和管理，在Eclipse 开发环境下进行开发，通过浏览器进行访问。

3.2 实践应用

基于物联网的煤矿粉尘浓度监测预警系统完成设计后，在枣庄矿业（集团）有限责任公司蒋庄煤矿进行了应用，经安装调整后投入到了实践应用过程中。煤矿粉尘监测预警系统投入应用后，蒋庄煤矿可实现对井下煤矿环境粉尘数据及工人接尘状况数据进行实时采集，并将监测数据上传到煤矿粉尘大数据中心进行存储与管理以及应用服务，为多级监管部门的监管和工人职业病的防治和预警提供数据基础。系统的应用有效解决了蒋庄煤矿井下粉尘浓度存在监测时效性差、无法连续监测、无上级部门监管等问题。通过煤矿粉尘监测预警系统长期累计的职业病数据，可以及时跟踪作业工人累计接尘情况，为职业病的预警提供了有效数据基础。