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物联网在煤矿安全生产中的应用
作者：林曙光 钟 军 王建成
来源：RFID世界网
日期：2011-09-29 14:33:30
摘要：为保障煤矿安全生产，提升煤矿安全监管水平，文章提出了煤矿安全生产物联系统，阐述了系统方案的设计与实施。系统的设计与实施分为感知层、网络层和应用层三个层次，可实现数据采集与检测、现场监测与控制、远端监控指挥等功能。
为保障煤矿安全生产，提升煤矿安全监管水平，文章提出了煤矿安全生产物联系统，阐述了系统方案的设计与实施。系统的设计与实施分为感知层、网络层和应用层三个层次，可实现数据采集与检测、现场监测与控制、远端监控指挥等功能。
1 引言
尽管我国煤矿安全生产已取得了不小的进步，但是从横向比较，其总体水平还比较低，与国际上煤矿安全生产先进水平相比还有较大差距，尤其是重特大煤矿安全事故还屡有发生。如何利用信息化产品，保障煤矿安全生产，预防事故发生，在事故发生后快速、准确定位，进行应急抢救抢修，成为摆在我们面前的重大课题。
2 煤矿安全监测监控存在的问题
我国大多数煤矿安全监测监控系统存在的问题不容忽视，主要有以下问题：
（1）煤矿井下作业远离地面，地形复杂、环境恶劣，与地面人员间沟通不便、不及时，地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况；
（2）煤矿事故发生后，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差；
（3）大部分煤矿安全监测监控设备落后且老化，不能很好地适应井下环境，不能很好满足煤矿安全生产需要；
（4）现有煤矿安全监测监控系统各成体系，没有统一标准和接口，造成了监测工程中数据漏报、系统间无法正常通信等问题，导致安全隐患的出现。
3 煤矿安全生产物联系统方案设计
针对以上问题，本文提出一种煤矿安全生产物联系统，按照统一规划、统一部署、统一管理、统一接口与标准的要求进行设计，其设计分成三个层次，分别是感知层、网络层、应用层，如图1所示。
网络层通过各种电信网络与互联网的融合，实现物体信息实时准确地传输与交互。网络层采用三级架构，即煤矿企业、市级分控中心、省级监控中心，以“分级监管，分级响应”的机制，搭建煤矿安全生产的物联网架构，实现煤矿安全生产的监控监管。网络层包括：1）矿井监控数据的上传；2）煤矿企业的数据专线；3）省监控中心以及煤炭集团、市分控中心的宽带数据专线。应用层利用云计算、模式识别等各种智能计算技术，对海量数据与信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制，包括远程监测与控制、煤矿安全事故应急指挥、信息上传与共享等。应用层包括：1）主机与存储系统建设；2）煤矿企业、市级、省级监控中心显示、调度、指挥系统；3 ） 煤矿企业上报信息的标准化工作；4）门户网站及安全系统建设。按照以上设计，整体网络图如图2所示，实现以下目标：
（2）煤矿安全生产监察监管动态管理，实时了解煤矿的安全生产工作状态，随时掌握煤矿的有关安全技术工作参数（包括安全技术参数、安全监察监管要求数据）的情况，各煤矿点能够实施有效的日常安全管理，煤监部门能够对各煤矿点的安全生产工作实施有效的监督管理；
（3）在煤矿发生事故时，可提供煤矿点的基本技术数据、企业和政府的事故应急处理预案、事故救援资源的分布信息等，为市、省级公共安全应急指挥系统提供相应基础信息支持，为科学决策实施有效救援提供技术支持。
4 煤矿安全生产物联系统建设
煤矿安全生产物联系统建设方案如图3所示，整体上按以下三个层面进行：
感知层主要由计算机、主控接口、分站及各种传感器组成，如图4所示。主控接口不断地轮流与各个分站进行通信，各分站接到主控接口的询问后，立即将收到的各测点（开关量、模拟量）进行检测变换和处理，同时就地时刻等待主控接口的询问以便把检测的参数送到地面主控接口，主控接口将收到的各种数据处理后同时传给计算机。计算机将收到的实时信息进行处理和存储，并通过显示器显示各种测量参数、实时或历史数据、曲线、图形和报表等。
（1）井下人员登记、考勤、定位。采用RFID卡，记录工作人员卡号信息，读取卡号，声光提示。用户卡可以放在安全帽内，或者携带在身上可靠部位。被动定位，主动考勤。井下人员定位系统，是矿井地面监控中心主计算机在软件数据库的支持下，通过传输接口和巷道铺设的通讯光缆，对井下员工进行实时跟踪，数据信息经软件处理转换成数字信号，使井下人员动态分布或环境安全状态在主计算机中得以实时反映，从而实现井下安全状态在井上数字化管理的目的。
（2）扇风机状态显示及远控。风机在运转过程中，对电机电流、电压、轴承温度、压风流量、风速、压力等参数在线连续监测与保护。在扇风机控制柜上加装状态智能仪表，实时显示每台扇风机的工作状态；在地面上位机以多种形式显示电机电流、电压、功率因数，比如以表格、曲线形式显示、柱状形式显示等；在主控机上设置就地、远控转换开关，通过上位机可实现对每台扇风机的远方控制。
（3）风速、风量、负压、轴温在线检测。在扇风机控制柜处设置控制主机一台，主机上设置智能仪表，实时显示巷道中的风速、风量、负压、轴温。
（4）水泵控制系统监测与远控。结合矿井排水特点，新增加自动控制功能。由各种先进可靠的传感器、保护装置、电动闸阀、电磁阀等设备组成矿井主排水自动控制系统，通过智能测控器的接口和光纤适配器与井下以太网联接，将信息传输到地面主机，构成监控系统。
（5）传感设备的数据接入、传输方面，对于固定的井口、风机、风门等，采用光缆或双绞线等有线传输进行连接；对于需要经常移动的工作面和特别监控点，可采用WCDMA/GPRS或WiFi或Zigbee等无线传输，实现监控点快速部署。
4.2 网络层的建设
对于监控数据的上传，具备有线传输条件的，可采用有线传输；不具备有线传输条件，可采用WCDMA/GPRS VPN方案，将监控数据上传到上级监控中心。VPN方案是为确保网络安全，在现有物理网络的基础上建立VPN逻辑虚拟专网。VPN可采用基于L2TP协议和专用APN（APN，Access Point Name）的方案。基于L2TP协议的方案需要煤矿/煤监中心自建Radius服务，与运营商AAA（Authentication Authorization Accounting）共同完成无线拨入用户的认证和鉴权。这里采用专用APN的方案，如图5所示。地面监控中心通过WCDMA/GPRS网络分配的专用APN进行拨号，通过DNS（Domain Name Server）解析APN对应的企业接入端的GGSN（Gateway GPRS Support Node），GGSN将用户的认证请求送给AAA服务器完成用户身份的认证和IP等的授权。如果认证通过，GGSN通过GRE封装与煤矿企业VPN路由器建立隧道连接，实现地面监控中心与上级监控中心的通信。
应用层实现远程监测与控制、安全事故应急指挥、数据上报与信息共享等功能。应用层的建设以云计算为框架进行规划，搭建统一的数据存储中心、数据共享中心、视频转发平台和统一展现门户等，提供统一、易用、便捷的业务功能。
远程监测与控制可通过网络访问监控中心的数字视频服务器，监看井上、井下视频，监测井上、井下环境参数。图像监视系统分为前端和客户端。前端单元负责采集各监视点的视频信号，并将视频信号压缩编码传送到视频监控中心。工作人员可通过客户端来监视各种设备的运行状况，并可对前端的摄像机发布控制命令，对图像进行诸如取景、定位、光圈大小、聚焦远近和变倍等操作。安全事故应急指挥可随时视频监视矿井情况，并通过双向对讲机进行远程指挥、调度，实现整体协同作战，指导施救人员和井下作业人员进行抢险救灾。数据上报与信息共享用于上报异常报警、设备运行状况、人员考勤与进出记录等数据，下达上级的安全生产指示、应急预案等信息，实现各煤矿企业、监控中心间的信息共享。
5 结束语
煤矿安全生产物联系统，可为煤炭安全生产监管提供准确的信息，丰富了煤炭安全生产监管手段，将有效地提高煤矿安全监察部门的工作效率、监管能力和服务水平，提高处置煤矿安全生产事故的能力。本文所述为物联网的理论应用于实际的一个案例。从整体上来看，我国物联网还处于起步阶段，物联网在工业领域的大规模应用还面临一些关键技术问题，包括统一标准、技术产业能力、盈利模式、行业壁垒、隐私与安全保护等问题。
1 引言
尽管我国煤矿安全生产已取得了不小的进步，但是从横向比较，其总体水平还比较低，与国际上煤矿安全生产先进水平相比还有较大差距，尤其是重特大煤矿安全事故还屡有发生。如何利用信息化产品，保障煤矿安全生产，预防事故发生，在事故发生后快速、准确定位，进行应急抢救抢修，成为摆在我们面前的重大课题。
2 煤矿安全监测监控存在的问题
我国大多数煤矿安全监测监控系统存在的问题不容忽视，主要有以下问题：
（1）煤矿井下作业远离地面，地形复杂、环境恶劣，与地面人员间沟通不便、不及时，地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况；
（2）煤矿事故发生后，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差；
（3）大部分煤矿安全监测监控设备落后且老化，不能很好地适应井下环境，不能很好满足煤矿安全生产需要；
（4）现有煤矿安全监测监控系统各成体系，没有统一标准和接口，造成了监测工程中数据漏报、系统间无法正常通信等问题，导致安全隐患的出现。
3 煤矿安全生产物联系统方案设计
针对以上问题，本文提出一种煤矿安全生产物联系统，按照统一规划、统一部署、统一管理、统一接口与标准的要求进行设计，其设计分成三个层次，分别是感知层、网络层、应用层，如图1所示。
图1 煤矿安全生产物联系统整体模型
网络层通过各种电信网络与互联网的融合，实现物体信息实时准确地传输与交互。网络层采用三级架构，即煤矿企业、市级分控中心、省级监控中心，以“分级监管，分级响应”的机制，搭建煤矿安全生产的物联网架构，实现煤矿安全生产的监控监管。网络层包括：1）矿井监控数据的上传；2）煤矿企业的数据专线；3）省监控中心以及煤炭集团、市分控中心的宽带数据专线。应用层利用云计算、模式识别等各种智能计算技术，对海量数据与信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制，包括远程监测与控制、煤矿安全事故应急指挥、信息上传与共享等。应用层包括：1）主机与存储系统建设；2）煤矿企业、市级、省级监控中心显示、调度、指挥系统；3 ） 煤矿企业上报信息的标准化工作；4）门户网站及安全系统建设。按照以上设计，整体网络图如图2所示，实现以下目标：
图2 煤矿安全生产物联系统网络图
（2）煤矿安全生产监察监管动态管理，实时了解煤矿的安全生产工作状态，随时掌握煤矿的有关安全技术工作参数（包括安全技术参数、安全监察监管要求数据）的情况，各煤矿点能够实施有效的日常安全管理，煤监部门能够对各煤矿点的安全生产工作实施有效的监督管理；
（3）在煤矿发生事故时，可提供煤矿点的基本技术数据、企业和政府的事故应急处理预案、事故救援资源的分布信息等，为市、省级公共安全应急指挥系统提供相应基础信息支持，为科学决策实施有效救援提供技术支持。
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4 煤矿安全生产物联系统建设
煤矿安全生产物联系统建设方案如图3所示，整体上按以下三个层面进行：
图3 煤矿安全生产物联系统的建设方案
感知层主要由计算机、主控接口、分站及各种传感器组成，如图4所示。主控接口不断地轮流与各个分站进行通信，各分站接到主控接口的询问后，立即将收到的各测点（开关量、模拟量）进行检测变换和处理，同时就地时刻等待主控接口的询问以便把检测的参数送到地面主控接口，主控接口将收到的各种数据处理后同时传给计算机。计算机将收到的实时信息进行处理和存储，并通过显示器显示各种测量参数、实时或历史数据、曲线、图形和报表等。
图4 感知层内部结构示意图
（1）井下人员登记、考勤、定位。采用RFID卡，记录工作人员卡号信息，读取卡号，声光提示。用户卡可以放在安全帽内，或者携带在身上可靠部位。被动定位，主动考勤。井下人员定位系统，是矿井地面监控中心主计算机在软件数据库的支持下，通过传输接口和巷道铺设的通讯光缆，对井下员工进行实时跟踪，数据信息经软件处理转换成数字信号，使井下人员动态分布或环境安全状态在主计算机中得以实时反映，从而实现井下安全状态在井上数字化管理的目的。
（2）扇风机状态显示及远控。风机在运转过程中，对电机电流、电压、轴承温度、压风流量、风速、压力等参数在线连续监测与保护。在扇风机控制柜上加装状态智能仪表，实时显示每台扇风机的工作状态；在地面上位机以多种形式显示电机电流、电压、功率因数，比如以表格、曲线形式显示、柱状形式显示等；在主控机上设置就地、远控转换开关，通过上位机可实现对每台扇风机的远方控制。
（3）风速、风量、负压、轴温在线检测。在扇风机控制柜处设置控制主机一台，主机上设置智能仪表，实时显示巷道中的风速、风量、负压、轴温。
（4）水泵控制系统监测与远控。结合矿井排水特点，新增加自动控制功能。由各种先进可靠的传感器、保护装置、电动闸阀、电磁阀等设备组成矿井主排水自动控制系统，通过智能测控器的接口和光纤适配器与井下以太网联接，将信息传输到地面主机，构成监控系统。
（5）传感设备的数据接入、传输方面，对于固定的井口、风机、风门等，采用光缆或双绞线等有线传输进行连接；对于需要经常移动的工作面和特别监控点，可采用WCDMA/GPRS或WiFi或Zigbee等无线传输，实现监控点快速部署。
4.2 网络层的建设
对于监控数据的上传，具备有线传输条件的，可采用有线传输；不具备有线传输条件，可采用WCDMA/GPRS VPN方案，将监控数据上传到上级监控中心。VPN方案是为确保网络安全，在现有物理网络的基础上建立VPN逻辑虚拟专网。VPN可采用基于L2TP协议和专用APN（APN，Access Point Name）的方案。基于L2TP协议的方案需要煤矿/煤监中心自建Radius服务，与运营商AAA（Authentication Authorization Accounting）共同完成无线拨入用户的认证和鉴权。这里采用专用APN的方案，如图5所示。地面监控中心通过WCDMA/GPRS网络分配的专用APN进行拨号，通过DNS（Domain Name Server）解析APN对应的企业接入端的GGSN（Gateway GPRS Support Node），GGSN将用户的认证请求送给AAA服务器完成用户身份的认证和IP等的授权。如果认证通过，GGSN通过GRE封装与煤矿企业VPN路由器建立隧道连接，实现地面监控中心与上级监控中心的通信。
图5 WCDMA/GPRS无线VPN方案
应用层实现远程监测与控制、安全事故应急指挥、数据上报与信息共享等功能。应用层的建设以云计算为框架进行规划，搭建统一的数据存储中心、数据共享中心、视频转发平台和统一展现门户等，提供统一、易用、便捷的业务功能。
远程监测与控制可通过网络访问监控中心的数字视频服务器，监看井上、井下视频，监测井上、井下环境参数。图像监视系统分为前端和客户端。前端单元负责采集各监视点的视频信号，并将视频信号压缩编码传送到视频监控中心。工作人员可通过客户端来监视各种设备的运行状况，并可对前端的摄像机发布控制命令，对图像进行诸如取景、定位、光圈大小、聚焦远近和变倍等操作。安全事故应急指挥可随时视频监视矿井情况，并通过双向对讲机进行远程指挥、调度，实现整体协同作战，指导施救人员和井下作业人员进行抢险救灾。数据上报与信息共享用于上报异常报警、设备运行状况、人员考勤与进出记录等数据，下达上级的安全生产指示、应急预案等信息，实现各煤矿企业、监控中心间的信息共享。
5 结束语
煤矿安全生产物联系统，可为煤炭安全生产监管提供准确的信息，丰富了煤炭安全生产监管手段，将有效地提高煤矿安全监察部门的工作效率、监管能力和服务水平，提高处置煤矿安全生产事故的能力。本文所述为物联网的理论应用于实际的一个案例。从整体上来看，我国物联网还处于起步阶段，物联网在工业领域的大规模应用还面临一些关键技术问题，包括统一标准、技术产业能力、盈利模式、行业壁垒、隐私与安全保护等问题。
