基于物联网的矿山安全系统

周先军，何雪江，侯兴涛，盛秋林

（湖北工业大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068）

基于物联网的矿山安全系统

周先军，何雪江，侯兴涛，盛秋林

（湖北工业大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068）

文章分析总结了当前数字矿山中物联网的矿山安全现状，提出一种固定感知与移动感知相结合，孤立感知与联合感知相结合的矿山安全系统方案，简要分析了该方案的科学性和可行性。

物联网；矿山安全；物联网

1 介绍

我国的能源现状是多煤少气缺油，而煤矿生产环境复杂恶劣，井下用人多而且人员集中，安全设备比较陈旧，安全监控系统采用的技术比较落后，再加上运行管理不够，使得安全形势不容乐观。而煤矿安全关乎国计民生、关乎矿业工人家庭幸福。

利用物联网技术构建矿山安全系统，通过煤矿井下人员RFID管理系统确保井上井下的有效管理、沟通，在很多时候，矿难的发生毫无预兆，来不及疏散人群，对于被困在矿井中的工作人员来说，系统便会通过各传感器的数据反馈及时了解到矿难发生区域的情况，将部分危险地带的通道自动关闭，切断部分可能引发更为严重事故的电源以及管道，防止发生火灾或者爆炸事故，避免被困人员受到更多的威胁。在矿井中安装红外入侵探测器，随时了解到矿井内是否还有生存者，而空气质量探测器也能随时向控制中心发送环境质量参数，在环境恶劣的时候，发出并且通过对相关传感器的准确定位，及时打通通道，对被困者进行救援工作。

文章探索以物联网为基础的矿山安全系统设计，着眼建立物联网矿山安全系统。

2 物联网

物联网概念最早起源于麻省理工学院(MIT)的自动识别中心（Auto-ID）1999年提出的射频识别（RFID）系统——把所有物品通过射频识别等传感设备连接到互联网，实现智能化管理。2009年8月7日，时任总理温家宝视察无锡时提出“感知中国”理念，由此推动了物联网从概念、政策、配套到技术研发的快速发展，物联网俨然已掀起信息领域继计算机、因特网之后的第3次技术风暴。物联网的特征是全面感知、可靠传送、智能处理。该技术通过嵌入在物体、人体中的各种传感设备、电子标签，使物体、人处于网络在线状态，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

感知层，主要通过RFID、静态传感器、动态传感器等各类感知设备，实现对数据的实时采集。感知和标识技术是物联网的基础，无线覆盖网络必须能够为井下所有有价值物体提供感知服务，包括设备、人员、环境、工矿的监测。各类静态节点和以人、车辆为代表的移动感知节点构成移动感知平台，通过感知网关接入局域网，执行环境信息的感知。

网络层，通过各种接入设备实现互联网、蜂窝通信网、有线无线局域网的融合。网络层设备主要铺设在地面，构建覆盖整个矿区的数据网络，以完成可靠传输。网络传输平台是矿山物联网的主干网，利用工业以太网技术、煤矿移动通信技术、M2M技术以及6LowPAN技术，实现感知信息以IP为基础的实时可靠传送。全矿生产、安全等全部信息集成到控制中心，进行各种智能信息处理，如信息融合、信息挖掘等。

应用层，对矿区安全数据进行分析处理，通过系统平台对矿区实施智能化控制和监测，包含了矿区3DGIS、综合自动化、人员管理、视频监控、短信管理、矿区应急指挥、调度系统等。当某个事件发生时，及时作出反应，应用当前数据进行指导和处理。另外，依据采集数据，对矿山安全生产形势进行评估、煤矿安全隐患排查。

3 矿山物联网

煤炭生产工作场所黑暗狭窄，采掘工作面又处在移动中，需要实时全面掌握矿区井上井下机电设备状态及井下人员分布，对可能的矿体采空区变形、矿区有害气体聚集、采矿工人身体异常变化等情况有效预测、及时干预。基于物联网的矿山安全系统，将感知技术、传输技术、信息处理、信息管理等与当代采矿紧密结合，构成矿山中人与人、物与物、人与物均能紧密相连，动态控制矿山安全生产的全过程。

井下无线覆盖主要由无线接入点 (AP)完成，多种支持WIFI的终端，如身份识别卡、无线摄像机、WIFI手机等，AP通过本安以太网延长器或光纤耦合器，将接收到的终端信息发送给交换机，交换机通过光纤耦合器接入井下光纤骨干网，从而将终端的信息传输给骨干网络，进而传输到地面指挥中心，达到井下综合监控和管理。井下个人安全监测系统由双向个人信息终端、有线与无线通信网络、应用管理平台组成。个人信息终端功能还包括：瓦斯/温度监控、汇聚传感信息向上位机发送、向上位机发送呼救信号、监测被困人员的生命活动迹象、接收调度室发送的避灾路线等。

传感器网络节点具有体积小、数量大、布置灵活、不需单独供电、不需要专人维护等特点，传感器网络应用于矿山，实现矿山设备信息、环境信息、井下人员信息与定位信息及时地传输给地面监控中心，为井下视频、VOIP等技术的实现搭建基础平台。基于物联网的矿山安全系统，系统架构为：感知层网络是WSN、RFID，骨干传输网通常由千兆工业以太网构成，完成信息的集成传输。

4 基于物联网的矿山安全系统方案

物联网的实际使用，可以一方面在矿山部署固定感知节点，此类节点不管有无矿工生产活动，这类节点自动成簇，监测矿山的矿体移动、气体聚集、矿道应力变化，此类数据着眼矿工的工作背景检测；另一方面，矿工随身携带或随矿工移动的设备装配节点，这类节点随矿工工作而变化位置，表征矿工的生产活跃情况，此类节点发送感知信息到其周围的固定节点，此类节点由于与矿工活动息息相关，所获得的数据着眼矿工瞬时状态检测。

矿工随身携带了感知设备，该个人信息设备成为矿工安全生产的孤立感知节点，在个人信息设备唯一运行下，该设备需进行高密度的信息采集和处理。在大多数生产场合，多个矿工的信息设备，或者单个矿工的信息设备与其周围预置的固定探测节点相互联系，形成合作感知。由于阴影效应、多径效应等要素的客观存在，单感知节点所获取的信息可能比较片面，其探测率一般为0.7，漏警率为0.2；如果对某一特定的灾害事件，其周围环境存在多个节点（或固定或移动），这将大大改善事件的探测率和漏警率。多个节点展开联合探测，使对危险事件感知的探测，探测概率达到0.9，而虚警概率小于0.1；当对灾害的联合感知确认后，矿工执行相应灾害预案，短时间内撤离，退避于相对安全的位置，或者灾害检测预警解除。

5 结语

论文分析了基于物联网的矿山安全系统总体架构及关键技术，提出基于固定探测与移动探测相结合、孤立探测与联合探测相结合矿山安全物联网运行方案，并简要论述了该方案的具体特点。由于物联网技术的无所不在和愈来愈成熟，构建在这一平台之上的矿山安全系统，将有效维护矿山安全。对煤矿生产环境下的人员、机器、设备实施实时全过程控制，以高效、安全、绿色开采为目标。

Mine Safety System based on Internet of Things

ZHOU Xian-jun,HE Xue-Jiang,HOU Xing-tao,SHEN Qiu-lin,et al
(Institute of Electrical and Electronic Engineering,Hubei University of Technology ，Wuhan,Hubei 430068,China).

This paper analyzed and summarized the security status of IOT in current digital mines and proposed a safety system proposal for mines which features with the combination offixed perception and mobile combination and the integration of isolated,perception and joint perception,and briefly analyzed of the scientificity and feasibility of the proposal.

internet of things(IOT);mine safety;Internet of things

TP393.09

A

2095-980X（2015）02-0061-02

2015-01-15

本研究得到了武汉市科技局基础研究计划的资助（项目编号：2013012401010845）。

周先军（1970-），男，副教授，主要研究方向：无线互联、电力网络。