“安全监测与监控”课程改革与实践

倪冠华 于师建 程卫民 周刚 刘震

基于LabVIEW程序设计的

摘 要：“安全监测与监控”是安全工程专业的一门专业课。为了提高教学质量，本文通过对“安全监测与监控”课程特点及存在问题的分析，提出基于LabVIEW程序设计的“安全监测与监控”课程改革与实践，根据煤矿瓦斯监测监控系统的硬件组成，在LabVIEW环境下开发设计整个虚拟过程，包括虚拟传感器的信息采集、井下分站的信息收集和汇总、信息传输通道的信息传输及地面中心站的信息处理和显示。课堂教学效果表明：基于LabVIEW虚拟仪器的程序设计是“安全监测与监控”的另一种更加快速、有效的“课堂实验教学”。“课堂实验教学”演示在教学过程中提高了学生的学习兴趣，学生可以根据不同的实验要求，编写相应的控制程序，提高了学生的编程能力和创新思维能力，大幅度提高了学习效果。

关键词：安全监测与监控；LabVIEW程序设计；实验教学；课堂效果

作者简介：倪冠华，博士，山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心讲师，研究方向为安全技术及工程；于师建，山东科技大学矿业与安全工程学院；程卫民，山东科技大学矿业与安全工程学院；周刚，山东科技大学矿业与安全工程学院；刘震，山东科技大学矿业与安全工程学院。（山东 青岛 266590）

基金项目：本文系2015年山东省普通本科高校应用型人才培养专业发展支持计划“安全工程”建设项目（编号：BKYY2015）的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）14-0044-03

安全工程专业是在矿井通风与安全专业的基础上发展而来的，安全监测监控作为安全工程专业的一门专业课[1-2]。近年来，随着材料科学、传感器技术的发展，关于工业生产安全问题的监测与监控技术发展很快。在煤矿生产方面，自从国家煤矿安全监督管理总局进行了全国范围内的煤矿瓦斯灾害专项整治以来，要求国内大中小型煤矿都需要安装煤矿安全监测监控系统[3]，主要监测的目标有两类：一类为矿井环境参数监测，包括瓦斯浓度、一氧化碳浓度、矿井温度、湿度等；另一类为工况参数监测，包括煤仓煤位、皮带运行情况、掘进机、采煤机运行情况等。以上安全监测监控的广泛和深入的应用，逐步凸显了“安全监测与监控”课程的重要性。但是，根据笔者3年来的授课经验获悉，此课程课堂效率不高，学生学习积极性不足，主要因为“安全监测与监控”的教学方式主要以讲授为主，对于包括计算机技术、通信技术、网络技术和电子技术为一体的安全监测监控技术的讲授方式使学生感到枯燥无味，学生学习效率低下。因此，如何使学生能有效、生动地掌握“安全监测与监控”课程成为亟待解决的关键性问题，而基于Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（LabVIEW）虚拟仪器[4-5]的程序设计正是对“安全监测与监控”这一课程进行的改革与实践。

一、安全监测与监控课程概述及特点

安全监测监控系统是包括计算机技术、网络技术、通信技术和电子技术为一体的综合自动化产品。主要包括传感器、监控分站、通信信道、中心站和电源5部分组成，如我们常见到的建筑消防监测监控系统、楼宇火灾安全监测监控系统、煤矿瓦斯监测监控系统、交通监测监控系统等，都以环境系统的安全为目标而设置的一套综合性电子系统。可见，安全监测监控系统是国内外各行业都应用到的一种预防安全事故的综合性技术产品，通过对环境状态参数、安全信息的监测与监控，来实现安全性分析和预测的自动化、准确化和及时化，并给予必要的预警和控制。

鉴于此，本课程首先介绍了安全监测监控的系统组成和发展历程、传感器基本理论，其次，介绍了瓦斯检测、矿井环境状态参数（一氧化碳、温度、湿度、粉尘、硫化氢等）检测、矿井生产系统工况参数（风门开关状态、机电设备开停状态、煤炭运量等）检测三大检测应用；然后，介绍了安全监测数据采集（A/D转换器、采样保持器、信号放大器、D/A转换器）、数据通信（数据基带传输、频带传输、数据多路复用）及计算机网络三项关键技术，最后介绍了安全监测监控系统管理（辅助管理和远程管理）、性能测试、设计原则及步骤等设计方法。另外，“安全监测与监控”课程设置有2个学时的实验教学，实验教学内容为“煤矿安全生产监测监控系统实操实验”，实验目的包括：熟悉矿井安全生产监测监控系统；了解各种传感器的原理和實际使用方式、方法。具体内容为实施监测监控矿井井下各种安全参数：瓦斯浓度、风速、负压、温度等并做记录。因此，现有的“安全监测与监控”课程特点为以讲授为主（30学时）、课堂实验为辅（2学时）。

二、教学过程中存在的问题

虽然“安全监测与监控”课程包括讲授和实验两个方面，但是，通过课间和学生的交流反馈，以讲授为主的理论讲解必会造成学生在课堂学习过程中枯燥无味、学习困难的严重问题，主要因为安全工程专业学生电子电路技术理论、通信理论基础薄弱，以讲授为主的理论讲解，很难使学生理解，难以激发学生的学习热情和兴趣。

此外，虽然2个学时的煤矿安全生产监测监控系统实操实验，可以让学生理论联系实际，更加具体形象地了解安全监测监控系统的实际工作过程，让学生在课堂学习安全监测监控系统组成、传感器的工作原理、数据采集、通信及计算机网络等技术的基础之上，使学生更加深刻地理解安全监测监控系统工作原理。但是，笔者在传授课程过程中发现，由于各高校为了专业各门课程的统筹发展[6]，往往对于“安全监测与监控”实验教学的设备投入不够，并且众多学生围绕一台实验仪器的现象比较突出，实际学习情况并不令人满意。因此，如何改善学生学习条件及方式，如何使其获得更加有效的实践学习，是摆在我们面前的一项紧迫任务。

三、基于LabVIEW程序设计的“安全监测与监控”课程改革与实践

参考当前煤矿安全监测设备的各项技术指标，通过煤矿瓦斯监测监控系统LabVIEW虚拟仪器的设计，使学生在煤矿瓦斯监测监控系统的理解和应用上更加直观、具体、方便。

1.LabVIEW程序简介。LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C语音和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的根本区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言编写程序，产生的程序是框图的形式[7-8]。LabVIEW开发的软件程序由数据流程图、前面板和图标连接端口三部分组成。

（1）数据流程图。数据流程图[9]，又称框图程序，采用图形化的编程语言进行框图程序的编写，代替传统编程语言中的文本代码。框图的程序由节点、端點、图框和连线四种元素构成。

（2）前面板。前面板是LabVIEW应用程序的图形化用户界面，可以布置输入参量和查看输出参量，前面板可包含按钮、度数盘、开关量、仪器量及其他实际仪器工具，LabVIEW应用程序的前面板相当于实际监测监控系统的操控面板，并且其图标均为功能模块。

（3）图标连接端口。图标的连接端口可以实现图标之间的连接，并可以实现LabVIEW的层次化结构。用户可以把上层次的LabVIEW程序来调用以创建更加复杂的下一层次LabVIEW程序，且这种层次化调用的梯次可以无限增加。

2.LabVIEW虚拟仪器应用程序设计。煤矿瓦斯监测监控系统LabVIEW虚拟仪器的程序是根据煤矿瓦斯监测监控系统的硬件组成和功能，在LabVIEW环境下开发设计的。包括虚拟传感器的信息采集、井下分站的信息收集和汇总、信息传输通道的信息传输及地面中心站的信息处理和显示，这是一个完整的虚拟过程[10】。

首先，在数据流程图中利用图形化方法进行编程，实际上是LabVIEW的程序代码。利用数据流程图中的各种图形控件虚拟煤矿瓦斯监控系统的硬件部分，具体如下：

（1）利用四组信号输入图形控件虚拟不同井下分站的多组瓦斯传感器，采取在0～5.3之间随机取值的方式，模拟煤矿井下传感器对井下瓦斯的浓度的随机连续的取样过程。

（2）采用四个信息收集图形控件虚拟四个井下分站，对信号输入图形控件传来的多通道信息进行收集和汇总，模拟井下分站对井下各瓦斯传感器传来的信息的收集和汇总。

（3）对地面中心站的虚拟，则根据地面中心站的多个功能进行设计编程，包括利用显示器控件虚拟地面中心站的显示器及大屏幕，模拟显示器及大屏幕对地面中心站传出的信息的显示功能；利于比较控件虚拟地面中心站的处理器，模拟地面中心站的信息处理；利用一个LabVIEW子程序虚拟地面中心站的声光报警功能，传出的数值经过比较控件的比较，当信息大于5%时，则实现声光报警功能。

（4）数据流程图中的各种连线，即可虚拟矿井井下及地面CAN总线及各种通信电缆，实现模拟井下分站和地面中心站及各井下分站与传感器之间的信息传输。

其次，LabVIEW应用程序的前面板相当于实际监测监控系统的操控面板，并且其图标均为功能模块。其中，包括图形显示控件、报警灯控件、文本显示控件、按钮与开关控件。具体设计方案如下：

LabVIEW从数据流程图接收指令，在前面板上有设置四个图形显示控件，虚拟地面工作站的显示器或大屏幕。图形显示控件中分别显示各信息的大小，并用直线连接。分别模拟显示掘进工作面、回采工作面、机电设备洞室、主要运输巷道的瓦斯浓度。当数值大于5%时，则在前面板中弹出瓦斯超限窗口，同时在前面板中实现声光报警功能，从而提示工作人员瓦斯超限。工作人员还可以通过前面板上的图形显示窗口观看瓦斯浓度的显示，并进行预测，确定瓦斯超限的地方，快速、准确地获取瓦斯超限信息。

3.实践及效果分析。基于LabVIEW虚拟仪器的程序设计，可以说是另一种更加快速、有效的“课堂实验教学”。“课堂实验教学”的优势在于：①基于LabVIEW程序设计的“安全监测与监控”课程改革，可提高学生的学习热情和兴趣，提高课堂效率；② 提高学生的编程及创新思维能力，学生可自定义数据流程图、前面板和图标连接端口，通过不同参数、不同报警值的设定，来模拟不同的安全监测监控系统，相当于多套传统实验教学系统，丰富了实验内容。

在具体实践“课堂实验教学”过程中，以基于LabVIEW程序开发的煤矿瓦斯监测监控系统为例，模拟传感器采集掘进工作面、回采工作面、机电设备洞室、主要运输巷道的瓦斯浓度，将数据传送给监控分站，监控分站通过通信信道传给地面中心站，地面中心站通过数据处理和分析，将指令传给执行机构，若瓦斯超限，则实现声光报警功能。学生学习的效果比传统讲授教学具有明显提升，首先，通过学生的学习及反馈，由于LabVIEW程序设计软件是一种图形化的编程软件，学生不必去学习复杂的编程语言，而是直接采用数据流程图中的各种控件实现编程的功能，学生容易掌握；其次，当数值大于5%时，则在前面板中弹出瓦斯超限窗口，同时在前面板中实现声光报警功能。此时，学生可以自定义报警值，可以实现不同瓦斯浓度条件下的声光报警功能，激发学生的学习热情。第三，学生掌握LabVIEW程序设计软件，可以自主开发其他安全监测监控模拟软件，如楼宇火灾监测监控等，可以开拓学生的创新思维，提高学生学习及工作能力。

参考文献：

[1] 魏勇.安全工程专业“化工安全”课程教学改革研究[J].科技视界， 2012，（35）： 44-52.

[2] 王凯，蒋曙光，吴征艳，等.煤矿安全监测监控课程教学改革及效果分析[J].当代教育理论与实践， 2015，7（2）： 42-44.

[3] 李树刚，魏引尚.安全监测与监控[M].徐州：中国矿业大学出版社， 2011：1-2.

[4] 付详钊.建筑环境与设备工程专业本科教育平台课程的研究[J].高等建筑教育， 2004，13（3）：58-59.

[5] 刘艳峰，王晓昌，王劲松.建筑环境与设备工程本科生培养模式期望调查研究[J].西安建筑科技大学学报（社会科学版）， 2007，26（4）： 96-99.

[6] 董立平.地方高校转型发展与建设应用技术大学[J].教育研究， 2014，（8）：67-74.

[7] 李红刚，张素萍.基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J].国外电子测量技术， 2014，33（4）：62-67.

[8] 刘智芳.虚拟仪器技术在低频时码授时信号测量与监测中的应用研究[D].北京：中国科学院研究生院， 2007.

[9] 张黎，蔡亮.基于LabVIEW的虚拟信号发生器的设计与实现[J].国外电子测量技术， 2014，33（1）：82-84.

[10]徐耀松.虚拟仪器及数据融合在瓦斯监测系统中的应用研究[D].辽宁：辽宁工程技术大学， 2003.

责任编辑 程 华