中煤集团安全生产监管物联网应用示范工程建设

2022-12-14王云泉王敏

现代职业安全 2022年1期

王云泉王敏

（中国中煤能源集团有限公司，北京 100120）

0 引言

通过煤矿物联网建设，将各类传感器、电缆、电气设备等与芯片、宽带和平台整合为统一的基础设施网，对煤矿复杂环境下生产系统内的人员、设备和环境实时监测、监控，对人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全条件、管理缺陷等事故致因要素进行超前感知、预测预警、处置，是防范事故的重要技术保障。煤矿物联网建设中存在不少问题，主要表现为：一是部分系统未能实现监测监控信息的互通共享，不同厂商和不同建设时期系统之间数据结构差异大，缺乏统一的通信协议和接入技术，各单项监测监控系统中信息联网程度不够，不能有效流通，形成信息孤岛，应用效率较低，不能满足实际需要；二是瓦斯探头可靠性和人员定位精度差；三是预警功能不足，缺少实时、在线、连续的监测预警；四是应急救援体系不完善，在救援技术、装备、管理以及整体综合协调能力未能实现。为解决上述问题，中煤集团在应急管理部指导下，联合国家能源集团有限公司开展国家矿井安全监管物联网应用示范工程建设。本项目属于国拨资金支持项目，依据《财政部关于下达2014 年战略性新兴产业项目第二批中央基建投资预算（拨款）的通知》（财建〔2014〕1030 号），本项目获得1 100万元国拨资金支持。

1 物联网概念与技术路线

物联网即“物物相连的互联网”，就是给所用物体安装传感器，通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把每个物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网本身是一个集成的技术平台，基本框架包括感知层、网络层和应用层。感知层是各种传感器组成的传感网；网络层将传感器获取的信息通过有线网络或无线通信网络传输到上层网络平台；应用层包括面向服务的中间件和具体服务系统，实现物联网的智能应用[1]。

物联网技术在煤矿应用中的发展和推进是一个长期的过程，其各项功能需要通过各种关键技术来完成实现。国外对物联网的应用研究起步较早，加拿大国际镍公司对矿井挖掘、运输等活动实行了远程控制。美国加州大学通过“凸规划定位算法”对煤矿井下作业人员定位较高。澳大利亚工业研究所开发了矿井四维可视化平台。在井下无线通信方面，加美德澳煤矿基本上实现了井下无线通信。国内外在煤矿物联网理论和应用都取得了一定的成果，形成了关于感知矿山建设的应用理论模型，构建了感知矿山的开放性模型。对矿山各层次所采用的关键技术和模型也形成了系统的研究论述，并在一些煤矿进行了示范应用，取得了不错的效果。然而，煤矿物联网技术还存在很多问题，如：缺乏高可靠性的传感器及装置、数据与网络安全方法、公共服务平台和相关煤矿物联网标准以及信息共享程度不高等问题[2]。

中煤物联网示范工程建设技术路线是：利用物联网技术实现对人员、设备、环境、管理等信息的有效感知和分析处理，通过各类型传感器、模块等信息传感设备，将矿山地理、地质、安全管理、运输等按约定的协议，与互联网连接起来，将感知技术、传输技术、信息处理、计算、现代控制技术、现代信息管理等与现代采矿技术紧密相结合，进行信息交换和通信，实现自动识别、定位、跟踪、监控和管理，构成煤矿人与人、人与物、物与物相连的网络，保证煤矿安全高效生产，实现中煤集团三级企业之间的互联互通和信息共享，同时煤矿安全信息实时传送入应急管理部通信信息中心监控平台。通过示范工程建设，完善煤矿安全生产监管物联网技术应用模式，促进煤矿安全物联网技术推广应用，推进煤矿安全物联网专用技术装备产业发展。

2 示范工程建设

自2014 年开始，截至2020 年年底，中煤集团先后在平朔集团井工一矿、井工三矿、大屯公司姚桥煤矿和中天合创公司葫芦素煤矿、平朔集团总部、大屯公司总部和集团公司总部开展煤矿安全监管物联网示范工程建设，建设资金总投入9 亿9 438.28 万元。现已建成了激光测距指向、35 kV 变电所温度在线、压风供水监控系统、高精度人员定位系统、工业以太网改造、激光甲烷测定、国家平台数据对接等32个子系统和集成，构建了纵向贯穿煤矿井上下作业现场→煤矿调度指挥中心→二级企业调度指挥中心→中煤集团调度指挥中心→应急管理部信息中心等5 个层面，横向涵盖安全监测监控、人员定位、通信联络（含应急广播）、风水管网监测、矿山压力在线、机电设备监测、运输监控、工业视频和应急处置等9 个要素的安全生产监管物联网，使安全监管实现横向全覆盖、纵向全贯通，提高了煤矿监管能力和应急处置水平。

3 关键技术研究

示范工程建设中，率先对激光指向测距、设备智能监控和人员高精准定位、甲烷高可靠性监测、数据高可靠性传输等关键技术开展研究并取得突破，其中激光指向测距、设备高智能监控技术和应用分布式激光甲烷为核心的监测监控技术等三项技术填补了行业空白。

3.1 激光指向技术

激光测距仪系统激光指向与测距实时监控系统，由地面主机、信息交互接口、传输分站、激光指向测距仪以及传输线缆等组成。激光指向测距仪包括激光发射器、激光接收器、激光指向模块、激光测距模块、中央控制单元、通信模块、时间控制模块和为上述各模块供电的电源模块。该系统还可以设有摄像机和无线控制装置。激光指向测距仪安装在掘进工作面、采煤工作面监控采掘进度；安装在挡水墙、密闭墙附近监控变形量；系统安装后在线实时测量并自动上传数据。在巷道贯通安全距离监控方面，当安全距离到达设定的数值时，系统能够与报警设备连接，实现自动报警提示，发出停止掘进命令，要求停止掘进，实现安全预警功能，避免事故发生。该技术的应用，能够提高日常测量、收尺效率在1 万倍以上，提高测量精度在100 倍以上。

3.2 高精度人员定位技术

为适应煤矿井下重点区域作业人员限员、矿领导井下带班管理和紧急情况撤人的需要，根据煤矿实际需要采用KJ1070 高精确定位管理系统代替旧人员定位系统，采用无线载波通信技术(UWB)，数据传输速率高，穿透能力强，截获能力低，定位精度高，定位误差从10 m 缩小到不超过0.3 m，虹膜唯一性检测，可精准开展井下作业地点人数计算、矿领导带班轨迹核查。该系统具有重点区域超员设置、出/入区域总数及人员、系统参数设置操作记录、分站数据存储功能、入井超员告警、入区超员告警以及长时间静止告警，极大地提高了井下对作业人员管理水平和应急处理能力。

3.3 建立了物联网智能监控平台

葫芦素煤矿安全生产物联网智能监控平台包括：井下环境安全状况感知的信息采集、消息调度，智能专家业务分析，多种方式的可视化安全监控，基于电子图纸、系统图的可视化动态业务评价，现场感知体系的自动发现与网络拓扑，历史数据与曲线分析以及二级公司、集团公司数据交换等主要业务功能。尤其是定制化开发具有系统导航图、设备运行状态图、区域安全评价图，利用物联网感知设备自动感知设备、发现故障设备，不需要到现场、地面多次配置即可以对监控现场的状况一目了然、完全掌握，既避免了人工配置导致的可能错误，又可以快速精准处理故障设备，大大减少了人员实施、维护和故障排除时的往来奔波，对于优化生产资源和生产力具有十分现实的意义。

3.4 率先应用分布式激光甲烷为核心的监测监控技术

葫芦素煤矿采掘工作面及重要区域建设了以分布式激光甲烷为核心的煤矿安全监测监控系统，实现了矿井甲烷气体高精度测定，与采用载体催化元件的甲烷传感器相比，具有自动校准、标校周期长、抗干扰能力强、稳定可靠等优点。目前，分布式激光甲烷监测探头创新示范通过该项目,已向全国煤矿做了推广应用。分布式激光甲烷探头具有无源瓦斯监测功能，激光传感器稳定期大于180 天，可以实现5 000 m以上长距离的监测。

3.5 新型安监联网动态数据实时传输系统与方法

该传输系统包括用于实时采集矿端数据的数据中心采集系统，将矿端数据传输给安监管理系统，所述数据中心采集系统包括：系统环境配置单元，数据访问器，内存队列管理器，异步文件处理器，数据分发器，数据加解密、压缩解压处理器和线程管理单元。不需要部署客户端程序，运行维护简单。该传输系统与方法，既能进行数据的加密和压缩，保证数据的安全性，又能大文件拆分上传，减少数据丢失。该方法已获发明专利。专利名称：“一种新型的安监联网动态数据实时传输系统及办法”，证书号：第2803287 号。