物联网技术在矿山安全管控体系的应用

杨超凡

（四川省安全科学技术研究院，四川 成都 610046）

0 引言

当前随着经济和数字技术的发展，全球已经将智慧地球提升为国家经济的发展策略，尤其将物联网技术的应用性作应用到各行各业当中。无论在国内，还是在国外，物联网技术发展的大趋势逐年上升。该技术最早应用于监测领域，不过随着时代的发展以及科学技术的进步，已经将该技术运用于交通道路、医院病理、农业农作物等。而在采矿工程方面，就很少有科研人员将物联网技术运用其中。采矿工程是在深层土质下进行运作的工作，这其中有很多影响安全的因素，例如地震危害、土壤气体危害等。将物联网技术应用到矿井安全监测、应急监测系统、人员管理系统，矿井人员安全救援系统、数据测量终端等，将会大大地提升施工人员的安全性和保证工程按时进行。

1 物联网技术下的矿山安全管控体系的研究现状

1.1 物联网技术下的矿山安全管控体系的国外研究现状

物联网技术发展早期提出的概念是指将自动化技术当中的RFID射频技术与计算机互联网相结合起来，对物体进行识别、监测、管理、反馈。物联网技术首先对物体进行标识，然后使用RFID射频技术对物体进行识别和处理，在终端利用一系列的技术对其进行管理和控制。该项技术使人与人之间、物与物之间、人与物无论在什么时间、什么地点都能进行远程的交互和控制。由于其有好的利用空间和运用前景，大多数行业都开始引进物联网技术，尤其在危险作业的工程当中，更加突显了此项技术的实用性。物联网利用新一代的IT技术（包括RFID技术、传感器技术、云计算技术、计算机技术等）将各类传感设备嵌入各种物体及系统中去，从而实现物体或者系统带的互联。通过对原始信息进行采集与分析，远程操作人员能依据具体情况发出指令，大大提升了工效率和减少人员出现的危险性。例如在煤工程当中，当前已经获得了丰富的研究成果，其中最令技术人员骄傲的技术是地下数据获取装置、远程控制矿井挖掘、运输等。

1.2 物联网技术下的矿山安全管控体系的国内研究现状

我国首先对物联网技术的概念进行了定义，即物联网技术的核心是RFID传感器技术，在此基础上使用了计算机技术、网络技术等，然后对物体进行了物理标记，最后实现了远程操作使物体运动。由于我国在物联网技术上的不成熟，所以对其研究大部分还停留在理论层面，其主要科技人员有单承赣教授、吴耀华教授、王永才教授等。由于受气候、天气、地质的影响，今年发生了许多煤矿安全事故，给企业和国家带来了不可挽回的损失，给员工家庭带来悲伤的故事。我国为了最大程度地避免事故出现，已经设想在采矿安全方面融合物联网技术，来最大程度地保证安全。物联网技术在采矿安全的应用上，国内的文献研究主要立足于GIS技术、三维数字成像、ADS技术、防爆交换机、区域服务器等进行科研。在工程应用上我国的科研人员还需要继续努力，来应对不同环境的采矿作业，尤其在煤矿物联网系统整体研究上还需要进行进一步的完善和更新。

2 物联网技术下的矿山安全管控体系存在的问题以及应急预警系统

2.1 信息系统化分散问题

企业在处理矿山问题上面，都出现了信息的严重分散化，其中主要的问题是后台数据库的杂乱、重复性，占据了内存资源，在数据发布的过程当中网络服务加速慢，在数据展示环节，三维图形展示不清晰等。各个矿山数据资源之间彼此独立，没有进行数据交互，从而形成了数据的闭塞，最终造成了技术人员对工程事故把握不足，无法十分正确地进行预判危险。若在工程当中加大对数据的交互和共享，技术人员可对这些数据进行分析处理，就可对矿山当中即将出现的危害信号进行测定，这也可大大地提高工程人员的安全性。

2.2 数据采集装备较落后

当前的采矿企业普遍使用的器材都是陈旧的，有的企业甚至为了节省开支，在工具使用上能用就用，不将安全性考虑到第一位。大多数企业还是使用人工较多，可见其要达到自动化采集还有很大一段距离。要改善采矿效率低下、自动化水平落后的局面，就需要加大对物联网技术的使用，且需要对当前的装备水平进行升级改造和创新技术。

2.3 企业安全风险加剧

在采矿工程当中普遍会出现对深部地带进行开采、露天开采、残矿回收等作业过程，这些过程在运营工程当中具有不同程度的风险，而且这些风险还在随着工作量的增长而增大，采矿作业的危险系数也随着采矿的工作量增加而增加。由于近年来各地区发生了不同程度的煤矿或者非煤矿山的坍塌突发事件，给企业和国家、受害人家庭带来不可挽回的损害，所以政府管理部门也对采矿矿山工程的类似企业制定了严格的安全风险控制标准。国务院安全生产委员会办公室、原国家安全生产监督管理总局下发的一系列强制性标准也迫使企业进一步提高了安全管控水平[1]。

2.4 重大突发事故安全监测-应急预警系统

在矿山开采的过程中，可能会出现地面塌陷、排土场、尾矿库等各种重大突发事故，而这些事故将会严重地危害到采矿人员的安全。因此当发生这些重大危险时，应该进行相应的应急预警。而想要制定出反应及时的预警监测系统，首先得以GPS为基础平台，在运用GIS信息处理和分析功能等的基础上，将物联网相关技术和软件程序同GIS相结合，从而对矿山中出现的各种重大事故进行动态的精准的应急预警。同时通过物联网络，将各个独立的监测对象进行联接，采用射频识别以及传感器检测技术等手段，实现对重大突发事故的分析、判断以及预警，并且在建立系统的过程中需要利用数字化信息的技术建立起完善的重大突发事故自动检测及预警的一体化系统。

3 物联网技术在矿山安全管控体系中的应用

针对易发生危险事故的地区，建立了集数据管理集成化、自动化控制系统、工程数字化于一体的矿山安全管控体系。该系统主要建立的是人员定位系统、安全生产数据查询系统。人员定位便于管理人员任何时间了解井下人员数量和人员采矿地点分布情况，同时也能够针对意外事故及时作出响应，从而也为作业人员提供了第一道安全保证防线。同时，管理人员在进行定位和轨迹跟踪过程当中，可以了解井下矿工的分布情况、工作分布区域、采矿工程进程等。此外对井下人员的采矿路线进行跟踪记录，生成了历史轨迹图，并对其进行分析，可以在此基础上进行研究，可以对地下采矿工程的事故关键点安装警报系统和设备救援物资、设备等。若作业人员遇到了矿山坍塌危险，管理人员还可以通过系统查询作业人员位置，大大缩短了救援时间。矿山安全管控体系的安全监测，主要是对井下作业环境进行监测，以防止各种有毒有害气体危害作业人员的生命安全，同时在此基础上进行生产监控，可以让管理人员对井上、井下工程的生产环节设备参数和运行状态进行实时监控，以保证机械设备正常运行。在日常工作当中，对于日常的安全报表，矿山安全管控体系都是人工进行统计，但在矿山安全管控体系可以通过手机客户端来进行发送和接收每日的工作和生产情况，该日报表信息是每天下班前或早上上班前发送，管理者通过查看报表数据来查看报表内容，其中主要查看原煤采集量、开拓量、专题调度问题、电厂发电量、查岗情况、带班情况等。系统同时支持个性化领导关注项目，建立了数据超限报警系统。利用手机端将数据以短信方式发送，并配置发送频率，可以使管理人员更加科学、高效地管理工作，从而可以避免安全事故的发生。借助于物联网矿山安全管控体系，矿山安全负责人员能够实时查看井下生产作业过程，对危险源进行监控，实现超限预警以及井下视频监控等，另外还能够实现井下应急指挥调度，为煤矿安全生产及经营管理提供准确依据[2]。

4 物联网技术下的矿山安全管控体系技术

4.1 MySql数据库应用技术

MySQL是一种关系型数据库管理系统，关系数据库将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，在一定程度上提升了速度并提高了灵活性[3]。该数据库能连接前端和后端，并且能存储数据、删除数据、修改数据、查询数据，同时也便于管理人员对数据进行管理操作。

4.2 C#语言编程技术

C#是面向对象的编程语言，可以使程序员快速地编写各种基于MICROSOFT.NET平台的应用程序，MICROSOFT.NET提供了一系列的工具和服务来最大程度地开发利用计算与通信领域[4]。互联网技术下的物联网矿山安全管控体系后端的编程语言采用了该语言，可以使工程管理系统更加快速地完成管控工作，且在后续的使用当中也能更快响应。在编写程序当中调用的类包是Collections.Generic、Configuration、Data、Data.SqlClient、System.Linq、System.Text、Threading.Tasks、MySql.Data.MySqlClient。

5 物联网技术下的矿山安全管控体系设计

5.1 物联网技术下的矿山安全管控体系整体设计

采矿整体的设计是利用矿山生产调度生产线进行连接，进而可以保证在工程生产作业过程中进行优化的管理和控制，并通过数据采集功能模块来获取实时的数据和异常数据，从而支持管理人员进行智能化分析和决策，来保证工程的如期进行。整个系统由地面智能控制中心、高可靠通信系统、数据采集系统、定位导航系统、综合监测系统等组成。详细工作过程如下：地面智能控制中心首先分别与生产调度系统、数据采集系统、通信系统进行交互，以此来获取数据，然后在监测系统部分进行分析数据，最后依靠远程操控模块来发送、传输数据。通过矿山的监测监控系统可以随时随地地获取工程范围内的环境状态、人员工作情况、工程生产情况等。除此之外，该系统结合远程操控技术，来对矿下情况进行控制，并且借助定位导航系统实时反馈地理位置信息，这大大减少了管理人员的工作负担。

5.2 物联网技术下的矿山安全管控体系硬件设计

在矿山安全管控体硬件的设计上主要是布置网络问题，由于大多数矿物作业工程都在地表以下进行操作，所以需要考虑特殊的环境因素进行组网。当前有针对特殊场景应用的技术是无线传感器网络技术，该技术具有需要数量大、自身体积小、无需独立的供电、管理起来容易的特点，所以可运用到对矿山的工程组网当中。煤矿井下传感网络使用的网络设备是交换机、数字摄像机、所辖无线基站、管理分支的站点等。由于井下的环境条件特殊，有时候容易出现产品的线路在工作时候产生热量，引发了其他电路系统事故，最终导致矿井中的出现了爆炸情况，故矿井中的组网设备都是本安型产品，来最大程度地避免类似的情况出现。该工程利用无线传感器将煤矿的各类环境信息、设备信息、井下人员信息及定位信息及时地传输给地面监控中心，不仅可以摆脱现有有线网络线缆的束缚，还可以填补现有矿山监控系统的诸多漏洞[5]。

5.3 物联网技术下的矿山安全管控体系软件设计

根据上一节矿山安全管控体系的硬件介绍，介绍矿山安全管控体系软件架构的设计。该矿山安全管控体系软件系统实现的主要功能有信息资源的分类与采集、数据检索及统计、系统设置维护。矿山安全管控体系系统的设置维护主要是对用户的权限问题进行设置、对清单日志进行管理，以及对后台数据备份等。信息的资源分类是对采矿的日常事务进行分类和采集以及为关键性图片和文档进行上传和下载，同时完善对数据的信息分类、筛选功能。数据的检索功能模块主要对收集的数据进行检索和统计分析，对图片文档资源的在线共享等。该系统虽然在应用层面较完善，但在应对真实的地质场景时，还需要进一步的完善和优化，来保障矿山工程的如期完成和施工人员的生命安全。

6 结语

综上所述，我国物联网技术的发展还处在需要不断完善的阶段，只有切实地落实矿山安全管理体系的感知、传输以及智能管理等相关方面的应用，才能够够进一步地保证采矿过程中矿山工作人员的安全。为了能有效地提升矿山企业的生产效率和安全水平，各个地方的采矿工程都应该加强对高科技采矿技术的使用，无论是国企还是民营企业都要将安全工程的重要性放在第一。要切实保证采矿工程的安全性，除了需要企业加强管理系统的建设外，还需要采矿人员对自身的生命安全加强安全保护。