矿山井下安全监控系统的研究与实现

王雨 WANG Yu

（沛县食品药品安全监督所，徐州 221600）

0 引言

基于我国“十四五规划”不断落实的背景，对于煤矿行业的建设发展提出了更高的要求。但在实践中，往往存在开采难度大、危险性高以及效率低下的矿井作业实际现状，需要积极研发和设计科学的监控系统。通过引进智能化技术，加强井下作业安全监控，有利于规避矿难事故发生，提高公共安全保障能力，并且能够辅助煤矿企业安全生产管理，保证井下操作人员的人身安全，及时高效地协助井下救援等，从而实现矿山生产的安全保障水平得到提升。不过目前我国对于矿井安全监控系统的研究，对煤矿复杂的物理场景、电磁环境中如何合理运用移动通信关键技术和设备仍存在一定空白。为此本文根据矿井生产需求设计相应的安全监控系统，借助现代化通信关键技术，提高系统应用价值，实现可持续发展目标。

1 案例介绍

某矿山为一新建矿井，设计规模年产原煤120万，其采用斜井开拓方式，共设置主、副、风三个井筒，并应用综合机械化采煤方式。该矿井为低瓦斯矿井，井下施工操作风险系数较高，而且作业环境较为复杂，各种施工机械设备、电磁设备和通信装置较多，电磁干扰较为强烈，对井下安全生产管理造成较大的难度，因此对现代化矿井安全监控系统的需求越来越大。通过调查分析，目前该矿井开展井下安全监控的难点问题表现如下。

①井下作业环境复杂，工作点较为分散，开采人员以及装备等频繁移动。在矿山高效自动化和智能化开采等要求下，原有的矿井通信系统已经无法适应目前工作需求，难以实现矿井人员定位、智能采运设备调度、遥控及生产过程监控等。需要建立完善的异构协同通信系统，以此保障煤矿井下作业安全，发挥生产管理功能。现有通信模式在很大程度上限制了矿井自动化和信息化的发展，无法确保井下安全[1]。

②为保障矿上井下作业安全，多数企业在煤矿生产环境中安装大量的检测和监控设备。在此背景下各种信息源的传输速率具有较大跨度，为有效实现信息集成处理，对原有系统采用以太网接口模块进行有线固定接入。但该模式对矿井自动化采掘、运输等自动化产生一定约束，无法实现生产中人员及设备的高效移动和随机接入，并且对矿井突发事件中的通信网络快速部署以及移动终端接入等需求难以满足。

③由于矿井巷道的空间有限，自由性较差，而且呈现狭长、分支多等特点，无线信号在传输中存在较为严重的衰落现象，导致设备发射功率存在受到一定限制。导致矿井无线通信设备的应用效果不佳。所以必须要研制符合智能开采要求的无缝移动通信系统。

2 矿山井下安全监控系统设计方案

2.1 井下测控网络方案设计

在本次案例的矿山井下安全监控系统设计工作中，应当先确定井下测控网络方案。根据当前科学技术以及通信形式的创新发展，适合矿井中的无线通信方案较多，但综合考虑安全监控系统对通信的实际需求，可采用CC2430构架的无线通信网络。其优势体现在人员识别卡便携、功耗相对较低等。在系统设计环节，主要将2.4GHz作为无线网络通信频率，有助于实现智能化的人员定位，并可快速开展搜救功能。通过将该构架作为无线网络核心部件，能够将个人局域网和测控网络进行有机结合，进而对井下人员开展定位和监控功能，为安全生产和应急救援提供良好保障。

在具体设计期间，综合考虑该矿山对井下安全监控网络的需求特点，如采用ZigBee网络实施构建，则存在成本高、维护繁杂等问题。比如布设ZigBee网络节点模块时，必须要保证两个模块之间的距离符合一定标准。通常情况下在空旷区域的传输距离为100m，当放置在巷道内时，稳定信号的传输距离将会进一步缩小，因此将会形成较高的成本[2]。另外，由于该网络长度达到10km以上，则会出现较为繁重的维护任务，故障检修压力较大。基于此，设计人员可将ZigBee网络与有线/无线传输网络进行结合，有助于在主井、副井以及大巷道内增加传输距离。并可在工作面、掘进面等人员密集区域增加中继器布置数量，为安全监控系统功能实现提供良好条件。

2.2 系统硬件设计

针对矿山井下安全监控系统的硬件设计，主要包括地面监控设备、井下人员定位系统和无线搜救器等。地面监控需合理设计监控主机、数据服务器、多路单模光端机、交换机和网络终端等部分。井下人员定位系统需设计中继器、人员识别卡、单路单模光端机等。无线搜救器主要设计人员识别卡及搜救器等设备。由于在安全监控系统的井下部分共用人员识别卡，因此应当做好设计工作，保障其符合功能要求。具体如下。

①人员识别卡设计。即是采用独立供电方式、便于随身携带、发射人员编码信息、手动报警等。综合考虑到井下环境的恶劣性，可设计采用3.3V电源，应用32MHz和32.768kHz的晶体振荡器。同时对按键设计复位和报警等功能，对于提示矿井人员及其他人员的声光报警器，可将板载天线与外接天线设计为分开工作模式，有助于增加通信距离[3]。如图1所示。

②中继器设计。该硬件设备主要作用时采集矿井人员的身份编码、收集巷道内瓦斯气体浓度、环境温湿度等数据信息，然后发送给地面监控主机。在设计时，应保障主控芯片借助串口和无线信号采集模块等进行连接，能够实现人员编码采集功能。同时利用外围系统提供电源供电、晶振以及复位电路、报警电路等功能，顺利在测控网络中发挥作用，保障通信顺畅。

③无线搜救器设计。对该设备采用CC2430射频信号收发芯片，与井下无线信号采集模块的原理基本相同。在发生矿难后，监控系统会弹出提示，启用便携式无线搜救系统，当矿井人员携带人员识别卡且处于正常工作状态，可借助搜救器获取井下被困人员的信息，以此实施救援。在设计时，应保障搜救器具有显示功能，通过串口扩展接口和液晶显示模块，能够提升数据通信效率和准确性。

2.3 系统软件设计

矿上井下安全监控系统的软件设计部分，主要涉及到识别卡软件设计、中继器软件设计、无线搜救系统软件流程设计等。具体如下。

①识别卡软件设计。对识别卡上电后，应对一些基本部件进行初始化，比如选择和启动晶振频率、检测系统电源的稳定性、外围器件初始化、芯片内部定时器初始化等。然后开启系统任务流程，如开启所需中断服务，按照LED显示执行相应动作。常见动作包括RF中断、USART中断、睡眠计时器比较、看门狗中断等。同时需对无线接收信机实施初始化，合理设置格式，保障通信的有效性。对于识别卡模块收发子程序的设计，则是在上电初始化后，设置为主动扫描信道的工作方式，当矿井人员佩戴识别卡进入到巷道后，将会扫描到无线信号采集模块网络并请求加入，以此建立关联。其主程序流程如图2所示。

图2 人员识别卡主程序流程图

②中继器软件设计。中继器按照已定义的网络通讯协议，与监控主机实施通信。在设计环节当单片机上电或者复位后，主程序可先对相关芯片的寄存器进行初始化，然后每500ms采集一次现场数据，每10s采集一次环境信息。主程序在每次循环中均要准确判断是否接收到监控主机的数据请求信号、报警信号以及瓦斯浓度超标信号等。中继器在硬件连接中可通过扩展串口、无线信号采集模块等进行连接，在软件处理期间采用无线信号采集模块的中断功能，提示单片机的人员信息并接收。当测控网络接口收到监控主机的数据请求信号后，按照相应规则回馈信息帧，一旦发生瓦斯浓度超标或者人员报警等，监控主机可回馈相应的报警帧。

③便携式无线搜救系统软件设计。其设计共有初始化和射频信号收发等部分，先进行晶振选择和电源模式选择，再设置I/O口方向、初始化、启动射频收发循环程序等。在该软件系统设计期间，搜救器本身属于一种网络协调器，因此在上电初始化后，应当建立信标无法使用的网络。当人员识别卡加入网络后可开展数据传输，并可同步显示人员识别卡的位置和相关报警信息。

3 矿山井下安全监控系统创新设计中的关键技术

3.1 有线/无线混合结构移动通信系统模型

针对矿井的复杂环境，为保障安全生产目标的顺利实现，应当积极运用创新技术，更好地适应现代矿山井下通信需求，为安全生产管理提供良好的技术支持。因此结合当前背景，应科学构建矿山井下安全监控系统，为提高矿井自动化和信息化水平，需运用通信技术、信息技术等建立有线/无线混合的无缝全覆盖移动通信模型。主要是按照矿井物理环境以及智能监控特点，采用终端及感知层、泛在接入及网络层、应用层等三层体系结构。其中移动终端和感知层可利用传感器、移动通信终端、总线设备等，有序完成数据检测、短距离有线通信和远距离无线通信等[4]。有助于针对矿山物理环境中的各项数据、语音、人员定位和视频等信号的获取；移动接入与网络层可利用自主研发的矿井移动通信智能设备，高效传输感知层获取的矿井复杂物理环境信息和工况信息，实现无缝接入和长距离传输；应用层的功能是完成信息识别和处理，并在特殊的矿井环境下进行人机交互。

另外，为保障安全监控系统顺利运行，应当创建矿井复杂环境下的全方位协同管理和数字矿山综合智能监控模式，通过融合冗余环形光纤工业以太网、宽带无线技术、传感器技术等，从而实现对煤矿数据的监控，获取语音、视频、人员定位等信息，实现多种网络的异构互联，保证通信系统反应迅速、可靠及具有兼容性和开放性。

3.2 自动组网和终端快速漫游切换技术

为有效解决矿山井下设备数量多、监控和管理难度大等特征，应当对路由采用分布式设置策略，以此保证矿井异构系统互联的无线接入点自主组网及终端快速漫游切换。比如可在自组织网络中按照需求距离的矢量协议，实现无线通信基站之间进行快速自动组网和对接通信。同时分布式策略能够提供异构系统复合数据宽带接入、无线通信带宽资源再分配等功能。另外建立具有统一收发节点构建三种链路混合组网的数据广播系统，从而保障移动终端在矿井巷道内的有限空间内，促使混合组网和移动终端进行无缝快速接入，以此解决矿山井下移动开采和工作点分散而产生的巷道通信接入技术问题，更好地开展井下通信，为安全管理提供基础保障[5]。

除此，采用有线/无线矿井智能综合接入网关技术，能够在矿井异构系统复合数据的基础上，应用无线通信带宽再分配技术、综合接入技术和协议转换技术。有助于研制出带有标识转换功能的智能综合接入网关，有助于解决煤矿井下监测监控系统互联与不同传输速率现场总线协议的转换难题。

3.3 井下泛在移动通信系统智能装备

为有效适应智能开采的开放性井下无缝移动通信需求，主要是利用相应的智能化装备。首先，采用矿用本安型通讯终端，通过车载、固定终端的有线或无线接入、无线漫游等方式，基于井下多点虚拟通讯技术，有效保障多速率数据可协同、实时传输，进而提升以太网冗余保护恢复时间。同时还需针对井下复杂环境，采用抗干扰、宽电压波动供电故障诊断装置等，避免井下各种大功率设备因频繁开停，导致电压波动大的现状，尽可能防范设备出现运行故障。其次，采用矿用高防护移动宽带基站，有助于克服矿山井下通信干扰大、弯道较多的特殊情况。通过利用无线通讯基站则能够接入无线信道的非视距中继传输和移动终端信号接入[6]。并且基站能够提供至少两个无线电台，在无线系统中继的作用下可组成宽带无线环形网络，能够为用户终端提供宽带无线接入、无线漫游以及人员定位等智能化功能。最后，针对综采工作面采用无线通信网络系统，即是应用传感器自组织、重构技术等，实现矿井高噪声环境下，对局部通信系统进行快速重建。此外应研发安全保障控制系统，包括无线自组网汇聚装置。并依托应急救援无线音视频中继器和传输装置、不间断电源关键装备等，在无线传感器网络的基础上，建立完善的救灾应急系统平台。

4 矿井安全监控系统研发设计成效

通过结合本次工程实际案例，研发设计矿井安全监控系统，其具有较强的技术先进性，即是注重运用泛在的移动通信关键技术，有效支持设备研制开发。如矿井智能综合接入网关、多元异构数据接入和移动互联等，同时研发高防护移动宽带基站、便携式手持通信终端、移动机电装备车载通讯终端等，有效完善了矿井泛在移动通信的实施模式，有效提升井下安全监控系统的性能。另外在经济性方面，通过设计该系统能够大幅节约服务费，其费用水平在3万元/d左右，而国外同类监控系统的服务费达4万元/d，每年可节省服务费上百万元。并且利用安全监控系统节省大量的井下故障处理费用，借助系统的实时报警、自动化处理、修复状态跟踪等功能，每年可节省费用近百万元。因此合理研发设计矿井安全监控系统，创新应用泛在移动通信关键技术可实现综合效益，既能够提升系统工作效率，又能够降低投入成本。

5 结束语

综上所述，矿山井下安全监控系统的研发需要结合目前实际背景和要求，应当做好系统研发设计，通过详细设计测控网络方案、规划系统总体设计，并针对人员识别卡、中继器以及无线搜救器等重要部分进行硬件和软件设计。同时注重运用有线/无线混合结构移动通信系统模型、自动组网和终端快速漫游切换技术、井下泛在移动通信系统智能装备等关键技术，以此凸显该系统的技术先进性和经济性，充分发挥安全监控系统的功能，高效开展通信，实现人员及设备的精确定位、环境参数的准确收集、应急救援搜救等，有助于提高矿井安全生产管理水平。