基于物联网的井下安全监控系统开发设计

成志惺

（霍州煤电集团吕临能化公司庞庞塔煤矿，山西 吕梁 033200）

从20 世纪80 年代就开始发展煤矿的安全监控，目前使用的安全监控存在以下问题：（1）监控的位置以及信息较为单一，无法实现井下工作面的设备环境等的全面监控；（2）目前最常使用的监控系统即分散控制系统，其布置以及设备较为复杂，前期建设以及后期维护成本过高；（3）无法实现井上井下信息联动，无法通过远程控制来进行故障诊断以及预防。针对传统监控系统存在问题，本文以物联网技术[1-4]为基础，设计开发一款全新的井下安全监控系统，为井下的安全生产保驾护航。

1 物联网技术简介

物联网即是万物互联，万物互联即通过有线无线传感器将设备信息通过互联网的方式连接起来，将设备或者物体的信息上传网络，实现自动的区分以及识别。区别于传统互联网，其将网络的虚拟性与事物的真实性相结合，实现人、物、环境等的连接。图1 为物联网的结构示意图。根据物联网的工作模式，将其分为三层，其中首先通过感知层来获取信息，可将其比喻为系统的感知器官；其次为网络层，将获取信息通过互联网的媒介上传；最后为应用层，将收到的信息进行汇总处理。

图1 物联网结构示意图

2 基于物联网技术的井下安全监控系统开发

2.1 安全监控系统模型设计

设计的煤矿井下安全监控系统是以物联网技术为基础架构，通过井下各关键位置的检测传感器，将井下开采、环境、安全等的信息纳入监控系统中，再通过有线无线连接的充分结合，实现井上井下的信息交互统一整合管理。同时，后期将常用的数据整理、井务管理等的应用融入系统中，缩短操作时间，实现系统的精细化管理，增强矿井的管理效率，提升矿井的信息化管理水平。根据系统的设计逻辑，该系统的总体结构分为三步，首先基础的信息采集层，其次的信息传输层，最终的信息管理层，通过三步的结合作用最终实现了系统的功能。如图2。

图2 基于物联网的井下安全监控系统层次图

（1）基础的信息采集层。该层上大量使用传感器用于信息的收集，其中有代表性的是瓦斯的检测、粉尘检测以及设备的运行等。通过传统数据的采集结合音视频的信息，将井下的实际情况很形象地呈现出来，便于井下的信息采集和管理。

（2）信息传输层。此层作为系统的中枢层，起到承上启下的作用。信息采集层中传感器收集的各关键部位的数据在5G 信号的加持下通过网络传输至信息资源库中，数据在资源库中通过分析、对比，通过故障诊断等的功能，将数据进行分类，从而将分析结果上传至下一层。

（3）信息管理层。管理层是对传输的信息做决策的位置，其相当于安全系统的大脑。在管理层中最重要的就是矿井的安全模块，其主要包括系统的建设、信息的收集以及传输等执行统一的规划管理。其中，最为关键的还是对安全系统的信息数据进行管理。在管理层中分别有6 个组成部分，其中包括：（1）安全评价管理模块。主要是针对工作人员进行安全培训以及矿井安全管理的模块，但是目前发展较慢，矿井往往忽略了这一块。（2）设备安全管理模块。主要针对井下设备的安全管理即维护保养。（3）地质安全管理模块。主要完成井下地质环境的检测以及治理等工作的模块。其作为井下开采的基础模块，对于矿井的安全生产起着至关重要的作用。（4）定位导航管理模块。针对井下关键设备以及工作人员的定位，对其提供保障。

2.2 硬件设计

在进行系统的硬件设计时，需要将其分为两部分进行展开，分别为井上控制中心的设计以及井下控制中心设计。

（1）井上控制中心设计

作为井下安全监控系统的井上控制中心，其是井下所有监控信息的汇集地，将汇总的信息以及分析结果进行集合，同时根据数据等进行发号施令。

井下安全监控系统中井上控制中心设计有别于现在使用的调度室，在调度室现有功能和作用的基础上进行了加强与扩充。下行各系统模块的信息通过网络到达指挥中心，使其成为一个功能性的集成平台，将整个矿井的信息汇总，通过统一的接口来进行命令的下达。其控制中心的硬件设计图如图3。

图3 井上控制中心硬件布置图

在系统的规划过程中，控制中心会建设在煤矿的中心，方便控制各个矿井。为了实现连接，各个矿井需要配置的硬件设施以及作用见表1。

表1 矿井需要配置的硬件设施以及作用统计表

（2）井下传感网络硬件设计

在井下安全监控系统中，井下的传感网络是整个系统的基础。为了更好地实现监控系统的功能，使得信息更加可靠稳定，需要对传感网络的硬件设施进行选型设计。井下传感网络硬件布置如图4。在网络中，在各个节点上，使用了大量的传感器。由于井下环境的限制，传感器多选用无线的形式，无线传感器体积小、安装方便且可靠性高，节约了传输的线缆成本。同时，无线传感器的大量使用，能够将井下的环境信息、设备状态等形成互联，通过各个基站以及交换机的辅助，实现无线信号的全覆盖。其中使用的交换机等设备均为本安型，安全防爆类产品。采集好的数据，为了保证其连续稳定的传输效果，仍选用光纤结合电缆的形式进行完成。过程中通过使用交换机达到光线延长的目的，保证数据信号顺利地到达以太网中，最后汇集到控制中心。井下的传感网络中，交换机连接无线基站，基站选用支持WIFI 功能的产品，实现WIFI 终端设备连接并入的功能，再经过以太网最终实现井上井下采集管理一体化的功能。

图4 井下传感网络硬件布置图

3 结语

煤矿的安全监控系统对于矿井的安全生产起着最为关键的保障作用。传统的安全监控系统存在监控不全面、设备较分散、维护成本高、井上井下信息互联较为困难、设备的故障预防缺失等问题。为了改变这一现状，本文以物联网技术为基础进行井下安全监控系统的设计，通过互联网的作用，将设备运行的数据信息经过处理后统一上传至井上的控制中心，系统充分发挥传感器小而精的优势，降低了信息收集成本，同时通过井上控制中心总机端可以实现直接向井下传感器以及工作人员发号施令，减少了信息传递的时间，可以第一时间对故障进行处理，给安全矿井的建设提供保障。