物联网技术在矿井水文监测系统中的应用

赵天维

华北理工大学矿业工程学院 河北唐山 063000

矿井水文监测系统在实际应用中的主要内容,是对矿井地质含水层的水文信息(温度、压力、流量、液位、水质等)进行实时监测,并对信息进行整理分析,再根据结果合理安排矿工下井后的工作计划,以达到预测和预防矿井水灾的目的。在矿井水文监测系统中融入物联网技术,不仅可以加快信息的采集速度,整合速度,并且可以提高信息的准确性,来达到实时监控,实时预警的目的,使信号快速传输到井下一线工人手中,并做出快速反应。

1 物联网技术概述

1.1 基本定义

物联网(IoT)技术是指通过信息传感机制,如RFID技术、红外传感器、GPS和激光扫描仪,将设备连接到互联网。这项技术能够对连接的物体进行智能识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网的网络架构由三个主要层次组成:传感层、网络层和应用层,这些层一起工作,促进连接设备之间的无缝通信和信息交换。

感知层包括数据采集部分、传感器网络组网和协同信息处理部分,主要完成对底层信息的全面感知和采集功能。数据采集部分负责将物品信息收集起来,传感器网络组网则负责组织感知数据的传输。同时,协同信息处理部分通过对感知数据的处理,提高数据质量和精度,为上层提供高质量的信息支持。

网络层在物联网技术的功能中起着核心作用,包括各种类型的网络,如移动通信网络、互联网和私人网络。它在决定物联网系统的整体质量和效率以及促进感知层和应用层之间的无缝连接方面起着重要作用。具体来说,移动通信网络提供底层的通信服务,而互联网则作为物联网技术的主要骨干,实现各种物联网系统之间的互联。

最上层是应用层,该层由两个不同的子层组成:物联网应用和物联网应用支持。其主要功能是提供面向用户的服务,代表了物联网技术的最终目标及其社会价值主张。物联网应用支持子层主要负责提供开发环境和应用支持。同时,物联网应用包括各种具体应用,如智能家居、智能交通和智能医疗等。这些应用可以有效提高人们的生活质量,促进人与技术的无缝融合。

1.2 应用特征

物联网技术的突出特点是全面感知、智能处理和可靠传输。全面感知是通过使用信息传感设备,如RFID、传感器和二维码,从任何地方和任何时间收集不同的信息,从而提高收集数据的准确性和可靠性。在智能处理方面,物联网技术利用各种技术,如模糊识别和云计算,有效地处理海量数据并智能控制系统。与传统的处理方法相比,物联网技术表现出更高的数据处理速度和准确性,为后续数据分析提供了可靠的基础。在可靠的传输方面,物联网技术能够通过不同的网络和互联网实时、高效、可靠地传输收集的信息。通过整合综合传感、智能处理和可靠传输,物联网技术促进了物体的无缝互联,从而推动了信息技术的进步和社会进步。

2 矿井水文监测系统的技术构成

2.1 数据采集层

数据采集层是矿井水文监测系统的基础层次。该层的主要任务是完成数据采集,为后续数据处理和分析提供基础数据。数据采集层主要包括一系列具有不同采集功能的传感器,包括水位监测传感器、流体压力传感器、水质监测传感器等。这些传感器被用来收集不同地质含水层的水位波动、水压状况、水流量和其他相关参数的数据。这些数据代表了矿山水文监测系统的基本信息,可用于预测潜在的水灾,并及时采取缓解措施,从而加强周围地区的安全。例如,为了提高矿井水灾监测水平,某地区选择在该区域内不同地质含水层中安装水位监测传感器、流速监测传感器、水质监测传感器、压力传感器等设备。这些传感器能够监测各种参数,包括流速、浊度和水对周围岩石施加的单位压力。通过收集和分析这些数据,可以准确评估该地区矿井水灾的潜在风险,并及时采取适当的预防措施,避免水害事故的发生。此外,为满足功能扩展的需求,提高采集数据的应用价值,在数据采集层的终端设备上提前预留了扩展接口。因此,当系统需要升级或增加新功能时,可以通过扩展接口轻松添加新的传感器或其他设备,而不需要重新设计或升级整个系统。

2.2 信息传递层

信息传递层的作用是将经过数据采集和预处理的完整、准确的数据传输到控制系统中。具体来说,信息传输层的实施应遵循以下原则:

(1)应对采集的数据进行预处理,补充缺失的数据,消除错误或重复的数据,保证预处理数据的完整性和准确性。

(2)应将水文参数整理并转换为调制信号,由终端节点汇总,并通过路由节点、GPRS、北斗等辅助设备传输到控制系统。

(3)为保证采集数据的连续性,应根据经济、可靠、节能的原则选择终端节点,以减少功能损失,提高系统稳定性。信息传输层的顺利运行对于提高监测系统的准确性和减少矿区水文监测的预测误差至关重要。

2.3 应用层

应用层是整个控制系统软件的重要部分,其主要任务是对信息传递层传输数据进行细致化处理,以实现更高效的控制。在文件模块中,应用层的主要功能是通过存储和检索数据确保数据的完整性和一致性。在图像模块中,应用层将信息转化为图像,这有利于路由节点的调度,提高系统稳定性。分析和处理模块全面分析收集的数据,以制定更可靠的决策,提高调整和控制活动的有效性。此外,应用层通过使用地图、时间线和参数化模型来组织实时和历史数据,并创建图表来可视化各种地质含水层的水文信息。这能够及时预测水灾,确保地下工作者的安全。应用层在控制系统中的作用举足轻重,它详细处理和分析传输的数据,为决策者提供更准确、可靠和实时的数据,并确保矿井水文监测系统的正常运行和维护。

3 物联网技术在矿井水文监测系统中的具体应用

3.1 无线传感器网络技术

安装在矿井中的无线传感器可实现实时监测矿井水位、流量和水质等参数,并将数据传输到云端进行分析和处理。目前,无线通信技术快速应用于无线传感器网络,以ZigBee、蓝牙、GPRS等为代表,实现覆盖范围内的无线环境监测与信息采集。在矿井监测系统中,Wi-Fi无线传感器网络具有两方面的优势:

(1)Wi-Fi传输速率高,能够快速采集和转发多种参数,例如矿井温度、湿度、音频,甚至是监测视频等。

(2)无线路由器节点能够基于802.11协议快速自组,协调传感器节点之间的通信,聚合无线监测数据,并进行路由和转发。该系统利用Wi-Fi通信的优势,包括高联网能力、低成本和高数据率,在地下矿井环境中实现远程、实时和自动化的联网测量。这样就能全面了解矿井的温度和湿度波动,同时也保证了煤矿生产的安全性和稳定性。

3.2 物联网智能终端技术

通过物联网智能终端可以实现远程监控和控制矿井水文情况。为了实现井下照明、人员定位、环境参数检测、照片/视频采集等多种功能的无缝对接,并实现实时数据监控,在Android平台上开发了一款矿用综合智能通信终端。该终端采用多线程方式,从多个来源收集数据,并通过井下无线网络实时传输。这种创新的设备具有几个优点。首先,其高度的设备集成性减少了地下作业人员需要佩戴的设备数量,同时其高度的智能化提高了使用的便利性。其次,该终端能够收集和无线上传各种类型的数据,包括环境参数、人员位置以及工作状态图像和视频。所有数据都可以在一个管理平台上进行实时监控,为井下安全预警提供有价值的支持。再次,以Android系统为开发平台,该终端可轻松扩展支持更多的功能,并通过矿井物联网和多系统联动进行控制。

3.3 数据挖掘和人工智能技术

通过对矿井水文数据的挖掘和分析,可以预测矿井水文的变化趋势,及时采取措施,防止事故发生。基于人工智能的矿井水文监测系统主要有四个方面:知识库管理、数据挖掘、案例推荐、矿井突水安全保障的云平台建设。知识库管理包括建立突水知识库、隐患清单库、水文数据库、突水案例库,实现矿山突水灾害的风险分类定性,建立矿山突水预警所需的关键水文数据。数据挖掘利用自组织神经网络、DBSCAN等机器学习算法,将时间序列模型得出的水文数据转移概率与多维水文数据的SOM、DBSCAN聚类融合,形成矿山水文多维数据的挖掘模型,实现矿山安全保障的突水预警。案例推荐涉及利用知识库中的矿井突发事件数据库,将机器学习的推荐算法与案例推理理论相结合,通过余弦相似度匹配总结出矿井突发事件的案例推荐方法,实现历史突发事件案例的有效组织和知识经验的利用。最后,通过对Hadoop和云技术的分析,提出了矿井突水问题安全保障云平台的服务内容、框架和运行机制,实现了正常管理期、征兆揭示期、事故响应期相互衔接的闭环系统,为矿井突水事故防控提供技术支撑。

3.4 物联网可视化监控技术

物联网可视化监测系统的实施可以通过实现对矿井水文的实时监测,显著提高矿井安全。为了实现更好的监测,三维可视化和视频监控技术已经在矿山生产中被广泛采用。这些技术不仅可以满足日常视频监控的需要,还可以提供更直观的位置信息,从而提高监控效率。例如,基于Cesium的三维可视化和视频监控的结合可以促进智能矿山的建设,提高矿山安全管理水平。该系统具有以下三个优势:

(1)可以利用无人机倾斜摄影测量技术和Context Capture软件生成矿区地形和建筑物的三维模型,矿区建筑物采用3DMax建模,实现高精度。模型数据可以使用Cesium加载不同的格式,这需要格式转换。

(2)基于Cesium技术的数据可视化方法可以解决图像服务、地形服务和三维模型数据加载和渲染的难题,从而实现海量数据的加载和可视化。

(3)基于Cesium技术的智慧矿山三维可视化安全监管系统研究,完成了B/S架构下的服务器建设,开发了监控大屏、实时预警、人员监管、地理围栏、视频监控、隐患台账等功能模块,便于矿山可视化,提高矿山安全监管水平,实现数据快速加载。

3.5 云计算技术

使用云计算平台可以实现对矿山水文数据的分析和处理,提供智能决策支持。在当前的互联网时代,基于电缆的探测网络是不够的,因此可以利用无线传感网络技术与云计算相结合,开发一个矿山水文监测系统。该系统具有三个显著优势:

(1)该系统通过利用无线传感器操作系统的实时调度功能,成功地将无线传感器网络应用于矿山环境。它还将环境数据实时传输到云计算平台,与各种矿山专家系统对接,从而避免了传统矿山电缆布线监测和本地数据分析的限制。

(2)该系统具有成本低、自组织、功耗低、信息交互方便等特点。无线传感器网络的自组织特性消除了复杂的布线和人工配置,而系统的低功耗则保证了长期稳定的运行。

(3)云计算平台实现了对矿区水文数据高效便捷地分析和处理,从而提高了监测的准确性和效率。

4 矿井水文监测系统的发展建议

4.1 不断融入新技术

采用机器学习算法对矿井水文数据进行分析和预测,为矿山管理决策提供更加精准的数据支持。引入大数据分析技术,对矿井水文数据进行分析挖掘,以便更好地发现其中的规律和异常情况。推广并使用智能传感器和物联网技术,实现对矿井水文数据的实时监测和远程控制。

4.2 加强数据共享和信息交流

建立完善的数据共享机制,促进矿山内部各部门之间以及与外部单位之间的数据共享和交流。推广开放式数据平台,实现数据共享和交流的更加便捷和高效,鼓励各方合作,共同推动矿井水文监测技术的发展。加强对矿井水文监测数据的分析和挖掘,为矿山管理决策提供更加科学的依据。

4.3 及时更新系统设备中的软、硬件

定期更新水文监测系统中的硬件设备,如传感器、仪器等,以确保其性能和精度处于最佳状态。持续改进和优化系统软件,以提高其数据处理和分析能力,同时加强系统安全性和稳定性。建立完善的设备维护和更新制度,确保设备及时维修或更换,避免设备老化或损坏对监测数据的影响。

4.4 加强人员培训和技能提升

为水文监测系统操作人员提供专业技能培训和实践机会,增强其对系统设备的操作和维护能力。定期组织技术交流会议,分享行业经验和最新技术成果,提高操作人员的专业水平和创新能力。引进具有丰富经验和技术能力的专业人才,为系统升级和维护提供技术支持和指导。

结语

综合考虑,不断引入新技术可以使矿井水文监测系统进一步完善,并促进设备更新工作。这将有助于提高数据采集速度和加强人员培训,提高技能水平,从而更好地发挥系统应用价值。采用物联网技术将有助于加快水文信息的采集和整合速度,为后续工作的顺利开展提供可靠保障。因此,在水文监测数据系统中合理应用物联网技术是十分必要的。