專利名稱：一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦井下安全監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國是產(chǎn)煤大國，但就自然條件來看，我國煤層的賦存條件普遍不理想，絕大多數(shù)的礦井條件惡劣，不同程度地受到了瓦斯、頂板、透水等自然災(zāi)害的威脅，是導(dǎo)致煤礦安全事故頻發(fā)的客觀條件。隨著國家對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高，煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)普遍應(yīng)用于國內(nèi)大小煤礦中。安全監(jiān)控系統(tǒng)的裝備，能夠大大地提高礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率，是預(yù)防煤礦安全事故的有效途徑。傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)只能對所監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)發(fā)生超限時進行簡單處理，缺乏對安全數(shù)據(jù)的綜合分析和實時預(yù)測功能，與煤礦安全生產(chǎn)的現(xiàn)實需求存在較大差距，主要體現(xiàn)在以下五個方面:1.井下數(shù)據(jù)采集難以滿足安全生產(chǎn)監(jiān)控的要求。井下傳感器通常只在采掘工作面附近部署，而其他安全隱患大的地方傳感器部署卻不足，導(dǎo)致安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)盲區(qū)；現(xiàn)有煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線方式，需鋪設(shè)有線傳輸系統(tǒng)，在很大程度上限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，使得井下監(jiān)控的覆蓋不足。2.系統(tǒng)共享程度低?，F(xiàn)有的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)出自不同生產(chǎn)廠家，通信協(xié)議互不兼容、缺乏規(guī)范的傳輸設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)，使得不同廠家的傳輸設(shè)備不兼容，無法共享傳輸網(wǎng)絡(luò)。同時，由于缺乏統(tǒng)一的監(jiān)控數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)，各個系統(tǒng)獨立運行互不兼容，不同監(jiān)控系統(tǒng)的信息無法共享，形成了一個個的“信息孤島”，不利于煤礦企業(yè)進行綜合管理和決策。

3.信息利用程度不高。現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)只能實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)的采集和簡單的報警功能，不能根據(jù)已有的歷史安全數(shù)據(jù)和實時采集數(shù)據(jù)進行建模分析，無法對煤礦安全事故進行預(yù)報、預(yù)警，無法及時向用戶提供預(yù)防事故的對策和方案，影響了安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果，尚不具備安全事故的預(yù)警、針對突發(fā)事故應(yīng)急救援的決策支持和信息保障功能。4.應(yīng)急救援信息保障功能缺失。煤礦安全事故突發(fā)后，需要及時了解井下各類人員的數(shù)量、分布、位置，及事故發(fā)生地的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)等信息，以便較為準(zhǔn)確地進行救援調(diào)度，及時開展有效的救援行動?，F(xiàn)有的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)卻無法提供足夠的救援信息，使得地面的救援調(diào)度缺乏針對性，不利于救援行動的有效開展。5、無法主動監(jiān)控井下失信行為。受各種因素的影響，井下部分管理和作業(yè)人員安全意識淡漠，違反安全規(guī)程的失信行為時有發(fā)生，甚至存在故意破壞井下監(jiān)控設(shè)施的行為。現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)只能針對井下的環(huán)境和設(shè)備進行監(jiān)視，監(jiān)多控少，無法對這些危害礦井安全的失信行為進行主動監(jiān)控，不能及時發(fā)現(xiàn)事故隱患從而杜絕失信行為的發(fā)生?，F(xiàn)有煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)所存在的缺陷和不足，已成為制約煤礦安全生產(chǎn)水平的瓶頸問題。近年來隨著無線通訊技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為研發(fā)新型煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)能將各種信息傳感設(shè)備和裝置與互聯(lián)網(wǎng)、無線專網(wǎng)結(jié)合起來形成巨型網(wǎng)絡(luò)，其核心是智能傳感網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)由于具有結(jié)構(gòu)靈活、自組織、多跳等特點，適用于惡劣環(huán)境，是彌補目前井下監(jiān)控缺陷的有效工具。物聯(lián)網(wǎng)由大量密集部署的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，每個節(jié)點體積小、成本低，部署簡單、維護容易，可在井下大量部署，實現(xiàn)全礦井無盲區(qū)覆蓋；物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點可以接駁多種類型的傳感器如環(huán)境、設(shè)備、視頻等傳感器，實現(xiàn)對井下多類信息的采集；物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點具有計算能力、存儲能力和無線通訊能力，單個節(jié)點可檢測到局部的信息并匯集至匯聚節(jié)點，從而能夠全面高精度的采集井下各類數(shù)據(jù)，節(jié)點間還可協(xié)同進行復(fù)雜的監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)自組織的特性，部分節(jié)點損壞網(wǎng)絡(luò)仍能正常工作；礦難發(fā)生時，井下殘余物聯(lián)網(wǎng)仍能自動組網(wǎng)，傳遞信息，為礦難救援提供幫助。物聯(lián)網(wǎng)體系中的新型傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID等技術(shù)可能很好地解決現(xiàn)有煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中存在的問題，提供高效的煤礦安全解決方案，是研發(fā)新型煤礦安全智能信息系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)所存在的缺陷和不足，以及井下失信因素，提供一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，主要由傳感與檢測裝置、安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信裝置、安全管理信息裝置、安全預(yù)警與決策支 持裝置和救援信息保障裝置構(gòu)成；所述傳感與檢測裝置主要由設(shè)置于井下多個具有傳感、網(wǎng)絡(luò)通信和控制功能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點組成，能夠?qū)崟r采集井下環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)，并根據(jù)上層的指令實現(xiàn)對井下設(shè)備的控制；所述安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信裝置主要由設(shè)置于井下的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)所組成，能夠?qū)⑺鰝鞲信c檢測裝置采集到的數(shù)據(jù)上傳到井上，并將井上的指令傳送給井下控制器，實現(xiàn)礦井控制數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、語音和視頻數(shù)據(jù)的高速傳輸；所述安全管理信息裝置由各類井下信息管理系統(tǒng)組成，通過井上的監(jiān)控系統(tǒng)訪問和控制井下各個監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、存儲、顯示、報警、處理、分析、報表打印，安全管理信息系統(tǒng)中通過GIS系統(tǒng)將不同監(jiān)控信息系統(tǒng)有效地集成在一起；所述安全預(yù)警與決策支持系統(tǒng)通過構(gòu)建各種煤礦安全生產(chǎn)模型，依據(jù)煤礦生產(chǎn)、環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)，對煤礦安全隱患進行分析與預(yù)警；所述救援信息保障系統(tǒng)通過從煤礦安全信息管理系統(tǒng)中提取礦難發(fā)生時煤礦井下人員、設(shè)備、環(huán)境等數(shù)據(jù)，為礦難救援提供信息保障。優(yōu)選的，所述監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備包括煤礦光纖工業(yè)電視監(jiān)視單元和主動視頻監(jiān)控單元，所述主動視頻監(jiān)控單元將具有多媒體傳感器的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點部署在煤礦的重要位置處，通過事件觸發(fā)或時間驅(qū)動機制主動監(jiān)測井下失信行為，并通過井下網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至井上，對失信行為進行主動監(jiān)測。優(yōu)選的，對失信行為進行主動監(jiān)測主要包括:(I)在工作面的重點監(jiān)測區(qū)域安裝視頻攝像頭，當(dāng)指定時間內(nèi)有人進入該區(qū)域，則進行拍照，并利用人像識別系統(tǒng)識別出該人員身份，防止重點人員、安檢人員未按照要求出現(xiàn)在指定區(qū)域的失信行為；(2)在工作面的瓦斯等重要的傳感器周圍安裝視頻攝像頭，當(dāng)有人接近瓦斯傳感器時對其進行連續(xù)拍照，將圖像傳輸至井上，便于調(diào)度人員對違反操作規(guī)程的行為及時發(fā)現(xiàn)和糾正；(3)在工作面的瓦斯、頂板、水位等重要的傳感器附近部署視頻攝像頭，間隔指定時間對傳感器拍照并與標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)比較，防止對傳感器的惡意破壞。優(yōu)選的，所述監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備還包括人員跟蹤單元，在人員跟蹤單元中可根據(jù)產(chǎn)量數(shù)據(jù)和安全規(guī)程的要求設(shè)定或自動計算一些需移位的傳感器的位置移動周期，通過對瓦斯探頭定期定位以實現(xiàn)對其位置的跟蹤，防止井下作業(yè)人員未按規(guī)定及時移動探頭，當(dāng)超過指定時間后而傳感器位置未變時系統(tǒng)將進行報警，提請調(diào)度中心進行處理；在人員跟蹤單元中可定義每個特種作業(yè)人員在規(guī)定時間內(nèi)應(yīng)該出現(xiàn)的位置，指定時間已到而該人員未出現(xiàn)在指定位置時，系統(tǒng)將向調(diào)度中心報告，從而達到防止特種作業(yè)人員失信行為的目的；在人員跟蹤單元中可定義每個安檢人員的任務(wù)表，系統(tǒng)將對每一個安檢人員在井下移動路徑、每個位置停留時間進行跟蹤記錄，若指定時間內(nèi)指定的安檢人員未按要求出現(xiàn)在指定位置，則將向調(diào)度中心報警，從而防止安檢人員失信行為的發(fā)生。優(yōu)選的，所述安全管理信息裝置還包括安全監(jiān)察單元，所述安全監(jiān)察單元主要實現(xiàn)對井下安檢人員反饋的巡查信息進行管理，分析事故隱患及時報告給調(diào)度人員；該系統(tǒng)可以將安檢人員反饋的安監(jiān)信息及時反饋給相關(guān)的井下領(lǐng)導(dǎo)，及時跟蹤每類信息的落實情況。系統(tǒng)可對每個安檢人員反饋的監(jiān)察信息進行量化評級，考核安檢人員的工作業(yè)績，防止安檢人員工作不負責(zé)任的情況。優(yōu)選的，所述安全管理信息裝置還包括作業(yè)面管理單元，所述作業(yè)面管理單元通過在掘進工作面的掘進機和采掘機上安裝具有無線通信功能的物體標(biāo)簽，將其作為井下物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點，通過物聯(lián)網(wǎng)的實時定位技術(shù)跟蹤井下作業(yè)面掘進和采掘的進度，進行及時了解井下工作面的工作進展 ；并對生產(chǎn)流程中主要環(huán)節(jié)使用的設(shè)備如支架、風(fēng)電鉆等狀態(tài)、數(shù)量和特殊材料如炸藥等的用量進行實時監(jiān)控，預(yù)防違反安全生產(chǎn)規(guī)程的行為發(fā)生；在作業(yè)面管理系統(tǒng)中按照作業(yè)面生產(chǎn)規(guī)范建立量化的標(biāo)準(zhǔn)，將井下作業(yè)面各種生產(chǎn)情況實時地與標(biāo)準(zhǔn)值進行類比分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，防止失信行為的發(fā)生。采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過在井下有關(guān)的設(shè)備、人員上安裝電子標(biāo)簽、傳感器、執(zhí)行設(shè)備，并按照約定的協(xié)議，把煤礦井下所有需要被監(jiān)控的物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來形成煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳感與檢測系統(tǒng)，電子標(biāo)簽可以唯一的標(biāo)識出井下每個聯(lián)網(wǎng)的物體，每個物體和人都能通過其所攜帶的傳感器實現(xiàn)對井下環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)的獲取，并能夠采集物體自身的狀態(tài)信息，通過井下網(wǎng)絡(luò)進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理；物體內(nèi)部所安裝的執(zhí)行設(shè)備可根據(jù)井上的指令實現(xiàn)對井下相應(yīng)設(shè)備的控制，也可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的相應(yīng)條件，及時發(fā)現(xiàn)異常，并啟動預(yù)置的控制程序，實現(xiàn)物體的智能化控制。在基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全信息系統(tǒng)中每個被監(jiān)測的對象都能夠通過RFID、Zigbee等無線通信技術(shù)與周圍的物體進行通信，并通過其通信時無線信號的強度等信息可以實現(xiàn)對井下物體位置的確定，從而實現(xiàn)對井下移動目標(biāo)的定位和跟
足示O


圖1是本發(fā)明的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的傳感與檢測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明的安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中井下無線物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明的安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)詳細體系結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明的安全管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖7是本發(fā)明實施例的基于物聯(lián)網(wǎng)的語音通信系統(tǒng)示意圖；圖8是本發(fā) 明實施例的基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)急通信系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。如圖1所示，一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，主要由傳感與檢測裝置、安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信裝置、安全管理信息裝置、安全預(yù)警與決策支持裝置和救援信息保障裝置構(gòu)成。如圖2所示，傳感與檢測裝置主要由設(shè)置于井下多個具有傳感、網(wǎng)絡(luò)通信和控制功能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點組成，能夠?qū)崟r采集井下環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)，并根據(jù)上層的指令實現(xiàn)對井下設(shè)備的控制。以下是對傳感與檢測裝置更為詳細的說明:傳感與檢測裝置是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的底層支撐系統(tǒng)，由大量的具有傳感功能和通信功能的節(jié)點組成，每個節(jié)點上配置有電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽是井下物體的標(biāo)識，具有唯一性；每個節(jié)點具有智能傳感器，可以智能化地獲取井下環(huán)境、設(shè)備、人員等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對井下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集；每個節(jié)點皆有無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)接口，能夠通過接口與井下無線通信網(wǎng)絡(luò)、有線傳輸網(wǎng)絡(luò)互連，將采集到的井下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸至井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，將其上報至上層系統(tǒng)處理；每個節(jié)點還具有智能控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)預(yù)定的狀態(tài)和條件，完成指定的控制任務(wù)。井下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中的智能傳感器是井下數(shù)據(jù)采集的終端設(shè)備，可以采集井下的環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)。按照井下安全生產(chǎn)監(jiān)控的需要，傳感器通常包括:環(huán)境傳感器，如甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣濃度傳感器、頂板壓力傳感器、水位傳感器、火災(zāi)傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)壓傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器等，用以獲取井下環(huán)境中瓦斯、一氧化碳、氧氣、水、頂板壓力、溫度等環(huán)境參數(shù)。設(shè)備傳感器，如饋電狀態(tài)傳感器、風(fēng)門狀態(tài)傳感器、風(fēng)筒狀態(tài)傳感器、局部通風(fēng)機開停傳感器、主通風(fēng)機開停傳感器等，用以監(jiān)測礦井設(shè)備的運行狀態(tài)。視頻傳感器，用以監(jiān)控井下關(guān)鍵區(qū)域或位置。音頻傳感器，用以井下語音通信的語音輸入。使用時經(jīng)切換，也具有語音輸出功倉泛。生命體征傳感器，用以監(jiān)測井下人員生命體征如心跳、血壓、脈搏等。正常情況下此類傳感器不工作，礦難發(fā)生時可由被困人員啟動。每種智能傳感器都裝置在井下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點上，井下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)通信功能，內(nèi)置嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)控需要寫入監(jiān)控程序，并配置有相應(yīng)的控制設(shè)備。每個節(jié)點具有智能接口識別功能，可自動識別所接駁的傳感器類型和型號，并自動調(diào)用相應(yīng)的監(jiān)控程序驅(qū)動傳感器工作。每種節(jié)點可根據(jù)需要接駁一種或多種傳感器，如井下作業(yè)人員攜帶的節(jié)點可接駁生命體征傳感器和音頻傳感器等；井下作業(yè)面的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可同時接駁甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣濃度傳感器等，如圖2所示。按照作用可將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點分為以下幾類:環(huán)境監(jiān)測節(jié)點。此類節(jié)點接駁環(huán)境傳感器，節(jié)點定時將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至井上，當(dāng)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)超限時節(jié)點自動報警，將超限數(shù)據(jù)上報調(diào)度中心，通過節(jié)點的控制裝置實現(xiàn)井下的斷電閉鎖。設(shè)備監(jiān)測節(jié)點。此類節(jié)點上接駁設(shè)備傳感器，節(jié)點定時將采集的設(shè)備信息上傳至井上，當(dāng)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時自動報警，并上報調(diào)度中心。節(jié)點還可以根據(jù)井上下達的指令對設(shè)備進行控制。視頻監(jiān)控節(jié)點。此類節(jié)點上接駁視頻攝像頭，部署在井下重要區(qū)域，用于對井下重點區(qū)域和位置的失信行為進行監(jiān)控。井下作業(yè)人員攜帶的節(jié)點。此類節(jié)點由井下作業(yè)人員隨身攜帶，通常接駁兩類傳感器:語音通信傳感器，用于采集語音和播放語音，通過井下網(wǎng)絡(luò)和其他同類節(jié)點通話。礦難發(fā)生時，當(dāng)井上建立起與井下人員的無線通信后，通過該節(jié)點可實現(xiàn)井下人員與井上的通話；生命體征節(jié)點，礦難發(fā)生后，當(dāng)井上建立了與井下人員的無線通信后，可將井下人員的生命體征信息及時上報至井上。載運工具定位用節(jié)點。此類節(jié)點部署在井下載運工具上，用于對井下載運工具的定位和跟蹤。 普通節(jié)點。此類節(jié)點通常部署在井下巷道內(nèi)，無需接駁傳感器，用于網(wǎng)絡(luò)路由中繼和輔助定位。如圖3和圖4所示，安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信裝置主要由設(shè)置于井下的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)所組成，能夠?qū)⑺鰝鞲信c檢測裝置采集到的數(shù)據(jù)上傳到井上，并將井上的指令傳送給井下控制器，實現(xiàn)礦井控制數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、語音和視頻數(shù)據(jù)的高速傳輸。以下是對安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信裝置更為詳細的說明:安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信裝置主要用于安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)主要米用有線方式傳輸，但由于煤礦井下工況環(huán)境十分復(fù)雜，有線監(jiān)控系統(tǒng)由于自身的局限性還難以對瓦斯、煤塵、火災(zāi)、地壓、溫度、風(fēng)速等對礦井安全生產(chǎn)具有重要影響的礦井環(huán)境參數(shù)實施全面、有效和靈活的監(jiān)測，不可避免地留下大量的安全隱患，基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng)建立礦井無線安全監(jiān)測可以對有線監(jiān)控系統(tǒng)難以覆蓋的區(qū)域?qū)嵤┯行?、實時和靈活的監(jiān)測，從而進一步將有線、無線系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)造統(tǒng)一、優(yōu)化、共享的礦井綜合監(jiān)控信息系統(tǒng)，將極大地提高礦井安全生產(chǎn)水平，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。有線系統(tǒng)。有線系統(tǒng)主要部署在大巷中，將具有有線接口的井下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接于網(wǎng)絡(luò)上。由于煤礦井下傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸質(zhì)量要求高，而光纖具有信息容量大，無電磁干擾、頻帶寬、本質(zhì)安全，無中繼遠距離傳輸，以及重量輕、損耗低、耐水火、抗拉強度好等優(yōu)點，特別適合于環(huán)境惡劣的煤礦井下條件使用，因此在綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主干采用礦用阻燃光纖作為傳輸介質(zhì)，分支上采用同軸電纜。每個煤礦可根據(jù)礦井結(jié)構(gòu)，采用樹型、總線型或環(huán)型者拓撲結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用樹型、總線型拓撲結(jié)構(gòu)時需要部署冗余的主干。由于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全的特點，而且百兆或千兆的傳輸速度對于礦一級的信息處理和交換來說，已經(jīng)完全能滿足要求。因此，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)。無線系統(tǒng)。在廢棄的巷道、工作面等有線部署不便、有線覆蓋不足之處，可采用無線方式進行傳輸。鑒于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)如采用WiFi技術(shù)、PHS網(wǎng)絡(luò)等對骨干網(wǎng)中繼節(jié)點的要求較高，而井下由于巷道彎曲、環(huán)境復(fù)雜，通信質(zhì)量和可靠性很難保證，特別是在塌方事故時，無線信道會被阻斷，因此傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)并不適合于井下無線通信。物聯(lián)網(wǎng)是一種由大量微型移動物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)作地實施監(jiān)測、感知和采集環(huán)境信息，并對數(shù)據(jù)進行處理，傳送到監(jiān)測中心。它綜合了傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，可廣泛地應(yīng)用于有害氣體的監(jiān)測、移動目標(biāo)的跟蹤、環(huán)境狀態(tài)變化的監(jiān)測等，物聯(lián)網(wǎng)充分利用了傳感網(wǎng)動態(tài)自組、多跳的特點，通信和感知節(jié)點可以移動，無須鋪設(shè)線路，操作簡單、容易維護、組網(wǎng)成本低，能夠滿足煤礦井下安全監(jiān)控的要求，是解決煤礦瓦斯全方位、實時監(jiān)測的一種可行之法。因此，考慮到井下對無線數(shù)據(jù)通信可靠性、實用性、可操作性的要求，將煤礦井下無線監(jiān)控系統(tǒng)基于無線物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，應(yīng)用于煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)中，由節(jié)點上配置的各種傳感器實時采集礦井的環(huán)境信息，節(jié)點間通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳輸?shù)骄獾谋O(jiān)控終端，能夠彌補有線設(shè)備的不足，具有價廉、便攜、可靠性高、易于校正等優(yōu)點。監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦的巷道、工作面、設(shè)備上部署大量的具有無線通信功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，這些節(jié)點位置固定且已知，稱為錨節(jié)點；此外井下作業(yè)人員、移動設(shè)備、 載運工具、被動移動設(shè)備等移動物體攜帶的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，隨著物體的移動而移動，周期性地與錨節(jié)點通信，并按照一定的定位機制獲取移動物體的位置，便于井上及時掌握井下人員、設(shè)備的位置信息，實現(xiàn)對移動目標(biāo)的定位和跟蹤；在每個節(jié)點上可根據(jù)監(jiān)控需要接駁各類環(huán)境和設(shè)備傳感器，如甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、頂板壓力傳感器、含水量傳感器、火災(zāi)傳感器、風(fēng)速傳感器等，實現(xiàn)對井下環(huán)境和設(shè)備的無盲區(qū)覆蓋，及時獲取井下環(huán)境數(shù)據(jù)；還可以在傳感器節(jié)點上接駁攝像頭、麥克風(fēng)等，對井下重要位置進行視頻和音頻監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)異常；還可以實現(xiàn)語音通信功能，構(gòu)建井下移動通信系統(tǒng)。井下無線物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。井下無線物聯(lián)網(wǎng)由無線網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、傳感器三個部分組成，如圖4所示。網(wǎng)關(guān)是無線物聯(lián)網(wǎng)與有線網(wǎng)的連接轉(zhuǎn)換設(shè)備，具有一定的計算存儲能力，是無線物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)出口，負責(zé)將無線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接芯€網(wǎng)絡(luò)上，將井上的控制命令傳給無線網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點是一個具有運算、處理、存儲、傳感、控制和無線通信功能的系統(tǒng)，可以完成對指定區(qū)域的監(jiān)測。井下的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按照移動性可分為兩類:一類是礦井巷道固定節(jié)點，一般位置固定且在部署時已知，是組成無線網(wǎng)絡(luò)的主要節(jié)點，其上可接駁不同的傳感器采集環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等，還可以協(xié)助移動節(jié)點進行定位；另一類是礦井人員、移動設(shè)備上攜帶的節(jié)點，是人員和設(shè)備的身份標(biāo)記，可通過定位機制對該節(jié)點進行定位，定位系統(tǒng)根據(jù)此節(jié)點對移動物體進行定位。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)詳細結(jié)構(gòu)。礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，該系統(tǒng)主要由地面綜合監(jiān)控主站、礦用本安型網(wǎng)絡(luò)智能分站、礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機、礦用本安型網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、礦用本安型移動通信基站、礦用本安型網(wǎng)絡(luò)攝像儀、光纜或同軸電纜、無線網(wǎng)絡(luò)匯聚設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點等組成。該系統(tǒng)與礦局域網(wǎng)、煤業(yè)集團公司(礦務(wù)局)廣域網(wǎng)實現(xiàn)互連互通。如圖5所示，安全管理信息裝置由各類井下信息管理系統(tǒng)組成，通過井上的監(jiān)控系統(tǒng)訪問和控制井下各個監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、存儲、顯示、報警、處理、分析、報表打印，安全管理信息系統(tǒng)中通過GIS系統(tǒng)將不同監(jiān)控信息系統(tǒng)有效地集成在一起。以下是對安全管理信息裝置更為詳細的說明:安全管理信裝置用以處理井下采集的環(huán)境、設(shè)備、人員、載運工具等數(shù)據(jù)，并根據(jù)井上安全控制的需要對井下發(fā)出各種控制指令。煤礦信息是一種活躍的、動態(tài)變化的、與空間位置信息密切相關(guān)的信息，具有位置信息的安全監(jiān)控信息才有意義；而煤礦中的安全監(jiān)控信息位置分散、類型不統(tǒng)一；不同監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容、類型各不相同且形式分散，需有效集成，才能為煤礦安全管理人員提供完整、全面、統(tǒng)一的安全信息。故以煤礦地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建了安全管理信息系統(tǒng)平臺，將各種監(jiān)控信息有機地集成起來，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。I)煤礦地理信息系統(tǒng)。煤礦井下與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)類型眾多，且分布地理分布分散，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)只能將這些分散的數(shù)據(jù)以列表形式展示給用戶，十分不便。運用地理信息技術(shù)，可以將與煤礦安全和生產(chǎn)有關(guān)的各類信息集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺上，將分散于煤礦各處的安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)集中監(jiān)控起來，并與各類安全及生產(chǎn)專題圖形關(guān)聯(lián)顯示，實現(xiàn)煤礦安全和生產(chǎn)的可視化管理，有效提高監(jiān)管部門的工作效率，達到“分散管理、集中監(jiān)控”的工作目標(biāo)。利用煤礦GIS系統(tǒng)可將煤礦井下各種設(shè)備、環(huán)境信息、人員分布、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點部署、巷道結(jié)構(gòu)、視頻信息等與井下的空間信息結(jié)合在一起，以圖形化的形式實時顯示給管理人員，便于及時了解井下的情況，實現(xiàn)可視化的安全監(jiān)控，實現(xiàn)各類型安全數(shù)據(jù)應(yīng)用層上的集成。如果發(fā)生安全事故，GIS系統(tǒng)還可以提供應(yīng)急疏散路徑，查詢坑道內(nèi)人員及數(shù)量、進出口位置、事故發(fā)生位置，救援設(shè)備位置等信息。2)環(huán)境信息系統(tǒng) 。在井下的關(guān)鍵位置部署所需的各類監(jiān)測用傳感器，如甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣濃度傳感器、頂板壓力傳感器、水位傳感器、火災(zāi)傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)壓傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器等，獲取井下環(huán)境中瓦斯、一氧化碳、氧氣、水、頂板壓力、溫度等環(huán)境參數(shù)。傳感器將各個監(jiān)測點采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時地傳送到地面信息監(jiān)控中心，信息監(jiān)控中心對收集到的環(huán)境信息進行處理，通過觀察和分析各個工作面的瓦斯、風(fēng)速等數(shù)據(jù)進行調(diào)度，預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生。當(dāng)井下監(jiān)測節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常狀態(tài)時啟動井下節(jié)點報警，并將信息及時上報調(diào)度中心。在環(huán)境信息系統(tǒng)中可根據(jù)產(chǎn)量數(shù)據(jù)和安全規(guī)程的要求設(shè)定或自動計算一些需移位的傳感器的位置移動周期，當(dāng)超過指定時間而傳感器位置未變時將及時報警，提請調(diào)度中心進行處理；在環(huán)境信息系統(tǒng)中傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相聯(lián)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位確定傳感器的位置，確保傳感器正確部署。環(huán)境信息系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確，全面地監(jiān)測礦井工作面的瓦斯、風(fēng)量、溫度、一氧化碳、氧氣等各種參數(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的運行狀況，有效地保證安全生產(chǎn)。當(dāng)瓦斯超限或局部通風(fēng)機停止運行或掘進巷道停風(fēng)時，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)可自動切斷相關(guān)區(qū)域的電源并閉鎖，實現(xiàn)采掘工作面的風(fēng)電閉鎖，避免或減少瓦斯爆炸；并提醒領(lǐng)導(dǎo)、生產(chǎn)調(diào)度等及時將人員撤至安全處。并通過設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)啟動相應(yīng)設(shè)備通風(fēng)。
3)設(shè)備信息系統(tǒng)。通過部署在設(shè)備中的傳感器可實現(xiàn)對礦井設(shè)備的自動監(jiān)測及監(jiān)控，且可做到大型設(shè)備的故障診斷功能。在設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中每個傳感器節(jié)點定時將設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確及時地傳送到地面信息監(jiān)控中心，信息監(jiān)控中心對收集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析和處理，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常狀態(tài)時進行及時處理；設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)還可以根據(jù)調(diào)度中心的指令啟停井下設(shè)備，調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)對井下設(shè)備的實時監(jiān)控和分析。該系統(tǒng)包括有:①綜采工作面工況監(jiān)測，主要監(jiān)測工作面采煤機、軌載機移動變電站及液壓支架的工況；②井下原煤皮帶集中監(jiān)控系統(tǒng)，在井上皮帶集控室可實現(xiàn)井下幾條至幾十條原煤皮帶的集中監(jiān)控；③井下軌道運輸信號集閉系統(tǒng)，實現(xiàn)井下軌道輔助運輸機車信號位置的監(jiān)測及軌道的自動閉鎖；④電力電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)井上井下變電所及供電電網(wǎng)的參數(shù)監(jiān)測，確保礦井供電設(shè)備的安全可靠運行；⑤束管監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)井下采空區(qū)氣體成分的自動監(jiān)測，嚴防采空區(qū)著火及人身傷亡；⑥提升機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在線監(jiān)測提升機的運行狀態(tài)及安全狀況，確保提升機高效安全運行；⑦通、壓、排設(shè)備監(jiān)測原煤貯、裝、運自動化系統(tǒng)，煤炭提運地面至運輸過程的自動化，如原煤配比自動化，軌道裝車自動化，地磅斗稱自動監(jiān)測、原煤灰分等煤質(zhì)參數(shù)的自動監(jiān)測等。4)移動物體定位與跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的自定位技術(shù)實現(xiàn)對井下移動物體的跟蹤。在井下的巷道內(nèi)每隔一段距離放置一個固定通信節(jié)點，這些固定節(jié)點位置已知，稱為錨節(jié)點；井下工作人員、載運工具、可移動設(shè)備攜帶一個電子標(biāo)簽，每個電子標(biāo)簽有唯一的編號，作為移動物體的唯一身份識別，傳感器節(jié)點可通過礦燈電池供電，隨移動物體的移動而移動，被稱為移動節(jié)點。這些節(jié)點定時與周圍的錨節(jié)點通信，利用自身與相鄰節(jié)點的聯(lián)通信息或距離·信息實現(xiàn)自身定位。移動節(jié)點獲取自身位置信息后將其上傳至地面，地面人員跟蹤系統(tǒng)結(jié)合井下GIS系統(tǒng)對節(jié)點位置進行修正，從而在地面上獲取井下物體的準(zhǔn)確位置，實現(xiàn)對移動物體的跟蹤定位。通過對井下特殊作業(yè)人員、主要設(shè)備、載運工具攜帶節(jié)點的連續(xù)定位，可實現(xiàn)對這些對象的跟蹤。人員跟蹤系統(tǒng)可用來監(jiān)測井下人員位置，能夠記錄井下人員出/入井時刻、重點區(qū)域出/入時刻、限制區(qū)域出/入時刻、工作時間、井下和重點區(qū)域人員數(shù)量、井下人員活動路線。人員跟蹤系統(tǒng)對于控制入井人數(shù)，控制進入采區(qū)、采煤工作面、掘進工作面等重點區(qū)域人數(shù)，控制井下作業(yè)人員超時工作，防止井下作業(yè)人員誤入盲巷、采空區(qū)等限制區(qū)域，加強瓦斯檢查員等特種作業(yè)人員管理，加強干部下井帶班考勤和管理，加強井下作業(yè)人員考勤管理等具有十分重要的作用。當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯爆炸、水災(zāi)等事故后，可以通過系統(tǒng)迅速掌握井下作業(yè)人員數(shù)量、位置、分布情況等信息，便于及時展開營救。人員跟蹤系統(tǒng)對失信行為的處理方法:在人員跟蹤系統(tǒng)中可根據(jù)產(chǎn)量數(shù)據(jù)和安全規(guī)程的要求設(shè)定或自動計算一些需移位的傳感器的位置移動周期，通過對瓦斯探頭定期定位以實現(xiàn)對其位置的跟蹤，防止井下作業(yè)人員未按規(guī)定及時移動探頭，當(dāng)超過指定時間后而傳感器位置未變時系統(tǒng)將進行報警，提請調(diào)度中心進行處理。在人員跟蹤系統(tǒng)中可定義每個特種作業(yè)人員在規(guī)定時間內(nèi)應(yīng)該出現(xiàn)的位置，指定時間已到而該人員未出現(xiàn)在指定位置時，系統(tǒng)將向調(diào)度中心報告，從而達到防止特種作業(yè)人員失信行為的目的。在人員跟蹤系統(tǒng)中可定義每個安檢人員的任務(wù)表，系統(tǒng)將對每一個安檢人員在井下移動路徑、每個位置停留時間進行跟蹤記錄，若指定時間內(nèi)指定的安檢人員未按要求出現(xiàn)在指定位置，則將向調(diào)度中心報警，從而防止安檢人員失信行為的發(fā)生。5)語音通信系統(tǒng)。語音通信系統(tǒng)用于實現(xiàn)井下人員與井上、井下人員間的語音通信，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。在井下作業(yè)人員所攜帶的電子標(biāo)簽卡上安裝供語音采集的麥克風(fēng)和聽筒，井下人員可以通過自身攜帶的節(jié)點呼叫井下或井上的其他人員，實現(xiàn)語音通信。通過該系統(tǒng)地面可以及時與井下人員聯(lián)系，發(fā)布各種指令；井下人員間也可以相互通信。能夠簡單、可靠地實現(xiàn)全礦井調(diào)度移動通信所需的全部功能，可無縫地在任何固定臺和移動終端之間、移動終端和移動終端之間實現(xiàn)單呼、組呼、全呼、急呼和直呼。當(dāng)煤礦發(fā)生災(zāi)難時，首先通過人員定位系統(tǒng)確定井下被困人員的分布，然后通過鉆孔，垂放一個具有無線語音通信功能的無線節(jié)點作為信標(biāo)節(jié)點，如圖8所示，利用井下無線物聯(lián)網(wǎng)的自愈性能，重新建立與井下剩余網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，并與被困礦工進行語音通信，甚至被困礦工間還可以通過井上網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與其他被困人員的通話。6)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)除傳統(tǒng)的煤礦光纖工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)外還包括主動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將具有多媒體傳感器的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點部署在煤礦的重要位置處，通過事件觸發(fā)或時間驅(qū)動機制主動監(jiān)測井下失信行為，并通過井下網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至井上，對失信行為進行主動監(jiān)測:在工作面的重點監(jiān)測區(qū)域安裝視頻攝像頭，當(dāng)指定時間內(nèi)有人進入該區(qū)域，則進行拍照，并利用人像識別系統(tǒng)識別出該人員身份，防止重點人員、安檢人員未按照要求出現(xiàn)在指定區(qū)域的失信行為；在工作面的瓦斯等重要的傳感器周圍安裝視頻攝像頭，當(dāng)有人接近瓦斯傳感器時對其進行連續(xù)拍照，將圖像傳輸至井上，便于調(diào)度人員對違反操作規(guī)程的行為進行及時發(fā)現(xiàn)和糾正；在工作面的瓦斯、頂板、水位等重要的傳感器附近部署視頻攝像頭，間隔指定時間對傳感器拍照并與標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)比較，防止對傳感器的惡意破壞。7)交通調(diào)度系統(tǒng)。煤礦井下生產(chǎn)具有復(fù)雜的機車運輸網(wǎng)絡(luò)，完成掘進與生產(chǎn)中人員、設(shè)備、材料、礦石、煤炭等的運輸任務(wù)。本系統(tǒng)的載運工具上安裝具有無線通信功能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，通過載運工具上的節(jié)點自定位，調(diào)度室可及時獲得載運工具的交通信息，供運輸調(diào)度員進行導(dǎo)航和調(diào)度決策。交通調(diào)度系統(tǒng)可為運輸調(diào)度員和機車司機提供全礦井機車運輸網(wǎng)絡(luò)、機車當(dāng)前運行位置、行車方向、相對距離及車號等多種動態(tài)可視多媒體信息，還可以通過無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)度與機車司機的通話，大大提高機車運輸調(diào)度的效率和行車安全。8)安全監(jiān)察信息系統(tǒng)。安全監(jiān)察系統(tǒng)主要實現(xiàn)對井下安檢人員反饋的巡查信息進行管理，分析事故隱患及時報告給調(diào)度人員；該系統(tǒng)可以將安檢人員反饋的安監(jiān)信息及時反饋給相關(guān)的井下領(lǐng)導(dǎo)，及時跟蹤每類信息的落實情況。系統(tǒng)可對每個安檢人員反饋的監(jiān)察信息進行量化評級，考核安檢人員的工作業(yè)績，防止安檢人員工作不負責(zé)任的情況。9)作業(yè)面管理信息系統(tǒng)。作業(yè)面管理系統(tǒng)通過在掘進的掘進機和采掘機上安裝具有無線通信功能的物體標(biāo)簽，將其作為井下物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點，通過物聯(lián)網(wǎng)的實時定位技術(shù)跟蹤井下作業(yè)面掘進和采掘的進度，進行及時了解井下工作面的工作進展；并對生產(chǎn)流程中主要環(huán)節(jié)使用的設(shè)備如支架、風(fēng)電鉆等狀態(tài)、數(shù)量和特殊材料如炸藥等的用量進行實時監(jiān)控，預(yù)防違反安全生 產(chǎn)規(guī)程的行為發(fā)生；在作業(yè)面管理系統(tǒng)中按照作業(yè)面生產(chǎn)規(guī)范建立量化的標(biāo)準(zhǔn)，將井下作業(yè)面各種生產(chǎn)情況實時地與標(biāo)準(zhǔn)值進行類比分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，防止失信行為的發(fā)生。10)產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)。用來監(jiān)測煤炭產(chǎn)量，通過在稱重儀上安裝的傳感器節(jié)點可以將煤炭產(chǎn)量適時地報告給地面，實現(xiàn)煤炭產(chǎn)量遠程監(jiān)測，作為煤礦安全生產(chǎn)預(yù)警的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。11)儀表遠程調(diào)校系統(tǒng)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)中所有的傳感器類儀表均采用數(shù)字信號傳輸，抗干擾性更強，且具有更高的精度，不僅可傳輸儀表測量出的數(shù)值信號，還可以傳輸設(shè)備標(biāo)識、運行狀態(tài)、故障診斷狀態(tài)等信息，使得井上監(jiān)控中心可以準(zhǔn)確地監(jiān)控、管理和調(diào)整井下處于運行狀態(tài)的設(shè)備。儀表通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)設(shè)備的即插即用和動態(tài)管理，系統(tǒng)能自動探測到新增加的儀表，也能夠及時識別出失效的儀表，真正實現(xiàn)設(shè)備的動態(tài)管理；每個儀表具有自動診斷功能，能夠隨時將自身狀態(tài)、報警、趨勢信息發(fā)送到井上監(jiān)控中心，因而能夠及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，大大提高設(shè)備的可維護性。在煤礦安全系統(tǒng)中井下的各類傳感器不提供手工調(diào)節(jié)旋鈕，必須通過專用設(shè)備調(diào)校，防止了井下人員私自調(diào)節(jié)傳感器導(dǎo)致的傳感器數(shù)據(jù)失信。安全預(yù)警與決策支持裝置通過構(gòu)建各種煤礦安全生產(chǎn)模型，依據(jù)煤礦生產(chǎn)、環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)，對煤礦安全隱患進行分析與預(yù)警。以下是對安全預(yù)警與決策支持裝置更為詳細的描述:安全預(yù)警與決策支持裝置根據(jù)煤礦的安全生產(chǎn)需要，結(jié)合煤礦地質(zhì)條件，建立了各種安全預(yù)警模型，實現(xiàn)了對安全風(fēng)險的在線辨識，能夠根據(jù)井下的環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備、產(chǎn)量數(shù)據(jù)及時地識別出可能成為高風(fēng)險的重大危險源并發(fā)出預(yù)警信號，并啟動預(yù)警反響行動計劃。與此同時，實時地評價高風(fēng)險危險源的危害程度變化，不斷改變預(yù)警等級，以適應(yīng)煤礦復(fù)雜的作業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。決策支持系統(tǒng)須對井下各類危險源進行不間斷地連續(xù)監(jiān)測，根據(jù)企業(yè)制定、行業(yè)主管部門批準(zhǔn)的臨界值或臨界環(huán)境參數(shù)值對危險源進行動態(tài)監(jiān)測，只要有一種危險源達到設(shè)定值，企業(yè)就進入預(yù)警管理期。與此同時，預(yù)警管理中心立即發(fā)出預(yù)警信息，按照預(yù)警等級高低和預(yù)先制定的預(yù)警反響計劃立即通知反響單位和反響執(zhí)行人，采取控制措施降低危害程 度直至危險源恢復(fù)到正常狀態(tài)。在執(zhí)行反響處置措施的同時，對預(yù)警反響行動進行跟蹤，嚴密監(jiān)督預(yù)警反響行動的效果。救援信息保障裝置通過從煤礦安全信息管理系統(tǒng)中提取礦難發(fā)生時煤礦井下人員、設(shè)備、環(huán)境等數(shù)據(jù)，為礦難救援提供信息保障。以下是對救援信息保障裝置更為詳細的說明:救援信息保障系統(tǒng)在礦難發(fā)生時從安全信息管理系統(tǒng)中提取救援所需的信息，提供給救援決策者使用，便于其及時展開救援。救援信息保障系統(tǒng)可以從井下人員定位系統(tǒng)中提取出礦難發(fā)生時井下人員數(shù)量、分布等信息；從環(huán)境信息系統(tǒng)中提取礦難發(fā)生時井下的各種環(huán)境數(shù)據(jù)；從設(shè)備信息系統(tǒng)中提取礦難發(fā)生時的井下各種設(shè)備信息的狀態(tài)；從井下GIS系統(tǒng)中提取井下地質(zhì)數(shù)據(jù)、巷道分布信息。救援信息保障系統(tǒng)在提取的信息基礎(chǔ)上能夠利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成井下三維巷道實景圖，模擬井下空難發(fā)生的效果圖，分析礦難發(fā)生后人員可能的移動軌跡和分布情況，并基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬各種救援方案的效果，便于確定最佳的救援方案；當(dāng)對井下被困人員鉆孔成功并向井下垂放無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)節(jié)點成功聯(lián)通井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后，救援信息保障系統(tǒng)可通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令啟動礦工攜帶的生命體征傳感器，獲取井下被困人員的生命體征信息，并通過語音系統(tǒng)與井下通話，了解井下情況，便于及時調(diào)整救援工作。本發(fā)明不局限于上述具體的實施方式，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從上述構(gòu)思出發(fā)，不經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動，所作出·的種種變換，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，主要由傳感與檢測裝置、安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信裝置、安全管理信息裝置、安全預(yù)警與決策支持裝置和救援信息保障裝置構(gòu)成； 所述傳感與檢測裝置主要由設(shè)置于井下多個具有傳感、網(wǎng)絡(luò)通信和控制功能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點組成，能夠?qū)崟r采集井下環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)，并根據(jù)上層的指令實現(xiàn)對井下設(shè)備的控制； 所述安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信裝置主要由設(shè)置于井下的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)所組成，能夠?qū)⑺鰝鞲信c檢測裝置采集到的數(shù)據(jù)上傳到井上，并將井上的指令傳送給井下控制器，實現(xiàn)礦井控制數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、語音和視頻數(shù)據(jù)的高速傳輸； 所述安全管理信息裝置由各類井下信息管理系統(tǒng)組成，通過井上的監(jiān)控系統(tǒng)訪問和控制井下各個監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、存儲、顯示、報警、處理、分析、報表打印，安全管理信息系統(tǒng)中通過GIS系統(tǒng)將不同監(jiān)控信息系統(tǒng)有效地集成在一起； 所述安全預(yù)警與決策支持系統(tǒng)通過構(gòu)建各種煤礦安全生產(chǎn)模型，依據(jù)煤礦生產(chǎn)、環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)，對煤礦安全隱患進行分析與預(yù)警； 所述救援信息保障系統(tǒng)通過從煤礦安全信息管理系統(tǒng)中提取礦難發(fā)生時煤礦井下人員、設(shè)備、環(huán)境等數(shù)據(jù)，為礦難救援提供信息保障。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備包括煤礦光纖工業(yè)電視監(jiān)視單元和主動視頻監(jiān)控單元，所述主動視頻監(jiān)控單元將具有多媒體傳感器的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點部署在煤礦的重要位置處，通過事件觸發(fā)或時間驅(qū)動機制主動監(jiān)測井下失信行為，并通過井下網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至井上，對失信行為進行主動監(jiān)測。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，對失信行為進行主動監(jiān)測主要包括: (1)在工作面的重點監(jiān)測區(qū)域安裝視頻攝像頭，當(dāng)指定時間內(nèi)有人進入該區(qū)域，則進行拍照，并利用人像識別系統(tǒng)識別出該人員身份，防止重點人員、安檢人員未按照要求出現(xiàn)在指定區(qū)域的失信行為； (2)在工作面的瓦斯等重要的傳感器周圍安裝視頻攝像頭，當(dāng)有人接近瓦斯傳感器時對其進行連續(xù)拍照，將圖像傳輸至井上，便于調(diào)度人員對違反操作規(guī)程的行為進行及時發(fā)現(xiàn)和糾正； (3)在工作面的瓦斯、頂板、水位等重要的傳感器附近部署視頻攝像頭，間隔指定時間對傳感器拍照并與標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)比較，防止對傳感器的惡意破壞。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備還包括人員跟蹤單元，在人員跟蹤單元中可根據(jù)產(chǎn)量數(shù)據(jù)和安全規(guī)程的要求設(shè)定或自動計算一些需移位的傳感器的位置移動周期，通過對瓦斯探頭定期定位以實現(xiàn)對其位置的跟蹤，防止井下作業(yè)人員未按規(guī)定及時移動探頭，當(dāng)超過指定時間后而傳感器位置未變時系統(tǒng)將進行報警，提請調(diào)度中心進行處理；在人員跟蹤單元中可定義每個特種作業(yè)人員在規(guī)定時間內(nèi)應(yīng)該出現(xiàn)的位置，指定時間已到而該人員未出現(xiàn)在指定位置時，系統(tǒng)將向調(diào)度中心報告，從而達到防止特種作業(yè)人員失信行為的目的；在人員跟蹤單元中可定義每個安檢人員的任務(wù)表，系統(tǒng)將對每一個安檢人員在井下移動路徑、每個位置停留時間進行跟蹤記錄，若指定時間內(nèi)指定的安檢人員未按要求出現(xiàn)在指定位置，則將向調(diào)度中心報警，從而防止安檢人員失信行為的發(fā)生。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述安全管理信息裝置還包括安全監(jiān)察單元，所述安全監(jiān)察單元主要實現(xiàn)對井下安檢人員反饋的巡查信息進行管理，分析事故隱患及時報告給調(diào)度人員；該系統(tǒng)可以將安檢人員反饋的安監(jiān)信息及時反饋給相關(guān)的井下領(lǐng)導(dǎo)，及時跟蹤每類信息的落實情況。系統(tǒng)可對每個安檢人員反饋的監(jiān)察信息進行量化評級，考核安檢人員的工作業(yè)績，防止安檢人員工作不負責(zé)任的情況。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述安全管理信息裝置還包括作業(yè)面管理單元，所述作業(yè)面管理單元通過在掘進工作面的掘進機和采掘機上安裝具有無線通信功能的物體標(biāo)簽，將其作為井下物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點，通過物聯(lián)網(wǎng)的實時定位技術(shù)跟蹤井下作業(yè)面掘進和采掘的進度，進行及時了解井下工作面的工作進展；并對生產(chǎn)流程中主要環(huán)節(jié)使用的設(shè)備如支架、風(fēng)電鉆等狀態(tài)、數(shù)量和特殊材料如炸藥等的用量進行實時監(jiān)控，預(yù)防違反安全生產(chǎn)規(guī)程的行為發(fā)生；在作業(yè)面管理系統(tǒng)中按照作業(yè)面生產(chǎn)規(guī)范建立量化的標(biāo)準(zhǔn)，將井下作業(yè)面各種生產(chǎn)情況實時地與標(biāo)準(zhǔn)值進行類比分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，防止失 信行為的發(fā)生。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，主要由傳感與檢測裝置、安全信息網(wǎng)絡(luò)與通信裝置、安全管理信息裝置、安全預(yù)警與決策支持裝置和救援信息保障裝置構(gòu)成。該系統(tǒng)能夠很好地解決現(xiàn)有煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中存在的問題，有效預(yù)防煤礦井下失信行為的發(fā)生，大大提高煤礦安全監(jiān)控水平。
文檔編號E21F11/00GK103244188SQ20131018715
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者曾建潮, 喬鋼柱, 薛頌東, 張國有, 董增壽 申請人:太原科技大學(xué)