基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山井下安全避險綜合信息系統(tǒng) - 全文

　　傳統(tǒng)礦山井下信息平臺往往是根據(jù)某一項需求（如視頻監(jiān)控、人機定位、語音通訊、環(huán)境測控、井下自動化設(shè)備測控等）建設(shè)相關(guān)的獨立信息系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)平臺、數(shù)據(jù)協(xié)議和接口規(guī)范無法統(tǒng)，系統(tǒng)之間不能聯(lián)動，整合困難，大多既無法滿足礦、集團、政府主管部門對于礦山行業(yè)生產(chǎn)過程的全面數(shù)據(jù)共享和決策支撐，也無法滿足礦山行業(yè)安全管理的需求。

　　目前井下數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡多采用有線傳輸，針對礦山不斷掘進的特點，有線網(wǎng)絡難以快速部署和移動部署，生產(chǎn)管理部門無法即時了解第一線的信息，不能為第一線的生產(chǎn)、安全、調(diào)度提供有效的支撐。

　　隨著數(shù)字化礦山的深化，急需建立基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化礦山管理支撐平臺，形成能夠為所有生產(chǎn)管理、安全管理環(huán)節(jié)提供即時反映一線生產(chǎn)現(xiàn)場的全面有效的數(shù)據(jù)共享和運營決策支撐的平臺。

　　本項目目標是完成基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山井下安全避險綜合信息系統(tǒng)，使其能夠利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的先進性，為礦山安全管理和生產(chǎn)過程控制提供統(tǒng)一的管理和決策支持平臺。通過對整體礦山各類數(shù)據(jù)的存儲和分析， 最終實現(xiàn)并提供人員車輛定位管理、IP調(diào)度指揮系統(tǒng)、井下智能交通信號控制系統(tǒng)、緊急撤離廣播系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、礦山虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)及其他工業(yè)控制應用，建立物聯(lián)網(wǎng)在礦山行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用標準化及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與接口規(guī)范。

　　建設(shè)需求

　　人員（車輛）定位：實現(xiàn)礦井下主要生產(chǎn)區(qū)域及主運輸巷、主通風巷精確連續(xù)定位;實現(xiàn)井下通行車輛精確連續(xù)定位;

　　語音通訊：實現(xiàn)井下固定點有線語音通訊，實現(xiàn)主生產(chǎn)區(qū)WIFI全覆蓋，實現(xiàn)井下無線通訊;

　　調(diào)度指揮：實現(xiàn)井下人員語音、短信調(diào)度，井下車輛語音調(diào)度;

　　視頻監(jiān)控：實現(xiàn)井下固定數(shù)字視頻監(jiān)控、井下WIFI覆蓋區(qū)域移動視頻采集;

　　生產(chǎn)環(huán)境在線監(jiān)測：實現(xiàn)固定位置一氧化碳、風速等環(huán)境參數(shù)的在線監(jiān)測監(jiān)控，實現(xiàn)井下安全人員手持設(shè)備無線實時在線監(jiān)測;

　　斜坡道交通信號管制：井下斜坡道無軌運輸交通信號管制系統(tǒng);

　　可擴展應用：通風自動化系統(tǒng)、排水自動化系統(tǒng)、供電自動化系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測監(jiān)控、有軌運輸信集閉系統(tǒng)等。

　　系統(tǒng)架構(gòu)

　　基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井下安全避險綜合信息系統(tǒng)是工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)、zigbee無線定位無線數(shù)傳技術(shù)、WIFI無線通訊技術(shù)、VOIP語音通訊技術(shù)、地理信系統(tǒng)技術(shù)、管理信息系統(tǒng)技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等多方面融合在一起的綜合信息平臺，將為礦山企業(yè)實現(xiàn)全面感知和礦井生產(chǎn)調(diào)度指揮實現(xiàn)可視化、自動化、信息化管理，實現(xiàn)物網(wǎng)相連-感知礦山。

　　系統(tǒng)主要有工業(yè)網(wǎng)絡子系統(tǒng)、人機定位子系統(tǒng)、通訊聯(lián)絡子系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)幾個子系統(tǒng)組成。

　　工業(yè)網(wǎng)絡子系統(tǒng)

　　結(jié)合礦山實際情況，整個系統(tǒng)采用多技術(shù)融合的網(wǎng)絡通訊子系統(tǒng)，它包含工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、無線水平通訊子系統(tǒng)、無線綜合分站幾個主要部分。

　　工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

　　工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為整個礦山的核心網(wǎng)絡，承載礦山所有工業(yè)自動化、視頻監(jiān)控、人機定位、環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)的大流量傳輸，如（圖1）所示。。

　　工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的布設(shè)滿足以下幾個設(shè)計條件。

　　1. 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)應滿足千兆數(shù)據(jù)帶寬，滿足井下各種應用的數(shù)據(jù)傳輸需求，且預留足夠的擴容余量;

　　2. 覆蓋所有提升系統(tǒng)、生產(chǎn)中段馬頭門、風機房、采區(qū)變電所、炸藥庫、泵房等重要樞紐及機電設(shè)備場所（與地表生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合形成全礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)）;

　　3. 預留接口，滿足未來擴容延伸需求;

　　工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)走向說明：井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)布設(shè)采用雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，

　　無線水平通訊子系統(tǒng)

　　對于各生產(chǎn)中段水平主巷及斜坡道道采用無線綜合分站進行覆蓋，每隔若干米布設(shè)一個分站，實現(xiàn)WIFI和zigbee雙無線網(wǎng)絡覆蓋，如（圖3）所示。

　　無線水平通訊系統(tǒng)采用國際領(lǐng)先的無線技術(shù)，無線分站是采用最新的WIFI無線技術(shù)和一個zigbee定位模塊。由于該產(chǎn)品有兩個光纖模塊，整個無線骨干核心網(wǎng)采用“背靠背”的二層透明接力方式，組成了一條有線與無線混合的水平通訊鏈路，帶寬高，系統(tǒng)延時小，運行穩(wěn)定的無線骨干鏈路，可以承受各種諸如環(huán)境采集，人員定位，語音通訊、視頻監(jiān)控等應用。

　　無線分站組網(wǎng)的特點有：透明傳輸機制造就穩(wěn)定高速的無線鏈路;完善的冗余設(shè)計;無線手機的無縫漫游;特殊極化天線的使用;同步NTP自維護機制;動態(tài)TDD（時分雙工）;雙向動態(tài)自適應調(diào)制;可調(diào)節(jié)ACK時延（ACK Timeout）;OFDM技術(shù)。

　　無線綜合分站自愈環(huán)技術(shù)：無線基站支持對環(huán)路的自動檢測和倒換，無線鏈路兩端或多段接入礦區(qū)已經(jīng)建成的工業(yè)光纖以太環(huán)網(wǎng)，無線鏈路與工業(yè)光纖以太網(wǎng)絡形成環(huán)或相切環(huán)，當無線鏈路中出現(xiàn)故障節(jié)點，系統(tǒng)可立即倒換鏈方向，保證系統(tǒng)業(yè)務不中斷，整個無線鏈路每臺設(shè)備都可作為光纖接入點，保障系統(tǒng)有效可靠運行，且對系統(tǒng)進行維護時業(yè)務不受任何影響。

　　采場網(wǎng)絡接入：（此部分有點奇怪，不是采用無線網(wǎng)絡嘛，為什么又需要采用銅線等接入呢？）

　　對于采場的網(wǎng)絡接入，考慮到采場采掘周期短，環(huán)境復雜，易刮碰。如采用光纜接入方案設(shè)備投入大、施工周期長、維護困難且無法回收再利用。本系統(tǒng)對于采場網(wǎng)絡接入采用銅線接入方法。

　　方案一：如采場內(nèi)僅實現(xiàn)人員（設(shè)備）定位，采用CAN總線通訊方式，采用兩根銅線將定位器串接布設(shè)至采場。

　　方案二：如采場內(nèi)需要實現(xiàn)視頻、語音通訊、廣播、定位、緊急報警、CO監(jiān)測等綜合應用，則采用電話線ADSL方式配合礦山井下智能終端實現(xiàn)采場接入。

　　人機定位子系統(tǒng)

　　在井上信息管理中心注冊身份卡，其個人資料和識別號都儲存在監(jiān)控主機內(nèi)，在礦井巷道的進出口、交叉道口、工作面、重要硐室、危險場合（如盲巷）、地面主要進出口等位置安裝了無線基站。

　　當攜帶身份卡的作業(yè)人員進入基站檢測范圍，或從基站附近通過時，基站可以將相關(guān)人員的身份等信息讀出并傳送到信息中心。信息中心計算機將收到的信息綜合處理后顯示在屏幕上，同時保存到數(shù)據(jù)庫中，以備隨時查閱。通過以太網(wǎng)連接到信息中心的各種終端客戶機，都可以通過瀏覽器來訪問人員和車輛的定位信息。

　　人機定位管理功能

　　實現(xiàn)在某一時刻或某個時間段內(nèi)的人員車輛的靜態(tài)查詢和動態(tài)查詢，包括狀態(tài)分布查詢，某個指定人員車輛的移動軌跡查詢，歷史信息回饋等，如（圖6）所示。

　　靜態(tài)查詢

　　狀態(tài)分布查詢：井上信息中心系統(tǒng)，結(jié)合井下地圖，可以顯示某一時刻，在指定區(qū)域內(nèi)的工作人員車輛的數(shù)量和位置分布情況;

　　人員車輛位置查詢：結(jié)合井下地圖，信息中心可以定位在某一時刻，目標人員車輛在井下的具體位置;

　　動態(tài)查詢

　　移動軌跡查詢：結(jié)合井下地圖，井上信息中心系統(tǒng)可以針對某個指定人員車輛，動態(tài)定位其在井下活動的軌跡路線;

　　歷史信息回放：井上信息中心可以查詢某一歷史時刻或某一時間段內(nèi)，井下作業(yè)人員車輛的活動情況。

　　考勤管理功能

　　出入統(tǒng)計：系統(tǒng)能夠?qū)崟r對下井人員入井時間、升井時間進行統(tǒng)計;對所有出入礦井的人員身份、時間進行記錄，并顯示是否遲到/早退。

　　井下崗位考勤：能實時對各單位人員下井班數(shù)、班次、遲到、早退等情況進行監(jiān)測和分類統(tǒng)計;能實時對井下各監(jiān)測區(qū)域工作人員的數(shù)量和分布情況進行分類統(tǒng)計。能自動匯總、存儲、自動生成報表和打印以上各信息。數(shù)據(jù)支持實時查詢，隨時可查詢單獨人員、班組、井、礦領(lǐng)導或公司領(lǐng)導下井情況。

　　出井異常報告：該功能可以記錄那些出井異常的人員。人員在井下時間過長，會有出井異常報警，并形成報告，報告包括出井異常人員的基本信息，入井時間，在井下滯留時間。方便管理。

　　車輛定位：

　　車輛安裝車載定位終端：實現(xiàn)車輛快速實時定位;實現(xiàn)人車靠近報警;實現(xiàn)人員上下車綁定判斷。

　　報警/尋呼功能

　　特有的雙向報警/尋呼功能，管理中心可以根據(jù)現(xiàn)場情況給井下人員發(fā)送尋呼指令，通知井下人員緊急撤離或聯(lián)絡調(diào)度中心;同時井下人員在遇到特殊情況的時候，可以通過報警按鈕和調(diào)度人員進行報警。雙向報警/尋呼功能方便了井下人員和調(diào)度人員的溝通，使管理變的更方便，更人性化。

　　通訊聯(lián)絡子系統(tǒng)

　　系統(tǒng)充分利用井下光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、地表辦公網(wǎng)和井下WIFI網(wǎng)絡，并充分考慮現(xiàn)有的辦公和生產(chǎn)調(diào)度電話系統(tǒng)，實現(xiàn)了WIFI手機、固定IP電話、語音網(wǎng)關(guān)的IP電話、辦公電話、生產(chǎn)調(diào)度電話的互聯(lián)互通。

　　礦外電話包括手機可以直接聯(lián)系到礦區(qū)井下。只要取得授權(quán)，即可實現(xiàn)井下WIFI手機與固定電話與礦外電話、任意手機的聯(lián)系。

　　通過IP調(diào)度平臺將全礦所有電話系統(tǒng)互聯(lián)互通，為礦區(qū)的生產(chǎn)調(diào)度指揮提供強有力的技術(shù)支持和語音保障。

　　WIFI手機無縫漫游技術(shù)

　　為了解決無線手機的漫游問題，我們?yōu)樗袩o線骨干網(wǎng)絡核心設(shè)備建立了統(tǒng)一的無線客戶端共享平臺，利用這種共享平臺機制，無線手機的注冊資料只保留在其接入的無線基站上，一舉解決了無線手機注冊資料同時存于多臺基站設(shè)備上而引起的手機成功無法注冊的問題。

　　另一方面，為了保證這個無線客戶端信息共享平臺運作正常，為每臺基站設(shè)備定制了客戶端輪詢機制。每臺基站每隔一個時刻會對其無線客戶端接入表中的設(shè)備進行輪詢，檢查是否每臺客戶端的實時狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)某個客戶端已經(jīng)處于非活動狀態(tài)，即表明該客戶端已經(jīng)離開了本基站的服務范圍，則會將其從表中剔除，并通知其他設(shè)備。利用這兩種方法，井下實現(xiàn)無線語音漫游才變得可能。經(jīng)過對設(shè)備配置的優(yōu)化，目前足以保障整個無線網(wǎng)絡可以實現(xiàn)手機無縫漫游，運動中通話不中斷、不卡頓等功能。

　　監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)

　　根據(jù)工業(yè)以太網(wǎng)及水平網(wǎng)絡的建設(shè)，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)可以隨時搭建在井下工業(yè)網(wǎng)絡之上。視頻監(jiān)控：采用數(shù)字一體化攝像機，不需要再另行布設(shè)視頻線纜，及視頻服務器。將IP攝像機直接接入到工業(yè)環(huán)網(wǎng)、WIFI的網(wǎng)絡接口上即可實現(xiàn)監(jiān)控中心的視頻監(jiān)控功能。

　　CO、風速等傳感器可可以方便的接入到定位讀卡器的RS485接口上，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)降乇韺崿F(xiàn)在線監(jiān)測監(jiān)控。

　　結(jié)語

　　經(jīng)過上述結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計方式，一套復雜的基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山井下安全避險綜合信息系統(tǒng)被清晰的劃分為四個子系統(tǒng)。同時，各子系統(tǒng)間分工協(xié)作、相互依托緊密聯(lián)系在一起。該系統(tǒng)既能滿足井下安全避險的需要，又可以適應未來礦山的拓展需求。未來在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)接入更多不同用途、功能的傳感器及相應的服務器和功能模塊后，此系統(tǒng)就可以變身為一套集安全管理、人員管理、生產(chǎn)管理、物資管理、決策分析于一體的礦山綜合管理信息平臺。