基于物联网的煤矿安全综合智能预警系统.pdf

第 4 O卷 第 4 期 2 0 1 4年 4月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 0 No ． 4 Ap r ．2 0 1 4 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 4 0 4 0 0 9 9 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 2 5 付贵祥 ， 周红军 ， 郭继茹． 基于物联 网的煤矿安全综合智能预警系统[ J ] ． 工矿 la动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 4 9 9 1 0 1 ． 基于物联网的煤矿安全综合智能预警系统 付贵祥， 周红军， 郭继茹 开滦集团 ， 河北 唐山0 6 3 0 1 8 摘要 介 绍 了基 于物联 网的煤矿 安 全 综合 智 能 预 警 系统 的 总体 架构 ， 阐述 了各 预 警模 型 即 瓦斯 预 警模 型 、 火灾预 警模 型 、 水 灾预 警模 型及 顶板 预警模 型 的设 计 ， 给 出 了智 能 决 策的 业务 流程 。该 系统 可对 煤 矿 安 全 生产过 程 中的安 全 隐 患进 行 实时监 控及 智 能化 预警 ， 有 效提 高煤 炭企 业的 安全 生产 水平 。 关键 词 煤矿 安全 预警 ；物联 网；灾害预 警 ；智 能决策 中图分类号 TD 7 6 文献标志码 B 网络出版时间 2 0 1 4 0 4 一 O 1 1 6 4 0 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d o i ／ 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 2 5 ． h t ml Co mpr e h e n s i v e i n t e l l i g e nt pr e wa r n i ng s y s t e m o f c o a l mi ne s a f e t y ba s e d o n I n t e r n e t o f Thi n gs F U Gu i x i a n g， ZHOU Ho n g J u n， GUO J i r u Ka i l u a n Gr o u p，Ta n g s h a n 0 6 3 0 1 8，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r i n t r o d u c e d g e n e r a l f r a me wo r k o f c o mp r e h e n s i v e i n t e l l i g e n t p r e wa r n i n g s y s t e m o f c o a l m i ne s a f e t y ba s e d on I nt e r ne t of Thi n gs ，e xp ou nd e d de s i g n o f e a c h pr e wa r ni n g mo de l n a me l y ga s pr e wa r n i n g mo de l ，f i r e p r e wa r ni n g mod e l ，f l o od pr e wa r ni ng mo de l a n d r o of pr e wa r ni ng mo de l ， a n d g a v e b u s i n e s s p r o c e s s o f i n t e l l i g e n t d e c i s i o n．Th e s y s t e m c a n ma k e r e a l t i me mo n i t o r i n g a n d i n t e l l i g e n t p r e wa r ni n g f o r hi d de n d a ng e r i n p r oc e s s o f c o a l mi ne s a f e t y pr od uc t i o n，S O a s t o i m p r ov e s a f e t y p r od uc t i o n 1 e ve 1 o f c o a l e nt e r pr i s e s． 收稿 日期 2 0 1 4 一 O l 一 1 5 ； 修 回 日期 2 0 1 4 0 1 2 7 ； 责任编辑 王晖。 作者 简介 付 贵祥 1 9 5 8 一 ， 男 ， 辽 宁北票人 ， 研究员 ， 博士 ， 主要从事煤矿机电管理与技术工作 ， E ma il f g x ia n g k a i l u a n ． c o rn． c n 。 组 ， 促进 组 织结 构优 化 ； 形 成 集 团公 司 独特 的竞 争优 势 ， 提高企业知名度 ， 增加集团品牌价值。 3 促进 企业 可持 续 发展 。通 过 煤炭 运 输 系统 的实施运行， 可 以加 强汾西矿业集 团公司信息化人 才 的培养 ， 使企业能更好地掌握各种信息化工具 和 应用系统 ， 在各个环节 为集 团公司发展发挥更 大的 作用 ； 能在技术依托单位 的帮助下开发一 系列适应 企业需求同时又有推广应用前景的 自主知识版权 的 软件， 形成信息化建设人才队伍 ， 为集团公司的日后 发展 打下 坚 实 的基础 。 5 结 语 模式和先进的管理思想 ， 提高了员工的工作效率 ， 降 低了煤炭运输成本 ， 提高了汾西矿业集团的竞争力 和影 响力 。因此 ， 煤 炭 运 输 系统 具 有 广 泛 的应 用 前 景 。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 煤炭运输 系统在汾西矿业集团的建设实施 ， 规 r 4 ] 范了煤炭运输流程 ， 给企业 带来 了方便快捷的操作 孙克雷 ， 聂建民 ， 姚 子涛 ， 等． 煤 炭公路 运输 智能调度 系 统 的研究 与开发 [ J ] ． 中国煤 炭 ， 2 0 0 8 ， 3 4 5 6 1 6 3 ． 王建军 ， 郭祚钊． 基 于 E R P信 息集 成思想 的蔚 州矿业 公司运销 系统 设 计 和实 现 [ J ] ． 煤 炭工 程 ， 2 0 0 9 i 1 11 0 1 1 2． 王佰顺 ， 王广 湖． 论煤 矿管 理信 息 系统 的建设 与 开发 [ J ] ． 中国煤炭 ， 2 0 0 0 ， 2 6 1 1 2 1 2 2 ． 汪文生 ， 王立杰． 煤炭运销集 中管理模式及信息 系统研 究[ J ] ． 中国煤炭， 2 0 0 8 ， 3 4 7 2 1 2 3 ． 1 0 0 工矿 自动化 2 0 1 4年 第 4 0卷 Ke y wo r d sp r e wa r ni n g o f c oa l mi ne s a f e t y； I nt e r ne t o f Thi n gs； d i s a s t e r p r e wa r ni n g； i n t e l l i g e n t d e c i s i on 0 引言 随着物 联 网 I n t e r n e t o f T h i n g s [ 时 代 的到 来 ， 物 联 网的相关 技术 也被 广泛 应用 到煤 炭行业 中。 基于 物联 网 的煤 矿安 全综 合智 能预警 系统 通过 对煤 矿安 全生 产过程 中各 种数 据 的实 时 监控 、 相 关设 备 系统 的管 理 、 未 知 的安全 隐患 的智能 化预 警 ， 可 以提 高煤 炭企 业 的安 全 生产水 平 ， 减 少灾 害事 故 的发生 ， 最终 实现 智能 矿 山的 目标 。 1系统 构建 基 于物联 网 的煤矿安 全综 合智 能 预警系 统利用 煤矿 内已有 的或新 安 装 的各类 监 测 传 感 器 ， 实 时 监 测 各 区域 内的动态 信息 ； 然后 基于 数据 挖掘 、 回归 分 析 、 特征 提取 等数 学方法 ， 分 析并 获得各 区域 的安 全 状 况 ， 并 根据 状态 的变 化评估 煤矿 的安 全危 险程 度 ， 对危险状况进行预警或预报_ 3 ； 根据专家决策支持 库形 成不 同层 次 、 不 同 目标 的预案 ， 确保 煤矿 的安 全 生 产 。系统 总体架 构如 图 1所示 。 煤矿安全综合智能预警平台 } } } I 灾 害 预 警 模 型I l 数 据 融 合 I I智 能 决 策 I } } } { 9 9 9 9 l 一 一 1 井 下 通 信 主 要 专 家 救 灾 设 磐 竺 布 设 颦 据 知 识 库 设 备 数 据 预 警 模 型 库 9 。 苜 ⋯ 9 ∈ 三 ≥ 实时 安全 灾 害 联动 监测数据装备数据 资料数据 关系数据 ▲ ▲ T T T 异构网络综合通信平台 工业环 网 平台层 数据库层 网络层 数据采集层 图 1 基 于物联 网的煤矿安全综合智 能预警 系统 总体 架构 1 数 据采 集层 。该 层采 集并 管 理煤 矿安 全 生 产各 子 系统 的实时 数据 ， 为智 能决 策提 供基 础数 据 。 2 网 络 层 。 该 系 统 采 用 基 于I n t e r n e t ／ I n t r a n e t的异 构 网 络 工 业 以 太 网 ， 具 有 较 强 的 网 络 适应性 。 3 数 据库 层 。多种 形式 结构 数 据库 的总体 封 装 ， 提供本地及远程等多种数据连接方式 ； 提供多种 预警模型库和 s QL S e r v e r通用关 系型数据库的访 问方式。数据库层为应用层提供透明的数据存储和 访 问功能 。 4 平 台层 。利 用数 据挖 掘 和信 息融 合 技术 实 现煤矿安全信息的智能决策支持 。 2系统设 计 2 ． 1 灾害预警 模型 灾 害预 警模 型 包 括 瓦斯 预 警模 型 、 火 灾 预警 模 型 、 水 灾 预警模 型 、 顶 板预 警模 型 。各 预警 模型 通过 对监测监控、 传感器等设备 的数据采集 、 环境感知 ， 结合模 块 化 的预测 预 警 方法 ， 对 即将 可 能 发 生 的灾 害情 况 进 行 提 前 预 测 。 灾 害 预 警 模 型 结 构 如 图 2 所示 。 灾害 专家 设备设施 各类 数据资料 知识库 数据采集 资料信息操 作 勋坫 火 灾预 警 模 型 水 灾预 警 模 型 图 2灾害预警模型结构 2 ． 1 ． 1 瓦斯 预警 模 型 瓦斯 预警 模 型 基 于通 风 安 全理 论 、 时 间 序 列分 析理论 与方 法 ， 以矿 井 日常 瓦 斯监 测 数 据 为 研究 对 象 ， 分 析监 测点 瓦斯 数 据 的关 联特 征 及 关 联 巷道 监 测点 瓦斯数 据表 现 的强关 联特性 [ 5 ] 。瓦斯 预警模 型 主要 包括 瓦斯相 关数 据 的采集 、 异构 通信 网络 、 数据 处理 分析 几个 部分 ， 分别 实现 相关数 据信 息 的采集 、 传输 、 预 处理 、 数据 融合及 预测 预警 分析 等功 能 。主 要融 合矿 井通 风系 统 、 瓦斯地 质 系统 、 瓦斯动 态监 测 系统及采 掘 工程 系统等 相关 数据 。 2 ． 1 ． 2 火灾 预警 模型 火 灾预警 模 型对矿 井 内随 时变化 的各种 相关 的 环境信息进行分析处理 ， 在煤层 尚未出现 自然发火 征 兆之前 ， 根 据煤 层 的赋存 条件 、 开拓 开采条 件及 煤 本 身 的升温 特性 等 因 素 ， 采 取 不 同的 方法 对 煤 层 自 然发火的危险程度、 自然发火期 、 易 自燃区域等重要 火灾参 数 指标作 出超 前判 断 ； 通 过建 立 煤 自然 发火 数学模型 ， 并进行 自燃过程 的实验模拟和数值解算 ， 得出不同边界条件下煤体的 自然发火危险程度值 。 2 ． 1 ． 3 水 灾 预警模 型 水灾 预警 模型 涉及 水文 地质 、 工程 地质 、 开 采条 2 0 1 4年第 4期 付贵祥等 基于物联 网的煤矿安全综合智能预警系统 1 0 1 件 、 岩石力学等诸多因素。采用规则的形式来表示 预测专家的判断性知识 ； 采用可信度值来反 映专家 经验的不确定性 ； 以模拟 突水预报领域专家的推理 方 式来 寻求 对底 板 突水 的可 能性 预测 。水 灾预 警模 型主要包括采空积水区 、 断层防水煤柱等一 系列导 水 、 涌水通道的评价体系。 2 ． 1 ． 4 顶 板预 警模 型 顶板预警模型将 系统数据采集器上传的压力和 位移数据进行接收 、 保存及相应的处理。 2 ． 2数 据 融 合 数据融合是根据传感器类 型对数据进行分类管 理 ， 构建具有相 同属性要 素的同类空间实体的分类 标 准 ， 并实 现相 应 的数 据 动 态 管 理 。矿 井 数 据管 理 是 一个 复 杂 的动态 时 空系统 ， 包 括对 矿井 灾害识 别 、 预测、 预警全过程数据集 的描述 ； 对数据集 中分类标 准 的描 述 ； 对各 数 据 项 、 数 据 来 源 、 数 据 所 有 者及 数 据 序列 等 的说 明 ； 对 数 据 质 量 的描 述 ， 如数 据 精 度 、 数 据 的逻 辑一 致性 、 数 据完 整性 等 ； 对 数 据转换 方 法 的描述 ； 对数据库更新 、 集成方法等的说明。 2 ． 3 智能 决策 智能决策通过采用统一的系统联动机制 、 用 于 报 告 紧急 事件 和安 全 预警 系统 的各子 部分 的预警 和 日常数据传输 ， 并整合 矿井各种应急处理方式及决 策支 持 ， 实现 多警种 、 多部 门 、 多 层次 、 跨 区域 的统 一 指挥 、 联合行动， 以便及时、 有序 、 高效地开展紧急救 援 或排 险 、 抢 险 、 救 灾 等 紧急 行 动 和决 策 提 示 、 信 息 查询服务等功能 ， 从而保障煤矿安全的综合处理、 服 务体系及集成 技术平 台。智能决策 的业 务流程 如 图 3所示 。 非应急处理部 门 咽 笠 兰 H 筌兰 恒 图 3 智 能决策的业务流程 智能 决策 系统 按不 同的对象 分为 正常 安全监 测 预警系统和辅助人员定位管理系统。前者负责 日常 环境 、 设备 安 全 、 长 期监 测等 主要 功能 ， 包 括通 防 、 水 文 、 顶板 、 火灾 等 管理 部 门 的 日常 管 理 和实 际操 作 。 后 者 用于 煤矿 井下 人 员 位 置 识别 与跟 踪 回放 、 人 员 考 勤 、 超 时报 警 、 超 员报 警 、 限制 区报警 、 人 员情况 统 计 和人员 救援 指挥 。 1 人 员定位 管 理 系统 。该 系统 采 用先 进 的无 线射频识别技术 、 数字通信技术与计算机控制 、 计算 机 网络技 术 ， 较好 地解 决 了煤 矿 井 下 人 员 管理 和 车 辆流动的识别 问题 。定位分站的无线数据通信模块 将低频加密数据载波信号经定位器向外发送 ， 井下 人员随身携带的识别卡进入定位器工作区域后被激 活 ， 同时将载有 目标识别码的加密信息经识别卡内 高频发射模块发射 出去 ； 定位器接收到识别 卡发来 的 载波信 号 后 ， 经 定 位 分 站 的 主板 通 信 模 块接 收处 理 ， 提取出 目标识别码 ， 通过数据通信接 口传输至地 面 数据采 集 服务 器 ，从而 实 现井 下人 员 自动 定位 跟 踪 管理 功能 。 2 决 策联 动 。决策 联 动就 是在 现 有应 急 与非 应急系统 的基础上， 通过先进 的技术手段实现应急 联动系统与非应急联动 系统 的高度整合 ， 共同应对 和协调解决各种尤其是涉及多个方面的紧急或非紧 急 的事件 和 问题 。 3 结 语 基 于物 联 网的煤 矿安全 综合 智 能预警 系统 可对 瓦斯 、 水灾、 火灾 、 顶板等主要灾害环境参数、 设备状 况 进行集 中监控 ， 通过 现场 模拟 量 、 开关量 和 累计量 数据的采集、 记录、 分析， 形成灾害预警、 预测信息 ， 结合智能化的决策系统形成有效的联动机制 ， 变被 动式安全管理为主动式安全管理 ， 从而实现智能化 的安 全管 理 。 参考文献 [ 1 ] 关勇 ． 物联 网行业发展 分析 [ D ] ． 北京 北京 邮电大学 ， 2 O1 0． [ 2 ] 兰 占涛． 应 用 物联 网技术 促 进 铜川 市 煤矿 安 全 生产 [ J ] ． 物联 网技术 ， 2 0 1 3 6 1 6 1 7 ． E 3 ] 王文 ， 杨慧霞 ， 吴波． 多维 度感知矿 山系统 的结 构及应 用设计E J ] ． 物联 网技术 ， 2 0 1 1 9 8 8 9 1 ． [ 4 ] 高睿． 面向生产 自动化 的物联 网技术在煤 炭行 业 的应 用[ J ] ． 科技资讯 ， 2 0 1 2 1 0 1 9 ． E 5 ] 董利． 浅析煤矿 瓦斯 的危 害与防治E J ] ． 科 技促进发 展 ， 2 01 l 4 42 43 ． 匿 ■ 堰