物联网环境下煤矿安全监控系统体系架构研究.pdf

第 3 9卷 第 3期 2 0 1 3年 3月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Au t omat i o n Vo 1 ． 3 9 NO ． 3 M a r ．2 1 3 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 3 0 0 0 6 0 4 D I 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 l 一 2 5 I X ． 2 O 1 3 ． 0 3 ． 0 0 2 华 钢 ， 宋 志月 ， 王永 星 ， 等． 物联 网环 境下 煤矿 安全 监控 系统体 系架 构研究 [ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 3 6 9 物联网环境下煤矿安全监控系统体系架构研究 华钢 ， 宋志 月 ， 王永 星 ， 徐 永 刚 ～， 万 紫嫣 1 ． 中 国矿 业大 学 物联 网 感 知矿 山 研 究 中心 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿业 大学 信 电学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 分析 了传 统煤 矿安 全监控 系统 存在 的 问题 ， 探 讨 了物 联 网环 境 下的 煤矿 安 全监 控 系统 的 结构 、 性 能 、 工作 原理 、 分层 架构及 关键 技 术 ， 并详 细 阐述 了 系统 主要部 件 的变化及 逻 辑分站 的概 念和 意 义 ， 指 出要真 正 实现 煤矿安 全监控 系统的 物联 网化 ， 还 需要 解 决规程 和标 准 、 传 感 器的低 功 耗等 问题 。 关键 词 煤矿 物联 网 ；煤矿 安全监 控 ；逻辑 分站 ；分层 架构 中图分类 号 TD 7 6 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 O 1 3 0 3 0 6 2 1 O 2 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O l 3 0 3 0 6 ． 2 1 0 2 ． 0 0 3 ． h t ml Re s e a r c h o f a r c h i t e c t ur e o f c o a l m i n e s a f e t y m o n i t o r i ng a nd c o n t r o l s y s t e m i n t he e n v i r o n m e nt o f I nt e r n e t o f Thi n gs H UA Ga ng 。 ， SONG Zh i y ue 。 ，W ANG Yo ng x i ng ，XU Yo ng g a n g ’ ，W AN Zi y a n 1 ． 1 o T Pe r c e p t i o n M i n e Re s e a r c h Ce nt e r，Chi na U n i v e r s i t y o f M i n i ng a nd Te c h no l o gy，Xuz hou 2 21 00 8，Ch i na；2． S c ho o l o f I n f o r m a t i o n a nd El e c t r i c a l En gi n e e r i n g，Chi n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a nd Te c hno l o gy，Xu z ho u 2 2 1 11 6，Ch i na Ab s t r a c t The p a pe r a n a l y z e d pr o bl e ms o f t r a d i t i on a l c oa l mi ne s a f e t y m o ni t or i n g a nd c on t r ol s y s t e m ， s t ud i e d on s t r uc t u r e ， p e r f o r ma nc e， wo r ki ng pr i nc i pl e，l a ye r e d a r c hi t e c t u r e a nd k e y t e c hn ol o g i e s o f c o a l mi ne s a f e t y mo ni t o r i n g a nd c o nt r o l s y s t e m i n t h e e nv i r o nme n t of I n t e r n e t o f Thi ngs ．I t de s c r i be d c ha n ge s o f ma i n c ompo ne nt s of t h e s y s t e m a n d c on c e pt a nd s i g ni f i c a nc e o f l o gi c a l s u bs t a t i on，a nd p o i nt e d ou t t h a t t h e r e we r e ma ny i s s u e s ne e d t o b e a d dr e s s e d s u c h a s d e v e l o p m e n t s of ne w pr o c e du r e s， s t a nd a r ds a nd s e ns or s wi t h l ow p owe r c o ns u mpt i on t o r e a l i z e c oa l mi ne I n t e r n e t of Thi n gs ． Ke y wo r d sc o a l m i n e I nt e r ne t of Th i n gs； c oa l s af e t y mon i t o r i ng a nd c on t r o l ； l og i c a l s ub s t a t i o n； l a y e r e d a r c hi t e c t u r e 0 引 言 煤 矿 对安 全 监 控 系统 的可靠 性 、 抗 毁 性及 智 能 化要求 越来 越高 。 目前 ， 以 光纤 工 业 以 太 环 网为 核 心通信 系统 的安 全 监 控 系统 的反 应 速度 大 为加 快 ， 但 其在 系统 可靠 性和 灾变 时期 的抗毁 性方 面没 有大 的提 高【 ] 。本 文 在不考 虑供 电因素 的前 提 下 ， 在 由 互联 网 向物联 网转 变 、 泛 在 网 技术 已接 近 成 熟 的背 景下 ， 研 究煤 矿安 全监 控 系统 的 体 系 架构 及 其 对 系 统 可靠性 、 抗 毁性 和智 能化 的影 响 。 1煤 矿安全 监控 系统 现状分 析 1 ． 1 研 究现 状 目前 国内推 广 较 多 、 用 得 较 好 的煤 矿 安 全监 控 系统 有 KJ 4 ／ K J 2 O O O 、 K J 9 0 、 K J 9 5等 。它 们 基 本 上处 于集 中控制 阶段 ， 即在 井上 设置 控制 中心 主站 ， 收 稿 日期 2 0 1 2 l 2 l 7 。 基金项 目 国家自然科学基金资助项 目 5 1 2 0 4 1 8 6 。 作者简 介 华钢 1 9 6 3 ， 男 ， 江苏 江 阴人 ， 教授 ， 博士 ， 博 士研 究 生导 师， 研 究方 向为矿 山 安全 监控 、 信 号 与信息 处 理 、 网络 技 术， E i l i a gh u a 3 3 2 3 1 6 3 ． C O F I I 。 2 0 1 3年 第 3期 华 钢等 物联 网环境 下煤矿 安 全监 控 系统体 系架构研 究 7 井下 现场 设置 多个 测控 分 站 。分站 采集 信息 并传 送 给主站 ， 主站处理信息后发出相应控制命令 ， 由分站 接收 并执 行 。该类 系统 一般 通过 敷设 专用 电缆或 光 缆 ， 采用 工业 以太 网 、 RS 4 8 5 、 P S K、 F S K 等 技术 及各 自规 定 的专用 通信 协议 来 实现信 息 和命令 的传输 。 1 ． 2存 在 的 问题 1 系 统 覆 盖 受 限 。使 用 有 线 覆 盖 方 式 ， 系统 扩展 性差 ， 覆 盖范 围受 限 ， 因此 ， 传感 器密 度不 大 ， 存 在监 测盲 区_ 4 ] 。 2 部 署 不 便 。分 站 、 传 感 器 采 用有 线部 署 方 式 ， 分站距 离 传感器 1 ～2 k m， 传感 器 的部署 与 回收 工作 量很 大 ， 系统 维护 不便 。 3 对中心节点的依赖度过高 ] 。系统信息采 用 集 中处 理方 式 ， 信 息 处理 均集 中在 地面 中心 站 内 ， 一 旦 其 出现故 障 ， 系统存 在 崩溃 的危 险 。 4 智 能预警 能力 弱 。现 有煤 矿 安 全监 控 系统 实际 上是 一个 实 时检 测 、 监控 系统 ， 系 统 的预 测 、 预 报 、 预警 能力很 弱 。 5 灾 变 抗 毁 能 力 弱 。在 正 常 工 作 时 ， 煤 矿 安 全监控系统应该是保 障井下矿工生命安全 的保障系 统 ， 在 灾变 状 态下应 成 为抢 险救 灾 的重要 信息 系统 。 但 是 目前 的煤 矿安 全监 控 系统在 灾变 期 问几乎 不 能 发 挥 作用 。 1 ． 3 技 术分 析 1 通信 网络 泛在 化程 度 不 够 。泛 在 网络 是指 无 处 不在 的 网络 ， 只有 实现 了 网络 的全面 覆盖 ， 才有 可 能 实现对 煤 矿环境 的全面 监测 、 监控 。 2 监控 通信 网络 缺乏 自主 的故 障 隔离 与恢 复 能 力 。系 统在 灾变 和 事 故 状 态 下 ， 不 只 是 丧 失部 分 功 能 ， 而是 整个 系统 停止 运行 ， 需 从 系统结 构方 面解 决 这 一 问题 。 3 传感 器功 耗 问题 。如 果 能够 实 现传 感 器低 功 耗 ， 就有 可能 解决 其供 电问题 ， 扩大 传感 器 的覆盖 范 围 。 4 传感 器智 能化 问题 。 目前 系 统 软件 配 置复 杂 ， 主要 是 因为 传 感 器 的 智 能化 程 度 不 高 。如果 实 现 传感 器 的网络 化 、 智 能 化 ， 就 有 可能 实现 传感 器 的 即插 即用 。 5 系统 的智 能化 程度 问 题 。 以往 研 究 者 主要 通过提高主站软件功能来提高系统 的智能化程度 ， 但 效果 欠佳 。通 过 在 矿 山 建 立泛 在 网络 、 开发 网络 化 传感 器 、 在物 联 网环境 下构 建煤 矿安 全监 控 系统 ， 可 从根 本上 提 高系统 的智 能化 程 度 。 2物 联 网环境 下安 全监 控 系统结 构及 功能 2 ． 1 系统 结构 及特 点 传 统煤 矿安 全监 控 系统结 构 如 图 1所示 。物联 网环境 下 的煤 矿安全 监控 系统 结 构如 图 2 所 示 。 叵囹 囱 匦亟囹 囱 _ L ， ＼ ． ⋯ ‘- 三 三 兰 ⋯ 回 回 回 卤 自 由 卤 卤 自 由 由 8 工矿 自动化 2 0 l 3年 第 3 9卷 使 得 矿井 中 的任 何设 备 在任 何 时 间 、 任 何地 点 都 可 接入 网络 。 目前 煤 矿安全 规程 要求 安全 监控 系统 专 网专用 ， 这 在 网络通 信 技 术 不太 发 达 的过 去具 有 保 障系统 稳定 、 安全 运行 的作 用 ， 但 目前 监控通 信 网 的可靠性 、 故障恢复和隔离能力已有 了很大提高， 因 此 应稳 步 、 大 胆地对 相关 标准 进行修 改 ， 破除 人为设 置 的屏 障 ， 为 新技 术在 煤 矿 安 全 监 控领 域 的应 用 提 供 可能 。 2 网络 化 传 感 器 。在 泛 在 网 络环 境 下 ， 传 感 器的无线 网络化是必然趋势。网络化的传感器可以 方 便地 接入 网络 ， 实现 即插 即用 ； 传感器 配 置将更 简 单 ， 不 再需要 配置 传 感 器 类 型 、 量程 等信 息 ， 因为 网 络 化传 感器 接入 网络后 会 自动提 供这些 信息 。 3 网络化 执行 器 。煤 矿 安全 监 控 系统 的控 制 接 口主要用 于控 制 相关 机 电设 备 的 开停 ， 在 物 联 网 环 境 下 ， 执行 器也 将实 现 网络化 ， 可就 近安装 在机 电 设 备控 制 开 关 附 近 。考 虑 到 对 控 制 输 出 的反 馈 信 息 ， 执 行器 应具有 开关 量输 入功 能 。 4 网 络化 控 制 器 。在 物 联 网环 境 下 ， 控 制 器 是煤 矿安 全监控 系统 进行 信息 处理 的核心设 备 。井 上主 站通 过 网络将 控 制 策 略下 发 到 控制 器 ， 控 制 器 执行主站命 令， 实现控制算 法， 控制相关设 备的开 停 。多个 控制 器可并 发控 制 ， 并 可相互 备份 ， 从 而实 现高 可靠控 制 。 5 分站 。传 统煤矿 安 全监 控 系统 中分 站 的主 要功 能包 括传 感器 信息采 集功 能 、 执 行器 功能 、 控制 器功 能 、 通信 网关功 能 。在物联 网环 境下 ， 传统 传感 器转 变 为无线 智能 传 感 器 ， 执 行器 转 变 为 无线 控 制 执行 器 ， 控制 器主要 实现 瓦斯风 电闭锁等 控制 功能 。 因此 ， 由于泛在网络的实现、 传感器和执行器的网络 化 ， 传统分站将逐步消亡 ， 并被逻辑分站所取代_ 7 J 。 6 主 站 。主站 除具备 安全 监控 通 用技 术条 件 要求 的功 能 以外 ， 还应 增 加 传 感 器 、 执 行器 、 控 制 器 节 点 的发现 、 管理 功能 ， 能够 配置逻 辑分 站 的系统组 态 ， 而其 控制 功能 则可 以分散 到控 制器 中 ， 从 而加 强 系统 的安全 预测 预警功 能 。 2 ． 3 逻 辑 分 站 1 逻辑分站的控制范 围。在传统煤矿安全监 控 系统结 构 中 ， 所有 传感 器都 必须 与分站 直接 连接 ， 考虑 到分 站 大 小 以及 布 线 成 本 ， 1个 分 站 的 覆盖 范 围很 小 ， 有时 1个工 作 面 需 要 2个 分 站 才 可 以 满 足 检测 要求 。物 联 网环境 下 的分站 是逻辑 意 义上 的分 站 ， 只要控制器、 传感器 、 执行器之间的网络畅通 ， 即 可通 过 主站 的组 态功 能 将 其 组 合 为一 个 逻 辑 分 站 ， 叵囹 ⋯ 。． 三 三 竺 翌 ⋯ 回 回 回 囱 一 商 一苗 。 。。。‘函 一[ 卤 卤 ⋯⋯⋯⋯⋯一一 ⋯⋯⋯⋯⋯一一 叵亘囹 ⋯ 。t之 三 竺 ⋯ 。 回 回 回 、 I ⋯⋯⋯ 辑 坌 砦 ⋯ ⋯ ⋯ ， ， 图 4 具有冗余控制器 的逻辑分 站 3 物联 网环 境下 的煤 矿安全 监控 系统 原理 及架 构 3 ． 1 工 作 过 程 煤矿 安全 监控 系统 工作 过程 可分 为 4个阶段 1 系统部 件发 现 阶段 。传感 器 、 执 行 器 、 控 制 器 自动 进入 系统 ， 向井 上 主站报 告其入 网 ， 同时将 自 身 的类 型 、 I D、 量程 等信 息传送 给 管理 主机 。 2 0 1 3年 第 3期 华钢 等 物联 网环 境 下煤矿 安 全监控 系统体 系架构研 究 ．9 ． 2 系统 组 态 阶段 。系统 管 理员 可 以根 据 实 际 需要将 多 个传 感器 、 多个 执 行 器 和 1个 控 制 器 组 合 成逻辑 分 站 ， 传感 器 和 执行 器 可 以 同时 属 于 多 个 逻 辑分 站 ， 这 样煤 矿 安全 监 控 系 统 最 复 杂 的 交 叉控 制 即可在 1 个 逻辑 分站 的控 制域 内实现 。给各 控 制注 入 相应 的控 制脚 本 ， 可 最 大 限 度 地 使 系统 控 制功 能 独 立 于主站 执行 ， 从 而缩 短控 制信 息传 输距 离 ， 加快 系统控 制速 度 ， 减少 对主 站 的过分 依赖 。 3 系统 运行 阶段 。井 上 主站 接 收各 部 件 发来 的信息 ， 进行信息的显示 、 存储 、 统计 ， 利用安全灾害 云服 务 进行 预警 预测 。 4 系统 重 构 阶段 。一 旦 出 现煤 矿 灾 害 ， 可 能 对煤 矿 安全 监控 系统 的某 些部 件造 成损 害 。在传 统 系统 中 ， 如果 分 站结构 被破 坏 ， 则设 定 的系统 功 能将 无法 完 成 ； 而 物联 网环 境 下 的 系统 可 以利 用 自组 态 技术迅速恢复系统功能， 保证安全监测的连续性 。 3 ． 2 分层 架构 假定煤矿安全监控系统使用 I P v 6协议 ， 传感器 使用 无线 技术 ， 执 行器 具有 开关 量输 入功 能 ， 控制 器 采用 冗余 布 置 ， 则 其分 层架 构如 图 5所示 。 ， 、 、 一一一一 量 兰 兰 兰 兰 至 兰 竺 二 I， 云 计 算 层 、 一 I A ， J 匦蛰匦巫 一 、 1 二二二 二二二二 二二二 一 一一一一 l I 应 用 支 撑 层】 r ⋯ - 一 一 一 一 ，、 ⋯ - 骨 干 通 信 网 ⋯ ⋯ I J ＼ I 网络层 感知层 图 5 物联网环境下 的煤矿安全监控 系统的分层架构 感 知层 实现 监 控 信 息 采 集 和 就地 控 制 功 能 ， 实 现信息 的统一感 知。网络层 为传感器 、 执 行器 和控 制器提供信息传输服务 ， 实现信息 的统一传输。物 联 网环 境下 的煤 矿安 全 监控 系统 中各 种应 用需 架构 在 一 个 应 用 平 台 之 上 ， 即 感 知 矿 山 M2 M 平 台 。 M2 M 平台使得各种 传感器、 执行 器及子 系统能够 方 便灵 活地 接人 煤 矿 安 全 生产 物 联 网系 统 ， 从 而 能 方 便快 捷地 部署 所 需 要 的 逻辑 应 用 予 系 统 ， 满 足 煤 矿 动态 部署 、 流 动 作业 的需 求 。应 用 层 实 现 各 种 用 户应 用 。云计 算层 为用 户 应用 提供 强大 的运 算能 力 和预 警决 策 功能 支撑 。 3 ． 3关 键 技 术 1 传感器 、 执行器 、 控制器之间的信息交换标 准 协 议 。 2 传感 器 、 执 行 器 、 控 制器 与 M2 M 平 台的 接 口标 准 。 3 监控 主站 与 M2 M 平 台 的接 口标准 。 4 安全 监控 软件 体 系及架 构技 术 。 5 故 障恢 复与 系统 重构技 术 。 4 结 语 物 联 网环境 下 的煤矿 安 全监控 系统 的性 能 比传 统 煤矿 安全 监控 系统 有 了很 大 提 高 ， 但 要 真正 实 现 煤 矿安 全监 控 系统 的物 联 网 化 ， 还 需 要解 决 以 下 问 题 规 程 和标 准的 问题 ， 物联 网 系统 的特征 之一 是统 一 的标 准 ； 传感 器 尤 其是 瓦斯 传 感 器 的 低 功耗 问 题 ； 观 念 问题 ， 开放 也 是 物 联 网 的 一个 重 要 特 征 ， 需 克 服传 统 观念 的影 响 ， 使 封 闭 的煤 矿 安 全 监控 系统 开 放化 。 参 考 文 献 [ 1 ] 鲁远祥 ， 樊荣． 煤矿安 全监 控系统体 系架构技术 的发展 [ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 9 ， 3 6 增刊 1 1 7 7 1 7 9 ． [ 2 ] 邹 哲 强． 煤 矿 安 全监 控 系统 可 靠性 指 标 的 测定 方 法 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 4 1 4 ． [ 3 ] 高春矿． 煤矿安全 监控 系统现状 与发 展前 景[ J ] ． 煤 炭 技术 ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 1 6 5 6 6 ． [ 4 ] 周静 ， 刘锡明． 新 阶段煤矿监控系统存在 的问题 及解决 措施 [ J ] ． 煤 ， 2 0 0 9 ， 1 8 4 4 9 5 1 ． I s ] 胡 继 红． 煤 矿 安 全 监控 系统 存 在 的 问题 与 发 展方 向 [ J ] ． 中国煤炭 ， 2 0 1 0 ， 3 6 1 2 6 1 - 6 3 ． [ 6 ] 仲 丽云． 煤矿安 全监控 系统存 在 的问题及其 改进 探讨 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 6 9 2 9 4 ． [ 7 ] 徐冬 梅 ， 华 钢 ， 刘 文松． 煤 矿 人 员 监控 系统 分 站设 计 [ J ] ． 矿山机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 2 0 5 7 5 9 ． ～ 一 朋 曲一 一上 引 - _ ] 赠 ～ 交 ] _1 一 局 部 控 制 器 一 匝 ～ 一站 囡 胡一 一 工 圳