基于物联网的矿山井下安全避险综合信息系统 - 全文

　　传统矿山井下信息平台往往是根据某一项需求（如视频监控、人机定位、语音通讯、环境测控、井下自动化设备测控等）建设相关的独立信息系统，系统建设技术平台、数据协议和接口规范无法统，系统之间不能联动，整合困难，大多既无法满足矿、集团、政府主管部门对于矿山行业生产过程的全面数据共享和决策支撑，也无法满足矿山行业安全管理的需求。

　　目前井下数据传输网络多采用有线传输，针对矿山不断掘进的特点，有线网络难以快速部署和移动部署，生产管理部门无法即时了解第一线的信息，不能为第一线的生产、安全、调度提供有效的支撑。

　　随着数字化矿山的深化，急需建立基于物联网的数字化矿山管理支撑平台，形成能够为所有生产管理、安全管理环节提供即时反映一线生产现场的全面有效的数据共享和运营决策支撑的平台。

　　本项目目标是完成基于物联网的矿山井下安全避险综合信息系统，使其能够利用物联网技术的先进性，为矿山安全管理和生产过程控制提供统一的管理和决策支持平台。通过对整体矿山各类数据的存储和分析， 最终实现并提供人员车辆定位管理、IP调度指挥系统、井下智能交通信号控制系统、紧急撤离广播系统、环境监测监控系统、生产过程控制系统、矿山虚拟现实系统及其他工业控制应用，建立物联网在矿山行业物联网应用标准化及数据传输协议与接口规范。

　　建设需求

　　人员（车辆）定位：实现矿井下主要生产区域及主运输巷、主通风巷精确连续定位;实现井下通行车辆精确连续定位;

　　语音通讯：实现井下固定点有线语音通讯，实现主生产区WIFI全覆盖，实现井下无线通讯;

　　调度指挥：实现井下人员语音、短信调度，井下车辆语音调度;

　　视频监控：实现井下固定数字视频监控、井下WIFI覆盖区域移动视频采集;

　　生产环境在线监测：实现固定位置一氧化碳、风速等环境参数的在线监测监控，实现井下安全人员手持设备无线实时在线监测;

　　斜坡道交通信号管制：井下斜坡道无轨运输交通信号管制系统;

　　可扩展应用：通风自动化系统、排水自动化系统、供电自动化系统、设备状态监测监控、有轨运输信集闭系统等。

　　系统架构

　　基于物联网技术的井下安全避险综合信息系统是工业以太环网技术、zigbee无线定位无线数传技术、WIFI无线通讯技术、VOIP语音通讯技术、地理信系统技术、管理信息系统技术以及数据库技术等多方面融合在一起的综合信息平台，将为矿山企业实现全面感知和矿井生产调度指挥实现可视化、自动化、信息化管理，实现物网相连-感知矿山。

　　系统主要有工业网络子系统、人机定位子系统、通讯联络子系统、监测监控子系统几个子系统组成。

　　工业网络子系统

　　结合矿山实际情况，整个系统采用多技术融合的网络通讯子系统，它包含工业以太环网、无线水平通讯子系统、无线综合分站几个主要部分。

　　工业以太环网

　　工业以太环网作为整个矿山的核心网络，承载矿山所有工业自动化、视频监控、人机定位、环境监测等数据的大流量传输，如（图1）所示。。

　　工业以太环网的布设满足以下几个设计条件。

　　1. 工业以太环网应满足千兆数据带宽，满足井下各种应用的数据传输需求，且预留足够的扩容余量;

　　2. 覆盖所有提升系统、生产中段马头门、风机房、采区变电所、炸药库、泵房等重要枢纽及机电设备场所（与地表生产系统结合形成全矿工业以太环网）;

　　3. 预留接口，满足未来扩容延伸需求;

　　工业以太环网走向说明：井下工业以太环网布设采用双环网架构，

　　无线水平通讯子系统

　　对于各生产中段水平主巷及斜坡道道采用无线综合分站进行覆盖，每隔若干米布设一个分站，实现WIFI和zigbee双无线网络覆盖，如（图3）所示。

　　无线水平通讯系统采用国际领先的无线技术，无线分站是采用最新的WIFI无线技术和一个zigbee定位模块。由于该产品有两个光纤模块，整个无线骨干核心网采用“背靠背”的二层透明接力方式，组成了一条有线与无线混合的水平通讯链路，带宽高，系统延时小，运行稳定的无线骨干链路，可以承受各种诸如环境采集，人员定位，语音通讯、视频监控等应用。

　　无线分站组网的特点有：透明传输机制造就稳定高速的无线链路;完善的冗余设计;无线手机的无缝漫游;特殊极化天线的使用;同步NTP自维护机制;动态TDD（时分双工）;双向动态自适应调制;可调节ACK时延（ACK Timeout）;OFDM技术。

　　无线综合分站自愈环技术：无线基站支持对环路的自动检测和倒换，无线链路两端或多段接入矿区已经建成的工业光纤以太环网，无线链路与工业光纤以太网络形成环或相切环，当无线链路中出现故障节点，系统可立即倒换链方向，保证系统业务不中断，整个无线链路每台设备都可作为光纤接入点，保障系统有效可靠运行，且对系统进行维护时业务不受任何影响。

　　采场网络接入：（此部分有点奇怪，不是采用无线网络嘛，为什么又需要采用铜线等接入呢？）

　　对于采场的网络接入，考虑到采场采掘周期短，环境复杂，易刮碰。如采用光缆接入方案设备投入大、施工周期长、维护困难且无法回收再利用。本系统对于采场网络接入采用铜线接入方法。

　　方案一：如采场内仅实现人员（设备）定位，采用CAN总线通讯方式，采用两根铜线将定位器串接布设至采场。

　　方案二：如采场内需要实现视频、语音通讯、广播、定位、紧急报警、CO监测等综合应用，则采用电话线ADSL方式配合矿山井下智能终端实现采场接入。

　　人机定位子系统

　　在井上信息管理中心注册身份卡，其个人资料和识别号都储存在监控主机内，在矿井巷道的进出口、交叉道口、工作面、重要硐室、危险场合（如盲巷）、地面主要进出口等位置安装了无线基站。

　　当携带身份卡的作业人员进入基站检测范围，或从基站附近通过时，基站可以将相关人员的身份等信息读出并传送到信息中心。信息中心计算机将收到的信息综合处理后显示在屏幕上，同时保存到数据库中，以备随时查阅。通过以太网连接到信息中心的各种终端客户机，都可以通过浏览器来访问人员和车辆的定位信息。

　　人机定位管理功能

　　实现在某一时刻或某个时间段内的人员车辆的静态查询和动态查询，包括状态分布查询，某个指定人员车辆的移动轨迹查询，历史信息回馈等，如（图6）所示。

　　静态查询

　　状态分布查询：井上信息中心系统，结合井下地图，可以显示某一时刻，在指定区域内的工作人员车辆的数量和位置分布情况;

　　人员车辆位置查询：结合井下地图，信息中心可以定位在某一时刻，目标人员车辆在井下的具体位置;

　　动态查询

　　移动轨迹查询：结合井下地图，井上信息中心系统可以针对某个指定人员车辆，动态定位其在井下活动的轨迹路线;

　　历史信息回放：井上信息中心可以查询某一历史时刻或某一时间段内，井下作业人员车辆的活动情况。

　　考勤管理功能

　　出入统计：系统能够实时对下井人员入井时间、升井时间进行统计;对所有出入矿井的人员身份、时间进行记录，并显示是否迟到/早退。

　　井下岗位考勤：能实时对各单位人员下井班数、班次、迟到、早退等情况进行监测和分类统计;能实时对井下各监测区域工作人员的数量和分布情况进行分类统计。能自动汇总、存储、自动生成报表和打印以上各信息。数据支持实时查询，随时可查询单独人员、班组、井、矿领导或公司领导下井情况。

　　出井异常报告：该功能可以记录那些出井异常的人员。人员在井下时间过长，会有出井异常报警，并形成报告，报告包括出井异常人员的基本信息，入井时间，在井下滞留时间。方便管理。

　　车辆定位：

　　车辆安装车载定位终端：实现车辆快速实时定位;实现人车靠近报警;实现人员上下车绑定判断。

　　报警/寻呼功能

　　特有的双向报警/寻呼功能，管理中心可以根据现场情况给井下人员发送寻呼指令，通知井下人员紧急撤离或联络调度中心;同时井下人员在遇到特殊情况的时候，可以通过报警按钮和调度人员进行报警。双向报警/寻呼功能方便了井下人员和调度人员的沟通，使管理变的更方便，更人性化。

　　通讯联络子系统

　　系统充分利用井下光纤工业以太环网、地表办公网和井下WIFI网络，并充分考虑现有的办公和生产调度电话系统，实现了WIFI手机、固定IP电话、语音网关的IP电话、办公电话、生产调度电话的互联互通。

　　矿外电话包括手机可以直接联系到矿区井下。只要取得授权，即可实现井下WIFI手机与固定电话与矿外电话、任意手机的联系。

　　通过IP调度平台将全矿所有电话系统互联互通，为矿区的生产调度指挥提供强有力的技术支持和语音保障。

　　WIFI手机无缝漫游技术

　　为了解决无线手机的漫游问题，我们为所有无线骨干网络核心设备建立了统一的无线客户端共享平台，利用这种共享平台机制，无线手机的注册资料只保留在其接入的无线基站上，一举解决了无线手机注册资料同时存于多台基站设备上而引起的手机成功无法注册的问题。

　　另一方面，为了保证这个无线客户端信息共享平台运作正常，为每台基站设备定制了客户端轮询机制。每台基站每隔一个时刻会对其无线客户端接入表中的设备进行轮询，检查是否每台客户端的实时状态。如果发现某个客户端已经处于非活动状态，即表明该客户端已经离开了本基站的服务范围，则会将其从表中剔除，并通知其他设备。利用这两种方法，井下实现无线语音漫游才变得可能。经过对设备配置的优化，目前足以保障整个无线网络可以实现手机无缝漫游，运动中通话不中断、不卡顿等功能。

　　监测监控子系统

　　根据工业以太网及水平网络的建设，监测监控系统已经可以随时搭建在井下工业网络之上。视频监控：采用数字一体化摄像机，不需要再另行布设视频线缆，及视频服务器。将IP摄像机直接接入到工业环网、WIFI的网络接口上即可实现监控中心的视频监控功能。

　　CO、风速等传感器可可以方便的接入到定位读卡器的RS485接口上，通过网络传输到地表实现在线监测监控。

　　结语

　　经过上述结构化、模块化的设计方式，一套复杂的基于物联网的矿山井下安全避险综合信息系统被清晰的划分为四个子系统。同时，各子系统间分工协作、相互依托紧密联系在一起。该系统既能满足井下安全避险的需要，又可以适应未来矿山的拓展需求。未来在工业以太环网接入更多不同用途、功能的传感器及相应的服务器和功能模块后，此系统就可以变身为一套集安全管理、人员管理、生产管理、物资管理、决策分析于一体的矿山综合管理信息平台。