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基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦瓦斯爆炸動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計研究

文檔作者：劉香蘭趙旭生董桂剛文檔來源： 1．山東科技大學(xué) 2．中國煤炭科工集團重慶研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月26日
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2012年第9期 煤炭工程
基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦瓦斯爆炸動態(tài)
安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計研究
劉香蘭 ，趙旭生 ，董桂剛
(1．山東科技大學(xué)，山東青島266590；
2．中國煤炭科工集團重慶研究院，重慶400039)
摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦瓦斯爆炸動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)是保障煤礦安全的新方法、新手段，
是一項融合了煤礦安全理論、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和預(yù)警技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
劃分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)礦井安全信息系統(tǒng)管理、瓦斯爆炸危險性動態(tài)
預(yù)警、安全信息共享、災(zāi)害預(yù)防和控制專家系統(tǒng)等功能；可以整合現(xiàn)有資源，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下生
產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同管理和控制。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；瓦斯爆炸；預(yù)警系統(tǒng)；趨勢預(yù)警；狀態(tài)預(yù)警
中圖分類號：TD712 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671—0959(2012)09-0017-03
Design and Study on Safety Early W arning System of M ine
Gas Explosion Base on Internet of Things
LIU Xiang—lan ，ZHA0 Xu—sheng ，DONG Gui—gang
(1．Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；
2．Chongqing Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Chongqing 400039，China)
Abstract：The dynamic safety early warning system of the mine gas explosion base on the internet of things is a new method
and new means to protect the mine safety and is a complicated system project integrated with the coal mine safety theory，
internet of thing technology and the early warning technology ． The system structure of the dynamic early warning system
could be divided into three structures，as a sensing layer，a transmission layer and a application layer and could realize the
management of the mine safety information system，the dynamic warning of the mine gas explosion danger，the joint
sharing of the safety information， the experts system of the disaster prevention and control and other functions． The
dynamic early warning system could integrate the available resources and realize the coordinative management and control of
the personnel， machine， equipment and basic infrastructures within the production network under the complicated
environment．
Keywords： internet of things； mine gas explosion； early warning system；tendency early warning
1 概述
煤礦瓦斯爆炸事故災(zāi)害嚴(yán)重地威脅著礦井工作人員的
生命安全，制約著礦井生產(chǎn)的發(fā)展，給煤炭企業(yè)帶來沉重
的負(fù)擔(dān)，是煤礦生產(chǎn)的頭號大敵。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對礦山
生產(chǎn)中的人員、機器、設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境等實時監(jiān)控和管理，
研究建立集安全生產(chǎn)、定位、監(jiān)測、預(yù)警、管理為一體的
瓦斯爆炸動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)，成為提高煤礦安全管理水平，
減少瓦斯爆炸安全事故發(fā)生和降低事故人員傷亡，提高災(zāi)
后搶險救援能力的必然要求。
物聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)為骨干，通過射頻識別、傳感器、全
球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備建立起人與人、人與物、物與
物之間的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控
和管理的一種網(wǎng)絡(luò)? 。瓦斯爆炸動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)通過對
人員、設(shè)備、生產(chǎn)、環(huán)境的全面感知，利用高速網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)
全面覆蓋，提高礦山的安全管理水平；利用信息技術(shù)、網(wǎng)
絡(luò)技術(shù)以及傳感網(wǎng)絡(luò)對礦區(qū)人員、瓦斯?jié)舛?、通風(fēng)設(shè)施、
溫度、機電設(shè)備等系統(tǒng)的感知和控制，采用實時監(jiān)控、安
全檢查、隱患管理、事故預(yù)防、應(yīng)急救援等措施，預(yù)防和
控制瓦斯爆炸事故的發(fā)生。
收稿日期：2012—02—06
基金項目：國家“十一五”科技支撐計劃：煤礦重大災(zāi)害綜合監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)(2006BAK03B02)
作者簡介：劉香蘭(1977一)，女，山東泰安人，講師，在讀博士研究生，研究方向為安全監(jiān)測與信息技術(shù)。
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煤炭工程 2012年第9期
2 瓦斯爆炸動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計
瓦斯爆炸動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系劃分為感知層、
傳輸層和應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu) ，如圖1所示。
圖1 瓦斯爆炸事故安全預(yù)警系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
1)感知層。主要功能是感知、采集井下監(jiān)控區(qū)域人
員、設(shè)備和環(huán)境的信息，通過RFID標(biāo)簽讀寫器、傳感器
(瓦斯、CO、溫度)、條形碼只讀器、視頻攝像頭、全球定
位系統(tǒng)(GPS)等設(shè)備，完成物聯(lián)網(wǎng)對人員和設(shè)備的智能化
識別、定位和監(jiān)控。
2)傳輸層。主要利用現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對感知
層的信息進行數(shù)據(jù)接入和網(wǎng)絡(luò)傳輸。網(wǎng)絡(luò)層主要采用能夠
接入各種異構(gòu)網(wǎng)的設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接人、網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)安
全功能；數(shù)據(jù)接入通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)
等各種通信網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)形成承載網(wǎng)絡(luò)，完成物聯(lián)網(wǎng)層與
層之間的信息通信。
3)應(yīng)用層。由各種應(yīng)用服務(wù)器組成綜合信息化系統(tǒng)，
包含礦區(qū)3D GIS系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、
視頻監(jiān)控系統(tǒng)、短信管理平臺、礦區(qū)應(yīng)急指揮系統(tǒng)、調(diào)度
系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等，主要對數(shù)據(jù)信息進行匯聚、轉(zhuǎn)換、分
析。應(yīng)用層實現(xiàn)的是整個動態(tài)預(yù)警管理系統(tǒng)對井下工作現(xiàn)
場信息的動態(tài)采集、分析和處理，并根據(jù)專家系統(tǒng)的狀態(tài)
指令實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)的控制、反饋。
3 動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)的功能設(shè)計
瓦斯爆炸預(yù)警系統(tǒng)主要包括礦井安全信息系統(tǒng)、爆炸
危險性動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)、安全信息的網(wǎng)絡(luò)共享系統(tǒng)和防爆專
家系統(tǒng)。瓦斯爆炸預(yù)警系統(tǒng)功能模塊組成如圖2所示。
3．1 礦井安全信息系統(tǒng)功能
礦井安全信息系統(tǒng)可對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的歷史和實
時監(jiān)控數(shù)據(jù)進行采集、存儲和高級分析，形成需要的動態(tài)
預(yù)警指標(biāo)，并可對所有的安全信息進行查詢、維護和分析。
1)煤礦井下人員考勤定位管理。系統(tǒng)采用骨干光纖環(huán)
網(wǎng)+無線接入的組網(wǎng)方式，選擇以太網(wǎng)、TCP／IP通信協(xié)
議、WiFi／ZigBee無線通信、GIS地理信息等技術(shù)為基礎(chǔ)的
技術(shù)體制，集考勤管理、人員定位和安全管理于一體。系
統(tǒng)可提供職工姓名、年齡、科室、安全培訓(xùn)等基本信息的
查詢，記錄每個人員的人井及出井時間，統(tǒng)計生成各種考
勤報表，可查詢指定人員活動軌跡及當(dāng)前所在位置，查詢
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圖2 瓦斯爆炸預(yù)警系統(tǒng)功能模塊
任一指定基站內(nèi)的人員情況、數(shù)量，并進行實時跟蹤顯示，
統(tǒng)計查詢進入特殊區(qū)域的人員，方便管理人員實時掌握放
炮時警戒線設(shè)置、瓦斯?jié)舛?、放炮距離及“一炮三檢” 制
度的落實。
2)現(xiàn)場作業(yè)檢查?，F(xiàn)場作業(yè)檢查是現(xiàn)場安全管理中發(fā)
現(xiàn)隱患、評價現(xiàn)場安全狀況的重要形式。建立基于BBS理
論的現(xiàn)場觀察系統(tǒng)，觀察員到現(xiàn)場觀察員工的工作，除對
正確的行為給予肯定、激勵，對不安全行為進行糾正和指
導(dǎo)外，還要記錄傳輸現(xiàn)場信息。重點加強現(xiàn)場放炮作業(yè)流
程的監(jiān)控，采用RFID高頻讀寫終端，將圖像獲取、無線
通訊、條碼掃描、RFID讀寫器等功能集成設(shè)備中，滿足觀
察人員在井下惡劣環(huán)境使用，采用鍵盤輸入和手寫觸摸屏
輸人數(shù)據(jù)，便于高效、準(zhǔn)確地采集現(xiàn)場作業(yè)信息。
3)瓦斯地質(zhì)信息分析。瓦斯賦存規(guī)律智能分析(瓦斯
含量、瓦斯壓力等值線繪制等)、地質(zhì)構(gòu)造及其影響范圍分
析、瓦斯積聚點分布統(tǒng)計、煤層賦存參數(shù)分布(埋深、傾
角、厚度、走向等)。礦井人員攜帶或機載的移動式瓦斯傳
感器采用ZigBee技術(shù)，將工作面的瓦斯值傳輸?shù)焦ぷ髅娑?
頭的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)瓦斯源頭的實時監(jiān)測。
4)機電設(shè)備信息分析。煤礦井下開采用到的設(shè)備類型
多、型號復(fù)雜且井下環(huán)境惡劣，增加了機電設(shè)備作業(yè)中的
危險性。對設(shè)備信息進行統(tǒng)計管理，將設(shè)備數(shù)量、新舊程
度，設(shè)備的維護與潤滑管理、安全運行管理、檢修管理信
息輸人并上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器共享，便于設(shè)備的維護與安全
運行、檢修、校正管理，減少由于設(shè)備因素帶來的隱患和
事故，降低事故發(fā)生率。
5)事故資料統(tǒng)計和分析。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對事故資料
沿空間和時間的分布規(guī)律統(tǒng)計與分析，為確定事故發(fā)生規(guī)
律、劃分事故危險區(qū)和預(yù)警提供信息基礎(chǔ)。安全事故管理
包括事故發(fā)生記錄、事故處理記錄、事故統(tǒng)計分析、安全
事故統(tǒng)計報表等功能。事故發(fā)生記錄和事故處理記錄可詳
細(xì)地記錄事故的發(fā)生日期、類型、傷亡人數(shù)、經(jīng)濟損失、
事故原因、事故處理后果等信息，事故統(tǒng)計分析根據(jù)已有
的數(shù)據(jù)自動對事故數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并形成安全事故統(tǒng)
計報表。
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2012年第9期 煤炭工程
6)通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價與動態(tài)網(wǎng)絡(luò)解算 。通過測定
通風(fēng)參數(shù)，建設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的信息化
管理，進而對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進行評價，
同時可動態(tài)地對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進行解算，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)。
7)礦井安全信息查詢?？蓪ΦV井的所有安全信息進行
查詢。比如：對工作面煤層情況、地質(zhì)情況、瓦斯賦存情
況、巷道布置情況、工作面周圍環(huán)境情況、瓦斯涌出情況
等基礎(chǔ)信息進行查詢；對瓦斯爆炸預(yù)警結(jié)果和原因、瓦斯
爆炸預(yù)測結(jié)果和措施執(zhí)行情況、對礦井瓦斯管理制度、放
炮審批程序和人員責(zé)任制、對安全檢查結(jié)果、安全隱患整
改情況，獎懲情況、瓦斯爆炸事故情況等可進行網(wǎng)上查詢。
3．2 瓦斯爆炸危險性的動態(tài)預(yù)警功能
瓦斯爆炸危險性動態(tài)預(yù)警模型以工作面為預(yù)警單元，
分為狀態(tài)和趨勢兩種預(yù)警方式。狀態(tài)預(yù)警以工作面火源、
明火、瓦斯傳感器故障和瓦斯聚積為指標(biāo)體系設(shè)定預(yù)警規(guī)
則。趨勢預(yù)警包括瓦斯一Et移動平均值、移動平均值增值
率、瓦斯超限次數(shù)和超限次數(shù)增長率四項指標(biāo)。
3．3 圖形、預(yù)警及安全管理遠程瀏覽功能
通過計算機網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng))實現(xiàn)礦井工程圖件、
設(shè)備布置圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖、防爆措施圖、監(jiān)測數(shù)據(jù)、爆炸
預(yù)警結(jié)果以及安全管理的相關(guān)情況通過網(wǎng)絡(luò)進行瀏覽，實
現(xiàn)安全信息的共享。
3．4 預(yù)防和控制瓦斯爆炸的專家系統(tǒng)功能
預(yù)防和控制瓦斯爆炸的知識查詢、標(biāo)準(zhǔn)查詢、管理組
織、方案制定，各種隔抑爆措施、設(shè)計及落實情況，災(zāi)后
救援措施的制定及實施反饋，專家管理系統(tǒng)在瓦斯爆炸動
態(tài)安全預(yù)警管理系統(tǒng)中起著重要的作用。系統(tǒng)可對各級安
全監(jiān)控系統(tǒng)的歷史及人員、設(shè)備、環(huán)境、現(xiàn)場作業(yè)的實時
監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲和高級分析，形成需要的動態(tài)預(yù)警指標(biāo)。
瓦斯異常發(fā)生的時間、地點、類型自動判識技術(shù)，瓦斯涌
出量統(tǒng)計與預(yù)測，災(zāi)變波及范圍動態(tài)預(yù)測，災(zāi)變危害程度
預(yù)測，應(yīng)急措施建議，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)合遠程控制。
將安全隱患、人員違章、重點作業(yè)安全監(jiān)察、事故等的管
理及統(tǒng)計分析，安全舉報與獎懲公示，整改、跟蹤與預(yù)警
等信息反饋給動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，并根據(jù)反饋結(jié)果實時調(diào)整各
模塊的功能，從而形成閉環(huán)的安全管理系統(tǒng)。
4 動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
瓦斯爆炸動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)以安全信息數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，
以礦圖編輯系統(tǒng)、瓦斯爆炸知識庫系統(tǒng)、圖形瀏覽器、災(zāi)
害監(jiān)控數(shù)據(jù)分析器和控制臺為主要構(gòu)成．以ARCGIS地理
信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)開發(fā)平臺，形成基于物聯(lián)網(wǎng)的瓦斯爆炸預(yù)
警系統(tǒng) 。在煤礦井下構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并不是要替代原有的
工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，而是要融合寬帶無線技術(shù)和傳感器技術(shù)，
構(gòu)建光纖冗余工業(yè)以太網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并存的物聯(lián)網(wǎng)
絡(luò)系統(tǒng)，動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5 現(xiàn)場試驗情況
瓦斯爆炸動態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)在寺河煤礦進行了現(xiàn)場試
驗，選取了2827采煤工作面、2827二號石門和2826綜放
面三個工作面作為前期試驗工作面，在前期試驗效果較好
的情況下，將試驗對象遍及所有在采工作面，經(jīng)過現(xiàn)場試
驗，系統(tǒng)基本穩(wěn)定運行，能夠根據(jù)預(yù)警模型給出正確的預(yù)
警結(jié)果。
6 結(jié)語
煤礦瓦斯爆炸動態(tài)預(yù)警安全管理系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)，將
煤礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備監(jiān)控融為一體，利用工業(yè)以太網(wǎng)在
信息中心對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)分別進行監(jiān)控，將綜合預(yù)警數(shù)據(jù)服
務(wù)器、預(yù)警數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)連接，
在地理信息系統(tǒng)ARCGIS平臺上集中管理和綜合分析散落
在煤礦各職能部門的安全信息，可以整合現(xiàn)有資源，實現(xiàn)
復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的
協(xié)同管理和控制，提高預(yù)警的準(zhǔn)確率，有效地預(yù)防煤礦瓦
斯爆炸事故的發(fā)生，為傳感器網(wǎng)絡(luò)在災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的大
規(guī)模應(yīng)用推廣提供依據(jù)。
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(責(zé)任編輯趙巧芝)
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