房衛(wèi)東　熊勇　付文俊　李長錄

煤礦工業(yè)安全現(xiàn)狀

我國是一個煤炭大國，已探明煤炭存儲量居世界第三，煤炭開采量世界第一。因國家能源對煤炭的依賴程度很高，煤炭工業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而近年來，諸多煤礦特大事故的發(fā)生令人觸目驚心，嚴(yán)峻的安全生產(chǎn)形勢迫使煤炭企業(yè)在國家政策的強(qiáng)力支持下，尋求煤礦安全生產(chǎn)信息化解決方案和相關(guān)產(chǎn)品。

為了減少煤炭安全生產(chǎn)事故，提高煤炭企業(yè)的科技水平，國家將自動化、信息化、數(shù)字化礦井列入煤炭行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確要求加大高科技投入，強(qiáng)制煤礦生產(chǎn)必須配備瓦斯監(jiān)控、視頻監(jiān)控、井下通信和人員定位等信息設(shè)備。

對煤炭行業(yè)而言，完整的生產(chǎn)安全檢測措施不僅能有效提高煤礦生產(chǎn)效率，更是煤炭安全生產(chǎn)的重要保障。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)通常需要對井下內(nèi)部多種指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如溫度、濕度、各種氣體濃度及粉塵等。

現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)一般都采用有線方式，進(jìn)行礦下環(huán)境信息傳遞。而隨著煤炭生產(chǎn)挖掘、井下結(jié)構(gòu)變化，坑道空間變得越來越狹窄，此時有線通信線路維護(hù)和延伸會更加困難，一旦線路發(fā)生故障，整個監(jiān)測系統(tǒng)也隨之癱瘓。

目前，煤礦自動化系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用在煤礦安全生產(chǎn)中，還存在諸多問題：首先，感知手段傳統(tǒng)單一，如瓦斯傳感器還是以傳統(tǒng)笨重的催化元件為主，沒有MEMS微機(jī)電化集成傳感器。

其次，缺乏泛在感知網(wǎng)絡(luò)，基本沒有統(tǒng)一的地下無線覆蓋感知層網(wǎng)絡(luò)，不能適用于煤礦流動作業(yè)，危險(xiǎn)源位置、分布、及其流動規(guī)律均不確定的場合，存在很大的感知盲區(qū)，無法做到無縫覆蓋。

另外，缺乏應(yīng)用層面的信息融合，缺乏應(yīng)用系統(tǒng)之間的聯(lián)動與信息融合、決策融合等問題。

此外，多學(xué)科交叉研究不夠，重大災(zāi)害產(chǎn)生的機(jī)理，煤礦設(shè)備故障診斷與預(yù)測等多學(xué)科研究融合不充分等問題嚴(yán)重影響了煤礦安全生產(chǎn)。

最后要提出的是當(dāng)前煤礦工業(yè)生產(chǎn)沒有充分考慮到節(jié)能減排。節(jié)能減排工作對中國可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，目前我國在節(jié)能降耗方面仍面臨很大壓力，節(jié)能降耗投入不足，煤礦安全生產(chǎn)中的節(jié)能減排重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)滯后，導(dǎo)致煤礦安全系統(tǒng)能耗高、成本大，很難普及。

物聯(lián)網(wǎng)護(hù)航煤礦安全

煤礦安全生產(chǎn)關(guān)系到人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，各級政府一貫重視煤礦安全生產(chǎn)問題，并采取一定措施不斷加強(qiáng)安全生產(chǎn)工作。

由于煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，工作場所黑暗狹窄，人員集中，采掘工作面隨時移動，地質(zhì)條件的變化會使工作面不斷出現(xiàn)新情況和新問題，如果不及時采取相應(yīng)的有效措施，可能會導(dǎo)致重大災(zāi)害事故，給安全生產(chǎn)帶來隱患。

如何正確處理安全與生產(chǎn)、安全與效益的關(guān)系？準(zhǔn)確、實(shí)時、快速履行煤礦安全檢測職能顯得尤為重要，有效進(jìn)行礦工管理，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的高效運(yùn)作已刻不容緩。

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前煤礦生產(chǎn)的安全隱患很大一部分源于礦下信息采集不足、對事件情況掌控不力所造成。因此，煤礦工業(yè)安全管理的前提條件是有力的信息感知手段與可靠的信息傳輸設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，特別是各種新型感知方式的出現(xiàn)，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有效保障。

物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知功能，可以利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息，可以有效感知礦下信息，從而采取相應(yīng)措施；通過可靠傳遞，通過各種無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時準(zhǔn)確地傳遞出去，也為高效能源利用提供了便利。最后經(jīng)過智能處理，利用云計(jì)算，模糊識別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對物體實(shí)施智能化的控制，可以建立具有現(xiàn)實(shí)意義的煤礦立體安全體系。

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以積極推動煤炭生產(chǎn)安全化監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)、提升信息化水準(zhǔn)，能夠大力促進(jìn)煤炭行業(yè)的工業(yè)效率和安全保障，加快煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控信息化的步伐。

當(dāng)前，具有典型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特征的系統(tǒng)與設(shè)備涉及井下人員無線定位系統(tǒng)，無線自診斷催化燃燒式甲烷、電化學(xué)一氧化碳傳感器，無線催化燃燒式甲烷、一氧化碳便攜檢測報(bào)警儀等若干應(yīng)用。

基于Zigbee的井下人員無線定位系統(tǒng)

進(jìn)行井下人員跟蹤定位、實(shí)時監(jiān)控，可以有效管理人員安全，保障安全生產(chǎn)。由于煤礦工作場所的特殊性，采用無線通信的方式具有易部署、易維護(hù)、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，被多數(shù)井下定位系統(tǒng)所采用。

Zigbee是一種近年來才興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但基于此技術(shù)的通信產(chǎn)品和應(yīng)用迅速得以普及并高速發(fā)展。Zigbee并不是完全獨(dú)有的、全新的通信標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4（無線個人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會聚層和高層應(yīng)用規(guī)范（API）由Zigbee聯(lián)盟進(jìn)行制定。

Zigbee協(xié)議棧架構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)以一個個獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)的功能各有其特點(diǎn)（并非都相同）。為降低成本，基于礦用人員定位系統(tǒng)的大部分節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，在組網(wǎng)通信上，它只是某功能的一個子集，稱為精簡功能設(shè)備；而另外還有一些節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備（也稱為協(xié)調(diào)器）。

片狀結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)

以先進(jìn)的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為平臺，可以建立全新的井下人員定位安全系統(tǒng)。采用基于RSSI的測距技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)定位算法，可以對井下人員進(jìn)行比較精確的實(shí)時定位。其運(yùn)行平臺——基于ARM處理器的嵌入式Linux系統(tǒng)，結(jié)合了ARM微處理器、嵌入式Linux、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，可以設(shè)計(jì)一套定位精度高、實(shí)時性強(qiáng)、功能完善的井下人員定位安全系統(tǒng)。

完成各部分程序的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)過程包括串口通信、Socket網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫訪問接口等多個模塊。實(shí)現(xiàn)了真正意義上的井下人員實(shí)時定位，并依靠Zigbee技術(shù)自身的特點(diǎn)，徹底消除了人員漏檢現(xiàn)象。

基于路徑搜索的井下人員定位算法，充分考慮了井下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、井下人員運(yùn)動分布規(guī)律和信號的傳播特性，運(yùn)算量小、定位準(zhǔn)確，適合井下環(huán)境的大規(guī)模部署，使管理人員能夠隨時掌握井下人員、設(shè)備的分布狀況和每個礦工的運(yùn)動軌跡，以便于進(jìn)行更加合理的調(diào)度管理。

當(dāng)事故發(fā)生時，井下人員可以通過持有的定位卡片向地面機(jī)房求救，救援人員也可根據(jù)井下人員及設(shè)備定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，迅速了解有關(guān)人員的位置情況，及時采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率。

無線自診斷傳感器

煤礦井里甲烷和一氧化碳濃度指標(biāo)的實(shí)時監(jiān)控和及時報(bào)警，對礦井安全管理起著重要作用。壽命長、抗干擾的甲烷、一氧化碳傳感器可在井底復(fù)雜環(huán)境中發(fā)揮更大作用。

傳統(tǒng)的傳感器采用電流、頻率等模擬量輸出，而全新設(shè)計(jì)的改進(jìn)型傳感器采用全數(shù)字接口，極大地增加了信號傳輸?shù)目垢蓴_能力。

在內(nèi)部功能的設(shè)計(jì)上，對傳感器關(guān)鍵電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大提高了傳感器壽命，采用自適應(yīng)靈敏度校準(zhǔn)的功能，延長了傳感器人工校準(zhǔn)的時間，并且大幅度提高了設(shè)備的靈敏度和準(zhǔn)確率。

在板級功能上，對關(guān)鍵部位的電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，可以在第一時間內(nèi)檢查出電路問題，并及時向上位機(jī)報(bào)警，從而避免了數(shù)據(jù)的誤報(bào)。

在抗干擾能力上，從硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，協(xié)議設(shè)計(jì)和傳輸線等各方面進(jìn)行了改進(jìn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)糾錯能力以及提高了EMC抗干擾能力，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小了設(shè)備故障概率和出錯率。

該傳感器增加了無線傳輸模塊，可以在100米外將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線接入點(diǎn)，為井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了軟硬件平臺，可以通過遠(yuǎn)程無線傳輸數(shù)據(jù)到分站，實(shí)現(xiàn)傳感器設(shè)備的無線組網(wǎng)，為數(shù)據(jù)采集和傳輸提供了極大的便利。

最后值得強(qiáng)調(diào)的是，無線自診斷催化燃燒式甲烷、電化學(xué)CO傳感器的EMS抗干擾能力不低于3級。

無線便攜檢測報(bào)警儀

與固定的甲烷及一氧化碳監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)相比較，便攜式報(bào)警儀在部署成本以及使用方面具有一定優(yōu)勢。

便攜式甲烷檢測報(bào)警儀采用熱催化敏感元件，單片機(jī)智能控制、帶四位數(shù)碼管顯示的礦用本安兼隔爆型檢測報(bào)警設(shè)備。適用于具有甲烷、煤塵等爆炸性混合物的煤礦井下環(huán)境。

與其它同類產(chǎn)品相比，便攜式甲烷檢測報(bào)警儀具有以下特點(diǎn)：穩(wěn)定可靠，智能化程度高；儀器設(shè)置與操作都十分方便，可用鍵盤調(diào)整儀器零點(diǎn)、靈敏度、報(bào)警點(diǎn)。

便攜式甲烷檢測報(bào)警儀具有無線收發(fā)模塊，無遮擋無線通信距離大于100米，1S內(nèi)可以發(fā)送和接受32組物理量測量值、時間、地址信息、儀器編號，具有信息無線上傳功能。其小巧美觀的便攜設(shè)計(jì)非常便于移動使用。

一氧化碳報(bào)警器采用單片機(jī)技術(shù)和高靈敏抗中毒型氣體傳感器，能自動適應(yīng)環(huán)境的變化，自動修正傳感器的老化曲線，保持恒定的報(bào)警靈敏度。

一氧化碳報(bào)警器具備識別傳感器故障及提供高濃度氣體超限保護(hù)的能力。當(dāng)傳感器由于老化而可能失去功能時，能自動識別并報(bào)警，有效避免了漏報(bào)。具有多種自適應(yīng)能力；使用超高亮LED 數(shù)碼管顯示，直觀清晰；具有無線收發(fā)模塊，無遮擋無線通信距離大于100米，1S內(nèi)可以發(fā)送和接受32組物理量測量值、時間、地址信息、儀器編號，具有無線上傳功能。小巧美觀的便攜設(shè)計(jì)便于移動使用。此外，便攜式檢測報(bào)警儀的EMS抗干擾能力不低于3級。

溫家寶總理指出“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用，搶占經(jīng)濟(jì)科技制高點(diǎn)”，標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)正式進(jìn)入我國國家戰(zhàn)略層面。而煤礦安全生產(chǎn)涉及范圍廣、影響面大、社會敏感性強(qiáng)，同時也是社會生產(chǎn)力進(jìn)步和企業(yè)文明的重要標(biāo)志。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳遞、智能處理、數(shù)據(jù)分析，實(shí)施智能化控制，建立具有現(xiàn)實(shí)意義的煤礦立體安全體系，對我國煤炭工業(yè)乃至整體國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義。