韓浩鳴

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

1 概 述

地下礦山的安全仍然是采礦業(yè)的挑戰(zhàn)性問題。近年來，中國煤礦的死亡人數(shù)逐漸減少，但安全問題仍然存在，其中37%的煤礦事故是由地下的瓦斯或粉塵點燃和爆炸造成的。因此，安全始終是采礦作業(yè)中的一個重要問題，最近的一些研究主要集中在改善地下礦工工作環(huán)境，安全和健康問題在礦山運營管理和工程設(shè)計中應(yīng)該得到優(yōu)先考慮，以提供和維護一個安全和健康的工作場所。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，業(yè)界通過地理信息系統(tǒng)(GIS)輔助的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等新技術(shù)實現(xiàn)的礦山自動化已被廣泛應(yīng)用于礦山安全開采。

地下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由地面網(wǎng)關(guān)和指定的地下傳感器節(jié)點之間的幾個到幾百個節(jié)點構(gòu)成，當(dāng)前通常采用ZigBee技術(shù)作為傳感通信媒介，盡管其只能提供較低的數(shù)據(jù)速率，但優(yōu)勢在于功耗低、且節(jié)點的安裝及維護簡單，同時還能夠提供基于許多無線跳數(shù)的高性能節(jié)點(節(jié)點到節(jié)點中繼)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，該方式可以實現(xiàn)任何接入點或中心節(jié)點在集群之間相互傳輸數(shù)據(jù)，文獻[1]中對ZigBee在地下礦山的意義與其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢進行對比評估。

GIS是用于實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)分析的技術(shù)，用于捕獲、存儲、分析、管理和呈現(xiàn)與位置相關(guān)的數(shù)據(jù)，GIS允許用戶以多種方式查看、理解、提問、解釋和可視化數(shù)據(jù)，以地圖、地球、報告和圖表的形式顯示相互關(guān)系、模式和趨勢。 當(dāng)前基于Web的GIS成為業(yè)界應(yīng)用的主流，該方式有助于解決網(wǎng)絡(luò)媒體技術(shù)層面的空間信息集成與共享問題。相關(guān)研究人員在技術(shù)上利用GIS服務(wù)解決應(yīng)急及疏散等安全問題[2]。

本文主要研究地下礦井中包含通風(fēng)管理和安全應(yīng)急的信息系統(tǒng)，主要介紹了基于ZigBee節(jié)點開發(fā)的系統(tǒng)集成，以感應(yīng)地下礦井環(huán)境，調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，地面辦公室與礦工之間的通信。系統(tǒng)運行結(jié)果顯示，利用ZigBee實現(xiàn)該系統(tǒng)降低了電力消耗，實現(xiàn)了對環(huán)境的近實時監(jiān)測以及地面和地下人員之間的雙向通信。如圖1所示為系統(tǒng)集成的地下監(jiān)控和通訊的架構(gòu)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將溫度，濕度和氣體濃度等和環(huán)境屬性相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)傳送到地面控制中心的GIS管理服務(wù)器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過ZigBee程序接收和存儲，然后提供給控制中心進行操作；當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警情況時，通過GIS管理服務(wù)器中的邏輯數(shù)據(jù)分析過程立即識別和響應(yīng)。本文主要介紹該系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)以及系統(tǒng)集成過程中的程序設(shè)計邏輯。

圖1 地下礦山監(jiān)控和通訊系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

2 ZigBee與GIS系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee已被廣泛應(yīng)用于煤礦安全領(lǐng)域，主要用于地下煤礦領(lǐng)域，通過在自動抄表系統(tǒng)，安全系統(tǒng)和遠程控制等支持與其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)基于IEEE 802.15.4協(xié)議，該協(xié)議描述了無線個域網(wǎng)的物理和媒體訪問控制層，物理層是網(wǎng)絡(luò)通信的硬件層，可以在不同的頻率范圍內(nèi)運行。媒體訪問控制層負責(zé)提供節(jié)點與其直接鄰居之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸和通信，他也避免了數(shù)據(jù)沖突，提高了網(wǎng)絡(luò)效率，因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的可靠性和安全性已經(jīng)得到了業(yè)界的驗證。

文獻[3]中的研究成果證明了ZigBee網(wǎng)絡(luò)在地下環(huán)境的狹窄空間顯著增強了兩個固定節(jié)點之間在特定距離上傳輸數(shù)據(jù)的信號強度。同時文獻[4]的研究結(jié)果顯示了在不同開口處的地下監(jiān)測和通信系統(tǒng)中固定ZigBee節(jié)點之間的分組傳輸?shù)姆€(wěn)定通信。在實際的系統(tǒng)開發(fā)過程中，為了利用地下ZigBee應(yīng)用來感知環(huán)境和短信，需要通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)度特定的數(shù)據(jù)傳輸時間；換句話說，傳感器節(jié)點測量和發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔是不同的，以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2 地理信息系統(tǒng)

GIS主要完成對地理數(shù)據(jù)的存儲、建模、檢索、制圖和分析的計算機程序。在該系統(tǒng)中，指定環(huán)境的空間特征在一個坐標系中進行存儲和操作，GIS為用戶評估合并了多層所需的地理和空間數(shù)據(jù)，并有助于事先確定可能事件的地點和時間。圖2為GIS處理地下礦場數(shù)據(jù)的執(zhí)行周期圖，GIS服務(wù)器能夠管理和處理來自不同來源的大量屬性的數(shù)據(jù)，他還能夠在基于互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的用戶之間分發(fā)和共享數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以被其他用戶保存，操縱或告知。 因此，GIS可以減少共享地理數(shù)據(jù)及其屬性的時間和成本[4-7]。

圖2 GIS數(shù)據(jù)處理周期和地下礦山的地理層次關(guān)系

2.3 系統(tǒng)集成

由于礦山結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性致使可靠和簡單的通訊是安全高效的采礦作業(yè)目標中的一個高風(fēng)險問題。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，通過技術(shù)集成方式解決高危、不穩(wěn)定及環(huán)境特殊的礦山安全監(jiān)測等問題。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高可靠性和支持多跳網(wǎng)絡(luò)的特點，ZigBee可以在地下礦山隧道節(jié)點和地面網(wǎng)關(guān)之間建立一個完整的無線網(wǎng)絡(luò)，在該研究中，ZigBee監(jiān)測地下環(huán)境屬性的能力與地理信息相結(jié)合，為地下采礦的通信、運行和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供潛在的應(yīng)用。

如圖3所示為系統(tǒng)設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)處理及結(jié)果管理邏輯圖，地下礦山所要求的網(wǎng)絡(luò)必須能夠交互地提供地面控制中心與所有地下無線節(jié)點之間的雙向通信。根據(jù)地下礦井不同變量參數(shù)(V1，V2，…，Vn)的極限值設(shè)置安全，瞬變和不安全的條件。因此，GIS管理服務(wù)器中的遠程或自動對策被安排用于控制換氣扇并向有關(guān)當(dāng)局發(fā)送警報或報警信息。另外，在緊急情況下，即時發(fā)短信息在地下人員和地面操作員之間雙向通信。在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，近實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，遠程自動控制，短信息通訊等已經(jīng)達到了所要求的安全健康效果，改善了地下采礦作業(yè)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)的搭建

圖3 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果管理流程

被測地下礦井的由WSN構(gòu)成的系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等不同的ZigBee節(jié)點組成。無線網(wǎng)絡(luò)最初由協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān))創(chuàng)建以加入其他節(jié)點，在協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備之間提供了雙向通信，以發(fā)送和接收由他們的傳感器瞬時獲取的消息和數(shù)據(jù)。具有感知環(huán)境能力的路由器被用來通過網(wǎng)絡(luò)中繼通信，另外，地面協(xié)調(diào)員根據(jù)設(shè)計的軟件啟用通風(fēng)扇的收發(fā)信息和遠程控制。為了建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包傳輸?shù)墓暮透呖煽啃猿蔀槿藗冏铌P(guān)心的問題；對于前一種情況，ZigBee節(jié)點被配置為在礦山處于安全和瞬態(tài)條件下延長電池壽命的較長時間段內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)；而在后一種情況下，為了避免網(wǎng)絡(luò)擁塞和數(shù)據(jù)包丟失的可能性，考慮不同的時間間隔來進行環(huán)境感知的數(shù)據(jù)傳輸。

ZigBee節(jié)點(協(xié)調(diào)器除外)的直流電和交流電(DC/AC)的功率使用分別設(shè)計為在電池和礦址電源下工作，因此，交流電的使用延長了電池的壽命，并且ZigBee節(jié)點能夠在任何事故停電期間繼續(xù)長時間的數(shù)據(jù)遙測。 ZigBee節(jié)點可以持續(xù)幾天到幾個月的時間取決于他們的數(shù)據(jù)速率和應(yīng)用，如圖4所示為ZigBee節(jié)點的組網(wǎng)節(jié)點[8-9]。

圖4 ZigBee的組網(wǎng)節(jié)點

3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)感應(yīng)

通過無線監(jiān)測的方式對環(huán)境數(shù)據(jù)進行獲取，采用JN5148型數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度以及穩(wěn)定性。通過ZigBee節(jié)點集成甲烷、氧氣、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和二氧化硫濃度等傳感器對地下礦井環(huán)境數(shù)據(jù)進行感知。其中傳感器被配置為單線通信以將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦?jié)點，該系統(tǒng)中主要對礦井中的二氧化碳濃度的測量作為井下安全評估的依據(jù)。

3.3 短指令控制

ZigBee節(jié)點通過與連接電腦或手機來發(fā)送和接收短指令，當(dāng)發(fā)生事故時，通過如圖4中的無線發(fā)射模塊與地面操作員的無進行通訊，同時地下礦井中的ZigBee單元可接收井上的控制指令完成對換氣扇的遠程控制，通常將ZigBee節(jié)點置于箱子里，以盡量減少環(huán)境對其運行的影響。

3.4 通風(fēng)控制

地下礦井通風(fēng)不足是礦井人員職業(yè)安全與健康的一個重要問題。此外，在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計上考慮了優(yōu)化供應(yīng)地下新鮮空氣的風(fēng)機功耗，因此，需要在通風(fēng)系統(tǒng)中增加輔助風(fēng)扇來改善在炎熱季節(jié)的空氣質(zhì)量。本文所提出的系統(tǒng)中，通過程序遠程輔助控制風(fēng)扇的運行，在PC端安裝控制程序，如圖5所示為連接風(fēng)扇的ZigBee節(jié)點的控制程序，通過不同的接口控制相應(yīng)的風(fēng)扇的運行。

圖5 ZigBee控制端程序界面

4 結(jié) 論

本文通過WSN和GIS的集成實現(xiàn)了井下礦井監(jiān)測與通信的自動化。通過實時地下監(jiān)控溫度、濕度和氣體濃度(CO2)、通風(fēng)系統(tǒng)控制以及面對用戶在緊急情況下的通信的應(yīng)用實現(xiàn)地下礦井的實時在線安全監(jiān)測，系統(tǒng)配備了自動或遠程觸發(fā)器測量環(huán)境屬性的行動計劃，測得的數(shù)據(jù)根據(jù)氣體濃度、地面站點可實現(xiàn)預(yù)警及通風(fēng)系統(tǒng)的控制。

參考文獻：

[1] Moridi M A, Kawamura Y, Sharifzadeh M, et al. An investigation of underground monitoring and communication system based on radio waves attenuation using ZigBee[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014(43): 362-369.

[2] Kawamura Y, Dewan A M, Veenendaal B, et al. Using GIS to Develop a Mobile Communications Network for Disaster-damaged Areas[J]. Intrenational Journal of Digital Earth, 2013, 7(4): 279-293.

[3] Chehri A, Mouftah H, Fortier P, et al. Experimental Testing of IEEE801.15.4/ZigBee Sensor Networks in Confined Area[C]. The Eighth Annual Conference on Communication Networks and Services Research Conference (CNSR), 2010.

[4] 康世龍, 杜中一, 雷詠梅, 等. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究概述[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2013, 3(6): 80-82.

[5] 張耀中. 基于PLC控制和GPRS通信的煤礦提升機在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 煤礦現(xiàn)代化, 2015(6): 84-86.

[6] 王學(xué)明. 自動化技術(shù)在選煤中的應(yīng)用分析[J]. 機械管理開發(fā), 2017, 32(7): 119-120.

[7] 王耿. 淺談數(shù)字礦山和礦山信息化建設(shè)的現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J]. 有色礦冶, 2014, 30(1): 62-64.

[8] 蔣先堯, 張東紅, 姚松. 謙比希銅礦數(shù)字信息化集成管理系統(tǒng)建設(shè)[J]. 銅業(yè)工程, 2017(1): 81-85.

[9] 楊清平, 蔣先堯, 陳順滿. 數(shù)字信息化及自動化智能采礦技術(shù)在地下礦山的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 采礦技術(shù), 2017, 17(5): 75-78.