趙天維

華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 河北唐山 063000

礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的主要內(nèi)容,是對(duì)礦井地質(zhì)含水層的水文信息(溫度、壓力、流量、液位、水質(zhì)等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)信息進(jìn)行整理分析,再根據(jù)結(jié)果合理安排礦工下井后的工作計(jì)劃,以達(dá)到預(yù)測(cè)和預(yù)防礦井水災(zāi)的目的。在礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),不僅可以加快信息的采集速度,整合速度,并且可以提高信息的準(zhǔn)確性,來達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)時(shí)預(yù)警的目的,使信號(hào)快速傳輸?shù)骄乱痪€工人手中,并做出快速反應(yīng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 基本定義

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)是指通過信息傳感機(jī)制,如RFID技術(shù)、紅外傳感器、GPS和激光掃描儀,將設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)B接的物體進(jìn)行智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三個(gè)主要層次組成:傳感層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,這些層一起工作,促進(jìn)連接設(shè)備之間的無縫通信和信息交換。

感知層包括數(shù)據(jù)采集部分、傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理部分,主要完成對(duì)底層信息的全面感知和采集功能。數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)將物品信息收集起來,傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)則負(fù)責(zé)組織感知數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí),協(xié)同信息處理部分通過對(duì)感知數(shù)據(jù)的處理,提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度,為上層提供高質(zhì)量的信息支持。

網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的功能中起著核心作用,包括各種類型的網(wǎng)絡(luò),如移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和私人網(wǎng)絡(luò)。它在決定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體質(zhì)量和效率以及促進(jìn)感知層和應(yīng)用層之間的無縫連接方面起著重要作用。具體來說,移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供底層的通信服務(wù),而互聯(lián)網(wǎng)則作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要骨干,實(shí)現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之間的互聯(lián)。

最上層是應(yīng)用層,該層由兩個(gè)不同的子層組成:物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支持。其主要功能是提供面向用戶的服務(wù),代表了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最終目標(biāo)及其社會(huì)價(jià)值主張。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支持子層主要負(fù)責(zé)提供開發(fā)環(huán)境和應(yīng)用支持。同時(shí),物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括各種具體應(yīng)用,如智能家居、智能交通和智能醫(yī)療等。這些應(yīng)用可以有效提高人們的生活質(zhì)量,促進(jìn)人與技術(shù)的無縫融合。

1.2 應(yīng)用特征

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的突出特點(diǎn)是全面感知、智能處理和可靠傳輸。全面感知是通過使用信息傳感設(shè)備,如RFID、傳感器和二維碼,從任何地方和任何時(shí)間收集不同的信息,從而提高收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在智能處理方面,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用各種技術(shù),如模糊識(shí)別和云計(jì)算,有效地處理海量數(shù)據(jù)并智能控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的處理方法相比,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)表現(xiàn)出更高的數(shù)據(jù)處理速度和準(zhǔn)確性,為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供了可靠的基礎(chǔ)。在可靠的傳輸方面,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠通過不同的網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)、高效、可靠地傳輸收集的信息。通過整合綜合傳感、智能處理和可靠傳輸,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)了物體的無縫互聯(lián),從而推動(dòng)了信息技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)進(jìn)步。

2 礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成

2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層是礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)層次。該層的主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)采集,為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集層主要包括一系列具有不同采集功能的傳感器,包括水位監(jiān)測(cè)傳感器、流體壓力傳感器、水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器等。這些傳感器被用來收集不同地質(zhì)含水層的水位波動(dòng)、水壓狀況、水流量和其他相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)代表了礦山水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本信息,可用于預(yù)測(cè)潛在的水災(zāi),并及時(shí)采取緩解措施,從而加強(qiáng)周圍地區(qū)的安全。例如,為了提高礦井水災(zāi)監(jiān)測(cè)水平,某地區(qū)選擇在該區(qū)域內(nèi)不同地質(zhì)含水層中安裝水位監(jiān)測(cè)傳感器、流速監(jiān)測(cè)傳感器、水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器、壓力傳感器等設(shè)備。這些傳感器能夠監(jiān)測(cè)各種參數(shù),包括流速、濁度和水對(duì)周圍巖石施加的單位壓力。通過收集和分析這些數(shù)據(jù),可以準(zhǔn)確評(píng)估該地區(qū)礦井水災(zāi)的潛在風(fēng)險(xiǎn),并及時(shí)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施,避免水害事故的發(fā)生。此外,為滿足功能擴(kuò)展的需求,提高采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值,在數(shù)據(jù)采集層的終端設(shè)備上提前預(yù)留了擴(kuò)展接口。因此,當(dāng)系統(tǒng)需要升級(jí)或增加新功能時(shí),可以通過擴(kuò)展接口輕松添加新的傳感器或其他設(shè)備,而不需要重新設(shè)計(jì)或升級(jí)整個(gè)系統(tǒng)。

2.2 信息傳遞層

信息傳遞層的作用是將經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理的完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。具體來說,信息傳輸層的實(shí)施應(yīng)遵循以下原則:

(1)應(yīng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,補(bǔ)充缺失的數(shù)據(jù),消除錯(cuò)誤或重復(fù)的數(shù)據(jù),保證預(yù)處理數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

(2)應(yīng)將水文參數(shù)整理并轉(zhuǎn)換為調(diào)制信號(hào),由終端節(jié)點(diǎn)匯總,并通過路由節(jié)點(diǎn)、GPRS、北斗等輔助設(shè)備傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。

(3)為保證采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性,應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)、可靠、節(jié)能的原則選擇終端節(jié)點(diǎn),以減少功能損失,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。信息傳輸層的順利運(yùn)行對(duì)于提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和減少礦區(qū)水文監(jiān)測(cè)的預(yù)測(cè)誤差至關(guān)重要。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是整個(gè)控制系統(tǒng)軟件的重要部分,其主要任務(wù)是對(duì)信息傳遞層傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致化處理,以實(shí)現(xiàn)更高效的控制。在文件模塊中,應(yīng)用層的主要功能是通過存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。在圖像模塊中,應(yīng)用層將信息轉(zhuǎn)化為圖像,這有利于路由節(jié)點(diǎn)的調(diào)度,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。分析和處理模塊全面分析收集的數(shù)據(jù),以制定更可靠的決策,提高調(diào)整和控制活動(dòng)的有效性。此外,應(yīng)用層通過使用地圖、時(shí)間線和參數(shù)化模型來組織實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù),并創(chuàng)建圖表來可視化各種地質(zhì)含水層的水文信息。這能夠及時(shí)預(yù)測(cè)水災(zāi),確保地下工作者的安全。應(yīng)用層在控制系統(tǒng)中的作用舉足輕重,它詳細(xì)處理和分析傳輸?shù)臄?shù)據(jù),為決策者提供更準(zhǔn)確、可靠和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù),并確保礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和維護(hù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

安裝在礦井中的無線傳感器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井水位、流量和水質(zhì)等參數(shù),并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行分析和處理。目前,無線通信技術(shù)快速應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),以ZigBee、藍(lán)牙、GPRS等為代表,實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)與信息采集。在礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有兩方面的優(yōu)勢(shì):

(1)Wi-Fi傳輸速率高,能夠快速采集和轉(zhuǎn)發(fā)多種參數(shù),例如礦井溫度、濕度、音頻,甚至是監(jiān)測(cè)視頻等。

(2)無線路由器節(jié)點(diǎn)能夠基于802.11協(xié)議快速自組,協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信,聚合無線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)。該系統(tǒng)利用Wi-Fi通信的優(yōu)勢(shì),包括高聯(lián)網(wǎng)能力、低成本和高數(shù)據(jù)率,在地下礦井環(huán)境中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)和自動(dòng)化的聯(lián)網(wǎng)測(cè)量。這樣就能全面了解礦井的溫度和濕度波動(dòng),同時(shí)也保證了煤礦生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)智能終端技術(shù)

通過物聯(lián)網(wǎng)智能終端可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制礦井水文情況。為了實(shí)現(xiàn)井下照明、人員定位、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、照片/視頻采集等多種功能的無縫對(duì)接,并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控,在Android平臺(tái)上開發(fā)了一款礦用綜合智能通信終端。該終端采用多線程方式,從多個(gè)來源收集數(shù)據(jù),并通過井下無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。這種創(chuàng)新的設(shè)備具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先,其高度的設(shè)備集成性減少了地下作業(yè)人員需要佩戴的設(shè)備數(shù)量,同時(shí)其高度的智能化提高了使用的便利性。其次,該終端能夠收集和無線上傳各種類型的數(shù)據(jù),包括環(huán)境參數(shù)、人員位置以及工作狀態(tài)圖像和視頻。所有數(shù)據(jù)都可以在一個(gè)管理平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,為井下安全預(yù)警提供有價(jià)值的支持。再次,以Android系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái),該終端可輕松擴(kuò)展支持更多的功能,并通過礦井物聯(lián)網(wǎng)和多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行控制。

3.3 數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)

通過對(duì)礦井水文數(shù)據(jù)的挖掘和分析,可以預(yù)測(cè)礦井水文的變化趨勢(shì),及時(shí)采取措施,防止事故發(fā)生?；谌斯ぶ悄艿牡V井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有四個(gè)方面:知識(shí)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)挖掘、案例推薦、礦井突水安全保障的云平臺(tái)建設(shè)。知識(shí)庫(kù)管理包括建立突水知識(shí)庫(kù)、隱患清單庫(kù)、水文數(shù)據(jù)庫(kù)、突水案例庫(kù),實(shí)現(xiàn)礦山突水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)分類定性,建立礦山突水預(yù)警所需的關(guān)鍵水文數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)挖掘利用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、DBSCAN等機(jī)器學(xué)習(xí)算法,將時(shí)間序列模型得出的水文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移概率與多維水文數(shù)據(jù)的SOM、DBSCAN聚類融合,形成礦山水文多維數(shù)據(jù)的挖掘模型,實(shí)現(xiàn)礦山安全保障的突水預(yù)警。案例推薦涉及利用知識(shí)庫(kù)中的礦井突發(fā)事件數(shù)據(jù)庫(kù),將機(jī)器學(xué)習(xí)的推薦算法與案例推理理論相結(jié)合,通過余弦相似度匹配總結(jié)出礦井突發(fā)事件的案例推薦方法,實(shí)現(xiàn)歷史突發(fā)事件案例的有效組織和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的利用。最后,通過對(duì)Hadoop和云技術(shù)的分析,提出了礦井突水問題安全保障云平臺(tái)的服務(wù)內(nèi)容、框架和運(yùn)行機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了正常管理期、征兆揭示期、事故響應(yīng)期相互銜接的閉環(huán)系統(tǒng),為礦井突水事故防控提供技術(shù)支撐。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)可視化監(jiān)控技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施可以通過實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水文的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),顯著提高礦井安全。為了實(shí)現(xiàn)更好的監(jiān)測(cè),三維可視化和視頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)在礦山生產(chǎn)中被廣泛采用。這些技術(shù)不僅可以滿足日常視頻監(jiān)控的需要,還可以提供更直觀的位置信息,從而提高監(jiān)控效率。例如,基于Cesium的三維可視化和視頻監(jiān)控的結(jié)合可以促進(jìn)智能礦山的建設(shè),提高礦山安全管理水平。該系統(tǒng)具有以下三個(gè)優(yōu)勢(shì):

(1)可以利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和Context Capture軟件生成礦區(qū)地形和建筑物的三維模型,礦區(qū)建筑物采用3DMax建模,實(shí)現(xiàn)高精度。模型數(shù)據(jù)可以使用Cesium加載不同的格式,這需要格式轉(zhuǎn)換。

(2)基于Cesium技術(shù)的數(shù)據(jù)可視化方法可以解決圖像服務(wù)、地形服務(wù)和三維模型數(shù)據(jù)加載和渲染的難題,從而實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的加載和可視化。

(3)基于Cesium技術(shù)的智慧礦山三維可視化安全監(jiān)管系統(tǒng)研究,完成了B/S架構(gòu)下的服務(wù)器建設(shè),開發(fā)了監(jiān)控大屏、實(shí)時(shí)預(yù)警、人員監(jiān)管、地理圍欄、視頻監(jiān)控、隱患臺(tái)賬等功能模塊,便于礦山可視化,提高礦山安全監(jiān)管水平,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速加載。

3.5 云計(jì)算技術(shù)

使用云計(jì)算平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山水文數(shù)據(jù)的分析和處理,提供智能決策支持。在當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,基于電纜的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)是不夠的,因此可以利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與云計(jì)算相結(jié)合,開發(fā)一個(gè)礦山水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有三個(gè)顯著優(yōu)勢(shì):

(1)該系統(tǒng)通過利用無線傳感器操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度功能,成功地將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于礦山環(huán)境。它還將環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆朴?jì)算平臺(tái),與各種礦山專家系統(tǒng)對(duì)接,從而避免了傳統(tǒng)礦山電纜布線監(jiān)測(cè)和本地?cái)?shù)據(jù)分析的限制。

(2)該系統(tǒng)具有成本低、自組織、功耗低、信息交互方便等特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性消除了復(fù)雜的布線和人工配置,而系統(tǒng)的低功耗則保證了長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。

(3)云計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦區(qū)水文數(shù)據(jù)高效便捷地分析和處理,從而提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。

4 礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展建議

4.1 不斷融入新技術(shù)

采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)礦井水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),為礦山管理決策提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。引入大數(shù)據(jù)分析技術(shù),對(duì)礦井水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘,以便更好地發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律和異常情況。推廣并使用智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

4.2 加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享和信息交流

建立完善的數(shù)據(jù)共享機(jī)制,促進(jìn)礦山內(nèi)部各部門之間以及與外部單位之間的數(shù)據(jù)共享和交流。推廣開放式數(shù)據(jù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交流的更加便捷和高效,鼓勵(lì)各方合作,共同推動(dòng)礦井水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。加強(qiáng)對(duì)礦井水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和挖掘,為礦山管理決策提供更加科學(xué)的依據(jù)。

4.3 及時(shí)更新系統(tǒng)設(shè)備中的軟、硬件

定期更新水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備,如傳感器、儀器等,以確保其性能和精度處于最佳狀態(tài)。持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化系統(tǒng)軟件,以提高其數(shù)據(jù)處理和分析能力,同時(shí)加強(qiáng)系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。建立完善的設(shè)備維護(hù)和更新制度,確保設(shè)備及時(shí)維修或更換,避免設(shè)備老化或損壞對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

4.4 加強(qiáng)人員培訓(xùn)和技能提升

為水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作人員提供專業(yè)技能培訓(xùn)和實(shí)踐機(jī)會(huì),增強(qiáng)其對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的操作和維護(hù)能力。定期組織技術(shù)交流會(huì)議,分享行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和最新技術(shù)成果,提高操作人員的專業(yè)水平和創(chuàng)新能力。引進(jìn)具有豐富經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)能力的專業(yè)人才,為系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

結(jié)語(yǔ)

綜合考慮,不斷引入新技術(shù)可以使礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步完善,并促進(jìn)設(shè)備更新工作。這將有助于提高數(shù)據(jù)采集速度和加強(qiáng)人員培訓(xùn),提高技能水平,從而更好地發(fā)揮系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將有助于加快水文信息的采集和整合速度,為后續(xù)工作的順利開展提供可靠保障。因此,在水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)中合理應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是十分必要的。