＊白 莉

（山西省能源職業(yè)學(xué)校 山西 030006）

在國內(nèi)安全技術(shù)不斷發(fā)展的同時，國家對智慧礦山的高度重視，煤礦企業(yè)對監(jiān)控系統(tǒng)的個性化和智能化要求越來越高，已有的監(jiān)控體系面臨的問題也越來越突出，例如，目前的監(jiān)控體系架構(gòu)相對繁瑣，功能不夠完備，由于各裝置之間無法進行有效的整合，無法對所收集到的資料進行綜合分析，造成數(shù)據(jù)的使用率較低。盡管最近幾年，我國許多學(xué)者都對礦井安全監(jiān)測體系做了許多研究，但是大部分的研究都是圍繞著礦井安全監(jiān)測體系的運營和維修方面展開的，許多學(xué)者都在研究如何提高礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的自動化和智能化。通過對實際工程的調(diào)研與分析，從數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備的智能化水平等多個角度對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行了處理。在此基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)的處理、應(yīng)用等方面對礦井的智能化水平進行了研究。

1.煤礦智能化概念

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代煤礦產(chǎn)業(yè)的智能化水平也取得了長足的進步，現(xiàn)在已經(jīng)形成了集感知、分析、決策為一體的智能控制系統(tǒng)，可以確保煤礦施工各個環(huán)節(jié)的自動化運行。

2.安全監(jiān)控系統(tǒng)與智能化建設(shè)要求差距

（1）系統(tǒng)傳輸架構(gòu)相對較復(fù)雜。在使用有線通信的情況下，傳感器與地面控制中心之間信息傳輸要經(jīng)歷3 個中繼站。在無線通信系統(tǒng)中，傳感器與地面控制中心之間信息傳輸要經(jīng)歷4 個中繼站。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，檢修困難，且外部環(huán)境容易對網(wǎng)絡(luò)造成干擾。

（2）該系統(tǒng)功能不完善，采集數(shù)據(jù)少，自主分析數(shù)據(jù)的功能差，現(xiàn)有的傳感器只能收集到環(huán)境中的有毒、有害氣體及裝置的工作狀況，沒有收集到其他相關(guān)的數(shù)據(jù)。并且對所收集的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)并沒有充分的分析，例如，檢測到開采面的氣體含量逐步上升，無法判定前面是否有地質(zhì)構(gòu)造，是否要加大通風(fēng)量來稀釋氣體等。

（3）井下監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備按照功能可以分為供電設(shè)備、通信設(shè)備、信號采集設(shè)備等。由于監(jiān)控系統(tǒng)需要采集大量的數(shù)據(jù)，同時傳感器類型單一，為了更加全面地采集信息，需要布設(shè)大量的傳感器。為了減少傳感器布設(shè)的數(shù)量，可以采用多參數(shù)傳感器。

（4）不同系統(tǒng)間的設(shè)備難以有效聯(lián)動。目前礦井中設(shè)備的融合主要依托的是地面的控制中心，但是該方法無法難以實現(xiàn)設(shè)備間的高效融合，同時存在較大的延遲，功能較為單一。

（5）該系統(tǒng)不能進行高效地自我診斷。在該系統(tǒng)中，如果傳感器安裝在不正常的情況下，不能準確地識別出故障，并且不能判斷停電閾值的設(shè)定是否合理。同時，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，無法進行自我修復(fù)，并且傳感器的故障會對系統(tǒng)上的其他零部件產(chǎn)生影響，造成整個系統(tǒng)的癱瘓。

3.提高安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化水平的思路

(1)減少傳輸層級和實現(xiàn)硬件融合

常規(guī)的安防監(jiān)控體系是3 層或4 層結(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)+總線方式進行監(jiān)控，該監(jiān)控體系存在的問題在于需要布設(shè)大量的設(shè)備，線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，花費的費用較高，并且影響數(shù)據(jù)的傳輸效率，系統(tǒng)巡視周期較長。所以，把數(shù)據(jù)的采集、處理、運算和交互等各個環(huán)節(jié)都整合到一個多用途的監(jiān)測分站上，并通過一個多用途的監(jiān)測分站來搭建一個自組織的傳送平臺，從而建立從有線的傳感終端到地面的中央站的二級傳送結(jié)構(gòu)，簡化網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)。二級傳送體系結(jié)構(gòu)簡單，維護周期短，建設(shè)費用低廉，穩(wěn)定性高的優(yōu)點。

多功能監(jiān)控分站可以同時不同傳感器的數(shù)據(jù)進行采集，還可以對設(shè)備運行的實時數(shù)據(jù)進行采集，并且能夠?qū)崿F(xiàn)不同通信系統(tǒng)之間的通信轉(zhuǎn)換和連接，從而提升系統(tǒng)工作的可靠性，加強系統(tǒng)間設(shè)備的融合性。

(2)裝備智能化

裝備智能化需要大量的數(shù)據(jù)支撐，只有采用多樣化的設(shè)備，同時提升裝備的計算能力，才能夠確保智能化水平的實現(xiàn)。所以，為了提升裝備的智能化水平，可以從提升裝備水平和運算水平兩個方面實施。

①多功能監(jiān)控分站智能化

多功能監(jiān)控分站的作用作為監(jiān)控系統(tǒng)最重要的模塊，其作用包括數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和傳輸，同時將系統(tǒng)設(shè)備進行有效融合，所以，要重視提升監(jiān)控分站的智能化水平。

A.多功能監(jiān)測分站采用多信號傳輸?shù)慕涌?，根?jù)信號傳輸?shù)姆绞竭€有連接設(shè)備的差異進行通信方式的選擇，如無線傳輸主要采用的通信方式為Wi-Fi，監(jiān)控分站與中心站和傳感器等之間的通信方式為以太網(wǎng)。

B.強化異地交叉控制水平。為了確保在脫離主干網(wǎng)絡(luò)的情況下，一樣能保證多功能分站能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，定位人員位置，播放應(yīng)急廣播信息。

C.在遠程升級上，完成了對礦井多用途監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場遙控升級。在多功能監(jiān)測分站添加或改進某些功能后，不需要維修人員去礦井下逐個修改裝置，只要在中央計算機上按一下對應(yīng)的裝置，就可以對礦井下裝置的程序進行升級，從而大大減少了對工作人員的需求。

D.智能化的多用途分站應(yīng)該具備能夠?qū)γ恳粭l線路上所接傳感器的種類、量程和訪問時間等進行自動辨識的能力。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由地面中心臺確定的傳感器類型及范圍，并不能滿足工程現(xiàn)場的要求，造成了大量的錯誤報警。通過對多功能監(jiān)控分站的改造，實現(xiàn)了對各通道上各傳感器的種類、量程、存取時間的自動識別，并將其實時傳送至地面的控制中心，由工作人員按照上傳的數(shù)據(jù)對其進行設(shè)定，防止由于設(shè)定失誤而引起警報，實現(xiàn)了從被動式到積極式的轉(zhuǎn)變。

②電源箱智能化

在煤礦中，常用的電壓等級通常為127 V、380 V、660 V 三種，在傳統(tǒng)的變壓器中，一般采用變壓方式為抽頭，采用這種變壓方式會造成電壓出現(xiàn)較大范圍的波動，當波動的幅度在15%以內(nèi)時，電源箱能夠穩(wěn)定工作，一旦超出這個幅度，則電源箱就會出現(xiàn)故障，通信和數(shù)據(jù)監(jiān)測功能受到影響。因此需要對電源進行智能化改造。

A.開關(guān)電源采用較寬的電壓范圍，在90～1200 V的范圍內(nèi)，開關(guān)電源能夠進行快速的識別和切換，確保了在外部電源波動較大的情況下，本安電源和電源箱都能保證工作的穩(wěn)定性。

B.本安輸出功率為模塊式，各模塊各自獨立工作，互不影響。

C.電源箱內(nèi)參數(shù)檢測。強化對電源箱運行參數(shù)的監(jiān)測，保護電壓、電流和溫度等運行狀態(tài)參數(shù)，同時還包括電池的充放電狀態(tài)等，在采集到監(jiān)測參數(shù)以后，及時上傳到中心軟件。電源箱上需要具有電源指示燈狀態(tài)指示燈，并且能夠在故障消除后恢復(fù)初始狀態(tài)。

D.確保供電穩(wěn)定。提供備用電源，在供電系統(tǒng)故障的情況下，備用電源應(yīng)能立即接入，保障系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作4 h 以上，備用電源應(yīng)具備電池管理功能，以免出現(xiàn)過充或者過放。

E.確保通信穩(wěn)定。電源箱的實時狀態(tài)信息應(yīng)該能夠傳輸?shù)降孛嬷行恼荆僮魅藛T也可以通過通信網(wǎng)絡(luò)對電源進行遠程維護。

③傳感器智能化

為了確保安全監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要采集大量的數(shù)據(jù)，傳感器是確保數(shù)據(jù)完整性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。以現(xiàn)代單片機技術(shù)為核心，研制新型的傳感器，提高其工作效率與工作穩(wěn)定性，豐富傳感器檢測參數(shù)的內(nèi)容，完成了對傳感器進行自檢測、自診斷功能。

A.傳感器數(shù)字化。所有傳感器、斷電器實現(xiàn)全數(shù)字化傳輸，使傳輸信息更多，內(nèi)容更豐富。豐富傳感器監(jiān)測的內(nèi)容，傳感器需要對周邊環(huán)境進行監(jiān)測，還需要對傳感器本身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)最終上傳到地面控制中心。

B.傳感器分級報警。操作人員在軟件端設(shè)置不同的報警閾值，并發(fā)送至傳感器，傳感器在獲取到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，和已設(shè)置的閾值進行對比，確定故障等級并發(fā)出相對應(yīng)的報警信號。

C.傳感器精確定位。對傳感器的安裝位置進行精確地采集，并與預(yù)設(shè)的安裝位置進行對比，保證傳感器安裝在預(yù)定的位置上。

D.模擬量傳感器在線調(diào)校。在不需要在中心站軟件上設(shè)定的情況下，每個星期都會定時對該傳感器進行調(diào)校，并可以在當?shù)睾蜕蟼髌脚_上自動展示調(diào)試狀態(tài)，減輕了工作人員的負擔，同時也避免了由于工作人員未及時進行調(diào)校出現(xiàn)的報警次數(shù)。

E.異常數(shù)據(jù)的自動標記與存儲功能。在傳感器正常工作的情況下，傳感器可以自動地識別校準數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，并且具備數(shù)據(jù)存儲功能，用戶可以通過遠程控制來查詢數(shù)據(jù)，但是不能進行手動地更改和刪除[1]。

F.采用效率更高的開關(guān)電源，同時采用貼片型的元器件，能夠大幅度提升傳感器功率，使得傳感器信息傳輸?shù)木嚯x增加。

G.為了最大限度減少外部環(huán)境對傳感器的干擾，應(yīng)對傳感器采取防護措施，包括抗靜電設(shè)計和防輻射措施等。

H.傳感器采用不銹鋼帶包裹，外部覆蓋注塑殼，使得傳感器具有IP68 的防護水平。

4.提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析能力

井下傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸至中心站軟件并存儲，用戶可以在軟件界面進行數(shù)據(jù)查看和調(diào)取歷史數(shù)據(jù)并打??；用戶可以在軟件操作界面上對井下的設(shè)備進行參數(shù)的定義。隨著各種技術(shù)的發(fā)展，為了提升系統(tǒng)的智能化水平，軟件還需要進行以下功能的擴展。

（1）增加即插即用功能。中央控制軟件可以對每個測量點所連接的傳感器種類、測量范圍和訪問時間等進行自動辨識，如果發(fā)現(xiàn)中央控制軟件所設(shè)置的傳感器種類和實際所安裝的傳感器類型不符，則不存儲所收集到的傳感器數(shù)據(jù)，并進行類型失配報警。

（2）傳感器在線調(diào)校。當傳感器工作正常時，可對其進行調(diào)試，這時，軟件就能檢測出調(diào)試狀態(tài)，并為調(diào)試數(shù)據(jù)打上專用的記號，這樣就可以把它與普通的數(shù)據(jù)區(qū)別開來。

（3）加強區(qū)域管理。對不同區(qū)域的傳感器進行獨立管理，一旦發(fā)現(xiàn)某個區(qū)域內(nèi)部傳感器數(shù)量或者工作狀態(tài)異常，則可以迅速定位故障區(qū)域。

（4）提升系統(tǒng)自診斷功能。該方法以一定的時間間隔來收集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)的變化趨勢進行分析，按設(shè)定的門限值判斷其是否存在問題，并提出相應(yīng)的處理方法。

（5）增加傳感器、控制器設(shè)置及定義診斷評估功能?？梢园凑栈镜慕Y(jié)構(gòu)信息，對傳感器裝置和傳感器報警、斷電、復(fù)位門限的設(shè)定進行自動診斷，如果不滿足規(guī)定，則無法正確地定義傳感器，并給出聲音提示報警。

（6）實現(xiàn)對工作站運行狀態(tài)的監(jiān)測。對工作站的供電模塊、通信模塊還有各設(shè)備之間的連接狀態(tài)進行檢測，當發(fā)現(xiàn)工作站狀態(tài)異常時，及時發(fā)出報警信號[2]。

（7）劃分不同的警報等級。根據(jù)故障可能造成的后果嚴重程度進行故障等級的區(qū)分，并確定不同的故障閾值。傳感器采集到數(shù)據(jù)后，跟設(shè)定的閾值進行對比，從而確定對應(yīng)的故障等級，并發(fā)出相應(yīng)的報警信號，一般情況下，故障等級分類不得少于4 級。

（8）添加中心站對井下模擬量傳感器進行遠程升級的功能。如果傳感器添加或者改進了某些性能，那么不需要維修人員深入井下或者替換到地面上去進行逐個的更新，只要通過中央控制中心的軟件，就可以對該裝置進行修改和升級，減少了工作人員下井的次數(shù)，降低了工作量和安全風(fēng)險[3]。

（9）能夠?qū)崿F(xiàn)信息的快速查詢和篩選。

（10）具備數(shù)據(jù)記錄功能，自設(shè)備投入使用以后，系統(tǒng)可以對設(shè)備的操作數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)進行記錄，并可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

5.結(jié)語

通過對網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并且采用功能更加豐富的監(jiān)控分站等措施，可以實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析水平；增加中心站軟件，操作人員在操控中心即可以實現(xiàn)對井下多種設(shè)備的程序更新，對不同設(shè)備功能的調(diào)節(jié)，減少工人下井的次數(shù)，使得監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平大幅提升。