基于计算机编程的地下矿山实时在线安全监测系统研究

韩浩鸣

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

1 概 述

地下矿山的安全仍然是采矿业的挑战性问题。近年来，中国煤矿的死亡人数逐渐减少，但安全问题仍然存在，其中37%的煤矿事故是由地下的瓦斯或粉尘点燃和爆炸造成的。因此，安全始终是采矿作业中的一个重要问题，最近的一些研究主要集中在改善地下矿工工作环境，安全和健康问题在矿山运营管理和工程设计中应该得到优先考虑，以提供和维护一个安全和健康的工作场所。为了应对这些挑战，业界通过地理信息系统(GIS)辅助的无线传感器网络(WSN)等新技术实现的矿山自动化已被广泛应用于矿山安全开采。

地下无线传感器网络由地面网关和指定的地下传感器节点之间的几个到几百个节点构成，当前通常采用ZigBee技术作为传感通信媒介，尽管其只能提供较低的数据速率，但优势在于功耗低、且节点的安装及维护简单，同时还能够提供基于许多无线跳数的高性能节点(节点到节点中继)之间的数据传输的网络应用，该方式可以实现任何接入点或中心节点在集群之间相互传输数据，文献[1]中对ZigBee在地下矿山的意义与其他无线传感器网络的应用优势进行对比评估。

GIS是用于实现对空间数据分析的技术，用于捕获、存储、分析、管理和呈现与位置相关的数据，GIS允许用户以多种方式查看、理解、提问、解释和可视化数据，以地图、地球、报告和图表的形式显示相互关系、模式和趋势。 当前基于Web的GIS成为业界应用的主流，该方式有助于解决网络媒体技术层面的空间信息集成与共享问题。相关研究人员在技术上利用GIS服务解决应急及疏散等安全问题[2]。

本文主要研究地下矿井中包含通风管理和安全应急的信息系统，主要介绍了基于ZigBee节点开发的系统集成，以感应地下矿井环境，调节通风系统，地面办公室与矿工之间的通信。系统运行结果显示，利用ZigBee实现该系统降低了电力消耗，实现了对环境的近实时监测以及地面和地下人员之间的双向通信。如图1所示为系统集成的地下监控和通讯的架构，通过ZigBee无线网络将温度，湿度和气体浓度等和环境属性相关的传感器数据传送到地面控制中心的GIS管理服务器，传输的数据通过ZigBee程序接收和存储，然后提供给控制中心进行操作；当出现预警情况时，通过GIS管理服务器中的逻辑数据分析过程立即识别和响应。本文主要介绍该系统的相关技术以及系统集成过程中的程序设计逻辑。

图1 地下矿山监控和通讯系统的体系结构

2 ZigBee与GIS系统相关技术

2.1 ZigBee网络

ZigBee已被广泛应用于煤矿安全领域，主要用于地下煤矿领域，通过在自动抄表系统，安全系统和远程控制等支持与其他无线传感器网络的集成。ZigBee网络基于IEEE 802.15.4协议，该协议描述了无线个域网的物理和媒体访问控制层，物理层是网络通信的硬件层，可以在不同的频率范围内运行。媒体访问控制层负责提供节点与其直接邻居之间的可靠数据传输和通信，他也避免了数据冲突，提高了网络效率，因此ZigBee网络性能的可靠性和安全性已经得到了业界的验证。

文献[3]中的研究成果证明了ZigBee网络在地下环境的狭窄空间显着增强了两个固定节点之间在特定距离上传输数据的信号强度。同时文献[4]的研究结果显示了在不同开口处的地下监测和通信系统中固定ZigBee节点之间的分组传输的稳定通信。在实际的系统开发过程中，为了利用地下ZigBee应用来感知环境和短信，需要通过网络调度特定的数据传输时间；换句话说，传感器节点测量和发送数据的时间间隔是不同的，以避免网络拥塞，提高网络性能。

2.2 地理信息系统

GIS主要完成对地理数据的存储、建模、检索、制图和分析的计算机程序。在该系统中，指定环境的空间特征在一个坐标系中进行存储和操作，GIS为用户评估合并了多层所需的地理和空间数据，并有助于事先确定可能事件的地点和时间。图2为GIS处理地下矿场数据的执行周期图，GIS服务器能够管理和处理来自不同来源的大量属性的数据，他还能够在基于互联网或局域网的用户之间分发和共享数据，数据可以被其他用户保存，操纵或告知。 因此，GIS可以减少共享地理数据及其属性的时间和成本[4-7]。

图2 GIS数据处理周期和地下矿山的地理层次关系

2.3 系统集成

由于矿山结构的不稳定性致使可靠和简单的通讯是安全高效的采矿作业目标中的一个高风险问题。为了应对这些挑战，通过技术集成方式解决高危、不稳定及环境特殊的矿山安全监测等问题。根据无线传感器网络高可靠性和支持多跳网络的特点，ZigBee可以在地下矿山隧道节点和地面网关之间建立一个完整的无线网络，在该研究中，ZigBee监测地下环境属性的能力与地理信息相结合，为地下采矿的通信、运行和环境监测系统提供潜在的应用。

如图3所示为系统设计过程中的数据处理及结果管理逻辑图，地下矿山所要求的网络必须能够交互地提供地面控制中心与所有地下无线节点之间的双向通信。根据地下矿井不同变量参数(V1，V2，…，Vn)的极限值设置安全，瞬变和不安全的条件。因此，GIS管理服务器中的远程或自动对策被安排用于控制换气扇并向有关当局发送警报或报警信息。另外，在紧急情况下，即时发短信息在地下人员和地面操作员之间双向通信。在此系统的基础上，近实时监测数据，远程自动控制，短信息通讯等已经达到了所要求的安全健康效果，改善了地下采矿作业。

3 系统结构

3.1 无线网络的搭建

图3 数据处理和结果管理流程

被测地下矿井的由WSN构成的系统由协调器、路由器和终端设备等不同的ZigBee节点组成。无线网络最初由协调器(网关)创建以加入其他节点，在协调器和终端设备之间提供了双向通信，以发送和接收由他们的传感器瞬时获取的消息和数据。具有感知环境能力的路由器被用来通过网络中继通信，另外，地面协调员根据设计的软件启用通风扇的收发信息和远程控制。为了建立无线传感器网络，数据包传输的功耗和高可靠性成为人们最关心的问题；对于前一种情况，ZigBee节点被配置为在矿山处于安全和瞬态条件下延长电池寿命的较长时间段内传输数据；而在后一种情况下，为了避免网络拥塞和数据包丢失的可能性，考虑不同的时间间隔来进行环境感知的数据传输。

ZigBee节点(协调器除外)的直流电和交流电(DC/AC)的功率使用分别设计为在电池和矿址电源下工作，因此，交流电的使用延长了电池的寿命，并且ZigBee节点能够在任何事故停电期间继续长时间的数据遥测。 ZigBee节点可以持续几天到几个月的时间取决于他们的数据速率和应用，如图4所示为ZigBee节点的组网节点[8-9]。

图4 ZigBee的组网节点

3.2 环境数据感应

通过无线监测的方式对环境数据进行获取，采用JN5148型数字式温湿度复合传感器，该传感器具有较高的灵敏度以及稳定性。通过ZigBee节点集成甲烷、氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和二氧化硫浓度等传感器对地下矿井环境数据进行感知。其中传感器被配置为单线通信以将实时数据传输到节点，该系统中主要对矿井中的二氧化碳浓度的测量作为井下安全评估的依据。

3.3 短指令控制

ZigBee节点通过与连接电脑或手机来发送和接收短指令，当发生事故时，通过如图4中的无线发射模块与地面操作员的无进行通讯，同时地下矿井中的ZigBee单元可接收井上的控制指令完成对换气扇的远程控制，通常将ZigBee节点置于箱子里，以尽量减少环境对其运行的影响。

3.4 通风控制

地下矿井通风不足是矿井人员职业安全与健康的一个重要问题。此外，在通风系统设计上考虑了优化供应地下新鲜空气的风机功耗，因此，需要在通风系统中增加辅助风扇来改善在炎热季节的空气质量。本文所提出的系统中，通过程序远程辅助控制风扇的运行，在PC端安装控制程序，如图5所示为连接风扇的ZigBee节点的控制程序，通过不同的接口控制相应的风扇的运行。

图5 ZigBee控制端程序界面

4 结 论

本文通过WSN和GIS的集成实现了井下矿井监测与通信的自动化。通过实时地下监控温度、湿度和气体浓度(CO2)、通风系统控制以及面对用户在紧急情况下的通信的应用实现地下矿井的实时在线安全监测，系统配备了自动或远程触发器测量环境属性的行动计划，测得的数据根据气体浓度、地面站点可实现预警及通风系统的控制。

参考文献：

[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] 康世龙, 杜中一, 雷咏梅, 等. 工业物联网研究概述[J]. 物联网技术, 2013, 3(6): 80-82.

[5] 张耀中. 基于PLC控制和GPRS通信的煤矿提升机在线监测系统[J]. 煤矿现代化, 2015(6): 84-86.

[6] 王学明. 自动化技术在选煤中的应用分析[J]. 机械管理开发, 2017, 32(7): 119-120.

[7] 王耿. 浅谈数字矿山和矿山信息化建设的现状与发展对策[J]. 有色矿冶, 2014, 30(1): 62-64.

[8] 蒋先尧, 张东红, 姚松. 谦比希铜矿数字信息化集成管理系统建设[J]. 铜业工程, 2017(1): 81-85.

[9] 杨清平, 蒋先尧, 陈顺满. 数字信息化及自动化智能采矿技术在地下矿山的应用与发展[J]. 采矿技术, 2017, 17(5): 75-78.