关于智能矿道安全警示与逃生路线优化系统的研究

杨润天

摘要：我国是矿产开发大国，据不完全统计，在我国45种主要的矿产中，近年来有10种矿产的产量是居于世界排名第一，另外有其他7种矿产在在世界产量也是排名第二和第三。由此可见，中国矿产资源的开发强度远远高于世界平均水平。目前，很多矿道还采用传统的井下报警装置，这些装置安装复杂、误报率高，时效性不足，制造成本也高。针对这种现实情况，本人进行了实用性良好、制造成本低廉、操作和警示简单明了且方便的矿井逃生警示系统相关研究，这样的系统，借助矿道已有电力资源网络，布局矿道监控安全，能在危机时刻，指导受教育程度低、培训机会少的作业人员，大大降低他们在井下发生意外的可能，是非常具有现实意义的。

关键词：矿道监测;传感器;单片机;监测报警;逃生路径

中图分类号：TU892文献标识码：A文章编号：1672-9129（2018）06-0065-02

Research on Intelligent Mine Safety Warning and Escape Route Optimization System

YANG Runtian

（Beijing National Day School， Beijing， 100123， China）

Abstract：China is a big country in mineral exploitation. According to incomplete statistics， of the 45 major minerals in China， 10 kinds of minerals are ranked first in the world in recent years， and the other 7 kinds of minerals are ranked second and third in the world. It can be seen that the development intensity of China's mineral resources is far higher than the world average level. At present， many mine tunnels also use traditional underground alarm devices， which are complex to install， high false alarm rate， lack of timeliness， and high manufacturing costs. In view of this reality， I have carried out a good practicability， low manufacturing cost， simple and convenient operation and warning of mine escape warning system related research， such a system， with the aid of the existing mine electric power resources network， layout of mine monitoring safety， in a time of crisis， to guide the low level of education， training. Operators with fewer chances can greatly reduce the possibility of accidents in the well， which is of great practical significance.

Keywords： mine road monitoring sensor SCM monitoring alarm escape route

引用：楊润天. 关于智能矿道安全警示与逃生路线优化系统的研究[J]. 数码设计， 2018， 7（6）： 65-66.

Cite：YANG Runtian. Research on Intelligent Mine Safety Warning and Escape Route Optimization System[J]. Peak Data Science， 2018， 7（6）： 65-66.

引言

首先，我国是矿产开发大国，据不完全统计，在我国45种主要的矿产中，近年来有10种矿产的产量是居于世界排名第一，另外有其他7种矿产在在世界产量也是排名第二和第三。由此可见，中国矿产资源的开发强度远远高于世界平均水平。各种矿产开发中，很大比例涉及地下挖掘开采，尤其以煤矿的挖采形势为最具有代表性。据不完全统计2015年底全国仅煤矿数量就有1.08万处，仅仅煤矿从业人员全国就要有上千万人。

其次，挖采矿道普遍存在着不少还未完全妥善解决的问题。以煤矿为例，随着我国煤炭供应能力增强、产业结构不断优化。虽然全国煤矿数量在减少，大型煤矿比重增加，但年产30万吨以下的小型煤矿还是有7000多处。在这些以煤矿为典型情况的矿井中，从业人员300万左右，初中及以下文化程度的人占从业人员总数的70%左右，且矿井劳动用工管理普遍不规范，矿井预警、逃生等相关设施缺乏或原始，对矿井从业人员非常不利。而煤矿开采仅仅是众多井下矿业开采中的一个分支。近年来，瓦斯爆炸、矿道浸水、异常气温变化等都成为严重威胁矿产行业安全生产和矿工生命安全的主要原因。

近年来，瓦斯爆炸、矿道浸水、异常气温变化等都成为严重威胁矿产行业安全生产和矿工生命安全的主要原因。由于目前很多矿道现在还采用传统的井下报警装置，这些装置安装复杂、误报率高，时效性不足，制造成本也高。而目前相对智能化程度较高的井下警示系统，多数又只是井下安全门运行报警以防止矿车相撞，或使用射频技术获取人员在坑道地处位置而已，除此之外，基本就是井下配电箱安全监护报警了。这些系统不能够及时通知井下、井上人员可能发生危险的具体位置，更不能及时告知他们安全撤离的最优路径。

1  研究目的和意义

针对这种现实情况，非常需要研制一种实用性良好、制造成本低廉、操作和警示简明且方便的矿道安全警示与逃生路线优化系统，这样，借助矿道已有电力资源网络，布局矿道监控安全。在危机时刻，系统可以使这些受教育程度低、培训机会少的作业人员受益，可以大大降低他们在井下发生意外的几率。

本文就是探讨此研究项目，项目模型可做到检测矿井中的有害气体浓度、温度变化以及湿度等因素，对可能出现的意外危险情况进行判断，并立刻计算设计出逃生的安全优化路径，让井上和井下同步显示，指示安全路径信息，指导人员撤离，保证生命安全。

2  研究内容和特点

本研究中，设计并研制了一种在矿井内监测危险因素并能自动优化逃生路径的装置，解决因过瓦斯、透水、温度异常等引起的安全隐患问题。整个系统模型具备如下的四大特点：

• 1）当井下气体、湿度、温度等异常时，在异常位置以及井上的计算机终端，可立刻发出警报，并显示异常发生种类、程度、位置。
• 2）自动计算出合理的、最优化的安全撤离路径。
• 3）井下的各个点位，使用方向指示灯立刻标记指示逃生撤离路径。
• 4）预留接口，可以与井下工作人员佩戴的装备无线连接，时时信息共享。

3  研究过程

本研究中，结合使用了文献法、调查法、模型法、实验法，现一一描述如下：

• 1）文献研究：网络搜集了解现有矿井安全报警装置情况，发现如下：

目前的煤矿安全监控系统是主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、矿尘浓度、风速、风压、湿度、温度、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主要风机开停等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等功能的系统。一般由传感器、执行机构、分站、电源箱 （ 或电控箱） 、主站 （ 或传输接口） 、主机 （ 含显示器） 、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、UPS- 电源、远程终端、网络接口电缆和接线盒等组成。

传感器将被测物理量转换为电信号，并具有显示和声光报警功能 （ 有些传感器没有显示或声光报警功能） 。执行机构 （ 含声光报警及显示设备） 将控制信号转换为被控物理量。分站接收来自传感器的信号，并按预先约定的复用方式远距离传送给主站 （ 或传输接口） ，同时，接收来自主站 （ 或传输接口） 多路复用信号。分站还具有线性校正、超限判别、逻辑运算等简单的数据处理能力、对传感器输入的信号和主站（ 或传输接口） 传输来的信号进行处理，控制执行机构工作。电源箱将交流电网电源转换为系统所需的本质安全型直流电源，并具有维持电网停电后正常供电不小于 2h的蓄电池。传输接口接收分站远距离发送的信号，并送至主机处理; 接收主机信号，并送相应分站（传输接口还具有控制分站的发送与接收、多路复用信号的调制与解调、系统自检等功能。主机一般选用工控微型计算机或普通微型计算机、双机或多机备份。主机主要用来接收监测信号、校正、报警判别、数据统计、磁盘存储、显示、声光报警、人机对话、输出控制、控制打印输出、联网等。

（2）市场调查：现有的很多矿道现在还采用传统的井下报警装置，这些装置安装复杂、误报率高，时效性不足，制造成本也高。而目前相对智能化程度比较高的井下警示系统，多数又是井下安全门运行报警以防止相撞，或者是使用射频技术获取人员在坑道地处位置，以及井下配电箱安全监护报警为主。而这些系统不能够及时通知井下人员可能发生危险的位置，也不能及时告知他们安全的撤离路径。

• 3）实验与模型研究：设计并制作智能矿井系统装置。通过网络订购和到西四电子市场购买器材零件。设计电路图、编写程序、焊接电路等，具体如下：

智能矿道安全警示与逃生路线优化系统，由多个井下的安全警示模块与井上的地面主机、办公电脑客户端组成的。

其中，井下的每个安全警示模块由一个温湿度传感器、一个气体传感器、一个水位传感器、一个信息收集处理器、一组灯光警示器组合而成。所述的温湿度传感器、气体传感器、水位传感器均分别与信息收集处理器连接;信息收集处理器与灯光警示器相连，同时，信息收集处理器还与地面主机相连;地面主机连接地面办公电脑客户端。

多个井下的安全警示模块同时与井上的一个地面主机、一个办公电脑客户端组成的安全警示系统，能够为大面积的整个矿道提供安全监控。

这里所提及的气体传感器包括瓦斯传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器。温湿度传感器为型号DHT11温湿度传感器。井下的安全警示模块中的信息收集处理器为 Arduino NANO 型号单片机。井上的地面主机中使用的Arduino MEGA 型号单片机。请见图1。

1. ）具体实施方式：

在智能矿道安全警示与逃生路线优化系统启动时，井下安全警示模块中，各传感器先进行初始化，初始化完毕后，模块中的信息收集处理器开始从各传感器收集信息，诸如：瓦斯、甲烷、一氧化碳浓度，温湿度，以及矿道内水位，并与预设定好的阈限值进行比较，确定是否安全，当发生异常情况时，处理器立刻通過警示器进行灯光报警，警示灯亮起，提示矿井下人员逃生，同时，优化的逃生路径被计算出来，立刻通过指示灯在矿道中显示，人员可以直接按照指示路径逃生。无论异常因素是否是同类，即使发生的异常点等于多于两处，则整个系统同样能正确报警和指示逃生路线，确认异常情况发生的地点位置，将异常情况的发生、位置、逃生路线传输给地面主机。主机显示全面的报警信息，可提示地面人员进行及时救援，启动紧急预案，指挥调度井下人员安全撤离。

1. ）工作原理：

在地面控制室设定主机，主机中使用Arduino  MEGA 型号单片机。在矿道内设定多个监测点，每个监测点都安装一个井下安全警示模块，每个模块内都包含有气体传感器、水位传感器、温湿度传感器、信息处理器，以及警示器。信息收集处理器采用Arduino NANO 型号单片机。本系统通过Arduino IDE 软件使用C++语言进行编程，这样，把气体传感器、水位传感器、温湿度传感器、信息收集处理器、主机、警示器组合在一起。各个安全警示模块均各自与主机通过I2C通信协议相连，模块与模块之间共用通信线路，但模块之间不产生通信。当整体系统启动工作时，各类传感器把矿道中的环境变化转换成电压变化，传输给Arduino NANO，Arduino NANO把这些电压变化转变成数字信号，通过数字信号控制警示器的灯亮与灯灭， 同时数字信号通过主机Arduino MEGA，并转发到地面办公电脑客户端上。客户端使用通俗易懂的易语言编写出可视化报警图形显示，非常方便。 请见图2。

系统采用多种传感器，对矿道内有害气体的浓度、矿道温湿度、矿道渗漏水位，能进行及时检测，实现重要环境隐患的安全监测，能够独立报警，及时通知地面人员。

整个设计，结构简单，流程清晰，并充分利用了信息收集处理的模块化作用，尤其是在信息收集处理器与地面主机之间，信号传输采用了I2C通信协议，使得技术人员设计处理简单，连线简要，电线数量少，可迅速、简便地根据矿道的长短、数量变化增加监测，减少劳动负荷，提高工作效率。本系统还利用矿道内原有电力资源，采用有线传输方式，避免无线方式下墙壁对信号削弱，保障信号稳定传输，报警及时准确，功耗小、成本低、稳定性高，非常实用。 请见图3。

4  问题与改进

我们设计和制作的仅仅是一个模型，距离实际应用还有距离。而测试也暂没有直接放入煤矿矿井下实际测试，因此这与实际的设计、开发还有一定差异。

针对这一情况，我们也进行了室内实际的测量。在真实的矿道中我们的传感器需要安装的数量更多，同时探测距离要进行调整。另外，部分传感器在实际的矿道中需要增加其数量，以采取分区测量和控制。

目前我们的智能矿道安全警示与逃生路线优化系统是集成在整个系统中的，我们也预留了接口，系统将来可以与井下工作人员佩戴的装备无线连接，时时信息共享。

参考文献：

[1]      《模拟电子技术》（美）博伊尔斯塔德（Boylestad，R.L.）等著;李立华等译.

[2]      《51单片机开发与应用技术详解》赵建领，薛园园等.

[3]      《电子设计从零开始》杨欣，王玉凤，刘湘黔.

[4]      《arduino开发实战指南》程晨.

[5]      《煤矿安全监控系统的现状与发展》赵延明，高军，杨国庆，李仲宇.

[6]      《矿井综合安全监控系统的设计与研究》胡晓健.

[7]      《煤矿安全监测技术现状和发展展望》袁超《科协论坛》2013.04 .

[8]      《我國煤矿安全事故的原因分析》杨立刚 《安全》期刊  2008 .10 .

[9]      《中国煤矿安全事故的经济学分析》刘铁敏 秦华礼 《煤矿安全》第 377卷.

[10]    《中国煤矿安全事故分析》肖兴志 吴丽丽?经济与社会发展研究院  2006.

[11]    《煤矿安全事故的原因分析》 百度文献.

[12]    《2013年到2015年 全国矿井事故统计》 源自《安全网》.

[13]    《煤矿安全事故频发的原因分析及对策建议》百度文库.