物联网环境下煤矿安全监控系统体系架构研究

伊广璐

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

进入21 世纪后，中国在世界工业4.0 改革发展潮流中，提出了与本国实际工业发展情况相一致的“中国制造2025”战略计划。煤矿行业作为支撑工业改革发展的动力能源之一，需要做到为工业提供更具实质的品质化服务，因此，煤矿行业自身也需要进行一番智能化改革。当前，我国物联网建设已经进入初步实践阶段，为煤矿产业的深化改革提供了一个有利时机，下面以此为出发点对主题展开说明。

1 煤矿安全监控系统概述

1.1 研究现状

从我国煤矿安全监控系统的应用方面分析，已经实现了以4G 通讯技术为基础的煤矿安全监控系统建设。从其特征方面分析，系统以集中控制为主，具体结构是在井上设置主站控制中心，然后，在井下各个现场区域设置测控分站；当分站完成信息采集后，既可发送到主站，由主站对收集到的信息进行分析处理，然后，再以控制命令的形式进行分发，进而实现安全监控系统控制。从材料与技术方面分析，主要的材料包括专用电缆与光缆等；其中通讯技术除了RS485、CAN 之外，还有工业以太网（目前，应用呈增长趋势）；另外，在专用通信协议方面，目前，主要采用各自规定的方式达到对相关数据（信息和命令）的传输等。

1.2 存在的问题

当前，煤矿安全监控系统存在的问题相对较多，具体表现在硬件与软件两大层面。以硬件中存在的问题为例：首先，当前煤矿安全采用有线覆盖方式，当传感器密度不大的条件下，系统的扩展性能与覆盖范围会受到一定限制，从而造成系统覆盖受限，并出现监测盲目。以软件为例，若要使各项技术在4G 一体化设计方案下实现功能扩展、延长使用寿命，缩短产品更新换代时间，则需要在煤矿安全监控系统的各个组成部分之间，增强对接效用。另外，在基于4G 的一体化系统之中，维护管理已经成为煤矿安全监控系统安全运营的重要保障，因而要求在信息通讯方面增强综合信息化网络管理能力。

2 物联网环境下煤矿安全监控系统结构与功能

本次研究根据现行基于4G 无线网络通讯技术在煤矿安全监控系统体系中的运用情况，对物联网环境下的煤矿安全监控系统结构与功能做出说明。

2.1 系统结构与特点

根据要解决的问题，本文建议在现行4G 一体化总体方案中，按照物联网环境下的万物互联思路，增强综合网络管理平台能力。具体如下：首先，根据现有4G 综合通信分站，将矿井无线通讯、应急广播、人员定位等进行集中统一。具体操作中，可以将各个AP 的信息进行集中化的预先处理，再使其传输到主站。从其特性分析，首先，物联网环境下煤矿安全监控系统结构，即使在控制器失效的条件下，也能实现信息的上传、传输、执行、监测等任务；因此，具有较高的抗毁性能。其次，取消分站，改用AP，优化了信息传输环节，提高了扁平化程度，从而在信息传输处理的优化层面增强了其应用可靠性能。最后，在骨干通信网络中，能够实现云计算中心的设置，从而达到对多元类型、多样信息的分析处理，因而能够应对煤矿灾害的各种风险，实现智能预警，解决突发性、非线性，且需要大量运算的监测任务。因此，能够有效解决当前煤矿安全监控系统中暴露的各类问题。

2.2 主要部件与逻辑分站

目前，4G 一体化方案中的系统兼容性相对较好，因而可以从功能扩展的角度，将公共网络系统设备与各个AP 分站进行“多网融合”，进而提升“一网一站”服务效率。另一方面，在“多网融合”条件下提升信息服务效率的同时，可以在“一网一站”模式中，设置类似U 盘的功能，能够更好地储存信息，实现信息的移动传输与自动化传输等；这样，AP 分站发生问题时，还能够利用其U 盘功能，更好地进行独立的信息处理。从预设逻辑分站的角度分析，AP 属于逻辑意义上的分站，其组态功能依然以主站为主，但在组合层面具备更加灵活的组成模式，因此，在覆盖完全的情况下，可以实现对传统分站的优化；而且，民地断电或复电功能也能够得到有效控制，无须主站系统控制，仅在局部内即可实现站内控制，因此，具有更高的可靠性与安全性能；由此，也形成了具有冗余控制器特征的逻辑分站。

3 物联网环境下煤矿安全监控系统体系架构

3.1 工作过程或原理

根据以上分析，物联网环境下对煤矿安全监控系统进行体系架构，包括：系统部件发现阶段——系统组态阶段——系统运行阶段——系统重构阶段。在发现阶段，执行器、控制器、传感器，均能够自动进入系统，实现自主信息传送；在系统组态阶段，管理员根据进入系统的执行器、控制器、传感器可以进行逻辑分站组合操作，从而进行交叉控制，使1 个逻辑分站的控制域内实现针对性的安全监控，并使各控制域实现独立执行，缩短控制信息传输距离，提升控制效率，减轻主站负担，分化主站损坏可能产生的风险。

3.2 分层架构

假定采用协议IPv6、无线传感器、具有开关量输入功能的执行器、具备冗余布置的控制器，那么，就可以对物联网环境下煤矿安全监控系统进行体系分层架构。具体如下：（1）在万兆网环中心层，可以将它与地面核心交换机进行关联，而在AP 分站关联层面，则增设一个综合分站，这样就可以使原有的AP 分站的独立功能与综合分站集中后的综合功能明确区分，提升中心层万兆网环的信息处理量级，提升信息分析与反馈速度，使综合网络信息平台信息更全面。（2）在应用支撑层设置M2M；（3）在网络层设置骨干通信网与AP，从而满足综合分站对于AP 分站各项信息的直接收集与处理及反馈；这样，中心层与AP 分站之间实际上形成了两个层级的信息处理方案，并通过综合分站进行关联，常规性信息可以在综合分站进行解决，复杂信息可以透过中心层进行处理，即使当AP 分站发生风险后，也能够利用设置好的U盘功能在中心层进行独立形式的大数据分析。（4）在目前的4G 一体化总方案中，可以将4G 专网、地面覆盖、公网对接，高度通信系统，图像监控、精确定位系统，设备管理、生产管理各个系统，进行地面核心交换机与办公网络及即时通讯视频会议方面的全面联动，进而以中心层万兆环网的功能，促进公共综合网络平台各类信息的单元同步显示，进而提升整体上的煤矿安全监控能力。

3.3 高效服务功能

在提升现行4G 一体化煤矿安全监控系统功能后，能够满足物联网环境下的万物互联需求。同时，这种类似全息信息图景的综合网络平台功能优化方案，在根本上能够使中心层的数据信息处理与各个子系统的信息反馈显示时间缩短，并在常规服务中实施针对AP 分站的独立专项服务；而在整体的安全监控服务中，则能够达到实时动态化的高效预警，并采取必要的应急预案，使各个子系统同时收到与其专项服务相关的预警信息内容，并提供对应应急方案。这样，实质上是优化了煤矿安全监控系统体系，使其能够在发生风险时，做到科学合理、井然有序的预防措施应用。另外，当某个子系统发生风险时，则能够根据公共综合网络平台反馈的信息进行同步的影响因素分析，提升原因追溯效率，进而从整体上实现局部问题的解决，此种思路在实质上解决因系统风险隐患而引发的同类问题重复发生问题。

4 结语

物联网环节下需要突出万物高效互联属性，将虚拟世界与现场世界进行了深度融合，使二者之间找到结合契机，结合以上分析可以认识到，物联网环境下煤矿安全监控系统体系架构，它的集中优势体现在性能方面；但是，从实践应用的角度分析，基于物联网基础的煤矿安全监控系统体系架构，其内容相对复杂，在技术方面还需要针对其标准化与程序化的规程等做进一步的统一分析，尤其是标准的统一性制定问题非常棘手，另外，封闭式的煤矿安全监控系统，在物联网环境下必然会逐渐走向开放形式，在这种形式下，也需要从系统网络安全方面匹配相应的安全技术。