基于物联网技术的煤矿安全监控平台的设计与关键技术

朱 晶

（霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司， 山西 霍州 031400）

引言

当前，自动化、云计算和物联网等技术在煤炭领域得到广泛应用[1-3]，这些先进技术的应用打破了传统煤矿生产模式，使煤炭生产和管理水平得到显著提升。现阶段我国几乎所有的煤矿都配备有各种形式的安全监测系统，比如电力安全监测系统、人员定位系统等。不同系统之间相互独立，给日常维护和管理造成了很大困难，增加了管理成本[4-5]。不同系统收集得到的数据格式、保存方式等都不统一，数据很难实现共享，限制了这些安全系统功能的发挥[6]。针对当前阶段煤矿安全监控系统存在的问题，本文在充分挖掘物联网技术的基础上，设计研究了基于物联网技术的煤矿安全监控平台，以实现不同安全监控系统的有效融合。

1 物联网技术在煤矿生产中的应用概述

当前我国正在推进工业4.0，工业物联网则是实现工业4.0 的重要手段，因此当前阶段工业物联网技术得到了快速发展。基于物联网技术可将工业生产过程中的数据采集、数据通讯以及数据分析等融入到生产不同环节，极大提升了工业生产的质量和效率，使工业生产成本大幅度降低。物联网技术在煤矿生产中的应用给生产过程带来了颠覆性变革，信息交互更加及时、可靠性更高。感知矿山是物联网技术在煤矿生产中应用的典型代表，结合数据感知技术、信息传输及其处理技术等，将煤矿地质数据信息、煤矿测量数据信息、生产安全数据信息等进行收集与融合，基于数据信息实现矿山管理的数字化和可视化。可对煤矿生产全流程进行有效监控，提升了煤矿开采过程的智能化水平。如图1 所示为基于物联网技术的感知矿山整体架构框图。

图1 基于物联网技术的感知矿山整体架构框图

传统的各个煤矿安全监控系统是相互独立运行的，系统之间的数据由于格式和保存方式不统一导致无法共享，没有在最大限度上发挥安全监控系统的功能。通过工业物联网技术的应用可将煤矿井下各安全监控系统有效融合，实现不同系统数据信息的融合集成，对不同系统实现集中统一管理和控制。对于提升煤矿井下安全监控和管理水平意义重大。

2 基于物联网技术的煤矿安全监控平台设计

2.1 平台总体框架设计

煤矿安全监控平台对不同安全监控系统数据信息进行有效收集、传输、存储和分析。存储数据需要搭建服务器，本平台通过嵌入式技术建设专用数据库，基于该数据库对数据信息进行存储。通过云计算技术建立平台私有云，对平台数据信息进行计算分析。平台主要包含三部分，分别为云平台应用软件、不同安全监控系统服务器集群、云存储数据中心。在高性能服务器上通过使用虚拟服务器技术，为所有已经建设完成的安全监控系统分配对应的虚拟服务器，以存储系统在运行过程中收集得到的数据信息，实现煤矿运行信息数据的云存储。不需要对已经建设的煤矿安全监控系统服务器进行改造升级，可节省大量建设成本。同时还提升了整个安全监控平台的兼容性，未来如果还需要建设新的监控系统，可以直接通过虚拟服务器的分配将其纳入到平台中。

基于云存储数据中心可以对安全监控平台收集得到的煤矿运行数据信息进行存储，包括历史数据信息和实时监控数据信息。存储数据中心可以对所有的数据信息进行自动备份，以避免数据丢失。遇到故障问题，可以将数据信息进行自动恢复。煤矿运行数据信息的收集和存储可以为后续大数据分析提供数据支撑，充分挖掘煤矿运行数据的潜能，使之更好地为煤矿运行和安全管理提供服务。平台还充分利用已经发展较为成熟的增强现实技术、虚拟现实技术等对煤矿生产过程进行动画再现，在大显示屏中显示每次生产的关键环节，使平台运行变得可视化和便捷化。如图2 所示为基于物联网技术的煤矿安全监控平台架构图。

图2 基于物联网技术的煤矿安全监控平台架构

基于物联网技术的煤矿安全监控平台包含的主要部分有：煤矿井下各安全监控系统所分配的虚拟服务器，云监控联网服务器和平台，煤矿企业数据中心及数据上传通道，地方煤管局数据中心及数据上传通道，具有不同权限的移动终端，煤矿调度中心综合显示大屏等。

2.2 云监控平台的设计

安全监控平台通过工业以太网建立内网，且可以与办公外网进行连接，基于内网和外网构建云监控平台。通过虚拟服务器技术在云监控平台中为煤矿井下安全监控系统分配对应的虚拟服务器，以构建虚拟服务器集群，在以后的发展中逐渐取代实体服务器。为确保云监控平台的信息安全，通过防火墙等防护技术实现办公外网和监控内网之间的有效隔离。监控平台内部的虚拟服务器分别与对应的安全监控系统进行连接，各安全监控系统在运行过程中产生的数据信息全部上传到虚拟服务器中进行存储，服务器具备防火墙的功能，能够有效防止外部病毒对服务器发起的攻击。如图3 所示为云监控联网服务器总体架构示意图。硬件系统采用的是基于Linux 嵌入式系统的总体结构，数据信息存储效率高。除具备服务器功能外，同时还具有路由器功能、防火墙功能、数据信息分析与转发功能等。云监控联网服务器具备较好的可拓展性，方便以后拓展更加强大的功能。因此，总体上平台具有较高的安全性、可靠性以及兼容性。此外，还专门为煤矿企业和管理部门提供了上传数据的通道，上传通道包括无线网络和有线光纤网络两种形式。其中有线光纤网络是主用上传通道，如果光纤网络出现故障问题无法上传数据时，就可启用无线通信网络实现数据上传。这种冗余的数据上传通道保障了平台运行可靠性。

图3 云监控联网服务器总体架构示意图

3 煤矿安全监控平台关键技术研究

3.1 数据的标准化采集技术

煤矿安全监控平台需要收集各安全监控系统的数据信息才能够发挥作用，但是当前阶段不同监控系统由于建设水平不一样，数据存储格式、方法都存在差异。如何对这些数据信息进行标准化处理是本平台的一个关键问题。需要设计一个标准化的数据采集接口，不同安全监控系统全部通过该接口进行数据采集，并将数据信息直接传输到对应的虚拟服务器中，实现数据格式和存储方式的统一化和标准化，进而对数据信息进行统一分析和处理。不再需要将数据传输到每个安全监控系统自身的物理服务器中进行存储分析。通过数据标准化处理，可实现不同系统之间的数据交互与共享，提升了数据的利用效率，数据的云存储也保证了其安全性和可靠性。

3.2 数据信息的融合集成技术

煤矿安全监控平台的最底层为多个安全监测系统，监控平台设计有实时数据库，该数据库对底层监控系统开放。通过实时数据库可以实现不同监控系统数据信息的融合集成。数据融合集成方式有两种，分别为分布式异构数据库融合、实时数据库融合。

3.3 数据信息的共享

建立煤矿安全监控平台的目的就是要将煤矿内已经建成的各种安全监控系统进行融合集成，确保不同安全监控系统的数据信息能够共享，为煤矿安全和管理提供服务。本平台能够将不同系统的数据进行共享使用，且将这些数字信息同时显示在一个应用软件平台中。另外，软件具有良好的拓展性，可以通过不同形式的接口实现与其他软件的连接。

4 结论

1）基于先进的物联网技术设计的煤矿安全监控平台，可实现不同监控系统数据信息的标准化采集、分析与传输，对所有数据信息实现云存储，保证了信息的安全性和可靠性。

2）基于工业物联网技术搭建的煤矿安全监控平台，通过数据的标准化采集、分析处理，实现了不同监控系统数据信息的共享，极大地提升了煤矿安全监控和管理水平。