矿井作业人员安全监控系统的设计及应用分析

寇俊芬

（晋能控股煤业集团云岗矿，山西 大同 037001）

1 概况

由于云岗矿井在设置安全监控的情况下，并未对工作人员的安全问题进行考虑。因此并不能对井下工作人员的安全进行监控。鉴于此，可以选用物联网技术，与此同时需要充分结合井下工作人员的工作情况，从而构建了煤矿井下安全监控系统。

2 监控系统设计

系统应该具备如下几个功能：其一，可以时刻监测井下员工的安全情况；其二，能够适应井下工况情况，抗干扰能力要强；其三，能够快速地分析数据并且制定出与之匹配的决策；第四，能够实现调用数据的能力；第五，系统具有较高的稳定性等[1]。

2.1 总体架构

该系统所获得的数据都来源于井下传感器，对于传统的环网而言在进行传输的过程中往往会产生许多无效数据，因此导致传输效率低下，为此笔者将在数据产生的环节进行数据处理。

为了有效地提高监控系统的有效性，该数据处理采用去中心化数据处理形式。该监测系统借助LSTM算法对数据的有效性进行分析，并且将数据进行储存，将数据定期上传到中心服务器。图1 表示监控系统总体架构。其主要包括如下几个数据层：第一，边缘感知层；第二，雾决策层；第三，云服务层；第四，管控应用层。其对于边缘感知层而言，工作人员在井下工作时，需要佩戴边缘感知传感器，其可以收集人体的身体状况数据、运动数据以及周边环境的数据，并且完成对有效数据的收集。对于雾决策层而言，将其设计在边缘感知层之后，通常可以借助LoRa 技术，进而可以将边缘传感器采集到的数据传输给井下环网光纤，与此同时可以完成对数据的分析与分享，此外可以实现对异常数据的溯源。对于云服务层而言，可以实现对数据的汇集以及存储，与此同时还可以把数据传输给管理应用层。对于管控应用层而言，能够提供井下人员安全状况的数据信息，并且可以将其传输给系统管理人员，这时管理人员可以借助管控应用层给工作人员发出指令，从而可以实现应对紧急事件的功能。

2.2 边缘感知层

2.2.1 硬件设计

边缘感知层对井下工作人员的安全、运动以及相应的周围信息进行监测。与此同时将采集获得的数据进行分析，由此可以看出在选择边缘感知层时，必须充分考虑硬件的数据处理能力。为此该系统选用的内核处理器为ARM Cortex-M，并且该硬件还具有较强扩展性。图2表示构建的边缘感知层硬件结构，主要包括如下几个方面：第一，数据采集模组；第二，运算处理模组；第三，显示以及输入模组；第四，LoRa通信模组等。

2.2.2 软件设计

边缘感知层结构模组中，其拥有独立的数据处理单元，在将数据进行处理后，可以将其输送给运算分析模组。数据采集单元选用ARM Cortex-M，变成语言为C语言，从而可以对数据进行分析。接着借助SPI将处理后的数据传输给运算分析模组[2]。图3 表示运算模组程序运行流程，其包括两个子单元：第一，驱动程序；第二，MySQL数据库等。

2.3 雾决策层

2.3.1 硬件设计

雾决策层功能包括两个方面：第一，无线网关；第二，雾决策。LoRa 无线通信能够实现无线网关功能，其可以借助无线网关将从雾决策层获得的数据传输给云服务层。这样可以实现借助以太网进行高速环网的连接。为了能够有效地提高雾决策的高效性，通常选用4 核4 线程的Intel Pentium N420064 位微处理器，图4 表示雾决策层的结构框架，主要包括如下几个单元：第一，LoRa通信模组；第二，人机交互模组；第三，以太网通信模组等。

2.3.2 软件设计

由于雾决策层具有较多的功能，因此在设计软件的过程中，依据相应的模块进行设计，可以对各个应用进行调用。图5表示雾决策层的模块组成结构，主要包括如下几个方面：第一，无线连接单元；第二，数据收发单元；第三，数据存储单元；第四，数据交互单元；第五，数据报表处理单元等。LoRa 无线通信模组在进行数据传输的过程中，往往需要借助收发解析。在进行数据解析的过程中，数据标头可以对数据管理进行判断。假如接收的是无线连接请求，那么可以借助无线连接管理程序进行处理。假如数据属于正常的数据交互，那么仅仅需要调用数据包进行处理。

2.4 云服务层和管控应用层

通常情况下，云服务层与相应的管控应用层而言，其管理的重心为如下三个方面：第一，监控系统管理人员；第二，接受边缘感知层传递过来的数据；第三，接受雾决策层传递过来的数据。与此同时，将信息传递给管控应用层以及将数据显示给管理人员。

2.4.1 云服务层软件设计

通常情况下，云服务层运行程序包括三个方面：第一，数据收发层；第二，数据储存层；第三，管控应用层。在数据收发层中，对于数据的收发并不需要较大的计算量，只要能够满足最大数据传输量的需要即可。通常数据储存层，不仅需要满足数据储存，而且将需要的数据传输给管控应用层。图6 表示云服务层程序结构图。

2.4.2 管控应用层软件设计

管理控制层进行人机交互，通常可以实现如下几个功能：第一，采集井下人员的安全情况；第二，周围环境信息；第三，工作人员的运动情况，图7表示管理控制层程序流程结构图。

3 应用效果评价

该系统在工程实践中发现，经过长达六个月的测试，该系统运行稳定，其具有较好的抗毁伤能力。系统也可以实现各个设定的功能，可以精准地捕获井下工作人员的安全状况。通过数据分析发现，该系统共计检测到14 起人员不适的情况，其中主要以心跳加速为主，并且将存在有问题的员工及时地撤离。经过有关人员测试发现，该系统可以为公司节约150万的人员事故开支[3]。

4 结语

安全生产是煤矿的首要任务，由于当前云岗煤矿在人员检测方面存在一定的问题，因此以此为出发点不断完善井下人员安全监控系统，其包括如下几个方面：第一，边缘感知层；第二，雾决策层；第三，云服务层；第四，管控应用层等。经过工程实践发现，该系统具有较好的稳定性，能够满足工程的需要，具有一定的推广价值。