智能化点检系统在煤矿开采设备中的应用研究

刘彩利，张 燕

(西安外事学院，陕西 西安 710077)

随着社会对煤矿资源需求量的不断提升，对煤矿开采效率要求越来越高，为了满足社会工业的快速发展，我国每年都会开展大量的煤矿资源，这对煤矿开采设备要求越来越高[1]。设备作为煤矿开采的重要基础，其可靠稳定运行是保证煤矿安全生产和提升煤矿开采效率的基石。但煤矿开采环境相对比较复杂，导致开采设备容易出现各种缺陷问题，比如机械变形、腐蚀、氧化等，对设备的正常运行构成了严重威胁[2]。为了保证设备的运行安全性和稳定性，通常需要定期对设备开展点检工作，目的在于及时发现设备存在的缺陷问题，并采取措施进行处理[3]。但传统的点检方案难以对工作人员进行监督，点检效率相对较低，难以保障点检工作的效果质量[4]。基于此，本研究充分结合煤矿实际情况，设计研究了智能化点检系统，可有效规避传统点检方案在实践中存在的缺陷问题，提升设备点检的质量和效果。在促进煤矿开采设备长时间可靠稳定运行方面发挥着非常重要的理论和实践意义。

1 智能化点检系统的整体方案和功能设计

1.1 系统整体方案设计

在充分考虑煤矿基本情况的基础上，对智能化点检系统进行了深入的分析与研究，设计的煤矿开采设备智能化点检系统整体方案框图如图1所示。从图1中可以看出，整个系统可以分为地面部分和井下部分2大块。其中，地面部分主要由地面工业以太环网、计算机、网关、防火墙以及数据服务器、Web服务器等部分构成，客户端通过交换机可以对服务器中的数据进行访问，掌握煤矿井下开采设备的点检结果；井下部分包含工业以太环网和交换机，客户端同样通过交换机与工业以太环网实现连接，还包括电子标签和点检设备，点检设备检测得到的结果会输入到客户端中，并通过工业以太环网传输到地面服务器中进行存储。

图1 智能化点检系统整体方案Fig.1 Overall scheme of intelligent spot check system

1.2 系统主要功能设计

(1)电子标签功能。现场点检工作时需要使用识别卡，当前主要有2种类型的标识卡，分别为条形码和RFID电子标签。前者价格低廉，但使用环境和条件比较苛刻，后者主要是将芯片封装在不锈钢外壳内部，利用芯片记载相关数据信息，可以对其进行多次修改使用，具有数据存储量大、环境适应性好、可远距离识别等众多优势[5]。基于此，本系统中使用RFID电子标签，一旦电子标签接受到点检设备发送的电磁波时，在电磁波驱动作用下，内部集成电路开始工作，并将点检项目编号等相关数据信息通过无线方式传输到点检设备中，确保其与现场检测数据保持一致，形成一组点检数据。

(2)点检功能。本系统中使用的点检设备即为工业测控仪器，作用是对煤矿开采设备的状态信息进行采集。具体操作时配合使用变速器和各类传感器等可以对设备运行中的电流、电压、速度、加速度、位移、压力、温度等各类状态信息参数进行采集。本系统中使用的点检设备体积相对较小，属于手持型设备，携带比较便捷，内置有嵌入式操作系统，配备液晶显示屏，可通过触摸屏与系统进行交互。点检设备的结构框架如图2所示。由图2可知，该设备使用的处理器型号为ARM Cortex M4，具有RFID读取模块，主要是对电子标签信号进行采集，还有各种信息采集模块，数据加密以及传输模块，电源供电模块，其中电源模块的作用是对设备其他硬件设施进行供电，确保能够正常运行。实时时钟模块的作用是对设备的操作时间点进行记录，时间记录结果和检测结果会一同通过蓝牙模块传输至客户端。

图2 点检设备结构框架Fig.2 Structure frame of spot check equipment

(3)综合管理平台功能。综合管理平台的作用是对煤矿开采设备点检的任务进行制定，对系统相关信息进行配置，对点检结果进行综合管理，统计分析得到想要的结果。具体而言，平台可以分为5个一级模块，依次为系统管理、任务管理、设备管理、缺陷管理和统计分析管理。

2 基于射频识别系统的点检数据采集

2.1 射频识别系统的结构

射频识别技术(RFID)属于短距离无线通信技术，可以在短距离内通过无线电磁波对数据信息进行传输，且可以实现双向传输[6]。射频识别系统主要由3大部分构成，分别为天线、阅读器和应答器，工作时阅读器通过天线与电子标签之间进行无线数据传输，对电子标签内包含的内容进行识别读取。阅读器的结构框架如图3所示，可以看出阅读器主要由射频模块、读写模块、电源电路以及处理模块等部分构成。

图3 阅读器的结构框架Fig.3 Structure framework of reader

电子标签是射频识别系统中的重要构成部分，很多信息都会以电子标签作为载体，电子标签设置在被识别物体部位。根据有无供电电源，电子标签可以划分成为3大类型，分别为有源标签、无源标签和半有源标签[7]。其中无源标签的发展历史最久远，应用相对较为成熟，在很多工业领域均有应用，因此本系统中已使用无源标签。无源电子标签的结构框架如图4所示，由图4可知，无源电子标签主要由射频模块、调制/解调模块、整流器、控制模块、存储模块等部分构成。

图4 无源电子标签的结构框架Fig.4 Structure framework of passive electronic labels

基于以上分析可以看出，无源电子标签和阅读器之间需要通过天线作为桥梁实现数据信息的传输。电子标签和阅读器中均设置有天线，其中阅读器天线必须具有良好的阻抗匹配特征。

2.2 射频识别系统频率的确定

电磁波的频率特征是非常重要的物理量，其频率大小会对无线传输过程的稳定性和可靠性产生重要的影响。根据频率高低可以将RFID系统的工作频段划分成为4类，分别为低频、高频、超高频和微波，不同频段均具有对应的特征。在综合考虑设备成本、使用环境和系统需求的基础上，本案例中确定的系统频率为13.56 MHz。已有的实践经验表明，该频段具有较快的数据传输速度，并且保密性能相对较好，最大识别距离可以达到1.5 m，完全能够满足本系统的实际使用需要。

2.3 射频识别系统工作模式的确定

目前射频识别系统的工作模式主要分为两大类，分别为电磁波反向散射RFID系统和电感耦合RFID系统，本案例中选用后者作为工作模式。阅读器对无源电子标签的读、写操作流程主要如下：①阅读器基于天线在一定半径范围内向外发射能量，并在周围形成电磁场，电磁场强度大小与设备类型工作频率等众多因素有关系；②当阅读器不断向电子标签靠近时，电子标签中的天线会接受到电磁场，进而产生感应电压和感应电流，在电子标签芯片内形成回路；③当产生的感应电流大到一定程度后，电子标签芯片激活，数据解调模块对脉冲信号进行解调，将相关结果传输至控制模块；④控制模块接收到指令后，将相关数据信息进行调制后向外发送；⑤阅读器对相关信息数据进行合法性验证后即可接受数据信息。

3 点检数据信息传输的设计

3.1 点检设备与客户端之间的数据传输

(1)传输方式确定。本系统中点检设备与客户端之间的数据传输需要使用短距离无线传输技术，目前此项技术的类型也有很多种，常见的包括WiFi、蓝牙、RFID、ZigBee等，不同形式的无线传输技术均有其对应的优势。本系统充分结合实际情况，选用蓝牙技术进行数据传输。工作时的频率为2.4 GHz，传输距离10 m，传输速率为1 Mb/s。优势在于成本较低，容易操作。

（1）生物性危害。生物性危害包括了致病性微生物及所带的毒素和寄生虫，其中有些不引起食品感官变化的致病性微生物（如副溶血性弧菌、沙门氏菌、甲肝病毒、痢疾杆菌）的风险更大[1]，其往往是导致食物中毒和食源性疾病的主要致病源。比如，玉米、花生中的黄曲霉毒素、霉变甘蔗中的节菱孢霉毒素，均可引起严重的食源性疾病。寄生虫有旋毛虫、肝吸虫、广州管圆线虫等。很多食物原料尤其是畜禽肉、禽蛋、水产和蔬菜，都可能污染致病性微生物和寄生虫， 操作人员如携带病原菌也可污染到食品[2]。

(2)基于蓝牙的数据传输工作流程。点检设备和客户端之间通过蓝牙技术进行通信时，需要将点检数据信息通过蓝牙从设备用传输至客户端中。本系统中的客户端为基于安卓系统的平板电脑，通常自动配备有蓝牙适配器，所以只需在点检设备中配备蓝牙装置即可实现与客户端之间的连接。基于蓝牙技术的连接过程及数据传输过程工作流程如图5所示。由图5中可以看出，客户端启动以后首先需要进行蓝牙连接，完成蓝牙配对连接后系统会将尚未提交的点检数据信息自动上传至客户端中。

图5 蓝牙连接及数据传输工作流程Fig.5 Workflow of bluetooth connection and data transmission

3.2 客户端与服务器之间的数据传输

(1)通信技术的选择。考虑到WiFi无线传输技术传输距离远、传输速度快、组网价格便宜并且操作方便等众多优势[8]。本系统中选用WiFi无线传输技术实现客户端与服务器之间的数据传输。客户端与服务器连接后，一方面客户端可以从服务器中下载点检任务，另一方面可以将客户端中的点检结果数据信息传输到服务器中进行存储。

(2)网络连接流程图。安卓系统对于超文本传输协议(HTTP)具有很好的兼容性，目前安卓系统中已经集成有HttpClient控件，利用该控件可以提供HTTP网络接口。客户端与服务器连接的工作流程如图6所示。由图6中可以看出，客户端首先需要创建HttpClient对象，在此基础上基于HTTP协议通过WiFi实现与服务器之间的连接，服务器对客户端的请求作出响应，客户端接受响应后可以获取数据并对其进行处理。

图6 客户端与服务器连接的工作流程Fig.6 Workflow of client server connection

4 智能化点检系统综合管理平台设计

前文已述，煤矿开采设备智能化点检系统综合管理平台涉及到很多方面的内容，受篇幅限制，主要对软件的整体结构、后端软件架构设计以及绘制图表的实现方法等进行详细介绍。

4.1 软件的整体结构

本文设计的点检系统需要同时对客户端和服务端进行应用软件开发，且全部基于经典的MVC设计模式进行开发。这种模式的优点在于能实现界面显示和业务逻辑处理之间的分离，可以大大简化应用软件开发的流程[9]。MVC设计模式下各功能之间的请求流程如图7所示。由图7可以看出共有3大模块，其中模型的作用是基于点检数据采集结果开展逻辑处理工作，视图的作用是对点检结果进行显示并与工作人员进行交互，控制器为模型和视图之间的桥梁，从视图功能中获得用户的输入信息，然后将其输入到模型功能模块中。3大模块之间的功能相对独立，但彼此之间又存在紧密联系。

图7 MVC设计模式下各功能之间的请求流程Fig.7 Request flow between functions in MVC design mode

4.2 后端软件架构设计

后端软件的架构如图8所示，从图8中可以看出，整个后端软件主要包括4个层级，分别为DAO层、事务层、控制层和表示层。其中，DAO层主要是对数据库进行操作，可以对数据库中的数据进行删减、增加、修改以及查询；事务层主要是对业务逻辑进行编写，通过业务逻辑对保存在数据库中的点检数据信息进行处理，业务逻辑本身也会存储在数据库中，可以反复的调取利用；控制层主要是对客户端的页面请求进行接收，并将结果进行返回处理；表示层的作用是在客户端页面中将结果进行展示，也可通过界面来设置系统的参数和方法。

图8 后端软件的架构示意Fig.8 Schematic architecture of back-end software

4.3 绘制图表的实现方法

图9 绘制图表的基本流程Fig.9 Basic process of drawing chart

可以充分结合实际情况，选择不同类型的图表，能够绘制的图表类型主要包括折线图、柱状图、区域图、饼状图、散点图等，对于较为复杂的双刻度、时钟、速度计等仪表图也能够绘制。由图9可以看出，利用该控件绘制图表时，首先需要选择图表类型以及容器，然后对图表基本属性进行设置，最后选择数据来源。

5 智能点检系统的实际应用效果分析

将煤矿开采设备智能化点检系统部署到煤矿工程实践中，并对其各项性能进行调试，对出现问题进行升级、优化、完善。系统经过调试后各项功能均能够实现，且能实现长时间的可靠稳定运行。智能化点检系统的投入使用，使得开采设备点检工作水平提升了一个台阶，点检质量和效率均显著提升。应用效果具体表现如下：

(1)点检系统中设置有状态声光指示功能，一旦点检过程中发现煤矿开采设备存在缺陷或故障问题，会向外发出声光报警，以提示工作人员及时采取措施进行处理，从而防止开采设备产生较大的故障问题，进而实现设备安全隐患的高速处理。

(2)通过对煤矿开采设备运行中的状态数据信息进行全方位的收集，并将其存储到数据服务器中。结合先进的数据分析与挖掘技术，可以对设备的工作状态进行预判，对设备潜在的安全隐患和故障问题进行提前预告。一方面可以采取对应措施进行预防，另一方面可以提前制定应对方案，从而缩短开采设备故障的排除时间。

(3)利用专业的手持式点检设备开展工作，工作人员可以通过交互界面直接录入相关内容，从而减小工作量。另外，设备会自动记录相关操作的时间，防止个别责任心不强的人员随意录入点检结果，规避虚假点检、漏点等违规现象。

6 结论

(1)智能化点检系统共分为2大部分，分别为井下部分和地面部分，2大部分均包括工业以太网环网。利用系统可以对煤矿开采设备的状态进行智能化点检，并将结果存储在服务器中。基于数据挖掘技术可对设备状态进行深入分析。

(2)手持点检设备基于RFID无线射频技术对无源电子标签中的数据信息进行读取，点检设备与客户端之间基于蓝牙技术实现数据信息传输，客户端与服务器之间基于WiFi无线传输技术实现数字信息传输。

(3)智能化点检系统的软件整体结构共可以分为3大部分，分别为模型、控制器和视图。后端软件主要包括4个层级，分别为DAO层、事务层、控制层和表示层。前端使用Highcharts控件绘制图表，可以获得多种类型的图表。

(4)将智能化点检系统应用到煤矿工程实践中，对其进行长时间测试后，各项性能均达到稳定状态。系统的成功实践应用使设备的点检工作质量和效率均显著提升，为煤矿企业创造了良好的经济效益和安全效益。