煤矿安全监控系统智能化水平的提升研究

＊白 莉

（山西省能源职业学校 山西 030006）

在国内安全技术不断发展的同时，国家对智慧矿山的高度重视，煤矿企业对监控系统的个性化和智能化要求越来越高，已有的监控体系面临的问题也越来越突出，例如，目前的监控体系架构相对繁琐，功能不够完备，由于各装置之间无法进行有效的整合，无法对所收集到的资料进行综合分析，造成数据的使用率较低。尽管最近几年，我国许多学者都对矿井安全监测体系做了许多研究，但是大部分的研究都是围绕着矿井安全监测体系的运营和维修方面展开的，许多学者都在研究如何提高矿井安全监测系统的自动化和智能化。通过对实际工程的调研与分析，从数据采集、系统架构、设备的智能化水平等多个角度对监控数据进行了处理。在此基础上，从数据的处理、应用等方面对矿井的智能化水平进行了研究。

1.煤矿智能化概念

随着人工智能、大数据、物联网技术的快速发展，现代煤矿产业的智能化水平也取得了长足的进步，现在已经形成了集感知、分析、决策为一体的智能控制系统，可以确保煤矿施工各个环节的自动化运行。

2.安全监控系统与智能化建设要求差距

（1）系统传输架构相对较复杂。在使用有线通信的情况下，传感器与地面控制中心之间信息传输要经历3 个中继站。在无线通信系统中，传感器与地面控制中心之间信息传输要经历4 个中继站。由于数据传输的网络结构较复杂，检修困难，且外部环境容易对网络造成干扰。

（2）该系统功能不完善，采集数据少，自主分析数据的功能差，现有的传感器只能收集到环境中的有毒、有害气体及装置的工作状况，没有收集到其他相关的数据。并且对所收集的数据，该系统并没有充分的分析，例如，检测到开采面的气体含量逐步上升，无法判定前面是否有地质构造，是否要加大通风量来稀释气体等。

（3）井下监控系统设备按照功能可以分为供电设备、通信设备、信号采集设备等。由于监控系统需要采集大量的数据，同时传感器类型单一，为了更加全面地采集信息，需要布设大量的传感器。为了减少传感器布设的数量，可以采用多参数传感器。

（4）不同系统间的设备难以有效联动。目前矿井中设备的融合主要依托的是地面的控制中心，但是该方法无法难以实现设备间的高效融合，同时存在较大的延迟，功能较为单一。

（5）该系统不能进行高效地自我诊断。在该系统中，如果传感器安装在不正常的情况下，不能准确地识别出故障，并且不能判断停电阈值的设定是否合理。同时，在系统发生故障时，无法进行自我修复，并且传感器的故障会对系统上的其他零部件产生影响，造成整个系统的瘫痪。

3.提高安全监控系统智能化水平的思路

(1)减少传输层级和实现硬件融合

常规的安防监控体系是3 层或4 层结构，采用以太网+总线方式进行监控，该监控体系存在的问题在于需要布设大量的设备，线路结构较为复杂，花费的费用较高，并且影响数据的传输效率，系统巡视周期较长。所以，把数据的采集、处理、运算和交互等各个环节都整合到一个多用途的监测分站上，并通过一个多用途的监测分站来搭建一个自组织的传送平台，从而建立从有线的传感终端到地面的中央站的二级传送结构，简化网络传输的结构。二级传送体系结构简单，维护周期短，建设费用低廉，稳定性高的优点。

多功能监控分站可以同时不同传感器的数据进行采集，还可以对设备运行的实时数据进行采集，并且能够实现不同通信系统之间的通信转换和连接，从而提升系统工作的可靠性，加强系统间设备的融合性。

(2)装备智能化

装备智能化需要大量的数据支撑，只有采用多样化的设备，同时提升装备的计算能力，才能够确保智能化水平的实现。所以，为了提升装备的智能化水平，可以从提升装备水平和运算水平两个方面实施。

①多功能监控分站智能化

多功能监控分站的作用作为监控系统最重要的模块，其作用包括数据的采集、转换和传输，同时将系统设备进行有效融合，所以，要重视提升监控分站的智能化水平。

A.多功能监测分站采用多信号传输的接口，根据信号传输的方式还有连接设备的差异进行通信方式的选择，如无线传输主要采用的通信方式为Wi-Fi，监控分站与中心站和传感器等之间的通信方式为以太网。

B.强化异地交叉控制水平。为了确保在脱离主干网络的情况下，一样能保证多功能分站能够实现区域内的设备状态数据监测，定位人员位置，播放应急广播信息。

C.在远程升级上，完成了对矿井多用途监测系统的现场遥控升级。在多功能监测分站添加或改进某些功能后，不需要维修人员去矿井下逐个修改装置，只要在中央计算机上按一下对应的装置，就可以对矿井下装置的程序进行升级，从而大大减少了对工作人员的需求。

D.智能化的多用途分站应该具备能够对每一条线路上所接传感器的种类、量程和访问时间等进行自动辨识的能力。在实际应用中发现，由地面中心台确定的传感器类型及范围，并不能满足工程现场的要求，造成了大量的错误报警。通过对多功能监控分站的改造，实现了对各通道上各传感器的种类、量程、存取时间的自动识别，并将其实时传送至地面的控制中心，由工作人员按照上传的数据对其进行设定，防止由于设定失误而引起警报，实现了从被动式到积极式的转变。

②电源箱智能化

在煤矿中，常用的电压等级通常为127 V、380 V、660 V 三种，在传统的变压器中，一般采用变压方式为抽头，采用这种变压方式会造成电压出现较大范围的波动，当波动的幅度在15%以内时，电源箱能够稳定工作，一旦超出这个幅度，则电源箱就会出现故障，通信和数据监测功能受到影响。因此需要对电源进行智能化改造。

A.开关电源采用较宽的电压范围，在90～1200 V的范围内，开关电源能够进行快速的识别和切换，确保了在外部电源波动较大的情况下，本安电源和电源箱都能保证工作的稳定性。

B.本安输出功率为模块式，各模块各自独立工作，互不影响。

C.电源箱内参数检测。强化对电源箱运行参数的监测，保护电压、电流和温度等运行状态参数，同时还包括电池的充放电状态等，在采集到监测参数以后，及时上传到中心软件。电源箱上需要具有电源指示灯状态指示灯，并且能够在故障消除后恢复初始状态。

D.确保供电稳定。提供备用电源，在供电系统故障的情况下，备用电源应能立即接入，保障系统能够稳定工作4 h 以上，备用电源应具备电池管理功能，以免出现过充或者过放。

E.确保通信稳定。电源箱的实时状态信息应该能够传输到地面中心站，操作人员也可以通过通信网络对电源进行远程维护。

③传感器智能化

为了确保安全监控系统的稳定运行，需要采集大量的数据，传感器是确保数据完整性和稳定性的基础。以现代单片机技术为核心，研制新型的传感器，提高其工作效率与工作稳定性，丰富传感器检测参数的内容，完成了对传感器进行自检测、自诊断功能。

A.传感器数字化。所有传感器、断电器实现全数字化传输，使传输信息更多，内容更丰富。丰富传感器监测的内容，传感器需要对周边环境进行监测，还需要对传感器本身的工作状态数据进行监测，所有的监测数据最终上传到地面控制中心。

B.传感器分级报警。操作人员在软件端设置不同的报警阈值，并发送至传感器，传感器在获取到监测数据后，和已设置的阈值进行对比，确定故障等级并发出相对应的报警信号。

C.传感器精确定位。对传感器的安装位置进行精确地采集，并与预设的安装位置进行对比，保证传感器安装在预定的位置上。

D.模拟量传感器在线调校。在不需要在中心站软件上设定的情况下，每个星期都会定时对该传感器进行调校，并可以在当地和上传平台上自动展示调试状态，减轻了工作人员的负担，同时也避免了由于工作人员未及时进行调校出现的报警次数。

E.异常数据的自动标记与存储功能。在传感器正常工作的情况下，传感器可以自动地识别校准数据和异常数据，并且具备数据存储功能，用户可以通过远程控制来查询数据，但是不能进行手动地更改和删除[1]。

F.采用效率更高的开关电源，同时采用贴片型的元器件，能够大幅度提升传感器功率，使得传感器信息传输的距离增加。

G.为了最大限度减少外部环境对传感器的干扰，应对传感器采取防护措施，包括抗静电设计和防辐射措施等。

H.传感器采用不锈钢带包裹，外部覆盖注塑壳，使得传感器具有IP68 的防护水平。

4.提高系统数据分析能力

井下传感器采集到的数据通过数据转换和数据传输至中心站软件并存储，用户可以在软件界面进行数据查看和调取历史数据并打印；用户可以在软件操作界面上对井下的设备进行参数的定义。随着各种技术的发展，为了提升系统的智能化水平，软件还需要进行以下功能的扩展。

（1）增加即插即用功能。中央控制软件可以对每个测量点所连接的传感器种类、测量范围和访问时间等进行自动辨识，如果发现中央控制软件所设置的传感器种类和实际所安装的传感器类型不符，则不存储所收集到的传感器数据，并进行类型失配报警。

（2）传感器在线调校。当传感器工作正常时，可对其进行调试，这时，软件就能检测出调试状态，并为调试数据打上专用的记号，这样就可以把它与普通的数据区别开来。

（3）加强区域管理。对不同区域的传感器进行独立管理，一旦发现某个区域内部传感器数量或者工作状态异常，则可以迅速定位故障区域。

（4）提升系统自诊断功能。该方法以一定的时间间隔来收集数据，并对数据的变化趋势进行分析，按设定的门限值判断其是否存在问题，并提出相应的处理方法。

（5）增加传感器、控制器设置及定义诊断评估功能。可以按照基本的结构信息，对传感器装置和传感器报警、断电、复位门限的设定进行自动诊断，如果不满足规定，则无法正确地定义传感器，并给出声音提示报警。

（6）实现对工作站运行状态的监测。对工作站的供电模块、通信模块还有各设备之间的连接状态进行检测，当发现工作站状态异常时，及时发出报警信号[2]。

（7）划分不同的警报等级。根据故障可能造成的后果严重程度进行故障等级的区分，并确定不同的故障阈值。传感器采集到数据后，跟设定的阈值进行对比，从而确定对应的故障等级，并发出相应的报警信号，一般情况下，故障等级分类不得少于4 级。

（8）添加中心站对井下模拟量传感器进行远程升级的功能。如果传感器添加或者改进了某些性能，那么不需要维修人员深入井下或者替换到地面上去进行逐个的更新，只要通过中央控制中心的软件，就可以对该装置进行修改和升级，减少了工作人员下井的次数，降低了工作量和安全风险[3]。

（9）能够实现信息的快速查询和筛选。

（10）具备数据记录功能，自设备投入使用以后，系统可以对设备的操作数据、状态数据进行记录，并可将数据导出。

5.结语

通过对网络传输结构的优化，并且采用功能更加丰富的监控分站等措施，可以实现系统结构的优化，同时提升了系统的数据分析水平；增加中心站软件，操作人员在操控中心即可以实现对井下多种设备的程序更新，对不同设备功能的调节，减少工人下井的次数，使得监控系统的智能化水平大幅提升。