煤矿云平台监控系统研究

摘 要：为了解决煤矿产业中存在的信息不对称、危险源排查难度大、监控服务不全面等问题，使相关管理人员能够基于科学数据迅速且精准地掌握煤矿安全状况，进而有效应对各类安全问题并作出决策，采用物联网技术、云计算、大数据等手段，构建了一种新型高效的煤矿监控云平台。该平台集成了数据集成、信息共享、安全管理、数据分析、安全预警、故障诊断等功能，实现了煤矿智能监控、优化调度、需求响应等业务。基于该平台，能够高效解决煤矿企业生产过程中的各种安全问题，满足煤矿安全生产的需求。

关键词：煤炭开采；物联网技术；云计算；大数据；煤矿监控云平台；煤矿安全生产

中图分类号：TP391； TK01 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

煤炭是我国的基本能源，也是重要的工业原材料。当前，煤炭开采正朝着高强度的方向发展，并且伴随着多种灾害风险，导致煤矿事故频繁发生，因此迫切需要改善煤矿开采的安全条件。通过对近年来煤矿安全事故的调查和分析可知，造成煤矿事故的最主要原因是对事故危险源的信息采集不全面，以及信息处理决策支撑不足，使得决策缺乏科学性[1]。

从整体应用层面来看，传统煤矿自动化监控系统几乎都是独立建设和运行的小型系统，并且采用单系统单业务模式。这种情况下会存在“信息孤岛”现象严重、业务互联互通不足、数据价值挖掘利用差等问题[2]。传统煤矿自动化监控系统包含4大子系统：压风系统、提升系统、水泵系统和供电系统。其整体架构如图1所示。

压风系统是煤矿中用于监控压风机的控制系统，负责实时监控通风主管路的压力以及压风机机体的各项参数。提升系统主要用来检测煤矿主井和副井的工作状态，实时监控制动油压、润滑站油压、主电机电流、提升机速度等参数。水泵系统是煤矿井下监测监控系统的重要组成部分，用于实时监测井下排水系统中水泵机组的工作情况。关键的监控参数包括排水量、电机电流、泵体温度等。供电系统则用来实现井上和井下变电所的远程集控功能，并且能够对配备高低压综合保护装置的供电柜执行遥测、遥信、遥控的“三遥”功能以及相应的控制操作。

煤矿云平台监控系统主要由物联网、云计算、大数据等先进技术构建而成，它整合了多个监测平台的数字资源，且具有搜集和剖析数据的能力，集数据集成、信息共享、安全管理、数据分析、安全预警、故障诊断等功能为一体，旨在为用户提供一种更为便捷、安全且实时的监控系统。通过这一系统，煤矿企业能够高效应对生产过程中的各类安全问题，迅速处理煤矿安全事故，从而有效改善我国当前煤矿安全生产所面临的严峻形势。

1 系统需求分析

1.1 煤矿安全监控系统存在的问题

煤矿企业对于所需的安全监测系统提出了越来越高的要求。从煤矿生产安全监测平台系统网络化、智能化、信息化的发展角度来看，当前的安全监测系统通过融合物联网技术和云计算，有效整合了多个监测平台的数字资源，实现了操控和流程的一体化集成。它将办公智能化与生产安全平台智能化有机融合，实现了科学高效的生产。然而，我国煤矿安全监控平台系统仍存在以下4个问题：

（1）子系统集成简单。目前的煤矿安全监控平台系统仅仅是对生产平台中的多个子系统进行了有效信息的简单汇总。虽然所有生产平台的内容都被统一集成在一个系统平台上，但仍然存在一系列问题，包括“信息孤岛”现象严重、业务互联互通程度不够、数据价值挖掘利用差、资源共享能力低等。

（2）子系统集成模式单一。煤矿企业的每个生产平台子系统都有自己独立的服务器，都是独自配置、维护，连接性不强。这导致各个子系统集成时硬件平台重复、繁杂，增加了不必要的维护成本。

（3）数据资源无法实现共享。由于平台系统在建立时受限于特定的平台网络，使得所建平台成为一个不够开放的信息系统和通信平台，这导致平台信息资源的可用性低、共享性差，也增加了平台系统的构建成本。

（4）自动化集成系统结构复杂。目前的煤矿安全监控平台系统只是将生产平台中的各个子系统数据通过网络汇总在一起。然而，随着煤矿企业的持续建设，子系统的数量将会增多，系统集成的复杂度也会提高，同时还会导致大量的资源浪费。

1.2 解决方法

随着生产平台的子系统数量不断增加，可以采用物联网模块和云平台技术相互融合的方式，设计一个云平台自动监控系统。通过云平台系统对各个子系统进行统一化管理，在高性能服务器上搭建虚拟服务器，充分利用现有硬件资源。在此基础上，建设煤矿企业私有化云服务器。

针对目前大量煤矿监控数据存储时只能实现简单的数据分析和逻辑控制，无法对特殊信息和报警信息类型进行区分的问题[3]，可以搭建一个云平台分布式存储系统。该系统可以为煤矿云平台提供可靠、安全的数据存储和显示服务。

1.3 煤矿云平台监控系统的性能需求

煤矿企业已经实现了安全生产的监测监控，但系统的后期维护和日常故障处理相对繁琐。随着煤矿企业的建设发展，生产平台中的子系统数量不断增加，集成平台的硬件投入也逐渐增多。煤矿中的各种监控子系统是独立建设的，没有形成统一的数据集成标准，导致数据共享和信息融合方面的问题愈发突出，故障频发，无法充分发挥自动化平台监测监控的功能。

为解决上述问题，提出以下性能需求：

（1）在Web网页端为用户提供煤矿安全监控系统、矿井人员定位系统以及煤矿生产监测系统各子系统的实时工况信息，构建系统运行的综合显示界面。

（2）在Web网页端主要采取可视化展示方式，并集成了实时数据监测、异常报警监控、历史数据查询统计以及图表展示等功能。这些功能能够直观清晰地呈现矿井工作人员的地理位置信息和异常数据相关信息[4]。

（3）实现各个子系统的历史数据查询和报表信息的查询功能，以及历史数据曲线的在线查看功能。

（4）提供基于B/S架构模式的系统搭建环境，用户通过浏览器输入具体网址即可查看相关系统的数据信息，并能通过操作界面对部分数据进行修改，实现系统的自动化监测监控。

2 煤矿云平台监控系统平台架构

在煤矿监测监控系统不断发展、系统集成规模不断扩大的过程中，为煤矿企业提供一套健全、成熟的基于云平台的煤矿生产监控系统，实现煤矿生产的智能化管理，是保障煤矿企业高效运作的关键[5]。

经研究发现，现有的煤矿监控系统已无法满足煤矿企业的发展和管理需求。因此，基于云平台的煤矿监控系统的建设需要达到以下3个目标：

（1）系统可扩展性

基于云平台的系统采用模块化编程技术，以实现功能的模块化和组件化。用户通过模块化编程，在不需要进行系统重新构建的前提下，就可以轻松对多个自动化系统进行集成建设，促进系统集成业务的发展。

（2）" 数据同步性

云平台系统的数据需要与底层煤矿自动化子系统的数据保持实时同步，并确保数据的安全性。

（3）远程管理性

云平台系统提供B/S架构下的Web端浏览服务，使各级管理员和技术员能够及时掌握煤矿生产信息并对设备进行远程控制运作。

现代化的煤矿企业将信息化、规范化和安全化作为生产管理的建设目标，对煤矿监控系统的集成性和可靠性提出了更高的要求。“互联网+”的出现促进了云平台、云计算、物联网技术与传统行业的结合。通过研究云平台、物联网技术、云计算与煤矿监控监测系统的结合，得到了可靠的方法来构建基于云平台的煤矿生产安全监控系统，实现多个子系统的集成、信息共享、智能决策，推动了煤矿产业的升级，对提升煤矿开采效益和科学监测监控水平具有重要的意义。基于云平台的煤矿物联网体系架构如图2所示。

基于云平台的煤矿物联网体系架构分为4层：

（1）感知与控制层：位于整个架构的最底层，其功能主要是实时监控、监测各个子系统，采集和上传系统中各设备相关数据信息。

（2）网络层：主要职责是构建可靠且稳定的数据传输网络，确保从感知与控制层采集到的数据能够准确无误地传输至云平台的实时数据库中。

（3）M2M层：其主要功能是部署过程控制系统，并负责开发和管理M2M系统应用接口，为煤矿云平台监控系统提供实时数据监测服务，实现煤矿安全生产过程的可视化监控。

（4）云平台层：位于系统平台架构的最顶层，其主要功能是将来自于感知与控制层的数据采用分布式方式进行存储，在云存储架构的基础上建立数据集群，为云平台提供数据的存储、解析、云端计算等各类服务。

3 煤矿云平台监控系统架构

3.1 云平台建设思想

以往各自动化监控系统和安全监控系统之间是相互独立的，这种应用模式在系统功能提升、数据统一以及数据的集中处理等方面存在诸多不便。为了提高煤矿的自动化管理水平，必须通过集中部署各子系统，实现对数据信息的分布式存储、快速处理和融合发掘。为了实现这一目标，引入了一台高安全性的物联网网关，它能够直接从底层的PLC[6]中提取数据并上传至云端服务器。这样一来，就能摆脱对传统自动化系统组态平台的依赖，在云平台上提供各种自动化系统的界面展示、远程控制和数据应用等服务。图3展示了云平台监控系统的架构[7]。

云平台监控系统的设计充分利用了云平台的分布式存储功能和数据管理功能。通过运用云平台的数据处理、计算分析以及决策支持能力，并结合其数据分布式存储特性，保障了数据的安全性和一致性，并在数据异常时提供了数据恢复能力。煤矿云平台监控系统的运用不仅能够降低企业管理成本，减少数据信息管理的复杂度，还能提高煤矿数据信息的安全性。

3.2 煤矿云平台监控系统架构设计

为了实现各个煤矿子系统数据的有效采集、可靠传输、安全存储以及高效上传，设计了煤矿云平台监控系统的实现方案。

该系统从底层的PLC采集数据，随后通过物联网模块将数据发送到云平台。系统利用嵌入式技术发掘云平台的互联功能，从而将自动化监控系统接入物联网。在煤矿专用的云服务器中，实现数据的采集和安全输送。通过云平台提供的云计算服务，采用私有云服务器，构建了基于云平台的自动化监控系统平台。云平台包括了煤矿端的采集监控服务器集群、煤矿级的云存储服务、云平台的数据服务中心以及云平台应用层软件系统。

为了解决传统部署方式存在的问题，系统采用了服务器虚拟化技术，通过在高性能服务器上搭建多个虚拟服务器，为煤矿云平台监控系统提供灵活的硬件资源[8]。采用云存储技术，将采集的数据进行云存储，为后续新增煤矿子系统提供可用的计算机资源，实现硬件资源的池化及虚拟资源的统一管理。云存储技术为煤矿建设庞大的数据中心提供了大数据平台，支持实时及历史数据的展示。在应用层开发了各种功能，包括数据分析、报警信息、故障预警等，为指挥系统提供决策支持。图4为煤矿云平台监控系统方案架构。

煤矿云平台监控系统包括底层的煤矿监控子系统、各子系统对应的虚拟服务器、云平台中的专用服务器、云监控平台以及煤炭集团和地方煤管局的数据上传通道。通过这一系统，实现了将煤矿中的数据信息上传至煤炭集团的数据中心，各级领导可以直接借助所提供的调度显示平台和调度指挥综合显示大屏进行管理和决策。

通过在高性能服务器上虚拟出服务器集群，满足了煤矿子系统升级改造和新建子系统对新硬件投入的需求。在系统内部，利用网络防火墙和局域网端口隔离技术，对煤矿内的办公网络和自动化集控网络进行了物理隔离。

云平台监控系统的专用服务器承担了连接各个煤矿中的自动化子系统的任务，通过直接与底层PLC进行实时通信，将采集到的数据存储于煤矿数据中心的数据库中。该服务器不仅集成了网关和防火墙功能，能够有效防范病毒的入侵和恶意攻击，同时还采用了基于嵌入式系统的硬件结构，将云存储、分析、转发服务、防火墙、服务器有机融合，以确保系统不仅具备高可靠性，还具有高安全性。

3.3 系统功能结构设计

煤矿云平台监控系统的主要功能是通过收集、分析和处理煤矿作业过程中所生成的数据，为煤矿集团的基础决策提供支持，并向监管部门提供真实、准确、全面的信息，以增强其监督管理能力，从而确保煤矿的安全生产。在设计煤矿安全监测系统时，需要考虑自动化技术的需求，配置相应的传感器设备，并关注平台系统的规范性和开放性。在满足系统功能需求和基本框架结构的基础上，制定系统设计的整体方案。目前设计的系统基本结构如图5所示。

系统由5个部分构成，每个部分的功能如下：

（1）用户管理：实行用户分级授权管理，通过身份验证的方式实现不同权限用户的资源与功能分配，不同权限的用户可以操作或者浏览不同的自动化子系统[9]。

（2）矿井监控子系统：收集煤矿作业过程中各监控子系统所生成的数据，通过煤矿数据中心的数据库，对历史数据和实时数据进行分析、处理，利用数据、表格、趋势图等内容，实现对煤矿作业情况的监控。

（3）专家系统：该系统主要根据报警信息、故障预警来应对、处理突发事件，实现应急预案的制定、发布，并实时记录落实情况。

（4）矿井人员定位系统：主要负责煤矿井下人员的定位，包括人员和设备的定位、动态监控等。该系统能够实时监测井下人员的位置，记录携卡人员的关键数据信息，并提供查询、报警和管理等功能。

（5）网络传输系统：该系统的作用是通过已部署可靠、稳定的数据传输网络，保证煤矿作业中采集数据的可靠传输，将数据传输到云平台的实时数据库中。以物联网技术为基础，通过CAN总线和GPRS网络相结合的方式实现井上井下的信息传递，有效解决多网、多系统融合等局限性问题[10]。

4 结 语

本文针对煤矿集团企业装配的多个煤矿监控平台系统存在独立设计、平台集成不足、数字资源集成分享与结合程度较低的问题进行了研究，提出了一种基于云平台的煤矿综合自动化集成系统。该系统融合了煤矿综合自动化监测系统中的各个子系统平台，实现了多平台系统中单独数据信息的高效结合。这一方案有效解决了煤炭监控中存在的多个单独平台集成难度大、构造复杂、服务器堆集状态严重、平台维护管理困难以及数据结合度低等问题。通过云平台存储数据，提升了煤炭综合自动化平台大量数字信息的存储安全性、可靠性和共享性，使煤矿综合自动化平台能够更加可靠和稳定地运行。这一创新为解决煤矿监测系统在数字资源整合方面的问题提供了有效的解决方案。

注：本文通讯作者为冯锋。

参考文献

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[3]黄祥祥， 李鹏， 王桂婷. 煤矿安全监控系统智能化建设及未来展望[J]. 山东煤炭科技，2018（11）： 86-87.

[4]张翼. 异常报警监视[J]. 能源与环保，2019，41（12）： 33-37.

[5]王红博.“互联网+”背景下陕西煤炭企业转型升级路径研究[D]. 西安：西安科技大学，2017.

[6]原水清. PLC技术在井下机电控制系统中的运用分析[J]. 能源与节能，2023（9）：200-202.

[7]韩丽， 李孟良， 卓兰，等. 《工业物联网白皮书（2017 版）》解读[J]. 信息技术与标准化，2017（12）： 30-34．

[8]刘聪睿，赵晋松，王涛，等.基于云平台的煤矿数据中心研究与应用[J].热力发电，2024，53（2）：153-161.

[9]毛凌翔. 运用软系统方法的信息集成研究[J]. 信息资源管理学报，2012，2（3）： 59-63．

[10]齐笑笑， 郭佑民， 齐金平. 一种新型煤矿安全监控数据采集装置设计[J]. 制造业自动化， 2018， 40（11）： 60-62.