基于物联网技术的煤矿安全生产

题目：基于物联网技术的煤矿安全生产学院：应用科技学院（儋州校区）专业：网络工程（物联网方向）姓名：张伟伟学号：20102820320091[物联网课程综合设计]基于物联网技术的煤矿安全生产1摘要煤炭工业作为我国的基础产业之一，在国民经济发展中有着举足轻重的作用，由于煤炭开采所处的生产环境恶劣，致使煤矿安全问题较其他行业更为重要。且我国煤矿安全状况不容乐观，安全事故频繁发生，如何切实有效地预防事故的发生，已成为煤矿安全生产和安全管理工作迫切需要解决的问题。随着信息产业的迅猛发展，特别是近年来物联网技术的研究和应用，将给人类社会带来革命性的变化。而将物联网技术与煤矿安全生产完美结合，将会是煤矿安全生产监测监控技术水平发展的一个新的里程碑。本文首先阐述物联网技术的基本概念。其次通过分析国内外煤矿生产现状，提出建立煤矿安全生产检测与控制系统的必要性，并且基于物联网技术，设计一个更为安全的煤矿生产系统。最后提出对未来煤矿安全生产的设想。关键词：物联网技术；煤矿生产；安全性基于物联网技术的煤矿安全生产2目录1物联网技术综述…………………………………………………………………（3）1.1物联网的概念…………………………………………………………………（3）1.2物联网技术体系………………………………………………………………（3）2国内外煤矿生产现状与分析…………………………………………………（3）2.1国外煤矿生产现状…………………………………………………………（3）2.2国内煤矿生产分析…………………………………………………………（4）3煤矿安全生产系统设计…………………………………………………………（4）3.1构建矿井内部结构图…………………………………………………………（4）3.2安装传感节点及控制装置……………………………………………………（5）3.3架构传输网络…………………………………………………………………（6）3.4建立信息控制中心……………………………………………………………（7）3.5系统结构示意图……………………………………………………………（8）4总结与展望……………………………………………………………………（8）4.1系统设计总结………………………………………………………………（8）4.2煤矿安全生产展望…………………………………………………………（8）参考文献…………………………………………………………………………（9）基于物联网技术的煤矿安全生产31物联网技术综述1.1物联网的概念随着信息领域及相关学科的发展，不同领域的研究者对物联网思考所基于的起点各异，对物联网的描述侧重于不同的方面，短期内还没有一个权威、完整和精确的物联网定义。大多数比较偏向的物联网定义[1]是信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化，在物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互方式，并通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为，是信息化在人类社会综合应用达到的更高境界。1.2物联网技术体系物联网的技术体系框架[1]包括感知层技术、网络层技术、应用层技术和公共技术，这也体现出了物联网的三个基本特征，即全面感知、可靠传输和智能处理。三个层面之间信息流、指令流的传递及整个技术体系框架的各部分之间的关系如图1-1所示。图1-1物联网技术体系框架2国内外煤矿生产现状与分析2.1国外煤矿生产现状据有关数据显示，国外煤矿开采主要以露天采矿为主。以美国、澳大利亚等先进国家为例，美国露天开采占61%，而澳大利亚占83.8%，对与矿井开采，国外发达国家基本上实现了高度机械化，井下工作人员少，全矿的巷道基于物联网技术的煤矿安全生产4布局简洁，巷道面积大、风流通畅，一旦发生灾变时，易于撤离，伤亡人员少。从以上两个方面可以得出，国外煤矿生产的安全性是比较高的。2.2国内煤矿生产分析据国家安全生产监督管理总局粗略统计[2]（表2-1）可知，我国煤矿生产正走着一条高投入、低产出、高能耗、低回报的粗放型的经济增长道路,尤其是安全问题特别突出,事故接连不断。对于这样的现状，其主要原因有：国内煤矿生产面临着技术装备相对落后、安全设施不完善、从业人员素质差、管理水平有限等诸多矛盾。其中，煤矿生产过程中的安全检测与控制是长期困扰我国煤矿安全生产的主要难题,更是制约我国煤矿走本安型矿井之路的瓶颈和障碍。年份瓦斯事故死亡人数2009年405起5986人2010年327起4746人2011年272起3783人………………表2-1煤矿部分事故粗略统计表因此，着力解决和处理好这个问题已经迫在眉睫。随着信息产业的发展，将物联网技术与煤矿安全生产完美结合将会是煤矿安全生产监测监控技术水平发展的一个新的里程碑。3煤矿安全生产系统设计3.1构建矿井内部结构图为了实时掌握矿井下每个位置的具体情况，就要对矿井内部结构有足够的了解。本系统采用OptechCMSv400三维扫描系统，对矿井进行三维扫描，通过计算机软件，从而构建矿井模型。这不仅有利于下一步在井下安装传感节点，更能让地面控制中心完全掌握矿井下的情况，以应对井下一切突发事故。基于物联网技术的煤矿安全生产53.2安装传感节点及控制装置煤矿生产对安全性要求很高，需要检测的信息有很多，比如甲烷、一氧化碳、二氧化碳、风速、压力以及温度等。这直接决定了要在井下安装多种传感器，比如压力传感器、温度传感器以及其他各种气体检测传感器。为了减少安装传感器的数目，本系统采用一款带有微处理器的多参数智能传感器[3]。该传感器基于ARM7TDMI的S3C44B0X为主处理器,利用了S3C44B0X自带的8路10位精度的AD转换器，只需少量的外围电路即可满足要求。其工作原理框图如图3-2-1所示。图3-2-1多参数传感器工作原理框图在煤矿生产中，最重要的就是工作人员的安全问题。本系统采用RFID射频识别技术[6]，实时掌握工作人员的具体位置，读取他们的信息，然后反馈到矿局信息控制中心，图3-2-2为RFID系统结构图。视频监控系统主要是了解井下煤矿生产的具体情况，以及在遇到突发事件时，指挥救援人员快速、有效的救援。图3-2-2RFID系统结构图基于物联网技术的煤矿安全生产6为了能快速、准确地应对井下各种突发事故，本系统采用井内自动控制装置与地面人员控制相结合的方案。针对矿井下具有各种易燃、易爆以及有害气体，在井下安装自动报警装置与灭火、换气等自动控制装置。同时，地面控制中心通过信息采集传输装置，来对矿井进行实时监控。这样能在事故发生的第一时间内，采取应急措施，将事故程度降至最低。3.3架构传输网络由于矿井内结构错综复杂，以及环境的特殊性，不宜布线。但为了确保采集的信息能够及时传输到控制中心，所以本系统采用有线和无线混合传输网络[4]。即将矿井防爆工业以太网作为井下监控的骨干网络，采用光纤工业以太网与现场总线多主传输的网络相结合的体系结构，主要架设在地形较为开阔、方便布线的主巷道区域。在地形相对狭窄的支巷道和人员不易或不能到达的区域，如采空区、井筒内等，构建无线传输网络。利用无线传输网络的自组织、多跳路由、动态拓扑等特点，实现井下监测监控的无缝覆盖。图3-3-1为矿井网络传输系统结构。图3-3-1矿井网络传输系统结构基于物联网技术的煤矿安全生产7此传输网络将无线传感器网络与光纤骨干网通过嵌入式综合接入网关实现互联。光纤骨干网将无线传感器网络和有线传感器网络采集到的信息发送到井内自动控制系统和地面监控中心，井内自动控制装置根据安全参数目标，对井内进行自动控制，地面监控中心根据收集到的信息对矿井生产进行实时监控，随时注意矿井中各地段、各区域的参数目标的变化情况，对突发情况做出迅速的应急反应，根据准确的定位技术，向危险区域发出预警信号等。3.4建立信息控制中心为了规范、系统地监控煤矿安全生产，可以在MicrosoftVisualStudio2012环境下设计一个煤矿安全管理系统。也可以使用SIMATICWinCC组态监控软件。两者都能与移动信息化服务器相耦合，为煤矿企业提供基于移动无线网络访问内部综合监控管理系统的解决方案。煤矿的管理人员能够通过移动终端或电脑客户端随时随地接入系统，及时了解矿井的生产状况和安全状况。当矿井下监测的数据发生异常时，井下报警器系统能够及时报警。管理系统智能的采取相应措施，同时向应急指挥室和地下人员发送事故地点及原因。图3-4-1为某煤矿管理系统界面。图3-4-1某煤矿管理系统界面基于物联网技术的煤矿安全生产83.5系统结构示意图图3-5-1是一个基于物联网技术的煤矿安全生产系统示意图。图3-5-14总结与展望4.1系统设计总结煤矿安全生产系统是基于物联网技术设计的，其中主要包括多参数传感器的设计与使用、利用RFID技术实现井内人员定位、传感网络通信、信息中心智能控制等内容。在系统设计过程中，多参数传感器的设计以及整个系统的性能测试比较困难，但总体上该系统的实现是可行的。4.2煤矿安全生产展望随着科学技术的快速发展，先进的设备在一定程度上的确提高了煤矿生产的安全性，但是由于外界因素干扰以及系统本身的不完善，依然会导致煤矿事故的发生。为了更好地提高煤矿生产安全性，系统应具备高度的可靠性、实时性、稳定性。在未来的煤矿安全生产系统中，多参数传感器要具有高灵基于物联网技术的煤矿安全生产9敏度、传输网络要高度实时可靠、自动报警器及应急设备要高度智能化，只有这样才能更大程度的降低事故发生的概率。参考文献[1]凌志浩.物联网技术综述［J］.自动化博览，2010（S1）：11—14[2]张有狮.浅析我国煤矿安全生产现状［J］.山西焦煤科技，2009(04)：43—46[3]陈志刚,王天福.基于ARM7的煤矿多参数采集传感器［J］.微计算机信息，2007(23)：176—178[4]赵洪刚，刘增宝，王鲁，张永晓.工业以太网控制系统在煤矿井下的应用[J].煤炭技术，2006(06)：46—47[5]王小朋.基于多传感器信息融合的煤矿环境探测与危险评估[D].山东：山东大学，2007[6]任晓强，贾瑞生.井下RFID定位系统的实用技术研究[J].山东轻工业学院学报，2008(03)：84—85