CN101175007A - 煤矿生产安全智能管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集人员定位、考勤、搜寻、危险气体监测、语音通信、生产过程监测为一体的智能安全管理系统。其监控中心服务器、操作终端通过交换机与无线通信装置相连；无线智能子站通过光缆与交换机相连，无线智能子站、无线通信装置和智能定位卡之间构成一个无线自组织网；生产过程监控单元通过无线智能子站或无线通信装置与交换机相连；软件系统用于信息采集、识别、传输、监测和管理。它可以准确的监测、定位和管理井下工作人员；紧急情况可通过手持搜寻器寻找定位卡，并在操作终端上实时显示或重现定位卡的移动轨迹；危险气体传感器可将其所处区域内的监测数据传输到监控中心服务器；无线通话器相互之间及与井上控制中心可通话。

Description

煤矿生产安全智能管理系统

技术领域

本发明涉及一种集人员定位、考勤、搜寻、危险气体监测、语音通信、生产过程监测为一体的智能安全管理系统。

背景技术

煤矿井下无线通信受到无线电波在“限定空间”中传播特性的约束，通信使用的频率要高于矿井的“截止频率”，不能使用绕射性能较好的短波频率，而直线传播的超短波、微波等频率又受到井下不规则地形的影响，传输距离大大减少，因此在井下基本上使用的是有线和无线通信方式相结合的通信方式(如：泄漏通信和感应通信等)，此类方式实际需要利用有线网络预先建立固定的基础通信设施，只是适当的扩大了有线网络的覆盖范围，在井下工作区域变动较大工作面(尤其是掘进工作面)，不能很好的提供通信服务。

无线自组网络技术的自我配置、多跳式无线接力连接、不需要基础通信设施、低功耗和较低的成本等特性正好适应井下无线通信的特点。可以用较高的频率，用视距联接的方式配置通信节点(这种相对固定的纯通信节点，其成本可能低于移动节点)，就能实现较好的无线连接。由于每个通信节点只是与其相邻的节点通信，因而不需要较大的发射功率，即降低了每个通信节点的成本又降低功耗，完全可以采用电池供电方案，增加了通信系统的灵活性，便于安装和维护。

目前，井下人员定位、在掘进面和采煤面等处实现无线在线式的瓦斯实时监测，对井下工作面附近的人员提供其与井上的语音通话，有利于生产管理和安全监督；所以利用无线自组织网络技术实现对煤矿井下的安全生产有非常现实的意义。

随着802.11系列标准的制定，计算机产品性能的持续性提高，价格的一路下调，便携式计算机的普及，欧美发达国家的无线通信业者，软件供应商，硬件厂商均不遗余力的在加紧无线局域网系统研究的同时积极开发自组织网络相关产品，以期在未来的竞争中占据有利地位。自组织网产品价位合适、使用灵活，组网迅速能广泛应用于军事、家庭、公司、事件的突发现场等多个领域。

由于自组织网具有很高的抗毁性和灵活性，而被各军事强国应用于战略和战术综合通信。早在1981年，美国就为海军特谴部队提出了一种高频自组织网，1991年美军又研究了一种“改进型高频数据网”，充分应用了短波自组织网技术。1994年美国陆军通信电子司令部进行了名为抗毁自适应系统的演示，该演示以宽带技术为基础，改善了战术通信的机动性和生存能力。自组织网技术还为各国正在全力开发的单兵作战系统提供了技术基础和保障。北约各国为了提高单兵的全天候作战能力都制订了相应的发展计划，例如：美国的地面武士(LW)计划，英国的FIST计划，法国的SC系统，荷兰的D2S2系统等。而未来的单兵通信系统主要的发展方向为宽带化、手持或便携式个人移动终端，自组织网技术正是建立完善的单兵通信系统的核心技术，它对发展单兵作战系统起到了关键的作用。

自组织网在民用领域的应用同样不可估量。随着无线网络技术在各领域的兴起和我国自组网络市场的逐渐形成，自组织网的应用前景十分乐观，它可以普及到每一个组织团体，每一个家庭，而为国内的无线通信业界开拓出广阔的市场，而产生不可估量的经济效应。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有煤矿井下智能安全管理系统的缺陷，利用无线组网技术实现一种煤矿生产安全智能管理系统，使入井作业人员的信息得到及时采集和跟踪监测，能实时定位作业人员位置，并采集各个生产过程监控单元的数据，并将数据传送到地面监控中心，为突发矿难事故救援工作提供最急需的基本信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种煤矿生产安全智能管理系统，该系统由硬件系统和软件系统两部分组成，其特征在于：硬件系统由监控中心服务器、操作终端、IC卡读卡器、交换机、无线智能子站、无线通信装置、手执搜寻器、无线通话器、生产过程监控单元和智能定位卡组成；无线智能子站通过光缆与交换机相连，无线智能子站与定位卡之间、无线通信装置与定位卡之间、无线智能子站与无线通信装置之间均可建立无线通信连接，构成一个无线自组织网识别区；生产过程监控单元通过无线智能子站或无线通信装置与交换机相连；每个无线智能子站与附近的多个无线通信装置之间通信，无线智能子站与无线通信装置均有自己的唯一的ID地址，其ID与其所安装位置及通信覆盖区对应，智能定位卡通过无线智能子站或无线通信装置与任意一个无线智能子站或无线通信装置通信便可定位其所处区域；软件系统包括嵌入式软件和应用软件两部分组成，用于完成信息采集、识别、传输、动态监测、移动目标轨迹重现和管理。

所述煤矿生产安全智能管理系统中无线智能子站包括本安板、ARM板、通信天线和识别天线；本安板与识别天线相连完成识别信息的收发，本安板与通信天线相连，负责无线智能子站之间的无线通信；ARM板与本安板和光纤转换器相连，无线智能子站通过光纤转换器与地面监控中心服务器相连，无线智能子站安装在矿用阻燃防爆箱内。

它们将检测到的无线智能定位卡信息送到地面的主机中，使系统完成井下人员考勤和定位跟踪的功能。并且可以在一定程度上不依赖井上的中心设备管理无线自组织网工作；防爆箱中的蓄电池负责分别给本安电路和防爆电路供5V电源；蓄电池负责在127V交流电中断时给整个子站供电。

所述煤矿生产安全智能管理系统中每个无线智能子站与多个无线通信装置构成一个无线通信识别区，在此无线通信识别区内由无线智能子站、无线通信装置和智能定位卡构成一个无线自组织网。无线智能子站、无线通信装置、智能定位卡、手执搜寻器、无线通话器相互之间通信频段在900MHz-6GHz之间，其中无线智能子站和无线通信装置设有两个相同的工作频率F1和F2，其中F1用做与智能定位卡和手执搜寻器建立通信，F2用做与无线通话器建立通信，F1与F2的信道间隔应大于100MHz。

所述煤矿生产安全智能管理系统中的智能定位卡由天线、收发电路、高能电池和嵌入式处理器及其软件组成；智能定位卡发射唯一的识别码信息给无线智能子站或无线通信装置，实现与无线智能子站或无线通信装置通信后便可确定其所处位置，其运动轨迹可通过软件显示出来，或通过调用数据文件实现其运动轨迹的再现，智能定位卡为本安型。

所述煤矿生产安全智能管理系统的手执搜寻器，煤矿井下的无线自组织网不一定覆盖到井下所有地方，或者遇到意外发生后，可能其也会受到不同程度的破坏，一个可以移动的手执搜寻器是十分必需的，不但能寻找人员携带的智能定位卡，而且，还自动与预先设置的无线智能子站、无线通信装置通信，使搜救工作有效进行。

所述煤矿生产安全智能管理系统的无线通话器通过无线智能子站或无线通信装置实现互相通话或与井上控制中心通话，其通话设备为骨导送受话器。

所述煤矿生产安全智能管理系统中的危险气体传感器可通过无线智能子站或无线通信装置将监测数据传输至操作终端，确定该区域内的危险气体数据；危险气体传感器为矿用阻燃防爆设备。

所述煤矿生产安全智能管理系统中人员监测管理软件及数据库实现对井下人员信息和各类监控信息的采集、跟踪定位、分析处理、实时显示、数据库存储、报表打印功能。

本发明的主要特点是：

1)它是一种集人员定位、考勤、搜寻、危险气体监测、语音通信、生产过程监测为一体的智能安全管理系统；

2)系统采用模块化设计，可根据不同应用需要配置；固定设备安全可靠，便于安装和维护；移动设备方便携带；

3)系统采用无线自组织网技术，实现煤矿井下安全和生产信息监控、通信等功能；

4)该系统补充目前“煤矿安全监测系统”在井下工作面等处安全信息监测不足的弱点，进一步提高煤矿安全监控水平；

5)通过本项目的研究和实施，在煤矿安全监测系统中巷道监控和报警数据传输均利用无线传输代替监控电缆的应用和管理方式，达到降低系统消耗费用和减少维护工作量的目的；

6)通过本项目的研究和实施，建立一套在煤矿井下能独立运行(采用无线自组织网技术)的煤矿生产安全智能管理系统，为实现我国煤矿井下的安全、生产管理的现代化做贡献。

本发明的有益效果是可以准确的监测、定位和管理井下工作人员的数量、所处位置、个人情况及巷道情况等信息，提高控制矿难发生的能力，减少矿难发生的次数；还可在矿难事故发生后为及时做出准确、科学的解决方案提供详实的数据，提高煤矿井下管理效率。

附图说明

图1为本发明煤矿井下智能安全管理系统总体组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示为一种煤矿生产安全智能管理系统总体组成框图，该系统由硬件系统和软件系统两部分组成，其特征在于：硬件系统由监控中心服务器、操作终端、IC卡读卡器、交换机、无线智能子站、无线通信装置、手执搜寻器、生产过程监控单元和智能定位卡组成；无线智能子站通过光缆与交换机相连，无线智能子站与定位卡之间、无线通信装置与定位卡之间、无线智能子站与无线通信装置之间均可建立无线通信连接，构成一个无线自组织网识别区；生产过程监控单元通过无线智能子站或无线通信装置与交换机相连；每个无线智能子站与附近的多个无线通信装置之间通信，无线智能子站与无线通信装置均有自己的唯一的ID地址，其ID与其所安装位置及通信覆盖区对应，智能定位卡通过无线智能子站或无线通信装置与任意一个无线智能子站或无线通信装置通信便可定位其所处区域；软件系统包括嵌入式软件和应用软件两部分组成，用于完成信息采集、识别、传输、动态监测、移动目标轨迹重现和管理。

其中应用软件中的人员考勤系统的工作原理是：在煤矿的井口处设有安全帽、矿灯领取处，下井矿工到此，凭矿工身份卡领取矿工智能定位卡；刷卡的同时系统将记录领取人的身份信息、时间信息及智能定位卡信息，从此时井下人员定位系统将把此矿工同被领取的智能定位卡联系起来，判断其是否下井并对其实施定位跟踪和各种信息处理；矿工上井离开时需要刷卡并归还智能定位卡。

人员考勤系统主要用来记录当天矿工下井、出井时间信息，用于生成人员每月的考勤汇总报表。遇到意外时是统计井下人数的主要手段，此数据也可同上级安全监管单位报送，使他们能实时了解井下人数等有关情况。

其中应用软件中的井下人员定位系统的工作原理是：在井口、井下的关键节点上(如顺槽入口处)预先架设无线自组网的固定终端(无线智能子站、无线通信装置)，通过它们感应智能定位卡上的无线信号强度，计算出人员的移动方向和轨迹，实现定位功能。

人员定位系统用来收集井下作业人员的位置信息，一旦发生安全事故，通过该系统立刻可以知道作业面工作人员的数量和分布情况，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作；同时此系统也是生产管理的辅助手段。

其中应用软件中的井下安全监控系统的工作原理是：在井下所布置无线自组织网的固定终端上(在必须的地方可以增设无线智能子站、无线通信装置)安装危险气体传感器，并将探测值通过网络上报给井上的安全值班人员，及时应对各种突发事件。

其中语音通讯系统的工作原理是：目前，井下无线通话系统主要有两类，一是泄漏通信系统，二是“小灵通”系统，但他们都是不能离开中心基站的通信系统，在掘进工作面、采煤工作面等变动较大的地方不易安装固定式基站，因此在这些地方使用效果会不佳，我们可以利用无线自组织网，使用无线通话器实现无中心基站的语音通信；并且使用骨导受送话器克服采掘面噪音的影响问题，大大提高通话的质量和可靠性。

其中井下生产过程监控系统的工作原理是：把采掘生产设备监控系统、皮带运输监控系统、辅助生产设备监控系统等子系统数据进行集中监控，并实现生产及辅助生产各类运行参数的统计并上传至矿区办公局域网，这样使得煤矿生产和管理更加科学高效。同时将一些主要生产数据和安全情况向上一级管理部门进行汇报，上一级管理部门可以通过这些数据对煤矿进行远程实时监视。

现有的井下生产过程监控系统已能对：井下局扇、皮带运输、井下变电所、井下泵房、采煤机等工作状态进行监控，但对移动的车辆和工作面处的设备监测不够，在井下布设了无线自组网之后，这些设备都可以进行监控，对它们所处的地点进行定位，而且可以采集更多的设备状态信息(许多进口设备都有专门的设备状态采集接口)，使煤矿生产调度者能了解设备的运行状况。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的系统，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种煤矿生产安全智能管理系统，该系统由硬件系统和软件系统两部分组成，其特征在于：硬件系统由监控中心服务器、操作终端、IC卡读卡器、交换机、无线智能子站、无线通信装置、手执搜寻器、智能定位卡、无线通话器和生产过程监控单元组成；无线智能子站通过光缆与交换机相连，无线智能子站与智能定位卡之间、无线通信装置与智能定位卡之间、无线智能子站与无线通信装置之间均可建立无线通信连接，构成一个无线自组织网识别区；生产过程监控单元通过无线智能子站或无线通信装置与交换机相连；每个无线智能子站与多个无线通信装置之间通信，无线智能子站与无线通信装置均有自己的唯一的ID地址，其ID与其所安装位置及通信覆盖区对应，智能定位卡通过无线智能子站或无线通信装置与任意一个无线智能子站或无线通信装置通信便可确定其所处位置；软件系统包括嵌入式软件和应用软件两部分组成，用于完成信息采集、识别、传输、动态监测、移动目标轨迹重现和管理。

2.根据权利要求1所述的煤矿生产安全智能管理系统，其特征在于：无线智能子站包括本安板、ARM板、通信天线和识别天线；本安板与识别天线相连，负责识别信息的收发，本安板与通信天线相连，负责无线智能子站之间的通信；ARM板与本安板、光纤转换器相连，无线智能子站通过光纤转换器与地面监控中心服务器相连。

3.根据权利要求1或2之一所述的煤矿生产安全智能管理系统，其特征在于：无线智能子站安装在矿用阻燃防爆箱内。

4.根据权利要求1所述的煤矿生产安全智能管理系统，其特征在于：该系统配备有手持搜寻器，它与智能定位卡之间可建立无线连接，当手持搜寻器与某个智能定位卡建立起通信后便可确定其所处位置，其所处位置信息通过无线智能子站或无线通信装置传输给监控中心服务器存储器上，其运动轨迹可通过软件显示出来，或通过调用数据文件实现轨迹的再现。

5.根据权利要求1所述的煤矿生产安全智能管理系统，其特征在于：智能定位卡由天线、收发电路、高能电池和嵌入式处理器及其软件组成；智能定位卡发射唯一的识别码信息给无线智能子站或无线通信装置，实现与无线智能子站或无线通信装置通信后便可确定其所处位置，其运动轨迹可通过软件显示出来，或通过调用数据文件实现轨迹的再现，智能定位卡为本安型。

6.根据权利要求1所述的煤矿生产安全智能管理系统，其特征在于：无线智能子站与无线通信装置构成一个无线通信识别区，在此无线通信识别区内由无线智能子站、无线通信装置和智能定位卡构成一个无线自组织网。

7.根据权利要求1所述的煤矿生产安全智能管理系统，其特征在于：无线通话器通过无线智能子站或无线通信装置实现互相通话或与井上控制中心通话，其通话器为骨导送受话器。

8.根据权利要求1所述的煤矿生产安全智能管理系统，其特征在于：危险气体传感器可通过无线智能子站或无线通信装置将监测数据传输至操作终端，确定该区域内的危险气体数据；危险气体传感器为矿用阻燃防爆设备。

9.根据权利要求1所述的煤矿生产安全智能管理系统，其特征在于：人员监测管理软件及数据库实现对井下人员信息、生产过程和各类监控信息的采集、跟踪定位、分析处理、实时显示、数据库存储、报表打印功能。

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