CN103244188A - 一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统，主要由传感与检测装置、安全信息网络与通信装置、安全管理信息装置、安全预警与决策支持装置和救援信息保障装置构成。该系统能够很好地解决现有煤矿监测监控系统中存在的问题，有效预防煤矿井下失信行为的发生，大大提高煤矿安全监控水平。

Description

一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统

技术领域

本发明涉及煤矿井下安全监控技术领域，尤其是涉及一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统。

背景技术

我国是产煤大国，但就自然条件来看，我国煤层的赋存条件普遍不理想，绝大多数的矿井条件恶劣，不同程度地受到了瓦斯、顶板、透水等自然灾害的威胁，是导致煤矿安全事故频发的客观条件。随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高，煤矿安全监测监控系统普遍应用于国内大小煤矿中。安全监控系统的装备，能够大大地提高矿井安全生产水平和安全生产管理效率，是预防煤矿安全事故的有效途径。

传统的煤矿安全监测监控系统只能对所监测的环境参数发生超限时进行简单处理，缺乏对安全数据的综合分析和实时预测功能，与煤矿安全生产的现实需求存在较大差距，主要体现在以下五个方面：

1.井下数据采集难以满足安全生产监控的要求。井下传感器通常只在采掘工作面附近部署，而其他安全隐患大的地方传感器部署却不足，导致安全生产监控系统出现盲区；现有煤矿井下安全监控系统多采用有线方式，需铺设有线传输系统，在很大程度上限制了网络规模的扩大，使得井下监控的覆盖不足。

2.系统共享程度低。现有的煤矿安全生产监控系统出自不同生产厂家，通信协议互不兼容、缺乏规范的传输设备接口标准，使得不同厂家的传输设备不兼容，无法共享传输网络。同时，由于缺乏统一的监控数据信息标准，各个系统独立运行互不兼容，不同监控系统的信息无法共享，形成了一个个的“信息孤岛”，不利于煤矿企业进行综合管理和决策。

3.信息利用程度不高。现有的煤矿安全监控系统只能实现安全数据的采集和简单的报警功能，不能根据已有的历史安全数据和实时采集数据进行建模分析，无法对煤矿安全事故进行预报、预警，无法及时向用户提供预防事故的对策和方案，影响了安全生产监控系统的应用效果，尚不具备安全事故的预警、针对突发事故应急救援的决策支持和信息保障功能。

4.应急救援信息保障功能缺失。煤矿安全事故突发后，需要及时了解井下各类人员的数量、分布、位置，及事故发生地的三维地质结构等信息，以便较为准确地进行救援调度，及时开展有效的救援行动。现有的煤矿安全生产监控系统却无法提供足够的救援信息，使得地面的救援调度缺乏针对性，不利于救援行动的有效开展。

5、无法主动监控井下失信行为。受各种因素的影响，井下部分管理和作业人员安全意识淡漠，违反安全规程的失信行为时有发生，甚至存在故意破坏井下监控设施的行为。现有煤矿安全监控系统只能针对井下的环境和设备进行监视，监多控少，无法对这些危害矿井安全的失信行为进行主动监控，不能及时发现事故隐患从而杜绝失信行为的发生。

现有煤矿井下安全监控系统所存在的缺陷和不足，已成为制约煤矿安全生产水平的瓶颈问题。近年来随着无线通讯技术和物联网技术的发展，为研发新型煤矿安全综合监控系统提供了技术基础。物联网能将各种信息传感设备和装置与互联网、无线专网结合起来形成巨型网络，其核心是智能传感网技术。物联网由于具有结构灵活、自组织、多跳等特点，适用于恶劣环境，是弥补目前井下监控缺陷的有效工具。物联网由大量密集部署的网络节点组成，每个节点体积小、成本低，部署简单、维护容易，可在井下大量部署，实现全矿井无盲区覆盖；物联网节点可以接驳多种类型的传感器如环境、设备、视频等传感器，实现对井下多类信息的采集；物联网节点具有计算能力、存储能力和无线通讯能力，单个节点可检测到局部的信息并汇集至汇聚节点，从而能够全面高精度的采集井下各类数据，节点间还可协同进行复杂的监控；物联网具有网络自组织的特性，部分节点损坏网络仍能正常工作；矿难发生时，井下残余物联网仍能自动组网，传递信息，为矿难救援提供帮助。物联网体系中的新型传感器、无线传感器网络、RFID等技术可能很好地解决现有煤矿监测监控系统中存在的问题，提供高效的煤矿安全解决方案，是研发新型煤矿安全智能信息系统的关键所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有煤矿井下安全监控系统所存在的缺陷和不足，以及井下失信因素，提供一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统，主要由传感与检测装置、安全信息网络与通信装置、安全管理信息装置、安全预警与决策支持装置和救援信息保障装置构成；

所述传感与检测装置主要由设置于井下多个具有传感、网络通信和控制功能的物联网节点组成，能够实时采集井下环境、设备数据，并根据上层的指令实现对井下设备的控制；

所述安全信息网络与通信装置主要由设置于井下的有线传输网络和无线传输网络所组成，能够将所述传感与检测装置采集到的数据上传到井上，并将井上的指令传送给井下控制器，实现矿井控制数据、监测数据、语音和视频数据的高速传输；

所述安全管理信息装置由各类井下信息管理系统组成，通过井上的监控系统访问和控制井下各个监测监控设备，实现监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析、报表打印，安全管理信息系统中通过GIS系统将不同监控信息系统有效地集成在一起；

所述安全预警与决策支持系统通过构建各种煤矿安全生产模型，依据煤矿生产、环境、设备数据，对煤矿安全隐患进行分析与预警；

所述救援信息保障系统通过从煤矿安全信息管理系统中提取矿难发生时煤矿井下人员、设备、环境等数据，为矿难救援提供信息保障。

优选的，所述监测监控设备包括煤矿光纤工业电视监视单元和主动视频监控单元，所述主动视频监控单元将具有多媒体传感器的物联网节点部署在煤矿的重要位置处，通过事件触发或时间驱动机制主动监测井下失信行为，并通过井下网络将数据传输至井上，对失信行为进行主动监测。

优选的，对失信行为进行主动监测主要包括：

(1)在工作面的重点监测区域安装视频摄像头，当指定时间内有人进入该区域，则进行拍照，并利用人像识别系统识别出该人员身份，防止重点人员、安检人员未按照要求出现在指定区域的失信行为；

(2)在工作面的瓦斯等重要的传感器周围安装视频摄像头，当有人接近瓦斯传感器时对其进行连续拍照，将图像传输至井上，便于调度人员对违反操作规程的行为及时发现和纠正；

(3)在工作面的瓦斯、顶板、水位等重要的传感器附近部署视频摄像头，间隔指定时间对传感器拍照并与标准形态比较，防止对传感器的恶意破坏。

优选的，所述监测监控设备还包括人员跟踪单元，在人员跟踪单元中可根据产量数据和安全规程的要求设定或自动计算一些需移位的传感器的位置移动周期，通过对瓦斯探头定期定位以实现对其位置的跟踪，防止井下作业人员未按规定及时移动探头，当超过指定时间后而传感器位置未变时系统将进行报警，提请调度中心进行处理；在人员跟踪单元中可定义每个特种作业人员在规定时间内应该出现的位置，指定时间已到而该人员未出现在指定位置时，系统将向调度中心报告，从而达到防止特种作业人员失信行为的目的；在人员跟踪单元中可定义每个安检人员的任务表，系统将对每一个安检人员在井下移动路径、每个位置停留时间进行跟踪记录，若指定时间内指定的安检人员未按要求出现在指定位置，则将向调度中心报警，从而防止安检人员失信行为的发生。

优选的，所述安全管理信息装置还包括安全监察单元，所述安全监察单元主要实现对井下安检人员反馈的巡查信息进行管理，分析事故隐患及时报告给调度人员；该系统可以将安检人员反馈的安监信息及时反馈给相关的井下领导，及时跟踪每类信息的落实情况。系统可对每个安检人员反馈的监察信息进行量化评级，考核安检人员的工作业绩，防止安检人员工作不负责任的情况。

优选的，所述安全管理信息装置还包括作业面管理单元，所述作业面管理单元通过在掘进工作面的掘进机和采掘机上安装具有无线通信功能的物体标签，将其作为井下物联网的节点，通过物联网的实时定位技术跟踪井下作业面掘进和采掘的进度，进行及时了解井下工作面的工作进展；并对生产流程中主要环节使用的设备如支架、风电钻等状态、数量和特殊材料如炸药等的用量进行实时监控，预防违反安全生产规程的行为发生；在作业面管理系统中按照作业面生产规范建立量化的标准，将井下作业面各种生产情况实时地与标准值进行类比分析，及时发现问题，防止失信行为的发生。

采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明通过在井下有关的设备、人员上安装电子标签、传感器、执行设备，并按照约定的协议，把煤矿井下所有需要被监控的物品与互联网连接起来形成煤矿安全监控系统的传感与检测系统，电子标签可以唯一的标识出井下每个联网的物体，每个物体和人都能通过其所携带的传感器实现对井下环境、设备数据的获取，并能够采集物体自身的状态信息，通过井下网络进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理；物体内部所安装的执行设备可根据井上的指令实现对井下相应设备的控制，也可以根据预先设定好的相应条件，及时发现异常，并启动预置的控制程序，实现物体的智能化控制。在基于物联网的煤矿安全信息系统中每个被监测的对象都能够通过RFID、Zigbee等无线通信技术与周围的物体进行通信，并通过其通信时无线信号的强度等信息可以实现对井下物体位置的确定，从而实现对井下移动目标的定位和跟踪。

附图说明

图1是本发明的煤矿井下综合监控系统方案结构图；

图2是本发明的传感与检测系统组成结构图；

图3是本发明的安全信息网络与通信系统网络体系结构图；

图4是本发明的安全信息网络与通信系统网络体系结构中井下无线物联网结构图；

图5是本发明的安全信息网络与通信系统网络体系结构中网络系统详细体系结构图；

图6是本发明的安全管理信息系统结构图；

图7是本发明实施例的基于物联网的语音通信系统示意图；

图8是本发明实施例的基于物联网的应急通信系统示意图。

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，一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统，主要由传感与检测装置、安全信息网络与通信装置、安全管理信息装置、安全预警与决策支持装置和救援信息保障装置构成。

如图2所示，传感与检测装置主要由设置于井下多个具有传感、网络通信和控制功能的物联网节点组成，能够实时采集井下环境、设备数据，并根据上层的指令实现对井下设备的控制。

以下是对传感与检测装置更为详细的说明：

传感与检测装置是煤矿安全监控系统的底层支撑系统，由大量的具有传感功能和通信功能的节点组成，每个节点上配置有电子标签，电子标签是井下物体的标识，具有唯一性；每个节点具有智能传感器，可以智能化地获取井下环境、设备、人员等数据，实现对井下基础数据的采集；每个节点皆有无线网络或有线网络接口，能够通过接口与井下无线通信网络、有线传输网络互连，将采集到的井下基础数据传输至井下监控网络，将其上报至上层系统处理；每个节点还具有智能控制系统，能够根据预定的状态和条件，完成指定的控制任务。

井下物联网节点中的智能传感器是井下数据采集的终端设备，可以采集井下的环境、设备数据。按照井下安全生产监控的需要，传感器通常包括：

环境传感器，如甲烷传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气浓度传感器、顶板压力传感器、水位传感器、火灾传感器、风速传感器、风压传感器、温度传感器、烟雾传感器等，用以获取井下环境中瓦斯、一氧化碳、氧气、水、顶板压力、温度等环境参数。

设备传感器，如馈电状态传感器、风门状态传感器、风筒状态传感器、局部通风机开停传感器、主通风机开停传感器等，用以监测矿井设备的运行状态。

视频传感器，用以监控井下关键区域或位置。

音频传感器，用以井下语音通信的语音输入。使用时经切换，也具有语音输出功能。

生命体征传感器，用以监测井下人员生命体征如心跳、血压、脉搏等。正常情况下此类传感器不工作，矿难发生时可由被困人员启动。

每种智能传感器都装置在井下物联网节点上，井下的网络节点具有计算、存储、网络通信功能，内置嵌入式操作系统，根据监控需要写入监控程序，并配置有相应的控制设备。每个节点具有智能接口识别功能，可自动识别所接驳的传感器类型和型号，并自动调用相应的监控程序驱动传感器工作。每种节点可根据需要接驳一种或多种传感器，如井下作业人员携带的节点可接驳生命体征传感器和音频传感器等；井下作业面的网络节点可同时接驳甲烷传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气浓度传感器等，如图2所示。按照作用可将物联网节点分为以下几类：

环境监测节点。此类节点接驳环境传感器，节点定时将采集的环境数据上传至井上，当采集到的环境数据超限时节点自动报警，将超限数据上报调度中心，通过节点的控制装置实现井下的断电闭锁。

设备监测节点。此类节点上接驳设备传感器，节点定时将采集的设备信息上传至井上，当采集的设备数据出现异常时自动报警，并上报调度中心。节点还可以根据井上下达的指令对设备进行控制。

视频监控节点。此类节点上接驳视频摄像头，部署在井下重要区域，用于对井下重点区域和位置的失信行为进行监控。

井下作业人员携带的节点。此类节点由井下作业人员随身携带，通常接驳两类传感器：语音通信传感器，用于采集语音和播放语音，通过井下网络和其他同类节点通话。矿难发生时，当井上建立起与井下人员的无线通信后，通过该节点可实现井下人员与井上的通话；生命体征节点，矿难发生后，当井上建立了与井下人员的无线通信后，可将井下人员的生命体征信息及时上报至井上。

载运工具定位用节点。此类节点部署在井下载运工具上，用于对井下载运工具的定位和跟踪。

普通节点。此类节点通常部署在井下巷道内，无需接驳传感器，用于网络路由中继和辅助定位。

如图3和图4所示，安全信息网络与通信装置主要由设置于井下的有线传输网络和无线传输网络所组成，能够将所述传感与检测装置采集到的数据上传到井上，并将井上的指令传送给井下控制器，实现矿井控制数据、监测数据、语音和视频数据的高速传输。

以下是对安全信息网络与通信装置更为详细的说明：

安全信息网络与通信装置主要用于安全监控系统的数据传输。现有监控系统主要采用有线方式传输，但由于煤矿井下工况环境十分复杂，有线监控系统由于自身的局限性还难以对瓦斯、煤尘、火灾、地压、温度、风速等对矿井安全生产具有重要影响的矿井环境参数实施全面、有效和灵活的监测，不可避免地留下大量的安全隐患，基于物联网和传感网建立矿井无线安全监测可以对有线监控系统难以覆盖的区域实施有效、实时和灵活的监测，从而进一步将有线、无线系统相结合，构造统一、优化、共享的矿井综合监控信息系统，将极大地提高矿井安全生产水平，系统体系结构如图3所示。

有线系统。有线系统主要部署在大巷中，将具有有线接口的井下物联网节点和网络设备连接于网络上。由于煤矿井下传输数据量大、传输质量要求高，而光纤具有信息容量大，无电磁干扰、频带宽、本质安全，无中继远距离传输，以及重量轻、损耗低、耐水火、抗拉强度好等优点，特别适合于环境恶劣的煤矿井下条件使用，因此在综合监控系统的主干采用矿用阻燃光纤作为传输介质，分支上采用同轴电缆。每个煤矿可根据矿井结构，采用树型、总线型或环型者拓扑结构，当采用树型、总线型拓扑结构时需要部署冗余的主干。由于工业以太网技术具有实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全的特点，而且百兆或千兆的传输速度对于矿一级的信息处理和交换来说，已经完全能满足要求。因此，本系统采用工业以太网技术组网。

无线系统。在废弃的巷道、工作面等有线部署不便、有线覆盖不足之处，可采用无线方式进行传输。鉴于传统的无线网络如采用WiFi技术、PHS网络等对骨干网中继节点的要求较高，而井下由于巷道弯曲、环境复杂，通信质量和可靠性很难保证，特别是在塌方事故时，无线信道会被阻断，因此传统的无线网络并不适合于井下无线通信。物联网是一种由大量微型移动物联网节点构成的网络，能够协作地实施监测、感知和采集环境信息，并对数据进行处理，传送到监测中心。它综合了传感器技术、遥测遥控技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，可广泛地应用于有害气体的监测、移动目标的跟踪、环境状态变化的监测等，物联网充分利用了传感网动态自组、多跳的特点，通信和感知节点可以移动，无须铺设线路，操作简单、容易维护、组网成本低，能够满足煤矿井下安全监控的要求，是解决煤矿瓦斯全方位、实时监测的一种可行之法。因此，考虑到井下对无线数据通信可靠性、实用性、可操作性的要求，将煤矿井下无线监控系统基于无线物联网构建，应用于煤矿井下监控系统中，由节点上配置的各种传感器实时采集矿井的环境信息，节点间通过自组织无线网络以多跳中继方式将信息传输到井外的监控终端，能够弥补有线设备的不足，具有价廉、便携、可靠性高、易于校正等优点。监控系统在煤矿的巷道、工作面、设备上部署大量的具有无线通信功能的网络节点，这些节点位置固定且已知，称为锚节点；此外井下作业人员、移动设备、载运工具、被动移动设备等移动物体携带的网络节点，随着物体的移动而移动，周期性地与锚节点通信，并按照一定的定位机制获取移动物体的位置，便于井上及时掌握井下人员、设备的位置信息，实现对移动目标的定位和跟踪；在每个节点上可根据监控需要接驳各类环境和设备传感器，如甲烷传感器、一氧化碳传感器、顶板压力传感器、含水量传感器、火灾传感器、风速传感器等，实现对井下环境和设备的无盲区覆盖，及时获取井下环境数据；还可以在传感器节点上接驳摄像头、麦克风等，对井下重要位置进行视频和音频监控，及时发现异常；还可以实现语音通信功能，构建井下移动通信系统。

井下无线物联网结构。井下无线物联网由无线网关、无线网络节点、传感器三个部分组成，如图4所示。网关是无线物联网与有线网的连接转换设备，具有一定的计算存储能力，是无线物联网的数据出口，负责将无线物联网节点采集的数据传输到有线网络上，将井上的控制命令传给无线网络。物联网节点是一个具有运算、处理、存储、传感、控制和无线通信功能的系统，可以完成对指定区域的监测。井下的无线网络节点按照移动性可分为两类：一类是矿井巷道固定节点，一般位置固定且在部署时已知，是组成无线网络的主要节点，其上可接驳不同的传感器采集环境参数、设备状态等，还可以协助移动节点进行定位；另一类是矿井人员、移动设备上携带的节点，是人员和设备的身份标记，可通过定位机制对该节点进行定位，定位系统根据此节点对移动物体进行定位。

网络系统详细结构。矿井综合监控系统的总体结构框图如图5所示，该系统主要由地面综合监控主站、矿用本安型网络智能分站、矿用隔爆兼本安型网络交换机、矿用本安型网络视频服务器、矿用本安型移动通信基站、矿用本安型网络摄像仪、光缆或同轴电缆、无线网络汇聚设备、物联网节点等组成。该系统与矿局域网、煤业集团公司(矿务局)广域网实现互连互通。

如图5所示，安全管理信息装置由各类井下信息管理系统组成，通过井上的监控系统访问和控制井下各个监测监控设备，实现监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析、报表打印，安全管理信息系统中通过GIS系统将不同监控信息系统有效地集成在一起。

以下是对安全管理信息装置更为详细的说明：

安全管理信装置用以处理井下采集的环境、设备、人员、载运工具等数据，并根据井上安全控制的需要对井下发出各种控制指令。煤矿信息是一种活跃的、动态变化的、与空间位置信息密切相关的信息，具有位置信息的安全监控信息才有意义；而煤矿中的安全监控信息位置分散、类型不统一；不同监测系统采集的数据内容、类型各不相同且形式分散，需有效集成，才能为煤矿安全管理人员提供完整、全面、统一的安全信息。故以煤矿地理信息系统为基础构建了安全管理信息系统平台，将各种监控信息有机地集成起来，系统结构如图6所示。

1)煤矿地理信息系统。煤矿井下与安全相关的数据类型众多，且分布地理分布分散，传统监控系统只能将这些分散的数据以列表形式展示给用户，十分不便。运用地理信息技术，可以将与煤矿安全和生产有关的各类信息集成到统一的系统平台上，将分散于煤矿各处的安全生产数据集中监控起来，并与各类安全及生产专题图形关联显示，实现煤矿安全和生产的可视化管理，有效提高监管部门的工作效率，达到“分散管理、集中监控”的工作目标。利用煤矿GIS系统可将煤矿井下各种设备、环境信息、人员分布、物联网节点部署、巷道结构、视频信息等与井下的空间信息结合在一起，以图形化的形式实时显示给管理人员，便于及时了解井下的情况，实现可视化的安全监控，实现各类型安全数据应用层上的集成。如果发生安全事故，GIS系统还可以提供应急疏散路径，查询坑道内人员及数量、进出口位置、事故发生位置，救援设备位置等信息。

2)环境信息系统。在井下的关键位置部署所需的各类监测用传感器，如甲烷传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气浓度传感器、顶板压力传感器、水位传感器、火灾传感器、风速传感器、风压传感器、温度传感器、烟雾传感器等，获取井下环境中瓦斯、一氧化碳、氧气、水、顶板压力、温度等环境参数。传感器将各个监测点采集的数据准确及时地传送到地面信息监控中心，信息监控中心对收集到的环境信息进行处理，通过观察和分析各个工作面的瓦斯、风速等数据进行调度，预防瓦斯爆炸事故的发生。当井下监测节点采集到的数据出现异常状态时启动井下节点报警，并将信息及时上报调度中心。在环境信息系统中可根据产量数据和安全规程的要求设定或自动计算一些需移位的传感器的位置移动周期，当超过指定时间而传感器位置未变时将及时报警，提请调度中心进行处理；在环境信息系统中传感器与无线传感器网络节点相联，通过无线传感器网络节点的定位确定传感器的位置，确保传感器正确部署。环境信息系统能够及时准确，全面地监测矿井工作面的瓦斯、风量、温度、一氧化碳、氧气等各种参数和关键设备的运行状况，有效地保证安全生产。当瓦斯超限或局部通风机停止运行或掘进巷道停风时，煤矿安全监控系统可自动切断相关区域的电源并闭锁，实现采掘工作面的风电闭锁，避免或减少瓦斯爆炸；并提醒领导、生产调度等及时将人员撤至安全处。并通过设备监测系统启动相应设备通风。

3)设备信息系统。通过部署在设备中的传感器可实现对矿井设备的自动监测及监控，且可做到大型设备的故障诊断功能。在设备监控系统中每个传感器节点定时将设备状态数据通过无线传感器网络准确及时地传送到地面信息监控中心，信息监控中心对收集到的设备状态数据进行分析和处理，当监测数据出现异常状态时进行及时处理；设备监控系统还可以根据调度中心的指令启停井下设备，调整设备运行状态，实现对井下设备的实时监控和分析。该系统包括有：①综采工作面工况监测，主要监测工作面采煤机、轨载机移动变电站及液压支架的工况；②井下原煤皮带集中监控系统，在井上皮带集控室可实现井下几条至几十条原煤皮带的集中监控；③井下轨道运输信号集闭系统，实现井下轨道辅助运输机车信号位置的监测及轨道的自动闭锁；④电力电网监测系统，该系统实现井上井下变电所及供电电网的参数监测，确保矿井供电设备的安全可靠运行；⑤束管监测系统，该系统实现井下采空区气体成分的自动监测，严防采空区着火及人身伤亡；⑥提升机状态监测系统，该系统在线监测提升机的运行状态及安全状况，确保提升机高效安全运行；⑦通、压、排设备监测；⑧原煤贮、装、运自动化系统，煤炭提运地面至运输过程的自动化，如原煤配比自动化，轨道装车自动化，地磅斗称自动监测、原煤灰分等煤质参数的自动监测等。

4)移动物体定位与跟踪系统。该系统利用物联网节点的自定位技术实现对井下移动物体的跟踪。在井下的巷道内每隔一段距离放置一个固定通信节点，这些固定节点位置已知，称为锚节点；井下工作人员、载运工具、可移动设备携带一个电子标签，每个电子标签有唯一的编号，作为移动物体的唯一身份识别，传感器节点可通过矿灯电池供电，随移动物体的移动而移动，被称为移动节点。这些节点定时与周围的锚节点通信，利用自身与相邻节点的联通信息或距离信息实现自身定位。移动节点获取自身位置信息后将其上传至地面，地面人员跟踪系统结合井下GIS系统对节点位置进行修正，从而在地面上获取井下物体的准确位置，实现对移动物体的跟踪定位。通过对井下特殊作业人员、主要设备、载运工具携带节点的连续定位，可实现对这些对象的跟踪。人员跟踪系统可用来监测井下人员位置，能够记录井下人员出/入井时刻、重点区域出/入时刻、限制区域出/入时刻、工作时间、井下和重点区域人员数量、井下人员活动路线。人员跟踪系统对于控制入井人数，控制进入采区、采煤工作面、掘进工作面等重点区域人数，控制井下作业人员超时工作，防止井下作业人员误入盲巷、采空区等限制区域，加强瓦斯检查员等特种作业人员管理，加强干部下井带班考勤和管理，加强井下作业人员考勤管理等具有十分重要的作用。

当煤矿井下发生瓦斯爆炸、水灾等事故后，可以通过系统迅速掌握井下作业人员数量、位置、分布情况等信息，便于及时展开营救。人员跟踪系统对失信行为的处理方法：

在人员跟踪系统中可根据产量数据和安全规程的要求设定或自动计算一些需移位的传感器的位置移动周期，通过对瓦斯探头定期定位以实现对其位置的跟踪，防止井下作业人员未按规定及时移动探头，当超过指定时间后而传感器位置未变时系统将进行报警，提请调度中心进行处理。

在人员跟踪系统中可定义每个特种作业人员在规定时间内应该出现的位置，指定时间已到而该人员未出现在指定位置时，系统将向调度中心报告，从而达到防止特种作业人员失信行为的目的。

在人员跟踪系统中可定义每个安检人员的任务表，系统将对每一个安检人员在井下移动路径、每个位置停留时间进行跟踪记录，若指定时间内指定的安检人员未按要求出现在指定位置，则将向调度中心报警，从而防止安检人员失信行为的发生。

5)语音通信系统。语音通信系统用于实现井下人员与井上、井下人员间的语音通信，通过无线传感器网络实现，结构如图7所示。在井下作业人员所携带的电子标签卡上安装供语音采集的麦克风和听筒，井下人员可以通过自身携带的节点呼叫井下或井上的其他人员，实现语音通信。通过该系统地面可以及时与井下人员联系，发布各种指令；井下人员间也可以相互通信。能够简单、可靠地实现全矿井调度移动通信所需的全部功能，可无缝地在任何固定台和移动终端之间、移动终端和移动终端之间实现单呼、组呼、全呼、急呼和直呼。当煤矿发生灾难时，首先通过人员定位系统确定井下被困人员的分布，然后通过钻孔，垂放一个具有无线语音通信功能的无线节点作为信标节点，如图8所示，利用井下无线物联网的自愈性能，重新建立与井下剩余网络之间的联系，并与被困矿工进行语音通信，甚至被困矿工间还可以通过井上网络实现与其他被困人员的通话。

6)视频监控系统。视频监控系统除传统的煤矿光纤工业电视监视系统外还包括主动视频监控系统，将具有多媒体传感器的物联网节点部署在煤矿的重要位置处，通过事件触发或时间驱动机制主动监测井下失信行为，并通过井下网络将数据传输至井上，对失信行为进行主动监测：

在工作面的重点监测区域安装视频摄像头，当指定时间内有人进入该区域，则进行拍照，并利用人像识别系统识别出该人员身份，防止重点人员、安检人员未按照要求出现在指定区域的失信行为；

在工作面的瓦斯等重要的传感器周围安装视频摄像头，当有人接近瓦斯传感器时对其进行连续拍照，将图像传输至井上，便于调度人员对违反操作规程的行为进行及时发现和纠正；

在工作面的瓦斯、顶板、水位等重要的传感器附近部署视频摄像头，间隔指定时间对传感器拍照并与标准形态比较，防止对传感器的恶意破坏。

7)交通调度系统。煤矿井下生产具有复杂的机车运输网络，完成掘进与生产中人员、设备、材料、矿石、煤炭等的运输任务。本系统的载运工具上安装具有无线通信功能的物联网节点，通过载运工具上的节点自定位，调度室可及时获得载运工具的交通信息，供运输调度员进行导航和调度决策。交通调度系统可为运输调度员和机车司机提供全矿井机车运输网络、机车当前运行位置、行车方向、相对距离及车号等多种动态可视多媒体信息，还可以通过无线通信系统实现调度与机车司机的通话，大大提高机车运输调度的效率和行车安全。

8)安全监察信息系统。安全监察系统主要实现对井下安检人员反馈的巡查信息进行管理，分析事故隐患及时报告给调度人员；该系统可以将安检人员反馈的安监信息及时反馈给相关的井下领导，及时跟踪每类信息的落实情况。系统可对每个安检人员反馈的监察信息进行量化评级，考核安检人员的工作业绩，防止安检人员工作不负责任的情况。

9)作业面管理信息系统。作业面管理系统通过在掘进的掘进机和采掘机上安装具有无线通信功能的物体标签，将其作为井下物联网的节点，通过物联网的实时定位技术跟踪井下作业面掘进和采掘的进度，进行及时了解井下工作面的工作进展；并对生产流程中主要环节使用的设备如支架、风电钻等状态、数量和特殊材料如炸药等的用量进行实时监控，预防违反安全生产规程的行为发生；在作业面管理系统中按照作业面生产规范建立量化的标准，将井下作业面各种生产情况实时地与标准值进行类比分析，及时发现问题，防止失信行为的发生。

10)产量监控系统。用来监测煤炭产量，通过在称重仪上安装的传感器节点可以将煤炭产量适时地报告给地面，实现煤炭产量远程监测，作为煤矿安全生产预警的基础数据。

11)仪表远程调校系统。综合监控系统中所有的传感器类仪表均采用数字信号传输，抗干扰性更强，且具有更高的精度，不仅可传输仪表测量出的数值信号，还可以传输设备标识、运行状态、故障诊断状态等信息，使得井上监控中心可以准确地监控、管理和调整井下处于运行状态的设备。仪表通过有线网络或无线传感器网络与综合监控系统联网，可以实现设备的即插即用和动态管理，系统能自动探测到新增加的仪表，也能够及时识别出失效的仪表，真正实现设备的动态管理；每个仪表具有自动诊断功能，能够随时将自身状态、报警、趋势信息发送到井上监控中心，因而能够及时发现并排除故障，大大提高设备的可维护性。在煤矿安全系统中井下的各类传感器不提供手工调节旋钮，必须通过专用设备调校，防止了井下人员私自调节传感器导致的传感器数据失信。

安全预警与决策支持装置通过构建各种煤矿安全生产模型，依据煤矿生产、环境、设备数据，对煤矿安全隐患进行分析与预警。

以下是对安全预警与决策支持装置更为详细的描述：

安全预警与决策支持装置根据煤矿的安全生产需要，结合煤矿地质条件，建立了各种安全预警模型，实现了对安全风险的在线辨识，能够根据井下的环境数据、设备、产量数据及时地识别出可能成为高风险的重大危险源并发出预警信号，并启动预警反响行动计划。与此同时，实时地评价高风险危险源的危害程度变化，不断改变预警等级，以适应煤矿复杂的作业生产环境。决策支持系统须对井下各类危险源进行不间断地连续监测，根据企业制定、行业主管部门批准的临界值或临界环境参数值对危险源进行动态监测，只要有一种危险源达到设定值，企业就进入预警管理期。与此同时，预警管理中心立即发出预警信息，按照预警等级高低和预先制定的预警反响计划立即通知反响单位和反响执行人，采取控制措施降低危害程度直至危险源恢复到正常状态。在执行反响处置措施的同时，对预警反响行动进行跟踪，严密监督预警反响行动的效果。

救援信息保障装置通过从煤矿安全信息管理系统中提取矿难发生时煤矿井下人员、设备、环境等数据，为矿难救援提供信息保障。

以下是对救援信息保障装置更为详细的说明：

救援信息保障系统在矿难发生时从安全信息管理系统中提取救援所需的信息，提供给救援决策者使用，便于其及时展开救援。救援信息保障系统可以从井下人员定位系统中提取出矿难发生时井下人员数量、分布等信息；从环境信息系统中提取矿难发生时井下的各种环境数据；从设备信息系统中提取矿难发生时的井下各种设备信息的状态；从井下GIS系统中提取井下地质数据、巷道分布信息。救援信息保障系统在提取的信息基础上能够利用虚拟现实技术生成井下三维巷道实景图，模拟井下空难发生的效果图，分析矿难发生后人员可能的移动轨迹和分布情况，并基于虚拟现实技术模拟各种救援方案的效果，便于确定最佳的救援方案；当对井下被困人员钻孔成功并向井下垂放无线传感器网络信标节点成功联通井下无线传感器网络后，救援信息保障系统可通过无线传感器网络发送指令启动矿工携带的生命体征传感器，获取井下被困人员的生命体征信息，并通过语音系统与井下通话，了解井下情况，便于及时调整救援工作。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统，其特征在于，主要由传感与检测装置、安全信息网络与通信装置、安全管理信息装置、安全预警与决策支持装置和救援信息保障装置构成；

所述传感与检测装置主要由设置于井下多个具有传感、网络通信和控制功能的物联网节点组成，能够实时采集井下环境、设备数据，并根据上层的指令实现对井下设备的控制；

所述安全信息网络与通信装置主要由设置于井下的有线传输网络和无线传输网络所组成，能够将所述传感与检测装置采集到的数据上传到井上，并将井上的指令传送给井下控制器，实现矿井控制数据、监测数据、语音和视频数据的高速传输；

所述安全管理信息装置由各类井下信息管理系统组成，通过井上的监控系统访问和控制井下各个监测监控设备，实现监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析、报表打印，安全管理信息系统中通过GIS系统将不同监控信息系统有效地集成在一起；

所述安全预警与决策支持系统通过构建各种煤矿安全生产模型，依据煤矿生产、环境、设备数据，对煤矿安全隐患进行分析与预警；

所述救援信息保障系统通过从煤矿安全信息管理系统中提取矿难发生时煤矿井下人员、设备、环境等数据，为矿难救援提供信息保障。

2.如权利要求1所述的一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统，其特征在于，所述监测监控设备包括煤矿光纤工业电视监视单元和主动视频监控单元，所述主动视频监控单元将具有多媒体传感器的物联网节点部署在煤矿的重要位置处，通过事件触发或时间驱动机制主动监测井下失信行为，并通过井下网络将数据传输至井上，对失信行为进行主动监测。

3.如权利要求2所述的一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统，其特征在于，对失信行为进行主动监测主要包括：

(1)在工作面的重点监测区域安装视频摄像头，当指定时间内有人进入该区域，则进行拍照，并利用人像识别系统识别出该人员身份，防止重点人员、安检人员未按照要求出现在指定区域的失信行为；

(2)在工作面的瓦斯等重要的传感器周围安装视频摄像头，当有人接近瓦斯传感器时对其进行连续拍照，将图像传输至井上，便于调度人员对违反操作规程的行为进行及时发现和纠正；

(3)在工作面的瓦斯、顶板、水位等重要的传感器附近部署视频摄像头，间隔指定时间对传感器拍照并与标准形态比较，防止对传感器的恶意破坏。

4.如权利要求2所述的一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统，其特征在于，所述监测监控设备还包括人员跟踪单元，在人员跟踪单元中可根据产量数据和安全规程的要求设定或自动计算一些需移位的传感器的位置移动周期，通过对瓦斯探头定期定位以实现对其位置的跟踪，防止井下作业人员未按规定及时移动探头，当超过指定时间后而传感器位置未变时系统将进行报警，提请调度中心进行处理；在人员跟踪单元中可定义每个特种作业人员在规定时间内应该出现的位置，指定时间已到而该人员未出现在指定位置时，系统将向调度中心报告，从而达到防止特种作业人员失信行为的目的；在人员跟踪单元中可定义每个安检人员的任务表，系统将对每一个安检人员在井下移动路径、每个位置停留时间进行跟踪记录，若指定时间内指定的安检人员未按要求出现在指定位置，则将向调度中心报警，从而防止安检人员失信行为的发生。

5.如权利要求1所述的一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统，其特征在于，所述安全管理信息装置还包括安全监察单元，所述安全监察单元主要实现对井下安检人员反馈的巡查信息进行管理，分析事故隐患及时报告给调度人员；该系统可以将安检人员反馈的安监信息及时反馈给相关的井下领导，及时跟踪每类信息的落实情况。系统可对每个安检人员反馈的监察信息进行量化评级，考核安检人员的工作业绩，防止安检人员工作不负责任的情况。

6.如权利要求1所述的一种基于物联网技术的煤矿井下综合监控系统，其特征在于，所述安全管理信息装置还包括作业面管理单元，所述作业面管理单元通过在掘进工作面的掘进机和采掘机上安装具有无线通信功能的物体标签，将其作为井下物联网的节点，通过物联网的实时定位技术跟踪井下作业面掘进和采掘的进度，进行及时了解井下工作面的工作进展；并对生产流程中主要环节使用的设备如支架、风电钻等状态、数量和特殊材料如炸药等的用量进行实时监控，预防违反安全生产规程的行为发生；在作业面管理系统中按照作业面生产规范建立量化的标准，将井下作业面各种生产情况实时地与标准值进行类比分析，及时发现问题，防止失信行为的发生。

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