CN110700887A - 一种煤矿安全生产监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全监测技术领域，具体公开了一种煤矿安全生产监测预警系统及方法，系统包括位于井下的信息采集模块、位于井上的上位机模块，建立信息采集模块与上位机模块通讯的网络模块，以及通过网络模块与上位机模块通讯连接的云平台；信息采集模块包括若干基于6LoWPAN网络标准的采集节点，以及与采集节点连接的若干传感器单元。本发明的煤矿安全生产监测预警系统，实现对监测区域内环境参数釆样以获得区域内全局环境信息，实现对煤矿生产环境的实时准确监测和预警，提高作业人员工作环境的安全性，保障作业人员的生命安全；同时，使用IPv6技术实现低功耗无线网络信息传输，有效减少网络搭建成本，提高网络传输可靠性。

Description

一种煤矿安全生产监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全监测技术领域，尤其涉及一种煤矿安全生产监测预警系统及方法。

背景技术

现有的煤矿安全监测技术，所监测的节点有限，不能对煤矿的实际生产环境全面监测，同时由于矿井下恶劣的生产环境，使监测节点位置布置困难，煤矿安全监测系统普遍采用的监测系统存在井下采集信息缺失、传输速率缓慢、计算精度不高等问题。当前煤矿安全生产监控系统存在的主要问题有：

(1)现有使用广泛的煤矿安全生产监测系统，其网络通信普遍依靠电缆、光纤或是RS485串口线，在实际应用中这种传输方式很难适应煤矿井下环境多变的工作现场；

(2)煤矿井下生产条件恶劣对生产监测系统存在一定的干扰，造成监测到的信号在传输中常因为干扰信号而出现误差，严重的时候会造成该传感器无法正常工作，出现环境参数监测数据丢失，这会引起系统预警失效，可能造成严重事故；

(3)安全监控系统信息处理技术落后，系统对数据的处理只是停留在原始数据的传输、存储和显示；

(4)传统的对大规模数据处理大多采用的是分布式的高性能计算、网格计算等技术，需要消耗昂贵的计算资源，而且对于如何把大规模数据进行有效分割和任务分配都需要繁琐的编程才能实现。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种煤矿安全生产监测预警系统及方法。

一种煤矿安全生产监测预警系统，包括位于井下的信息采集模块、位于井上的上位机模块，建立信息采集模块与上位机模块通讯的网络模块，以及通过网络模块与上位机模块通讯连接的云平台，其中：

信息采集模块包括若干基于6LoWPAN网络标准的采集节点，以及与采集节点连接的若干传感器单元。

进一步的，网络模块包括网关单元以及路由器单元，信息采集模块通过网关单元与上位机模块通讯，云平台依次通过路由器单元及网关单元与上位机模块通讯连接。

进一步的，系统还包括手机模块和PC模块，上位机模块依次通过网关单元及路由器单元与手机模块和PC模块通讯连接。

进一步的，系统还包括位于井下的报警模块，上位机模块通过网关单元与报警模块通讯连接。

进一步的，传感器单元包括温度传感器、粉尘传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器中的一个或多个。

进一步的，报警模块包括信号灯和/或蜂鸣器。

进一步的，网关单元与路由器单元之间通过IPv4网络通讯连接。

进一步的，上位机模块与网关单元之间通过IPv4网络通讯连接；手机模块、PC模块与路由器单元之间通过IPv4网络通讯连接。

本发明的煤矿安全生产监测预警系统，实现对监测区域内的甲烷、一氧化碳、粉尘、温度和风速等环境参数釆样以获得区域内全局环境信息，实现对煤矿生产环境的实时准确监测和预警，提高作业人员工作环境的安全性，保障作业人员的生命安全；同时，使用IPv6技术实现低功耗无线网络信息传输，有效减少网络搭建成本，提高网络传输可靠性。

本发明还提供一种煤矿安全生产监测预警方法，方法包括：

在矿井内安装传感器单元与采集节点，为采集节点设置IPv6网络地址；

采集节点将传感器单元采集的环境参数通过IPv6网络传输至网络模块；

网络模块将环境参数发送给云平台和上位机模块；

云平台建立安全预警模型并利用灰狼算法进行优化；

云平台利用Spark平台训练安全预警模型，对环境参数进行并行计算和预测，得出各环境参数的阈值并发送至上位机模块，

上位机模块在接收到超出阈值的环境参数时产生报警信息并发送至报警模块；

报警模块进行报警提醒。

进一步的，方法还包括：

上位机模块在接收到超出阈值的环境参数时产生报警信息并发送至手机模块以及PC模块；

手机模块以及PC模块接收报警信息并进行弹窗显示，以及发出报警声音。

本发明的煤矿安全生产监测预警方法，建立安全预警模型并引入Spark平台，利用其强大的并行计算能力对环境数据进行实时计算，对煤矿安全生产中出现事故的主要因素进行快速预测得出报警阈值，很大程度上提高了数据处理的效率，降低报警预警的时延，实现实时报警，维护作业人员的生命安全。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例的一种煤矿安全生产监测预警系统的模块组成图；

图2为本发明实施例的一种煤矿安全生产监测预警方法的步骤图；

其中：1-信息采集模块、101-采集节点、102-传感器单元、2-上位机模块、3-网络模块、301-网关单元、302-路由器单元、4-云平台、5-手机模块、6-PC模块、7-报警模块、701-信号灯、702-蜂鸣器。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例的一种煤矿安全生产监测预警系统，如图1所示，系统包括位于井下的信息采集模块1、位于井上的上位机模块2，建立信息采集模块1与上位机模块2通讯的网络模块3，以及通过网络模块3与上位机模块2通讯连接的云平台4，其中：信息采集模块1包括若干基于6LoWPAN网络标准的采集节点101，以及与采集节点101连接的若干传感器单元102。

本实施例中的信息采集模块1用于采集所在环境的环境参数，并通过网络模块3把环境参数发送给上位机模块2和云平台4。在云平台4中，建立安全预警模型并利用灰狼算法进行优化，利用Spark平台训练安全预警模型，对环境参数进行并行计算和预测，得出各环境参数的阈值并发送至上位机模块2，上位机模块2对环境参数进行监测，判断其收到的环境参数是否超出阈值。

本实施例中的信息采集模块1中，采集节点101通过6LoWPAN网络标准实现通讯，将与之连接的传感器单元102采集到的环境参数发送至网络模块3。本实施例中的传感器单元102可以测量井下的温度、一氧化碳浓度、甲烷浓度、风速、粉尘浓度等参数，相对应的，本实施例的传感器单元102包括温度传感器、粉尘传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器中的一个或多个。本实施例不限定以上传感器的具体产品型号，本领域技术人员实现是自行选用。

本发明实施例的煤矿安全生产监测预警系统，不仅能适用于煤矿矿井，还可以适用于其他类型的矿井中，信息采集模块1中也可设置适用于该矿井的传感器单元进行环境参数的采集。

具体的，如图1所示，本实施例中的网络模块3包括网关单元301以及路由器单元302，信息采集模块1通过网关单元301与上位机模块2通讯，云平台4依次通过路由器单元302及网关单元301与上位机模块2通讯连接。优选的，本实施例的

采集节点101与网关单元301之间通过IPv6网络进行通讯，网关单元301将IPv6网络切换为IPv4网络，并通过IPv4网络与路由器单元302通讯，也通过IPv4网络与上位机模块2进行通讯；路由器单元302将IPv4网络切换为IPv6网络，并通过IPv6网络与云平台4通讯。

具体的，本实施例的系统还包括手机模块5和PC模块6，上位机模块2依次通过网关单元301及路由器单元302与手机模块5和PC模块6通讯连接。网关单元301通过IPv4网络与路由器单元302通讯，路由器单元302通过IPv4网络与手机模块和PC模块进行通讯。

上位机模块2对环境参数监测的过程中，如果收到的环境参数超出阈值，则产生报警信息并通过网络模块3发送给手机模块5以及PC模块6。手机模块5以及PC模块6对报警信息的处理，可以通过设计一个手机模块5和PC模块6均兼容的APP，该APP接收上位机模块2发送的报警信息，并通过弹窗的方式进行显示报警，同时，手机模块5以及PC模块6发出报警声音也进行提醒。手机模块5以及PC模块6用于提醒工作人员，便于工作人员尽早撤离危险区域或者采取防护措施。

本实施例中的手机模块5和PC模块6通过常用的手机设备或者PC设备对应实现，本领域技术人员按需选用。

具体的，本实施例的系统还包括位于井下的报警模块7，上位机模块2通过网关单元301与报警模块7通讯连接。本实施例的报警模块7可包括信号灯701和/或蜂鸣器702。上位机模块2具有数据接收和判决的功能，接收到网络模块3发送的环境参数后，若环境参数超出对应的阈值，则产生报警信息，通过网络模块3发送给报警模块7，当接收到报警信息后，信号灯701点亮或者闪烁，蜂鸣器702发出声音进行报警提醒。本发明还可设置其他产品作为报警模块7进行报警提醒。报警模块7设于矿井下，对井下作业人员进行报警提醒，以便作业人员及早采取防护措施，确保井下作业人员的生命安全。

本发明的煤矿安全生产监测预警系统，实现对监测区域内的甲烷、一氧化碳、粉尘、温度和风速等环境参数釆样以获得区域内全局环境信息，实现对煤矿生产环境的实时准确监测和预警，提高作业人员工作环境的安全性，保障作业人员的生命安全；同时，使用IPv6技术实现低功耗无线网络信息传输，有效减少网络搭建成本，提高网络传输可靠性。

本发明还提供一种煤矿安全生产监测预警方法，如图2所示，方法包括以下步骤：

S101：在矿井内安装传感器单元与采集节点，为采集节点设置IPv6网络地址。

在矿井内需要监测的位置安装对应的传感器单元，传感器单元可包括温度传感器、粉尘传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器中的一个或多个，用于采集该处的环境参数。

S102：采集节点将传感器单元采集的环境参数通过IPv6网络传输至网络模块。

采集节点与传感器单元连接，将传感器单元检测到的环境参数发送至网络模块，采集节点与网络模块之间通过IPv6网络进行通讯。

S103：网络模块将环境参数发送给云平台和上位机模块。

本实施例中的网络模块包括网关单元及路由器单元，采集节点通过网关单元与上位机模块通讯，云平台依次通过路由器单元及网关单元与上位机模块进行通讯。采集节点与网关单元之间通过IPv6网络进行通讯，网关单元将IPv6网络切换为IPv4网络，并通过IPv4网络与路由器单元通讯，也通过IPv4网络与上位机模块进行通讯；路由器单元通过IPv4网络与手机模块和PC模块进行通讯，同时将IPv4网络切换为IPv6网络，并通过IPv6网络与云平台通讯。

本实施例采用IPv6 to IPv4 to IPv6的传输网络，积极响应了以IPv6为核心的下一代互联网技术策略，还为下一代互联网技术在煤矿安全生产领域的应用奠定了基础。

S104：云平台建立安全预警模型并利用灰狼算法进行优化。

本实施例中的安全预警模型基于支持向量机(SVM)实现，结合灰狼算法对该模型进行优化。

S105：云平台利用Spark平台训练安全预警模型，对环境参数进行并行计算和预测，得出各环境参数的阈值并发送至上位机模块。

S106：上位机模块在接收到超出阈值的环境参数时产生报警信息并发送至报警模块。

上位机模块具有数据接收和判决的功能，接收到网络模块发送的环境参数后，若环境参数超出对应的阈值，则产生报警信息，通过网络模块发送给报警模块。本实施例中的环境参数可以包括矿井内温度、一氧化碳的浓度、甲烷的浓度、风速、粉尘的浓度等等。

S107：报警模块进行报警提醒。

报警模块可包括信号灯和/或蜂鸣器，当接收到报警信息后，信号灯点亮或者闪烁，蜂鸣器发出声音进行报警提醒。本发明还可设置其他产品作为报警模块，进行报警提醒。报警模块设于矿井下，对井下作业人员进行报警提醒，以便作业人员及早采取防护措施，确保井下作业人员的生命安全。

具体的，如图2所示，本发明实施例的方法还包括以下步骤：

S108：上位机模块在接收到超出阈值的环境参数时产生报警信息并发送至手机模块以及PC模块；

上位机模块产生的报警信息不仅发送给报警模块进行报警提醒，同时还将报警信息通过网络模块发送给手机模块以及PC模块。

S109：手机模块以及PC模块接收报警信息并进行弹窗显示，以及发出报警声音。

手机模块以及PC模块对报警信息的处理，可以通过设计一个手机模块和PC模块均兼容的APP，该APP接收上位机模块发送的报警信息，并通过弹窗的方式进行显示报警，同时，手机模块以及PC模块发出报警声音也进行提醒。手机模块以及PC模块用于提醒工作人员，便于工作人员尽早撤离危险区域或者采取防护措施。

本实施例中的APP还可以设计环境参数查看功能，提供温度、一氧化碳浓度、甲烷浓度、风速以及粉尘浓度等参数的展示，同时根据检测周期实时更新显示内容。APP还可以设计阈值设定的功能，作业人员可按需求进行操作。手机模块或者PC模块可以由井上作业人员携带，也可以由井下作业人员携带，当出现报警提醒后，能够提醒作业人员第一时间撤离或绕开危险区域，确保生命安全。

本发明的煤矿安全生产监测预警方法，建立安全预警模型并引入Spark平台，利用其强大的并行计算能力对环境数据进行实时计算，对煤矿安全生产中出现事故的主要因素进行快速预测得出报警阈值，很大程度上提高了数据处理的效率，降低报警预警的时延，实现实时报警，维护作业人员的生命安全。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种煤矿安全生产监测预警系统，其特征在于，所述系统包括位于井下的信息采集模块、位于井上的上位机模块，建立所述信息采集模块与所述上位机模块通讯的网络模块，以及通过所述网络模块与所述上位机模块通讯连接的云平台，其中：

所述信息采集模块包括若干基于6LoWPAN网络标准的采集节点，以及与所述采集节点连接的若干传感器单元。

2.如权利要求1所述的一种煤矿安全生产监测预警系统，其特征在于，所述网络模块包括网关单元以及路由器单元，所述信息采集模块通过所述网关单元与所述上位机模块通讯，所述云平台依次通过所述路由器单元及所述网关单元与所述上位机模块通讯连接。

3.如权利要求2所述的一种煤矿安全生产监测预警系统，其特征在于，所述系统还包括手机模块和PC模块，所述上位机模块依次通过所述网关单元及所述路由器单元与所述手机模块和所述PC模块通讯连接。

4.如权利要求1至3任一项所述的一种煤矿安全生产监测预警系统，其特征在于，所述系统还包括位于井下的报警模块，所述上位机模块通过所述网关单元与所述报警模块通讯连接。

5.如权利要求1所述的一种煤矿安全生产监测预警系统，其特征在于，所述传感器单元包括温度传感器、粉尘传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器中的一个或多个。

6.如权利要求4所述的一种煤矿安全生产监测预警系统，其特征在于，所述报警模块包括信号灯和/或蜂鸣器。

7.如权利要求6所述的一种煤矿安全生产监测预警系统，其特征在于，所述网关单元与所述路由器单元之间通过IPv4网络通讯连接。

8.如权利要求7所述的一种煤矿安全生产监测预警系统，其特征在于，所述上位机模块与所述网关单元之间通过IPv4网络通讯连接；所述手机模块、所述PC模块与所述路由器单元之间通过IPv4网络通讯连接。

9.一种煤矿安全生产监测预警方法，其特征在于，所述方法包括：

在矿井内安装传感器单元与采集节点，为采集节点设置IPv6网络地址；

采集节点将传感器单元采集的环境参数通过IPv6网络传输至网络模块；

网络模块将环境参数发送给云平台和上位机模块；

云平台建立安全预警模型并利用灰狼算法进行优化；

云平台利用Spark平台训练安全预警模型，对环境参数进行并行计算和预测，得出各环境参数的阈值并发送至上位机模块，

上位机模块在接收到超出阈值的环境参数时产生报警信息并发送至报警模块；

报警模块进行报警提醒。

10.如权利要求9所述的一种煤矿安全生产监测预警方法，其特征在于，所述方法还包括：

上位机模块在接收到超出阈值的环境参数时产生报警信息并发送至手机模块以及PC模块；

手机模块以及PC模块接收报警信息并进行弹窗显示，以及发出报警声音。