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第一篇 1基于物聯網的感知礦山

2010年，徐州礦務局提供了煤礦井下生產、監(jiān)測智能化的感知礦山概念后，得到了國家和政府的大力支持，并專門成立了感知礦山工程科研中心，成為物聯網在煤礦應用中的一個轉折點，也將物聯網技術成功的引入到煤礦生產過程中。感知礦山是利用物聯網技術，實現煤礦井下生產、地面管理的數字化、智能化和可視化。建立感知礦山的目的是為了將煤礦運銷、產品加工、安全管理、生產、地質、煤礦地理等信息綜合起來，實現數字化管理，將智能計算、信息分析處理、數據傳輸、感知等物聯網技術和煤礦企業(yè)的產品加工、生產開采等技術形成密切聯系的整體，以實現煤礦運營的安全和詳細描述及控制煤礦生產的全過程的目的，從而能夠有效的解決煤礦透水、瓦斯突出、煤塵爆炸等災害難題。感知礦山的引入在增加煤礦企業(yè)產量的同時也提高了煤礦安全管理水平，煤礦井下變電站、煤倉、皮帶信息等各個生產子系統可以利用網絡、感知信息技術等物聯網技術實現，在一定程度上對煤礦企業(yè)自動化生產水平也是一個提高。將和安全生產息息相關的感知層設備接入計算機網絡是感知礦山實施的重點。由于傳統礦山建設中，傳感器型號、網絡傳輸協議接口等都沒有統一的整體標準，不同型號的設備具有不同廠家，這就為日后的統一聯網管理帶來了難題。物聯網的引入可以將這些設備有效的聯系在一起，形成多層次的煤礦安全監(jiān)測系統。

2煤礦安全監(jiān)測系統組成

基于物聯網的煤礦安全監(jiān)測系統將地下、地上語音對講、煤礦生產視頻監(jiān)控等通信和數據采集結合到一起，實現了控制系統、數據采集、視頻監(jiān)控、環(huán)境報警、系統報警等功能模塊的聯動，以此來提高煤礦井下的安全防御水平和災難反應速度。地面各級安全監(jiān)管機構、地面監(jiān)控中心總控、井下分控按級別組成了煤礦安全監(jiān)測系統的多層監(jiān)測模式，安全監(jiān)管機構可以查詢這個礦區(qū)的安全生產實施情況。礦區(qū)安裝的地面監(jiān)控中心可以管理每個礦井生產，井下分控可以管理環(huán)境傳感器、井下生產監(jiān)控設施。

（1）傳輸網絡

每個礦區(qū)和每級安全監(jiān)管中心利用煤礦監(jiān)控專網進行連接；礦業(yè)分公司地面控制中心和井下分控之間利用煤礦原有以太網進行連接。

（2）前端系統

井下分控中心作為整個物聯網的前端采用集中編碼和模數結合的方式，按照獨立存儲、獨立控制、獨立管控和自成系統方式來建立。分控中心系統具備物聯網前端的所有功能，如數據采集、安防信息采集等。

（3）總控系統

基于物聯網技術的煤礦安全監(jiān)測系統的分控具有非常強大的功能，所以，地面總控中心的系統相比來說比較簡單。本設計中，將總控系統從井下生產現場中解脫出來，來處理更加具有實用性和針對性的工作。在總控系統中，采用VGA墻面和網絡監(jiān)控，并利用2個52寸液晶顯示器作為總控系統顯示屏幕。

（4）傳感器系統

井下分控集成了巷道溫度、濕度、氣體、漏電、壓力、瓦斯、光纖等多種傳感器，其中光纖傳感器負責監(jiān)測巷道或工作面頂板的位移、蠕變、裂縫、彎曲、應變以及應力變化。所有傳感器組成礦井的全面監(jiān)控體系，負責整個礦山的全面監(jiān)測。

3系統設計

3.1硬件設計

安裝在井下分控中心的傳感器負責礦井環(huán)境信息采集，同時分控中心還負責數據的傳輸和基礎處理，根據這一實際情況，集合礦井生產的特殊環(huán)境，文中采用Zigbee無線傳感器自組網技術來實現井下物聯網分控中心的硬件連接。按照礦井環(huán)境的不同和應用形式的區(qū)別，將每個礦井環(huán)境傳感器集合成傳感器節(jié)點，以此來實現采集數據的基本處理、傳輸和分析。傳感器單元包含微處理器模塊、傳感器模量轉換、串口模塊、接口電路、無線收發(fā)裝置、電源模塊。因為Zigbee協議棧是Zigbee模塊的重要通信協議，所以，在微處理器中要安裝一個具有Flash儲存功能的存儲器，同時，也要求使用的Zigbee模塊要滿足高性能需求，采用16位或32位高性能處理芯片。

3.2軟件設計

井下分控傳感器單元的軟件程序包含模塊功能實現、系統參數初始化設置、模塊定義三部分。根據實際需求，模塊定義單元按照應用將模塊定義為RFD或者FFD，以此來確定傳感器節(jié)點的軟件內核規(guī)模和性質。系統參數初始化設置，該部分主要負責傳感器傳輸協議棧的設置。首先要定義好傳感器系統運行時鐘，然后確定MUC型號和類型，再配置通信模塊的全部功能，即模塊屬性等。定義好模塊和系統參數后，模塊實現部分將上述傳感器配置連接到網絡中進行運行判斷，以此來運行傳感器主程序開始采集并處理數據。

3.3系統特點

（1）對煤礦企業(yè)地面和井下工作進行多層次、多部門的網絡式管理，使得井下違章操作概率降低，提高了煤礦企業(yè)安全監(jiān)測、管理水平。

（2）自組網技術Zigbee的引入使得整個礦區(qū)實現每項監(jiān)控指標的立體監(jiān)控。

（3）因為煤礦資源屬于國家能源體系中的一個重要部分，因此，在建立物聯網煤礦安全監(jiān)測系統時,設置了多信息加密機制，保護了國家能源信息的同時也大大提高了煤礦安全監(jiān)測系統的穩(wěn)定性和安全性。

4結語

文中以煤礦生產中的安全監(jiān)測為重點，利用物聯網技術建立了多層次、多部門、多信息平臺的安全監(jiān)測系統。通過對系統軟硬件平臺的開發(fā)和應用，驗證了系統的穩(wěn)定性、可靠性和準確性，同時也達到了煤礦企業(yè)要求的精確度需求。本系統除了傳感器外，使用最多的是單片機，由于其具有一定的可擴展性，該系統可為今后的設備擴展、維護提供便利?；谖锫摼W的煤礦安全監(jiān)測系統開發(fā)為煤礦企業(yè)的現代化生產提供了有效的信息平臺，也為“感知礦山”的進一步發(fā)展做出了貢獻。

作者：孫皓月趙翊君李薇單位：河北建筑工程學院張家口市地震局萬全地震臺

第二篇 1關鍵技術

1.1ExtJS框架

ExtJS是Ajax的一個框架，是由JavaScript程序語言編寫出來的，大多數框架的建立是為了讓客戶端的操作界面更加豐富。ExtJS的開發(fā)理念和UI組件模型的成立都是來源于Java平臺的Swing以及YUI，所以不管是UI界面的CSS樣式還是數據解析對異常問題的處理，它都占據絕對的優(yōu)勢，在瀏覽器的跨越方面為開發(fā)者省略了大量的后續(xù)工作，因此，ExtJS框架的應用與UI組件開發(fā)在DOM、W3C對象模型中的應用更為輕松。用ExtJS框架來構建客戶端的操作界面，將客戶端的操作方式標準化，讓客戶能夠在不同瀏覽器平臺間實現跨越。ExtJS的作用有以下幾點：提供事件增強機制、向Ajax技術提供功能上的支持、支持不同面板的布局方式、數據模型結構完整、組件美觀實用。

2系統設計

可擴展性、可維護性和可復用性是衡量系統剩余價值的標準，為了提高系統的使用價值，要對這些方面的性能進行提高，文中借鑒了微軟PetShop的框架模式，以用戶表示層、業(yè)務邏輯層和數據訪問層為基礎，將數據對象與計算方法進行分離，讓每層都形成數據實體促進信息的傳遞，數據訪問層實現模塊、實體模塊、接口模塊、訪問模塊和反射工廠模塊，其中訪問模塊是針對操作方法和數據庫的訪問。

3系統實現

3.1系統平臺

文中監(jiān)控系統的開發(fā)環(huán)境采用的是VisualStudio2005，編程語言采用的是C#和javascript，前臺界面的框架設計采用的是ExtJS，PostgreSQL8.2是該系統的數據庫平臺。該系統包含了6個類庫項目和1個網站項目，項目的劃分有利于修改和調整，當系統構架的某部分出現問題時，無需重新生成系統，只需將需要修改的項目進行重新編譯，替換DLL文件便可。

3.2數據訪問層

數據訪問層由5個模塊組成，分別是實現模塊、接口模塊、實體模塊、訪問模塊和反射工廠模塊。數據實體是承載數據的載體，通常應用于系統的信息傳遞當中，它可以定義類的屬性，但不會對數據進行任何操作。數據庫的操作都是由數據訪問接口定義的，接口定義的僅僅是方法，并不包含實際操作。DALPostgres可以讓數據訪問接口定義的方法得以實現，該操作主要是針對postgreSql數據庫。反射在NET中是一個重要的機制，它對已加載程序集的獲取可通過定義類型、值類型和接口的反射獲得。

3.3業(yè)務邏輯層

業(yè)務邏輯層是該系統構架的中間層，它處于數據訪問層和表示層之間，數據訪問對象的建立是通過對DALFactory層的調用，調用到該對象的計算方法，從而獲取到需要的數據，將處理后的數據發(fā)送至表示層在用戶界面顯示。如圖2所示為業(yè)務邏輯層代碼結構圖：

3.4表示層實現

本系統表示層的框架是綜合了ExtJS框架和Ajax框架共同實現的。Ajax技術在系統中激發(fā)了Web開發(fā)人員的另一種開發(fā)思想，即在表示層之間構架富客戶，增強用戶的體驗。不同的瀏覽器有不同的支持標準，不具兼容性的瀏覽器為開發(fā)人員增加了不少難度，如在創(chuàng)建XMLHttpRequest時，不具兼容性的瀏覽器導致研究人員必須對瀏覽器進行逐個測試。

3.5部分功能界面

3.5.1實時信息

實時信息模塊會將監(jiān)控的數據實時的顯示在監(jiān)控界面上，監(jiān)控界面會用兩欄的方式對數據進行更新和顯示，至于刷新信息的次數和刷新時間可以根據用戶的需求進行設置，另外用戶可以直接在工具欄中查看煤礦、傳感器等監(jiān)測類型的數據顯示和實時更新。當傳感器處于非正常狀態(tài)時，顯示在列表內監(jiān)測值則呈現紅色；若聯網狀態(tài)出現異常，時間也會用紅色顯示來提醒用戶，此時用戶需對網絡進行重新連接。

3.5.2統計報表

統計報表界面包含了8個圖標，分別是報警綜合日報表、開關量報警及斷電日報表、報警綜合月報表、監(jiān)控設備故障日報表、報警綜合年報表、礦井監(jiān)測系統裝置統計表、模擬量報警日報表和模擬量日報表。如圖3所示為統計報表界面的截圖：

3.5.3系統維護

系統維護有3方面的作用，即設置語音報警、設置短信報警以及權限管理。設置語音報警包括傳輸狀態(tài)異常和不同類型的開關量和模擬量，報警持續(xù)時間的長短等；權限管理包括角色的增減、修改以及用戶信息的更新。

作者：宋秋蓮單位：新余學院現代教育技術中心

第三篇 1監(jiān)控系統結構

1.1傳統監(jiān)測系統的不足

傳統煤礦安全監(jiān)測系統大都采用集散型控制結構，串聯總線將線路傳輸裝置連接到地面監(jiān)測主機上，井下各類監(jiān)測分站采集的數據，通過數據傳輸裝置與串聯總線，傳輸到監(jiān)測主機上。這類監(jiān)測系統內部結構存在明顯不足，主要有：

（1）集散型的控制方式，使得系統傳輸速率較低，傳輸范圍較??；當數據采集分站增加時，系統巡檢時間可能大于30s；

（2）傳統監(jiān)測系統線路主要采用阻燃通信電纜，數據在這種電纜中傳輸時，在通過復雜環(huán)境時，如大型機電干擾區(qū)，數據信號容易受到干擾，影響數據的真實性；

（3）總線結構單一，形不成有效的線路冗余，當總線局部發(fā)生損壞時，往往伴隨數據傳輸中斷，甚至系統癱瘓；

（4）監(jiān)測能力差，做不到危險源的全面覆蓋監(jiān)測。

1.2系統優(yōu)化

針對上述傳統監(jiān)測系統的不足，本文擬采用光纖工業(yè)以太環(huán)網組成傳輸網路。光纖工業(yè)以太環(huán)網組網能力強、抗干擾能力強、傳輸數據量大、傳輸范圍廣、透明等特點在很多領域獲得了廣泛的應用，因此適用于煤礦安全生產監(jiān)測系統的組網要求。從地面將工業(yè)以太網延伸至采區(qū)工作面，構成環(huán)狀網路，該網路是基于千兆速度的光纖冗余網路，可以將數據收集裝置收集到的所有數據實時、高效、穩(wěn)定、可靠的傳輸到地面監(jiān)測主機上。

1.3系統結構

煤礦安全生產監(jiān)測系統主要分為中心站、地面監(jiān)測站、工作面站及現場站四部分，這四部分分別執(zhí)行不同的功能：組織、控制、功能和監(jiān)控，反應到實物上為調度室、地面班組站、工作面監(jiān)控站和各個監(jiān)測點。

（1）中心站

中心站處于煤礦安全生產監(jiān)測系統的最頂層，組成結構復雜，負責收集數據、發(fā)送命令、反饋信息、組織生產、決策等。中心站要具有人機交換功能，工作人員通過任務編輯系統編輯的信息向中心站發(fā)出執(zhí)行任務請求，中心站根據任務要求將收集到的全部類似信息在顯示屏上顯示出來，供工作人員篩選。同時中心站也要有數據管理功能，將收集到的信息分類保存，建立數據檔案放入數據庫內，供工作人員隨時查閱。

（2）地面監(jiān)測站

每個地面控制站都執(zhí)行一種固定的任務，相互獨立，比如火災預警系統只能對發(fā)生火災的情況有所反應，瓦斯監(jiān)測系統只能在瓦斯超限時發(fā)生警報。地面監(jiān)測站以工控機或者PC機為核心，配有其它輔助設備如顯示器、打印機等。

（3）工作面站

工作面站主要作用是收集該工作面監(jiān)測點的信息，傳輸到地面，也對工作面突發(fā)狀況發(fā)出緊急決策信息。

（4）現場站

現場站處于監(jiān)測系統最低層，主要負責收集數據，執(zhí)行來自上層的任務，布置于采掘工作面監(jiān)測點或者需要監(jiān)測的設備上?，F場站具有反饋功能，比如當瓦斯超過臨界值后，瓦斯監(jiān)測系統就會發(fā)出報警信號，報警信息傳送到中心站，報警點附近作業(yè)的工人聽到報警信號后，會采取相應的措施，現場站就起到了反饋作用。從功能上，煤礦安全生產監(jiān)測系統的主要組成為：

①視頻監(jiān)控系統：由防爆攝像機、視屏監(jiān)控主機、網路接口等設備構成。防爆攝像機采集的信號以視屏信號的形式傳輸到網路接口，然后轉換成光信號傳到地面接入設備，再轉換成電信號傳送到視屏主機上顯示出來；

②安全信息監(jiān)控系統：搜集安全參數，完成控制功能，安全信息全覆蓋?；居杀O(jiān)控主機、網路接口、傳感器等構成，傳感器采集的參數經A/D轉換成電信號以后傳入網路接口，以后過程與視頻監(jiān)控系統類似；

③人員定位系統：主要負責井下人員的考勤、跟蹤和定位，該系統有定位儀、井下環(huán)形定位網路、監(jiān)控主機等構成，定位儀有工人攜帶，無論工人處在井下哪個角落，定位儀發(fā)出的信號都能被環(huán)形定位網路接受，轉換成電信號傳輸到監(jiān)控主機上，主機就能根信號源定位出工人所處的位置。

2系統軟件介紹

整個系統軟件采用WebGIS處理模型對矢量圖形和信息進行遠程和管理，對礦井安全信息實時全程監(jiān)控。

3結束語

基于現有監(jiān)測系統的不足，提出了以下改進措施：

（1）根據各種危險源的分類，逐一對其分析辨識

本文在傳統GIS和MIS兩大系統基礎上，建立了光纖通信、網路通訊和WebGIS“三合一”的數據監(jiān)控、管理、統計和分析系統，實現從捕捉危險源到信息的收集、傳輸、處理、反饋，最后到排除危險源的整過程監(jiān)控。

（2）分析了傳統煤礦安全監(jiān)測系統的集散型控制結構的不足之處

本文擬采用光纖工業(yè)以太環(huán)網組成傳輸網路進行優(yōu)化，提高了系統的抗干擾能力、傳輸范圍和傳輸速度等，將收集數據實時、高效、穩(wěn)定、可靠的傳輸到地面監(jiān)測主機上。

（3）優(yōu)化系統結構，提升系統硬件設施和軟件設計的能力

做到對危險源實時動態(tài)的監(jiān)控、預防和控制。

作者：石成濤單位：陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司三礦