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煤礦行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)
時(shí)間:2022-07-08  瀏覽:1204次

  國外利用無線通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)開展煤礦礦井管理的起步較早。1990年8月,美國安菲斯公司研發(fā)的一套可實(shí)現(xiàn)超低頻信號(hào)穿透巖層進(jìn)行傳輸?shù)臒o線急救通訊系統(tǒng)(PED,即PersonalEmergencyDevice系統(tǒng))在悉尼附近的一所煤礦投入使用。上世紀(jì)90年代,隨著RFID(射頻識(shí)別)技術(shù)的興起,國外加快了這一領(lǐng)域的發(fā)展,并成功地將其應(yīng)用到了井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)中。除礦井人員管理之外,國外煤礦瓦斯監(jiān)測技術(shù)發(fā)展時(shí)間也比國內(nèi)長,發(fā)達(dá)國家的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)普遍可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)連續(xù)測控,系統(tǒng)智能程度高,傳感器質(zhì)量可靠,使用壽命長,系統(tǒng)的可靠性高,反映速度快。而國內(nèi)現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要以聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測為主體,其主要由監(jiān)測終端、監(jiān)控中心站、通訊接口裝置、井下分站、傳感器組成,主要方式是在礦井下固定的地方安裝各種監(jiān)測傳感器,再通過長電纜將采集到的數(shù)據(jù)傳到地上的監(jiān)控中心站。但是這樣的系統(tǒng)存在布線難度大、環(huán)境適應(yīng)性低、維護(hù)成本高等問題。目前,將RFID、Zigbee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全管理中已成為新的關(guān)注熱點(diǎn),其主要研究內(nèi)容如下:

  1、煤礦RFID頻段的選擇

  目前通常將射頻識(shí)別標(biāo)簽的工作頻率從高到低分為三類:低頻段射頻標(biāo)簽(30KHz-300KHz),中高頻段射頻標(biāo)簽(3MHz-30MHz)和**頻與微波標(biāo)簽(典型433MHz,2.45GHz,5.8GHz)。

  國內(nèi)有學(xué)者結(jié)合不同頻率的無線電波在煤礦井下巷道中的傳輸特性,對(duì)30多家企業(yè)生產(chǎn)的人員定位系統(tǒng)中的射頻收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了歸類比較,得出2.4GHz的中心頻率在抗衰減、提高速率、可用信道、傳輸距離等方面更容易滿足煤礦安全的需要,并在此基礎(chǔ)上研制了基于2.4GHz的射頻收發(fā)系統(tǒng)。

  在2008年多媒體和信息技術(shù)國際會(huì)議上有學(xué)者發(fā)表了一篇煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的論文。該系統(tǒng)由發(fā)射器和接受器組成。礦工帶有發(fā)射機(jī),一旦事故發(fā)生,救援使用接收器來同UHF頻段的發(fā)射機(jī)溝通,通過觀察接收到的信號(hào)水平來判斷方向。這個(gè)無線電模塊采用內(nèi)置低噪聲放大器,數(shù)字濾波器,匹配網(wǎng)絡(luò),RSSI和DDS+PLL頻率合成技術(shù)。這個(gè)系統(tǒng)使用433MHz工作頻率,以提高滲透性,高衍射性和長距離識(shí)別。

  此外,美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院無線通信技術(shù)小組的MichaelR.Souryal等人研究了一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)部署的可行性。部署過程建議采用實(shí)時(shí)測量鏈路,并考慮移動(dòng)多徑衰落環(huán)境以及無線電物理層的特點(diǎn)。原型系統(tǒng)是基于900MHzTinyOS支持低速率數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

  2、基于RFID的礦工身份識(shí)別定位和環(huán)境監(jiān)測

  由于煤炭行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特殊性,監(jiān)管系統(tǒng)就需要應(yīng)對(duì)并監(jiān)測井下的惡劣環(huán)境。有文獻(xiàn)介紹了基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)的煤礦安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測井中甲烷等有害氣體的濃度,對(duì)攜帶RFID的井下工作人員和重要設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)位置檢測、身份識(shí)別和信息管理。系統(tǒng)使用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳送,并利用監(jiān)管中心的遠(yuǎn)端PC實(shí)現(xiàn)顯示及存儲(chǔ)等功能,適用于各類環(huán)境下煤礦的安全管理。

  另外,基于GIS和RFID的煤礦井下人員跟蹤定位與監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好的解決井下人員的實(shí)時(shí)定位與監(jiān)控管理等問題,為井下救援與管理帶來*大方便,從而使我國的煤礦安全生產(chǎn)與事故救護(hù)更加規(guī)范與科學(xué)。有不少學(xué)者提出的RFID井下人員定位系統(tǒng),利用地理信息系統(tǒng)提供一個(gè)電子地圖可視化窗口,以協(xié)助定位系統(tǒng)就工人的位置更方便的管理。

  在煤炭行業(yè)RFID標(biāo)簽與傳感器接口規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)方面,目前常用的RFID國際標(biāo)準(zhǔn)主要只有用于動(dòng)物識(shí)別的ISO11784和ISO11785,用于非接觸只能卡的ISO10536(Closecoupledcards)、ISO15693(Vicinitycards)、ISO14443(Proximitycards),用于集裝箱識(shí)別的ISO10374等,尚無煤炭行業(yè)RFID的標(biāo)準(zhǔn)。

  3、基于Zigbee的煤礦無線傳感網(wǎng)

  Zigbee是基于IEEE802.15.4協(xié)議的全球性通信標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù),能夠解決當(dāng)前煤礦安全管理系統(tǒng)中存在的問題,具有一定的市場前景。

  目前,有不少研究基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)與光纖通信網(wǎng)相結(jié)合的煤礦安全監(jiān)測及人員定位的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了井上人員實(shí)時(shí)監(jiān)測井下區(qū)域的瓦斯?jié)舛?,并?shí)時(shí)跟蹤定位井下人員,方便工作人員有效地管理礦井的安全工作。

  4、UWB技術(shù)應(yīng)用于礦井無線通信系統(tǒng)

  根據(jù)美國FCC對(duì)超寬帶(UWB,UltraWideBand)的定義,UWB是指相對(duì)帶寬(信號(hào)帶寬與中心頻率之比)大于20%或帶寬大于500MHz。UWB*寬的頻譜和*低的發(fā)射功率,使UWB系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)速率高、系統(tǒng)相對(duì)簡單、成本和功耗低等優(yōu)點(diǎn),特別是無載波UWB通信方式更使系統(tǒng)的成本和功耗進(jìn)一步降低。

  UWB技術(shù)的這些特點(diǎn)非常適用于礦井通信。在礦井中,由于頻譜的使用沒有嚴(yán)格的控制,對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求也不很高,可以利用超寬帶信號(hào)頻帶寬的特點(diǎn)來換取傳輸距離。又由于功耗低,所以非常利于“本安型”電路的設(shè)計(jì)。

  UWB技術(shù)帶來了一種全新的通信理念,將它用于煤礦井下無線通信系統(tǒng)更是一種新的探索。UWB技術(shù)所具有的低功耗、高數(shù)據(jù)率、抗多徑能力強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點(diǎn),能夠很好地對(duì)礦井進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,尤其在水災(zāi)、火災(zāi)、塌方等惡性事故救生搶險(xiǎn)中能起到至關(guān)重要作用。隨著UWB技術(shù)的不斷成熟,在煤礦井下的應(yīng)用將具有很大的發(fā)展前景。

  徐州夾河礦“感知礦山物聯(lián)網(wǎng)GIS3.0系統(tǒng)”試運(yùn)行,9月20日,在徐礦集團(tuán)夾河煤礦調(diào)度室,打開感知礦山物聯(lián)網(wǎng)GIS3.0系統(tǒng),11個(gè)子項(xiàng)目就像一棵樹一樣地彈了出來。用鼠標(biāo)輕點(diǎn)一下,井下人員在哪個(gè)位置、礦車走到哪里等,都一清二楚。經(jīng)過近一年的努力,該礦感知礦山物聯(lián)網(wǎng)示范工程一期項(xiàng)目試運(yùn)行。

  礦山物聯(lián)網(wǎng)是怎樣建設(shè)的?負(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)、建設(shè)的中礦智慧物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司總經(jīng)理周廷振介紹,工程的主要建設(shè)內(nèi)容包括礦井信息化改造和礦山物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。礦井信息化改造包括:一是骨干網(wǎng)建設(shè)工程,建設(shè)井上、井下千兆工業(yè)英特網(wǎng)和調(diào)度指揮控制中心工業(yè)英特網(wǎng);二是生產(chǎn)調(diào)度指揮中心軟硬件建設(shè)工程,增加相應(yīng)的集群服務(wù)器、千兆工業(yè)英特網(wǎng)設(shè)備等;三是礦井各生產(chǎn)及輔助系統(tǒng)的集成工程,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,減少井下操作人員;四是礦山集成平臺(tái)建設(shè)工程,實(shí)現(xiàn)全礦井異構(gòu)信息的集成3GGIS平臺(tái);五是安全生產(chǎn)管理工程,實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測分析。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立覆蓋煤礦井下,并與千兆工業(yè)英特網(wǎng)相結(jié)合的無線自組網(wǎng)系統(tǒng),通過設(shè)備工況監(jiān)測監(jiān)控、災(zāi)害環(huán)境信息監(jiān)測、人員定位、機(jī)車管理、語音通信、工業(yè)電視等,形成完善的無線感知平臺(tái)。

  在夾河煤礦調(diào)度室,工作人員馬朝金告訴記者,示范工程一期目前已在井下布置了72個(gè)節(jié)點(diǎn)(要形成200多個(gè)點(diǎn)),這些節(jié)點(diǎn)采集的多功能信息,可通過井下千兆網(wǎng)傳到地面控制中心,在地面就可以知道井下人員、礦車、溫度、濕度、一氧化碳含量、甲烷含量、礦井氣壓、風(fēng)速等相關(guān)信息。如點(diǎn)擊進(jìn)入“井下人員定位監(jiān)測系統(tǒng)”后,選擇部門、姓名,就可以查找到這個(gè)人的軌跡信息,既可以查看實(shí)時(shí)軌跡信息,也可以查閱歷史軌跡信息。此外,井下的水泵何時(shí)開啟、變電所如何工作,煤礦機(jī)電科工作人員都能在地面以無線遠(yuǎn)程遙控操作,做到無人值守。馬朝金說,下一步,只要帶上智能便攜儀及礦用手機(jī),下礦人員不僅可以**定位,還能隨時(shí)打手機(jī)、發(fā)短消息。

  示范工程成功驗(yàn)收后,將會(huì)申報(bào)國家感知礦山核心技術(shù)專利和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),爭取國家在感知礦山物聯(lián)網(wǎng)推廣應(yīng)用方面的政策傾斜和扶持,以感知礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全國的廣泛應(yīng)用,搶占全國感知礦山物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。