智能物联网在湖南煤矿救援中的应用

1、学号：104220118湖南现代物流职业技术学院毕业论文题 目 物联网技术在煤矿中的应用 系 物流信息系 专 业 物流信息技术 班 级 物信1001班 姓 名 吕莎 指导教师 杨立雄 2012年12月1日 摘 要本文以煤矿为研究目标，针对煤矿环境的实时感知、紧急救治等问题展开研究，提出了解决方案：为每个煤矿井下员工植入多个传感器，利用传感器、地理信息系统和定位系统感知煤矿井下状况和地理信息，无线传输网络（ZigBee）和加密算法有效结合将信息传输给指挥中心，指挥中心根据煤矿的井下实际情况更准确地制定救援方案，以便准确及时的进行相应处理。近年来，随着物联网技术的兴起，将会引起第三次信息化发展浪潮

2、。由于物联网具有全面感知、可靠传送和智能处理等特点，已在公共安全、工业监测、智能交通、环境保护、家庭医疗等多个领域取得了应用。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。关键字：物联网；产量监测；安全监控；救援系统；系统方案目 录第一章 物联网的概述11.1物联网的定义与发展11.2物联网的体系结构1第二章 物联网的关键技术32.1应用层的相关技术32.2网络层的相关技术32.3感知层的相关技术4第三章 当前煤矿安全生产存在的突出问题53.1企业技术管理薄弱53.2全生产管理观念落后53.3安全培训工作不到位53.4法制不完善，政

3、府监管力度不够53.5安全入落实不到投位6第四章 物联网技术在煤矿中的应用74.1物联网在煤矿产量监测中的问题74.2物联网在煤矿安全监控系统中的应用84.2.1煤矿安全监测监控存在的问题84.2.2煤矿安全监测监控存在的分析84.3物联网在煤矿井下救援系统中的应用9第五章 煤矿安全与物联网105.1 我国煤矿发生的事故情况105.2 我国煤炭工业生产方式105.3 煤炭行业对物联网的五大需求115.4 物联网改善煤炭行业现有信息化局限性11第六章 煤矿安全生产的系统方案设计13总结15致谢16参考文献17第一章 物联网的概述1.1物联网的定义与发展物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思

4、：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。2003年，美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。 2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（

5、WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了ITU互联网报告2005：物联网，正式提出了“物联网”的概念。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。 根据ITU的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。 2009年月日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅

6、有的两名代表之一，首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。 2009年2月24日消息，IBM大中华区首席执行官钱大群在2009IBM论坛上公布了名为“智慧的地球”的最新策略。1.2物联网的体系结构物联网的价值在于让物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物、物与物之间的沟通。由于物联网的基础在于感知、互联和智能的叠加，因此物联网的体系结构大致被公认有3个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是用于传输数据的网络层，最上面则是与行业需求相结合的应用层。 应用层智能交通环境检测工业监控服务平台信息开放平台公共中间件网络层专用网远程控制M2MINTERNETI

7、NTERNETGSM感知层中间件技术传播技术信息处理技术RFID传感器二维码1-1物联网体系结构其中，感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和信息处理中心等，将感知层获取的信息传递和处理。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化。在各层之前，信息不是单向传递的，可有交互、控制等，所传递的信息多种多样，这其中关键是物品的信息，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。此外，软件和集成电路技术都是各层所

8、需的关键技术。第二章 物联网的关键技术2.1应用层的相关技术应用是物联网发展的驱动力和目的。应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，作出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。解决了信息处理和人机界面的问题。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），查询型（智能检索、远程抄表），控制型（智能交通、智能家居、路灯控制），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。物联网应用层所需要的关键技术包括M2M（Machine to Machine）业务研究、云计算等。M2M业务现阶段通过结合通信技术、自动控制技术和软件智能处

9、理技术，实现对机器设备信息的自动获取和自动控制。M2M技术的目标就是使所有机器设备都具备连网和通信能力，其核心理念就是网络一切。云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展。云计算由于具有强大的处理能力、存储能力、带宽和极高的性价比，很自然就会成为物联网的重要组成部分，也是应用层能提供众多服务的基础。物联网应用提供统一的服务交付平台，它可以为各种不同的物联网应用提供海量的计算和存储资源，还可以提供统一的数据存储格式和数据处理方法。利用云计算大大简化了应用的交付过程，降低交付成本，并能提高处理效率。同时，物联网也将成为云计算最大的用户，促使云计算取得更大的商业成功。2.2网络层的相关技术网络层是

10、由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。是对现有网络的融合和扩展，以实现更加广泛的互联功能。物联网网络层能够把感知层感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性的进行传送，它解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，尤其是长距离的传输问题。这些数据可以通过移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等网络传输。物联网网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。网络层将综合使用2G/3G、有线宽带、PSTN、WiFi等通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网

11、的结合。同时，网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。2.3感知层的相关技术感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网获识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。感知层一般包括数据采集和数据近距离传输两部分。即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，然后通过蓝牙、红外、ZigBee、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术传递数据。感知层所需要的关键技术包括检测技术、中低速无线

12、或有线近距离传输技术等。具体来说，感知层综合了传感器技术、嵌入式计算技术、智能组网技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到接入层的基站节点和接入网关，最终到达用户终端，从而真正实现“无处不在”的物联网的理念。第三章 当前煤矿安全生产存在的突出问题3.1企业技术管理薄弱随着高能耗行业的投资热度及全球性的能源紧缺，使得近几年的煤炭供应特别紧张，在煤炭行业逐渐市场化的情况下，煤炭价格在需求激增的刺激下必然急剧上涨。在巨大的经济利

13、益的驱动下，加快煤矿的生产是必然趋势。但由于前几年煤炭行业不景气，许多企业管理人员、技术人员和一线有经验的工人流失严重，造成现在的煤矿技术人才非常缺乏，导致一些煤矿忽视生产技术管理，采掘布置严重不合理，采掘失调严重。一些突出矿井、水害严重的矿井和煤尘具有爆炸危险性的矿井，采取的防突、防治水和防尘措施也缺乏针对性等等。3.2全生产管理观念落后现行安全生产管理在煤矿企业管理中还没有得到足够的重视，一些煤矿管理人员不完全执行煤矿安全规程的规定。没有真正处理好安全、生产、效益之间的关系，没有认识到安全生产管理也能创造效益与利润，没有理解安全生产管理与企业可持续发展之间的关系。例如，采掘接替紧张时，采用

14、非正规工作面开采；不使用防爆设备；瓦斯监测监控系统作为应付检查的工具，探头随意布置等等。3.3安全培训工作不到位煤矿行业从业人员素质偏低，很多工人没有经过专业的操作技能和安全知识培训。据统计，农民工在煤矿从业人员中总体比例达到48%左右，其中在采掘一线的比例达到了90%左右。这些人员文化水平普遍比较低，没有专业技术，心理上也缺乏主人翁意识和集体观念，不能适应高强度的集约化、机械化的采煤作业。3.4法制不完善，政府监管力度不够政府职能部门对煤矿生产的责任监管所产生的问题，主要是监管机构的设置和权力配置存在一定的失衡，对权力运用过程中的监督机制也不健全。现行的权力运行中产生了监管部门的失职、渎职、

15、腐败等现象,存在着煤炭行业管理部门收受贿赂，投资入股等现象，对管辖范围内的煤矿大开绿灯，同时对一些安全事故进行包庇和掩护，对一些重大事故存在隐瞒欺骗和弄虚作假行为。另外部分企业安全管理体系和规章制度不健全，安全投入、劳动用工、设备管理、教育培训、技术和现场管理、领导干部带班下井等一系列安全管理制度没有落实到实处，违章指挥、违章作业、违反劳动纪律现象大量存在。3.5安全入落实不到投位我国煤矿储量大、分布广，但大都属于地下开采，瓦斯浓度高，因此开采难度较大，技术要求高。煤炭赋存的特点决定了我国煤矿生产成本高，而很多煤矿设备落后、安全设施不完善，煤炭企业集中上收的安全技措费，由于缺乏有效监督，这些费

16、用不能足额提取与应用，给安全生产埋下了隐患。第四章 物联网技术在煤矿中的应用煤矿安全生产关系到人民群众的生命和财产安全，各级政府一贯重视煤矿安全生产问题，并采取一系列措施不断加强安全生产工作。由于煤炭生产系统复杂，工作场所黑暗狭窄、人员集中、采掘工作面随时移动、地质条件的变化使移动的采掘工作面不断出现新情况和新问题，如不及时采取相应的有效措施，可能会导致重大灾害事故，这就给安全工作带来了困难。如何加强煤矿安全生产管理模式，实现管理的现代化、信息化成为煤矿企业关心的问题。由于物联网具有全面感知、可靠传送和智能处理等特点，已在公共安全、工业监测、智能交通、环境保护、家庭医疗、智能农业、智能图书馆、

17、邮政等多个领域取得了应用。将物联网应用于煤矿行业的安全生产过程中，不仅可以提高煤矿生产过程中的安全、减少人员伤亡、快速准确地对被困人员的定位等，并可以推动煤矿行业的信息化。以下就物联网在煤矿生产中的部分应用前景进行分析与展望。4.1物联网在煤矿产量监测中的问题煤矿产量监测系统由煤矿产量监测终端、省市网络中心产量数据库、查询统计软件、数据采集传输系统组成。在矿级网络中心将产量监控器直接接入IP网络，采用智能数据自动上传功能及传输格式协议。市级网络中心通过数据采集传输软件实时接受各矿数据，经过处理存入其产量数据库，并向市级等相关单位传送数据。省级网络中心通过数据采集传输软件实时接受各矿数据，经过处

18、理存入其产量数据库，并向省级等相关单位传送数据。省级网络中心通过数据采集软件实时接收各市级数据，经过处理存入其产量数据库。基于物联网的煤矿产量监测系统主要由数据采集子系统、数据传输子系统、数据处理子系统和数据访问子系统组成，数据采集子系统主要由称重传感器、变送器组成；数据传输子系统主要由控制器组成；数据处理子系统、数据访问子系统主要由计算机网络设备组成。系统工作原理如下：前端传感器将采集的煤炭产量电信号通过变送器送入控制器，控制器中的应用程序根据设定的算法计算出煤炭的实际重量，并保存到控制器中，通过控制器以太网接口，通过TCP/IP协议每隔设置的时间从控制器中取出所寄存的重量，并通过以太网发送

19、给数据处理中心，成功后删除控制器中的数据。数据处理中心接收到重量数据后，保存数据到相应的数据库中，数据处理中心提供各种接口给各个访问子系统共享数据。4.2物联网在煤矿安全监控系统中的应用4.2.1煤矿安全监测监控存在的问题我国大多数煤矿安全监测监控系统存在的问题不容忽视，主要有以下问题： （1）煤矿井下作业远离地面，地形复杂、环境恶劣，与地面人员间沟通不便、不及时，地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况； （2）煤矿事故发生后，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差； （3）大部分煤矿安全监测监控设备落后且老化，不能很好地适应井下环境，不能很好满足煤矿安全生产需要； （4）现有煤矿安

20、全监测监控系统各成体系，没有统一标准和接口，造成了监测工程中数据漏报、系统间无法正常通信等问题，导致安全隐患的出现。4.2.2煤矿安全监测监控存在的分析煤矿安全监控系统主要是对矿井生产系统的安全监控，包括对矿井空气中有害或危险成分（如甲烷、一氧化碳等）的监测，矿井空气质量状态（如风速、负压、温度等）的监测，以及通风设备运行状态（如设备开停等）的监测，并且在紧急情况下能够使煤矿井下的一些电器设备断电，停止运转。当前我国煤矿行业信息化水平比较低，信息技术应用不平衡。井下连采工作面由于设备较多、各设备随机独立作业，造成互相之间信息不沟通，更难以实现综合数据网络管理，从而限制了矿井自动化网络技术对该地

21、区的辐射，这在一定程度上制约着煤矿安全生产工作。基于物联网的煤矿安全监控系统，可以对井下环境参数和工况参数进行采集，并把采集到的参数实时送往井上的计算机进行显示、控制和超限报警等处理。基于物联网的矿井监控系统可分为井下和井上两部分，井下部分主要是利用传感器对矿井内的温度、湿度和瓦斯气体含量等信息采集，然后通过路由的方式经过各个节点传送到基站；井上部分主要负责接收从基站传输过来的数据，通过各监测子系统进行处理、分析，以曲线、图形或报表等形式显示数据；并支持各种查询统计功能。所以根据煤炭企业生产管理需求与现状，将系统业务分为人员定位与管理、设备定位与管理、车辆/机车的定位与管理、危险品流向与运输监

22、控与管理四个子系统，以物流与安全生产综合管理系统平台为核心，以无线/有线一体化调度通信系统、视频监控系统、应急通信系统为辅助通信系统，与安全监测监控系统、综合自动化等系统相结合。4-14.3物联网在煤矿井下救援系统中的应用近年来，随着对煤炭需求的高速需求，煤炭工业也得到很大发展，但是煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。事故发生后，准确判断井下生产作业人员的受困位置、遇险人员撤退路线、井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案，这对事故的救援是十分重要的，也是十分紧迫的任务。基于物联网的人员定位系统主要由无线信息采集网络和以太网有线网络组成。无线网络可以覆盖整个巷道，进行

23、人员信息的采集和传输；有线网络主要进行数据在井上的传输和处理。井下人员定位的过程如下：井下人员佩戴系统的信息采集节点，该节点定时发出存在信息，由分布于巷道的路由器节点接收，并根据信号强度判断其位置。井下人员的位置相关信息由路由节点或若干路由节点（跳传）传至接入节点，再由接入节点传入以太网，从而达到实时判知人员位置的目的。通过网络将人员位置参数实时地传输到煤矿井下救援系统，能够进行实时监测，并在危险情况下及时报警并及时通知井下作业人员，事故发生后，可以辅助快速制定救援方案，减少人员的伤亡。同时，可为井下人员佩戴不同的传感器，对矿工的健康参数进行监控，及时获知矿工的生理特征，提前进行疾病的诊断和预

24、防，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，准确及时的进行相应处理。第五章 煤矿安全与物联网 煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产业，支撑着国民经济持续高速发展。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中一直占70%以上，按照目前的能源消费标准，根据专家的预测，到2020年，能源消费总量将高达30亿吨到32亿吨标准煤。5.1 我国煤矿发生的事故情况5.2 我国煤炭工业生产方式目前，我国煤炭工业生产方式比较落后，主要表现在：1、产能不足、经济效益差、产业集中度低、增长方式粗放。2、技术落后、生产力水平低、资源开采利用率低、环境污染严重、产品单一、产业链条短，以及安全状况不好、职业危害严重等。3、

25、在安全、资源和环保等方面的压力也越来越大。我国是世界第一大煤炭生产与消费国，但与世界先进采煤国家相比，我国煤炭工业人才和科技含量存在明显差距：我国煤炭工业科技经费总投入只相当于国有煤矿产品销售收入的0.4%，而美国投入的煤炭科研经费相当于其煤炭销售额的3.0%；我国国有重点煤矿采掘机械化程度为73.63%，其中综合机械化程度为49.32%，而发达国家的相应指标则接近或达到100%；此外，我国科技进步对煤炭生产和经济增长的贡献率不足40%。煤炭企业信息化分为安全生产信息化和经营管理信息化，其中安全生产信息化包括安全生产监控（重大危险源辨识、预警、预案与救灾）、安全生产管控（生产系统运行状态）和生

26、产组织管理（计划、人员、设备管理）；经营管理信息化包括供应链管理、内部运行管理和营销链管理。目前的信息手段只能进行初步的信息采集和处理，无法实现智能决策分析。利用物联网的感知系统可实现对人、物、环境三个要素的有效监控和检测，超前预防事故。从而.实现由“间断性检查”向“连续实时监控”的转变，从认为判断向智能分析的转变，以及应急救援由事后反应向自动响应的转变。5.3 煤炭行业对物联网的五大需求中国物联网的标准仍在制定中，相关技术并未发展成熟；大部分的业务仍然是数据采集应用的扩展，要在安全生产中实现更加“智能”和“物与物对话”，需要进一步做好如下基础工作：1、生产大量性能可靠、价格低廉、能耗较低、精

27、度较高、适合煤矿井下环境和规范的智能传感器件。2、建设分布式、可移动、自组网的信息采集平台，研究矿山复杂环境下无线传感网技术、局部地区发生灾害后的网络重构技术。3、开展矿山复杂环境下的安全信息获取技术、安全信息识别与处理技术、矿井灾害预警预报等关键前沿技术的研究。4、对人员安全环境感知技术与终端设备、生命探测技术进行研究，拓展一些物联网技术，用以对采掘、提升、运输、通风、排水、供电等关键生产设备进行状态监测和故障诊断。5、制定真正适合于煤炭行业安全发展的物联网技术标准。5.4 物联网改善煤炭行业现有信息化局限性1、视频监控系统的局限性：传统解决方案只是采用视频监控，但仍不能完全保障矿井安全，存

28、在监控盲区。物联网解决方案在井上、井下安装不同类型的纳米级传感器，对声音、频率、图像等信息进行监控。2、井下人员定位系统的局限性：传统定位系统受电源、井下信号等因素影响，定位效果并不显著，且维护成本高。物联网解决方案利用物联网技术，将矿井分割成若干区域，在每个区域都安装ID扫描传感器，用来扫描该区域内正在活动的ID，并通过数据传输单元转向储存单元保存相关信息。3、安全检测监控系统的局限性：现有数据监控系统功能单一、传输范围窄，不能对紧急状况自动做出反应。物联网解决方案通过智能传感器对瓦斯浓度、排风量等进行监控，当出现超限时，切断可能区域的电源，自动启动应急预案。4、井下道岔管理的局限性：目前大

29、多数井下交通采用手动道岔，危险系数高，极易发生事故，现有自动道岔系统存在各种缺陷，可靠性不足。物联网解决方案运用物联网技术，实现井下智能交通，系统自动调整道岔，等道岔调整完毕后，给车辆予以反馈，车辆方可运行。5、煤质分析系统的局限性：传统做法是只分析煤的灰分、水分和重量，但是对于煤中的化学成分分析得不够，或存在分析不够精确的问题，特别是煤的含硫量是煤质及价格的重要指标，如系统不能作出准确的分析，则会导致煤质的不确定。物联网解决方案将传感器安装于煤传输带上，通过发射RFID射线对煤的成分进行感应，将数据精确地传输到监控中心，对煤的所有化学成分通过系统的设定可以准确全面地了解。第六章 煤矿安全生产

30、的系统方案设计针对以上问题，本文提出一种煤矿安全生产物联系统，按照统一规划、统一部署、统一管理、统一接口与标准的要求进行设计，其设计分成三个层次，分别是感知层、网络层、应用层，如下图所示。6-1煤矿安全生产物联系统整体模型感知层主要由传感器组成，将传感器检测到的数据通过通讯模块传送至控制计算机，实现数据检测与采集。感知层包括：1）传感器等数据采集设备，如地面井口、煤台、井下等场所安装的视频监控和传感设备；2）数据接入到网关之前的传感器网络，包括矿井传感设备的数据接入、传输和汇总。 网络层通过各种电信网络与互联网的融合，实现物体信息实时准确地传输与交互。网络层采用三级架构，即煤矿企业、市级分控中

31、心、省级监控中心，以“分级监管，分级响应”的机制，搭建煤矿安全生产的物联网架构，实现煤矿安全生产的监控监管。网络层包括：1）矿井监控数据的上传；2）煤矿企业的数据专线；3）省监控中心以及煤炭集团、市分控中心的宽带数据专线。应用层利用云计算、模式识别等各种智能计算技术，对海量数据与信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制，包括远程监测与控制、煤矿安全事故应急指挥、信息上传与共享等。应用层包括：1）主机与存储系统建设；2）煤矿企业、市级、省级监控中心显示、调度、指挥系统；3）煤矿企业上报信息的标准化工作；4）门户网站及安全系统建设。按照以上设计，整体网络图如图2所示，实现以下目标：6-2煤矿安全生产物联系统网络图（1）煤矿井下瓦斯、风速、设备开停等运转情况的适时监测、分析和控制，同时将以上监测数据通过公用电话网络、无线网络、光纤光缆传送到各级煤炭安全生产管理部门； （2）煤矿安全生产监察监管动态管理，实时了解煤矿的安全生产工作状态，随时掌握煤矿的有关安全技术工作参数（包括安全技术参数、安全监察监管要求数据）的情况，各煤矿点能够实施有效的日常安全管理，煤监部门能够对各煤矿点的安全生产工作实施有效的监督管理； （3）在煤矿发生事故时，可提供煤矿点的基本技术数据、企业和政府的事故应急处理预案、事故救