物联网项目案例(井下和碳排放)

1、项目案例1:井下安全综合监控系统一、实施目标针对矿山重大安全事故频发、现有矿山监控系统有线覆盖不足等问题，结合已取得的多项专利技术，采用无线传感器网络技术对井下巷道、工作面、重点监控区域进行监控，实现井下无盲区覆盖。设计了面向矿山的无线传感器节点，研发了无线传感器网络自定位技术对井下人员、移动设备、载运工具及被动移动的设备（如瓦斯探头等）实行自动定位和跟踪；通过无线传感器网络节点上所接驳的各种类型传感器，如瓦斯、一氧化碳、火灾、温度等各类环境和设备传感器，实现了对井下环境和设备的连续、低成本的监控，有效发现设备失信的发生；通过无线传感器网络的语音通讯，构建井下移动通讯网络；通过无线传感器网络有

2、效地将不同的类型的数据在同一个平台上传输，同时传输井下的图像、语音、监测监控信息，有效地实现井下安全监控系统在传输层上统一，并通过矿山井下地理信息系统（GIS）将井下各处的环境数据、人员发布数据、设备信息数据与监控系统有效集成，以矢量图的形式显示实时监测数据，实现井下人员定位、地图导航，实现可视化的安全监控。二、主要功能基于无线传感器网络的井下安全综合监控系统由传感与检测系统、安全信息网络与通讯系统、安全管理信息系统、安全预警决策与决策支持系统以及救援信息保障系统组成的矿山井下安全综合监控系统组成。具体子系统如下：（1）传感与检测系统。主要由井下的各类传感器、监测监控设备和无线传感器网络节点组

3、成，能够实时采集井下环境、设备数据，并根据应用层的指令实现对井下设备的控制；（2）安全信息网络与通讯系统。主要由井下部署的有线传输网络和无线传输网络所组成，能够将传感与检测系统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，满足矿井不同类型数据（控制数据、监测数据、语音和视频）高速、综合的传输要求；（3）安全管理信息系统。主要由各类井下信息管理系统组成，通过上层的监控系统，访问和控制井下各个传感器等监测监控设备，实现监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析、报表打印等。安全管理信息系统中通过地理信息系统将不同的监控信息系统有效地集成在一起。（4）安全预警与决策支持系统。通过构建各种

4、矿山安全生产模型，依据矿山生产、环境、设备数据，对矿山安全隐患进行分析与预警；（5）救援信息保障系统。在矿难发生时从矿山安全信息管理系统中提取矿难发生时矿山井下人员、设备、环境等救援所需数据，为矿难救援提供信息保障。（6）井下人员精确定位技术。基于矿井巷道受限、无线信号易受干扰的特点，摒弃传统的基于无线信号强度的定位技术，提出适用于矿井的高精度井下人员定位技术。 （7）可靠实时的井下无线传感器网络数据收集技术。数据收集协议提供到基站节点的尽力、多跳传输，负责将传感器节点监控到的感知数据和人员位置等信息汇聚到基站。然而，由于井下无线网络中不稳定的链路、不准确的链路质量估计、链路动态性和路由循环等

5、因素导致数据收集协议的可靠性和实时性无法保证。现有的数据收集协议可达到的最大带宽为14KB/s，距离256KB/s的理论最大值相差甚远。在最大带宽为14KB/s的情况下，井下无线传感器网络应用不得不降低数据的采样频率和减小网络的部署规模，使得无线传感器网络的应用效果大打折扣。此外，上述最大带宽是在所有传感器节点不休眠的情况下得到的，这会使得传感器节点的能量快速耗尽，井下的传感器频繁耗尽能量会导致网络的频繁失效，增加维护成本，降低系统的安全性。本项目提出实时、高可靠的无线传感器网络数据收集协议以解决上述问题。三、项目实施方案1、传感与检测系统传感与检测系统是矿山安全综合监控系统的底层支撑系统，由

6、大量的井下传感器和无线传感器网络节点组成，实现对井下基础数据的采集，并将其上传至上层系统处理。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。按井下安全生产监控的需要，传感器包括：（1）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；（2）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；（3）视频传感器，用以监控

7、井下关键区域或位置；（4）音频传感器，用以井下语音通讯的语音输入。使用时经切换具有语音输出功能；（5）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。每种传感器通过接口与井下无线传感器网络节点相连，井下的每个传感器网络节点具有计算、存储、无线通讯功能，内置嵌入式操作系统，根据监控需要写入监控程序，每个传感器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。每种无线传感器网络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传感器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

8、、二氧化碳传感器、氧气浓度传感器等。按照作用将传感器网络节点分为以下几类：（1）环境监测用传感器网络节点。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将会自动报警，并将超限数据上传调度中心；（2）设备监测用传感器网络节点。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，并上报传调度中心。节点还可以根据井上下达的指令对设备进行控制；（3）视频监控用传感器网络节点。此类节点上接驳视频摄像头，部署在井下重要区域，用于监控失信行为；（4）井下作业人员携带的网络节点。此类节点由井下作业人员随身携带，通常接驳两类

9、传感器：语音通讯传感器，用于采集语音和播放语音，通过无线传感器网络和其他同类节点通话，矿难发生后，当井上建立起与井下人员的无线通讯，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讯后，可将井下人员的生命体征信息及时上传至井上；（5）载运工具定位用传感器网络节点。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；（6）普通传感器网络节点。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2、安全信息网络与通讯系统该系统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，但由于矿山井下工况环境十分复杂，

10、有线监控系统由于自身的局限性还难以对瓦斯、灰尘、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，基于无线传感器网络建立矿井无线安全监测可以对有线监控系统难以监测的区域实施有效、实时和灵活的监测，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。（1）有线系统有线系统主要部署在大巷中。由于矿山井下传输数据量大、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矿山井下

11、条件使用，因此在综合监控系统的主干可采用矿用阻燃光纤作为传输介质，分支上采用同轴电缆。每个矿山可根据矿井结构，采用树型、总线型或环型拓扑结构，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。（2） 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。传统的无线网络技术如 WiFi、PHS 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

12、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。无线传感器网络是一种由大量微型移动传感器节点构成的网络，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，可广泛地应用于井下有害气体的监测、移动目标的跟踪、环境状态变化的监测等。无线传感器网络充分利用了 Ad-hoc 网络动态自组、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，能够满足矿山井下安全监控的要求，是解决矿山瓦斯全方位、实时监测的一种可行之法。因此，考虑到井下对无线

13、数据通信可靠性、实用性、可操作性的要求，将矿山井下无线监控系统基于无线传感器网络构建，将其应用于矿山井下监控系统中，由各种传感器实时采集矿井的环境信息，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，具有廉价、便携、可靠性高、易于校正等优点。监控系统在矿山的巷道、工作面、设备上部署大量的无线传感器网络节点，这些节点位置固定且已知，称为信标节点；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无线传感器网络节点，随着物体的移动而移动，周期性地与信标节点通讯，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

14、移动目标的定位和跟踪；在每个传感器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，及时发觉异常；还可以实现语音通讯功能，构建井下移动通讯系统。（3）井下无线传感器网络结构井下无线传感器网络由无线网关、无线传感器节点、传感器三个部分组成。网关是无线传感器网络与有线局域网的连接转换设备，具有一定的计算存储能力，是无线传感器网络的数据出口，负责将无线传感器网络采集的数据传输到有线网络上，

15、将井上的控制命令传给无线传感器网络。无线传感器节点是一个具有运算、处理、存储和无线通讯功能的嵌入式系统，可以完成对指定区域的监测。井下的无线传感器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，是组成无线传感器网络的主要节点，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，无线传感器网络可通过定位机制对该节点进行定位，定位系统通过对这些节点的定位从而实现对井下移动物体的定位和跟踪。3、安全管理信息系统安全管理信息系统用以处理井下采集的环境、设备、人员、载运工具等状态数据

16、，并根据井上安全控制的需要对井下发出各种控制指令。矿山信息是一种活跃的、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；而矿山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，才能为矿山安全管理人员提供完整、全面、统一的安全信息。故以矿山地理信息系统(GIS)为基础构建了安全管理信息系统平台，将各种监控信息系统有机地集成起来。(1) 矿山地理信息系统矿山井下与安全相关的数据类型众多，且地理分布分散，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，可以将与矿山安全和生产有关的各类信

17、息集成到统一的系统平台上，将分散于矿山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，实现矿山安全和生产的可视化管理，有效提高监管部门的工作效率，从而达到“分散管理、集中监控”的工作目标。利用矿山 GIS 系统可将矿山井下各种设备、环境信息、人员分布、无线传感器网络节点部署、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，便于井上控制中心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、事故发生位置和救援设备位置等信息。（2） 环

18、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、风速等数据进行安全调度，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

19、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发生变化时将及时报警，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，矿山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；可提醒领导、生产调度等及时将人员撤至安全处，并通过设备监控系统启动相应通风设备。 (3) 移动物体定位与跟踪

20、系统该系统利用无线传感器网络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，称为信标节点；井下工作人员、载运工具、可移动设备携带一个传感器节点，每个节点有唯一的编号，作为移动物体的身份识别，这些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。移动节点定时与周围的信标节点通讯，利用自身与相邻节点的连通信息或距离信息实现定位。移动节点获取自身位置信息后将其上传至地面，定位与跟踪系统结合井下 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

21、运工具携带节点的连续定位，可实现对这些对象的跟踪。定位与跟踪系统可用来监测井下人员位置，能够通过跟踪井下人员所携带的节点，实现对井下人员出入井的时刻、在重点区域的出入时刻、在限制区域的出入时刻、下井工作时间、井下和重点区域中分布的人员数量、井下人员的活动路线等信息的记录；通过对下井人员的跟踪实现对入井人数的控制和进入采区、工作面、掘进工作面等重点区域人数的控制，加强对井下作业人员超时工作的管理，防止井下作业人员误入限制区域情况的发生，对于加强特种作业人员、干部下井带班、井下作业人员的考勤管理等都具有非常重要的作用。当矿山井下发生瓦斯爆炸、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

22、、分布情况等信息，便于及时展开营救。定位与跟踪系统对失信行为的处理方法：（1）在定位与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，通过对传感器定期定位以实现对其位置的跟踪，防止井下作业人员不按时移动传感器，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；（2）在定位与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；（3）在定位与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

23、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。（4） 语音通讯系统语音通讯系统用于实现井下人员与井上、井下人员间的语音通讯，通过无线传感器网络实现。在井下作业人员所携带的无线传感器网络节点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，实现语音通讯。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讯。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。与传统服务器

24、的网络相比，基于无线传感器网络的语音通讯网络无需经过地面控制中心，节点自动组网，能够在任何时间、任何地点组建起一个移动通信网络，网络中每个节点都能以对等的方式进行通信；节点可任意移动，网络拓扑结构动态变化，部分网络损坏不会影响系统的使用，具有更强的鲁棒性和抗毁性等。当矿山发生灾难时，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，放下一个无线传感器节点作为信标节点，利用井下无线传感器网络的自愈性能，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讯，甚至被困矿工间还可以通过井下残余网络实现与其他被困人员的通话，以利于救援工作的展开。(5) 安全监察信息系统安全监察系统主要实现

25、对井下安检人员反馈的巡查信息进行管理，分析事故隐患并及时报告给调度人员；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，及时跟踪每类信息处理预案的落实情况；安全监察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。告警信息，按照预警等级高低和预先制定的预警反应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。(6) 救援信息保障系统救援信息保障系统在矿难发生后可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

26、，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，模拟井下矿难发生的效果图，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连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

27、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。4、安全预警决策与决策支持系统井下生产是个高危行业，建立矿山安全决策与预警机制能够有效降低事故风险，预防安全事故的发生，是提高矿山安全生产能力的辅助手段。安全预警决策与决策支持系统根据矿山的安全生产需要，结合矿山地质条件，建立各种安全预警模型，实现对安全风险的在线辨识。系统能够根据井下的环境、设备及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，并启动预警反应行动计划。与此同时，实时地评价高风险危险源的危害程度变化过程，不断改变预警等级，以适应矿山

28、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应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。5、救援信息保障系统救援信息保障系统在矿难发生后可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，模拟井下矿难发生的效果图，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