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          技術(shù)文章

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          煤礦行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統技術(shù)
          時(shí)間:2022-07-08  瀏覽:947次

            國外利用無(wú)線(xiàn)通信和計算機技術(shù)開(kāi)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)現超低頻信號穿透巖層進(jìn)行傳輸的無(wú)線(xiàn)急救通訊系統(PED,即PersonalEmergencyDevice系統)在悉尼附近的一所煤礦投入使用。上世紀90年代,隨著(zhù)RFID(射頻識別)技術(shù)的興起,國外加快了這一領(lǐng)域的發(fā)展,并成功地將其應用到了井下人員定位監控系統中。除礦井人員管理之外,國外煤礦瓦斯監測技術(shù)發(fā)展時(shí)間也比國內長(cháng),發(fā)達國家的煤礦監控系統普遍可實(shí)現多參數連續測控,系統智能程度高,傳感器質(zhì)量可靠,使用壽命長(cháng),系統的可靠性高,反映速度快。而國內現有的煤礦安全監控系統主要以聯(lián)網(wǎng)監測為主體,其主要由監測終端、監控中心站、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測傳感器,再通過(guò)長(cháng)電纜將采集到的數據傳到地上的監控中心站。但是這樣的系統存在布線(xiàn)難度大、環(huán)境適應性低、維護成本高等問(wèn)題。目前,將RFID、Zigbee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應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?jì)热萑缦拢?/p>

            1、煤礦RFID頻段的選擇

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

            國內有學(xué)者結合不同頻率的無(wú)線(xiàn)電波在煤礦井下巷道中的傳輸特性,對30多家企業(yè)生產(chǎn)的人員定位系統中的射頻收發(fā)系統進(jìn)行了歸類(lèi)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(mǎn)足煤礦安全的需要,并在此基礎上研制了基于2.4GHz的射頻收發(fā)系統。

            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)系統的論文。該系統由發(fā)射器和接受器組成。礦工帶有發(fā)射機,一旦事故發(fā)生,救援使用接收器來(lái)同UHF頻段的發(fā)射機溝通,通過(guò)觀(guān)察接收到的信號水平來(lái)判斷方向。這個(gè)無(wú)線(xiàn)電模塊采用內置低噪聲放大器,數字濾波器,匹配網(wǎng)絡(luò ),RSSI和DDS+PLL頻率合成技術(shù)。這個(gè)系統使用433MHz工作頻率,以提高滲透性,高衍射性和長(cháng)距離識別。

            此外,美國國家標準和技術(shù)研究院無(wú)線(xiàn)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(guò)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(wú)線(xiàn)電物理層的特點(diǎn)。原型系統是基于900MHzTinyOS支持低速率數據的應用。

            2、基于RFID的礦工身份識別定位和環(huán)境監測

            由于煤炭行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特殊性,監管系統就需要應對并監測井下的惡劣環(huán)境。有文獻介紹了基于RFID技術(shù)設計的煤礦安全智能化監控系統。該系統可以實(shí)時(shí)檢測井中甲烷等有害氣體的濃度,對攜帶RFID的井下工作人員和重要設備進(jìn)行自動(dòng)位置檢測、身份識別和信息管理。系統使用總線(xiàn)型拓撲結構的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據的采集和傳送,并利用監管中心的遠端PC實(shí)現顯示及存儲等功能,適用于各類(lèi)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控系統能夠很好的解決井下人員的實(shí)時(shí)定位與監控管理等問(wèn)題,為井下救援與管理帶來(lái)*大方便,從而使我國的煤礦安全生產(chǎn)與事故救護更加規范與科學(xué)。有不少學(xué)者提出的RFID井下人員定位系統,利用地理信息系統提供一個(gè)電子地圖可視化窗口,以協(xié)助定位系統就工人的位置更方便的管理。

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

            3、基于Zigbee的煤礦無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)

            Zigbee是基于IEEE802.15.4協(xié)議的全球性通信標準,根據這個(gè)協(xié)議規定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),能夠解決當前煤礦安全管理系統中存在的問(wèn)題,具有一定的市場(chǎng)前景。

            目前,有不少研究基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )與光纖通信網(wǎng)相結合的煤礦安全監測及人員定位的系統。這些系統實(shí)現了井上人員實(shí)時(shí)監測井下區域的瓦斯濃度,并實(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)應用于礦井無(wú)線(xiàn)通信系統

            根據美國FCC對超寬帶(UWB,UltraWideBand)的定義,UWB是指相對帶寬(信號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系統具有數據速率高、系統相對簡(jiǎn)單、成本和功耗低等優(yōu)點(diǎn),特別是無(wú)載波UWB通信方式更使系統的成本和功耗進(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(méi)有嚴格的控制,對數據速率的要求也不很高,可以利用超寬帶信號頻帶寬的特點(diǎn)來(lái)?yè)Q取傳輸距離。又由于功耗低,所以非常利于“本安型”電路的設計。

            UWB技術(shù)帶來(lái)了一種全新的通信理念,將它用于煤礦井下無(wú)線(xiàn)通信系統更是一種新的探索。UWB技術(shù)所具有的低功耗、高數據率、抗多徑能力強、系統復雜性低等特點(diǎn),能夠很好地對礦井進(jìn)行實(shí)時(shí)監測,尤其在水災、火災、塌方等惡性事故救生搶險中能起到至關(guān)重要作用。隨著(zhù)UWB技術(shù)的不斷成熟,在煤礦井下的應用將具有很大的發(fā)展前景。

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

            礦山物聯(lián)網(wǎng)是怎樣建設的?負責工程設計、建設的中礦智慧物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司總經(jīng)理周廷振介紹,工程的主要建設內容包括礦井信息化改造和礦山物聯(lián)網(wǎng)建設。礦井信息化改造包括:一是骨干網(wǎng)建設工程,建設井上、井下千兆工業(yè)英特網(wǎng)和調度指揮控制中心工業(yè)英特網(wǎng);二是生產(chǎn)調度指揮中心軟硬件建設工程,增加相應的集群服務(wù)器、千兆工業(yè)英特網(wǎng)設備等;三是礦井各生產(chǎn)及輔助系統的集成工程,實(shí)現遠程監控,減少井下操作人員;四是礦山集成平臺建設工程,實(shí)現全礦井異構信息的集成3GGIS平臺;五是安全生產(chǎn)管理工程,實(shí)現煤礦瓦斯災害預測分析。利用無(wú)線(xiàn)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)相結合的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統,通過(guò)設備工況監測監控、災害環(huán)境信息監測、人員定位、機車(chē)管理、語(yǔ)音通信、工業(yè)電視等,形成完善的無(wú)線(xiàn)感知平臺。

            在夾河煤礦調度室,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)節點(diǎn)(要形成200多個(gè)點(diǎn)),這些節點(diǎn)采集的多功能信息,可通過(guò)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(chē)、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“井下人員定位監測系統”后,選擇部門(mén)、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(kāi)啟、變電所如何工作,煤礦機電科工作人員都能在地面以無(wú)線(xiàn)遠程遙控操作,做到無(wú)人值守。馬朝金說(shuō),下一步,只要帶上智能便攜儀及礦用手機,下礦人員不僅可以**定位,還能隨時(shí)打手機、發(fā)短消息。

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


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