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煤礦行業物聯網系統技術
時間:2022-07-08  瀏覽:60次

  國外利用無線通信和計算機技術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的一套可實現超低頻信號穿透巖層進行傳輸的無線急救通訊系統(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RFID(射頻識別)技術的興起,國外加快了這一領域的發展,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發展時間也比國內長,發達國家的煤礦監控系統普遍可實現多參數連續測控,系統智能程度高,傳感器質量可靠,使用壽命長,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網監測為主體,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,再通過長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難度大、環境適應性低、維護成本高等問題。目前,將RFID、Zigbee等物聯網技術應用于煤礦安全管理中已成為新的關注熱點,其主要研究內容如下:

  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:低頻段射頻標簽(30KHz-300KHz),中高頻段射頻標簽(3MHz-30MHz)和超高頻與微波標簽(典型433MHz,2.45GHz,5.8GHz)。

  國內有學者結合不同頻率的無線電波在煤礦井下巷道中的傳輸特性,對30多家企業生產的人員定位系統中的射頻收發系統進行了歸類比較,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,并在此基礎上研制了基于2.4GHz的射頻收發系統。

  在2008年多媒體和信息技術國際會議上有學者發表了一篇煤礦物聯網系統的論文。該系統由發射器和接受器組成。礦工帶有發射機,一旦事故發生,救援使用接收器來同UHF頻段的發射機溝通,通過觀察接收到的信號水平來判斷方向。這個無線電模塊采用內置低噪聲放大器,數字濾波器,匹配網絡,RSSI和DDS+PLL頻率合成技術。這個系統使用433MHz工作頻率,以提高滲透性,高衍射性和長距離識別。

  此外,美國國家標準和技術研究院無線通信技術小組的MichaelR.Souryal等人研究了一個多跳網絡的自動部署的可行性。部署過程建議采用實時測量鏈路,并考慮移動多徑衰落環境以及無線電物理層的特點。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境監測

  由于煤炭行業生產環境的特殊性,監管系統就需要應對并監測井下的惡劣環境。有文獻介紹了基于RFID技術設計的煤礦安全智能化監控系統。該系統可以實時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行自動位置檢測、身份識別和信息管理。系統使用總線型拓撲結構的網絡進行數據的采集和傳送,并利用監管中心的遠端PC實現顯示及存儲等功能,適用于各類環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時定位與監控管理等問題,為井下救援與管理帶來極大方便,從而使我國的煤礦安全生產與事故救護更加規范與科學。有不少學者提出的RFID井下人員定位系統,利用地理信息系統提供一個電子地圖可視化窗口,以協助定位系統就工人的位置更方便的管理。

  在煤炭行業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,尚無煤炭行業RFID的標準。

  3、基于Zigbee的煤礦無線傳感網

  Zigbee是基于IEEE802.15.4協議的全球性通信標準,根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術,能夠解決當前煤礦安全管理系統中存在的問題,具有一定的市場前景。

  目前,有不少研究基于Zigbee技術的無線傳感網絡與光纖通信網相結合的煤礦安全監測及人員定位的系統。這些系統實現了井上人員實時監測井下區域的瓦斯濃度,并實時跟蹤定位井下人員,方便工作人員有效地管理礦井的安全工作。

  4、UWB技術應用于礦井無線通信系統

  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極寬的頻譜和極低的發射功率,使UWB系統具有數據速率高、系統相對簡單、成本和功耗低等優點,特別是無載波UWB通信方式更使系統的成本和功耗進一步降低。

  UWB技術的這些特點非常適用于礦井通信。在礦井中,由于頻譜的使用沒有嚴格的控制,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”電路的設計。

  UWB技術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更是一種新的探索。UWB技術所具有的低功耗、高數據率、抗多徑能力強、系統復雜性低等特點,能夠很好地對礦井進行實時監測,尤其在水災、火災、塌方等惡性事故救生搶險中能起到至關重要作用。隨著UWB技術的不斷成熟,在煤礦井下的應用將具有很大的發展前景。

  徐州夾河礦“感知礦山物聯網GIS3.0系統”試運行,9月20日,在徐礦集團夾河煤礦調度室,打開感知礦山物聯網GIS3.0系統,11個子項目就像一棵樹一樣地彈了出來。用鼠標輕點一下,井下人員在哪個位置、礦車走到哪里等,都一清二楚。經過近一年的努力,該礦感知礦山物聯網示范工程一期項目試運行。

  礦山物聯網是怎樣建設的?負責工程設計、建設的中礦智慧物聯網科技股份有限公司總經理周廷振介紹,工程的主要建設內容包括礦井信息化改造和礦山物聯網建設。礦井信息化改造包括:一是骨干網建設工程,建設井上、井下千兆工業英特網和調度指揮控制中心工業英特網;二是生產調度指揮中心軟硬件建設工程,增加相應的集群服務器、千兆工業英特網設備等;三是礦井各生產及輔助系統的集成工程,實現遠程監控,減少井下操作人員;四是礦山集成平臺建設工程,實現全礦井異構信息的集成3GGIS平臺;五是安全生產管理工程,實現煤礦瓦斯災害預測分析。利用無線傳感器網絡建立覆蓋煤礦井下,并與千兆工業英特網相結合的無線自組網系統,通過設備工況監測監控、災害環境信息監測、人員定位、機車管理、語音通信、工業電視等,形成完善的無線感知平臺。

  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個節點(要形成200多個點),這些節點采集的多功能信息,可通過井下千兆網傳到地面控制中心,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、風速等相關信息。如點擊進入“井下人員定位監測系統”后,選擇部門、姓名,就可以查找到這個人的軌跡信息,既可以查看實時軌跡信息,也可以查閱歷史軌跡信息。此外,井下的水泵何時開啟、變電所如何工作,煤礦機電科工作人員都能在地面以無線遠程遙控操作,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,下礦人員不僅可以精確定位,還能隨時打手機、發短消息。

  示范工程成功驗收后,將會申報國家感知礦山核心技術專利和技術標準,爭取國家在感知礦山物聯網推廣應用方面的政策傾斜和扶持,以感知礦山物聯網技術在全國的廣泛應用,搶占全國感知礦山物聯網產業制高點。


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