自改革开放以来，我国矿山安全生产监测监控系统得到长足的发展，重点矿山已全部安装有监测监控系统，并已经成为矿山达标的首要条件。但是，现有矿井监控系统均存在着通用性差、智能化程度低等问题，既不符合智能型集中监控的要求，又不能满足矿山安全生产的需要。因此实现矿山安全监测系统的数字化和智能化，是我国矿山安全生产监测监控的当务之急。
    以经触目惊心的事故伤亡数字警示我们，必须充分重视矿山及能源行业的安全生产问题，首先建立省（局）级的安全信息监测管理平台，安装用于事故预警的各种传感器，进行全天候、24小时的安全监测，提前预报，实时控制，把安全事故控制在最小范围内。
    国外矿山监测监控技术是20世纪60年代开始发展起来的，至今已经有四代产品，5～10年为一个更新周期。到了80年代，美国率先将计算机、大规模集成电路、数据通信等现代高新技术，用于矿山监控系统。随着新材料、电子传感、数字通信、微机控制、软件和网络技术的迅速发展，监测监控系统已步入数字化和智能化时代。
    矿山安全监测系统是增强矿山安全、提高生产效率的有效工具。它的主要功能是用监测一氧化碳、烟雾、风速、温度、负压、风筒、风门状况等环境参数，以及机组位置、水仓水位、设备开停、计时、记数等生产参数和电位、电压、功率等电量参数。系统采用巡检工作方式，具有自检验、自诊断和通讯等功能，系统的稳定性和可靠性高。

系统的组成及工作原理
    为了提高矿山安全生产，必须建设省（局）级的“矿山安全监测可视化管理系统”（简称系统）。 系统的体系架构可以概括为感知层、传输层和应用服务层等三层构成，见图1。

该系统是集全球卫星定位（GPS）、地理信息（GIS）、计算机、传感和通信等技术于一体的综合化系统，采用“多区一中心”的管理模式，由矿区和空间监测传感器、通信网络、矿区管理站（含巡检车）以及信息管理中心组成，见图2。

图2  系统组成图

信息管理中心是系统的大脑和指挥、显示（可视化）中心，主要由视频服务器、数据服务器及磁盘阵列、工作站（含管理、通信、GIS和传感信息工作站）、操作计算机、路由器、显示屏、控制键盘、光端机和打印机等组成。视频服务器用于处理、存储、切换视频图像信息；数据服务器用于处理和存储传感器数据信息，建立安全信息数据库；管理工作站完成管理中心的各种管理功能，包括操作人员的授权，数据查询、统计及报表打印管理等；GIS工作站建立各种传感器所在位置的电子地图及其状态显示；通信工作站完成管理中心的各设备之间以及与外部的通信管理；路由器完成对各种通信系统接口的控制转换，完成各系统之间通信；显示屏完成各种信息的显示，数字和图像信息及电子地图的显示；控制键盘用于控制各种信息在大屏幕上的显示以及对摄像机动作的控制见图3。

图3   管理中心监控中心和机房的实景图

管理中心可设在省安全监管局或煤监局，按“多区一中心”的管理模式，对各矿区进行实时监控管理见图4。

图4   多区一中心示意图

通信网络是“系统”内外信息交换的桥梁，由内部局域网（LAN）、短程通信网（如WIFI、Zigbee等）、公用通信网络（公用电话PSTN、移动通信GSM、3G、光纤和卫星通信）组成，通信网遵循各自的协议。
     系统的感知层由矿区监测传感器（含瓦斯、压力、水位、振动、电器远程传感器等）和空间监测传感器（含遥感、气象、定位卫星和无人飞机）。矿区传感器与通信模块集成为一体，设置唯一识别地址（ID）号，并与电子地图的地理位置对应，采集相应的安全监测参数，将所采集的信息通过通信模块和相应的通信网络传至管理站和管理中心见图5。

图5  各种传感器图

 空间监测传感器包括气象卫星、GPS卫星、遥感卫星和无人飞机，气象卫星从空间采集矿区的气象信息，尤其是自然灾害信息；GPS卫星采集矿区的地理位置信息，包括矿区事故的位置；遥感卫星和无人飞机利用遥感技术，从空中采集矿区地质变化信息。以上信息通过通信卫星及其地面接收机、移动通信，传到相应的国家（地区）管理中心进行处理。
    由于空间监测传感器、卫星通信及其地面接收机、移动通信的投入很大，一般由国家统一建设和管理，系统只是通过有关部门获取本地区（省）所需矿山安全信息，进行进一步的综合分析、处理、预测和报警。
    在每个矿山设一个矿区管理站，并配1～2台巡检车。管理站内配置有操作计算机及监视器、传感信息收集终端、移动通信（含GPS）终端、视频服务器、天线、专用电源等见图6。管理站是简化的管理中心，它负责收集和处理各监测传感器所采集的各种安全监测及位置信息，并通过通信网络将它们传至管理中心。管理站的操作计算机中安装有GIS软件。通过GIS，传感信息收集平台汇集的传感信息，可在监视器的电子地图上实时显示和报警。

管理站配置有1～2部巡检车和手持终端见图7。巡检车是移动的管理站，其配置与管理站类似，作为管理站不能覆盖范围的一个补充，它包括GPS、短程通信、GSM、重要传感信息收集终端、天线以及摄像头，天线和摄像机安装在车顶前方。巡检车上还配置有手持终端，巡检车不能到达的地方，由巡检员携带手持终端，到现场采集相关信息，包括图像信息。摄像机采集矿山现场图像信息，并与GPS的位置信息、传感器采集的安全监测及编号信息等打包，通过WIFI和GSM模块，传输到管理站和管理中心，实时显示在电子地图上，如有事故发生，即发出报警。系统对每个监测点及巡检车进行实时跟踪和可视化管理，一旦有安全事件发生，能够准确地对车辆和人员进行定位和实施救援。

图7  巡检车和手持终端外形图

关键技术问题
  “矿山安全监测可视化管理系统”所开发的关键技术，包括系统综合化、多功能手持终端、传感器与通信集成模块、安全信息综合报警平台等技术，属于国内较为先进的技术。
 系统综合化技术
       该系统采用传感、遥感、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、计算机、图像处理、移动和短程通信技术、空间遥感（包括卫星和无人飞机遥感、GPS和气象卫星）、多种矿区传感器（包括气体、压力、振动、水位、磁、光纤传感器）以及相关软件，将多种分系统（设备）综合集成为矿山安全监测可视化管理平台，采集矿山的安全信息，进行综合、分析、处理、存储、通信传输、显示和打印。它按“多区一中心”的管理模式，由一个管理中心、进行管理；通过视频监控、图像处理和电子地图，对矿区安全信息实行可视化管理和实时报警。
 

 多功能、小型化、综合化手持终端
    该系统使用的手持终端，是一台移动信息采集和交换平台，它将通信、GPS、GIS、显示等多项技术模块及其软件，集成为一体，组成一台移动信息平台。它在小型化和综合化方面处于国内领先水平。

 传感器与通信集成模块
    该系统使用的矿区安全信息监测传感器，将传感器与通信模块集成为一体，传感器实时采集的安全信息，通过短程或移动通信模块，传到管理站和管理中心进行存储和处理。
 

安全信息综合报警平台
    在管理站配置有传感信息综合分析报警平台，它是根据各传感器的功能及技术指标、矿区安全信息的门限值，利用传感数据信息处理及报警软件，当各传感器所采集的矿区安全信息超高门限值时，平台会发出音响和灯光报警。
    该系统所采用的技术和设备大多已经开发或批量生产或投入使用，比较成熟，具备可行性。例如系统综合化和可视化管理系统已在成都海关物流保税园区稳定可靠地运行三年以上，发挥了很大的作用，并通过了国务院组织的验收。系统所采用的技术和设备，不仅可用于矿山，也可推广应用到石油领域。

参考文献：
 [1] 周永，杨云志，李元忠，朱宏“利用RFID和VFID技术实现卡车和集装箱自动识别管理系统” [J].电讯技术,2014年4月，第四期。
 [2]黄鹏、杨云志、李元忠“物联网推动RFID技术的发展” [J].电讯技术,2010年4月。
 [3]李元忠，杨波，叶飞,韩宁“物联网关键技术在综合保税物流园区管理中的应用—自动识别管理系统简介”《物流技术》(装备版)2011年第12期。
 [4]“论国内外矿山安全治理现状与改善措施”《中国论文网》2012年9月19日（WWW.XZBU.COM）。

（作者单位：邹正伟/西南石油大学；叶飞 李元忠 朱宏/四川新源现代公司）

《中国自动识别技术》2015年第5期