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矿井作业人员安全监控系统的设计及应用分析
2023-02-08 19:30:12 ℃寇俊芬
(晋能控股煤业集团云岗矿,山西 大同 037001)
由于云岗矿井在设置安全监控的情况下,并未对工作人员的安全问题进行考虑。因此并不能对井下工作人员的安全进行监控。鉴于此,可以选用物联网技术,与此同时需要充分结合井下工作人员的工作情况,从而构建了煤矿井下安全监控系统。
系统应该具备如下几个功能:其一,可以时刻监测井下员工的安全情况;
其二,能够适应井下工况情况,抗干扰能力要强;
其三,能够快速地分析数据并且制定出与之匹配的决策;
第四,能够实现调用数据的能力;
第五,系统具有较高的稳定性等[1]。
2.1 总体架构
该系统所获得的数据都来源于井下传感器,对于传统的环网而言在进行传输的过程中往往会产生许多无效数据,因此导致传输效率低下,为此笔者将在数据产生的环节进行数据处理。
为了有效地提高监控系统的有效性,该数据处理采用去中心化数据处理形式。该监测系统借助LSTM算法对数据的有效性进行分析,并且将数据进行储存,将数据定期上传到中心服务器。图1 表示监控系统总体架构。其主要包括如下几个数据层:第一,边缘感知层;
第二,雾决策层;
第三,云服务层;
第四,管控应用层。其对于边缘感知层而言,工作人员在井下工作时,需要佩戴边缘感知传感器,其可以收集人体的身体状况数据、运动数据以及周边环境的数据,并且完成对有效数据的收集。对于雾决策层而言,将其设计在边缘感知层之后,通常可以借助LoRa 技术,进而可以将边缘传感器采集到的数据传输给井下环网光纤,与此同时可以完成对数据的分析与分享,此外可以实现对异常数据的溯源。对于云服务层而言,可以实现对数据的汇集以及存储,与此同时还可以把数据传输给管理应用层。对于管控应用层而言,能够提供井下人员安全状况的数据信息,并且可以将其传输给系统管理人员,这时管理人员可以借助管控应用层给工作人员发出指令,从而可以实现应对紧急事件的功能。
2.2 边缘感知层
2.2.1 硬件设计
边缘感知层对井下工作人员的安全、运动以及相应的周围信息进行监测。与此同时将采集获得的数据进行分析,由此可以看出在选择边缘感知层时,必须充分考虑硬件的数据处理能力。为此该系统选用的内核处理器为ARM Cortex-M,并且该硬件还具有较强扩展性。图2表示构建的边缘感知层硬件结构,主要包括如下几个方面:第一,数据采集模组;
第二,运算处理模组;
第三,显示以及输入模组;
第四,LoRa通信模组等。
2.2.2 软件设计
边缘感知层结构模组中,其拥有独立的数据处理单元,在将数据进行处理后,可以将其输送给运算分析模组。数据采集单元选用ARM Cortex-M,变成语言为C语言,从而可以对数据进行分析。接着借助SPI将处理后的数据传输给运算分析模组[2]。图3 表示运算模组程序运行流程,其包括两个子单元:第一,驱动程序;
第二,MySQL数据库等。
2.3 雾决策层
2.3.1 硬件设计
雾决策层功能包括两个方面:第一,无线网关;
第二,雾决策。LoRa 无线通信能够实现无线网关功能,其可以借助无线网关将从雾决策层获得的数据传输给云服务层。这样可以实现借助以太网进行高速环网的连接。为了能够有效地提高雾决策的高效性,通常选用4 核4 线程的Intel Pentium N420064 位微处理器,图4 表示雾决策层的结构框架,主要包括如下几个单元:第一,LoRa通信模组;
第二,人机交互模组;
第三,以太网通信模组等。
2.3.2 软件设计
由于雾决策层具有较多的功能,因此在设计软件的过程中,依据相应的模块进行设计,可以对各个应用进行调用。图5表示雾决策层的模块组成结构,主要包括如下几个方面:第一,无线连接单元;
第二,数据收发单元;
第三,数据存储单元;
第四,数据交互单元;
第五,数据报表处理单元等。LoRa 无线通信模组在进行数据传输的过程中,往往需要借助收发解析。在进行数据解析的过程中,数据标头可以对数据管理进行判断。假如接收的是无线连接请求,那么可以借助无线连接管理程序进行处理。假如数据属于正常的数据交互,那么仅仅需要调用数据包进行处理。
2.4 云服务层和管控应用层
通常情况下,云服务层与相应的管控应用层而言,其管理的重心为如下三个方面:第一,监控系统管理人员;
第二,接受边缘感知层传递过来的数据;
第三,接受雾决策层传递过来的数据。与此同时,将信息传递给管控应用层以及将数据显示给管理人员。
2.4.1 云服务层软件设计
通常情况下,云服务层运行程序包括三个方面:第一,数据收发层;
第二,数据储存层;
第三,管控应用层。在数据收发层中,对于数据的收发并不需要较大的计算量,只要能够满足最大数据传输量的需要即可。通常数据储存层,不仅需要满足数据储存,而且将需要的数据传输给管控应用层。图6 表示云服务层程序结构图。
2.4.2 管控应用层软件设计
管理控制层进行人机交互,通常可以实现如下几个功能:第一,采集井下人员的安全情况;
第二,周围环境信息;
第三,工作人员的运动情况,图7表示管理控制层程序流程结构图。
该系统在工程实践中发现,经过长达六个月的测试,该系统运行稳定,其具有较好的抗毁伤能力。系统也可以实现各个设定的功能,可以精准地捕获井下工作人员的安全状况。通过数据分析发现,该系统共计检测到14 起人员不适的情况,其中主要以心跳加速为主,并且将存在有问题的员工及时地撤离。经过有关人员测试发现,该系统可以为公司节约150万的人员事故开支[3]。
安全生产是煤矿的首要任务,由于当前云岗煤矿在人员检测方面存在一定的问题,因此以此为出发点不断完善井下人员安全监控系统,其包括如下几个方面:第一,边缘感知层;
第二,雾决策层;
第三,云服务层;
第四,管控应用层等。经过工程实践发现,该系统具有较好的稳定性,能够满足工程的需要,具有一定的推广价值。
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