王开松 许 欢 靳华伟 牛乃平 徐记顺 张亮 闫宣宣
摘 要：现代矿山越来越向智能化发展，目前大部分矿井的风门系统仍需要人力或半机械进行启闭，不符合矿井智能化建设的要求。论文针对井下风门的远程实时监控系统开展研究，建立了风门实时监控系统的功能框架，制定了实时监控系统的工作流程，对风门实时监控系统的关键技术进行分析，并搭建矿井风门实时监控平台，实现对井下风门智能化的实时监控、数据的无线传输以及异常预警等功能。
关键词：风门;实时监控;监控平台
中图分类号：TP23;TD441 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2021）12-0015-04
引言
井下风门系统主要是利用风门开合的方法持续向巷道内提供新鲜空气，满足井下工作人员对氧气的需求，冲淡并释放出空气中的有害气体和浮尘，调节巷道内的环境条件，创造良好的工作环境，有利于保障矿井安全生产。风门系统作为矿井通风系统的重要组成部分，其智能化一直是数字矿山建设中尤为关键的一环。但目前，矿井风门仍然是需要人力或半机械进行开合，工作难度大，对于突发状况难以做出及时反应，而且井下负压较大，风门作为隔断风流的通风设施，往往开启费力，且关门过程中由于负压作用关门过快易伤过往行人，难以满足矿井智能化建设的需求。因此，为了满足智能矿山对于安全生产的追求，需要建立一种集实时监测、数据传输、数据分析、智能决策、实时控制为一体的矿井风门实时监控系统。
近些年来，广大学者对煤矿井下风门智能化建设展开了广泛的研究。刘嘉鑫针对井下风门自动化程度低，设计了一种基于PLC的矿井风门自动控制系统[1]。武超等研究了煤矿井下自动风门的组成和液压系统的控制机构，设计了风门自动控制系统[2]。高俊亮针对风门应对灾变时缺乏监测监控能力，研究并设计了一种自动风门系统[3]。张立群为实现风门的自动化控制，设计了一套双向无压快速拆装自动风门[4]。陈翰光以18305回采工作面为研究背景，阐述了矿井采用智能通风与实时监测控制系统[5]。周福宝等围绕矿井智能通风的原理，论述了矿井智能通风建设关键环节的功能实现技术路径[6]。高连月等以刘塘坊矿业为研究对象，设计了主扇风机远程自动化控制系统，实现了远程自动化控制等功能[7]。刘建荣等以天祝煤矿斜井为研究对象，介绍了一种煤矿斜巷多水平提升监控系统[8]。
综上所述，过往的研究主要是对风门自动化控制及矿井通风系统的组成展开的部分研究，对于风门远程实时监控系统的研究還比较少。本文对煤矿井下风门的远程实时监控系统进行研究，搭建该实时监控系统的功能框架，分析实时监控系统的工作流程，并对搭建风门实时监控系统的关键技术进行分析。
1 实时监控系统的原理
1.1 概念
风门实时监控系统的关键是将井下信息采集及处理技术、数据网络传输技术与风门自动控制系统深度结合，依据“平战融合”的思想，实现按需开门的智能决策与应急调控的目标，既满足井下日常人员车辆及物资的调度任务，又实现日常通风的智能化管理。
1.2 监控系统的主要功能
该监测控制系统应用上位机对风门工作状态及巷道环境进行监测、显示、报警及其他管理，其主要功能：
（1）实时预警巷道内异常情况。保障风门自动控制系统日常运行的安全性与稳定性，对井下风量异常现象及时反应;满足对风门运行异常情况的智能感知及预警。
（2）实时监控满足智能化调控。运用人员及车辆定位技术、井下物联网系统、大数据、信息通信和自动化技术，建立风门实时监测与控制系统，实现数据分析、智能决策与实时调控的相互融合，实现灾害的预防、减弱、控制及主动抢险救灾等全过程的自动化与智能化。
（3）远程启、停、调速功能。系统按照预编程序可实现风门远程启闭控制，并可根据井下生产情况，对风门进行不同程度的开合，实现节能经济运行。
（4）监测参数实时显示功能。可显示巷道人员与车辆的信息（如位置、人员身份、车辆种类等）、通过风门的物料信息（如种类、数量等）、巷道环境信息（如风量、风压、温度等），风门启闭与开合度情况。
（5）设备运行状况、信息统计功能。通过建立实时数据库，对关键设备运行信息实时生成趋势曲线和数据报表，并提供查询功能，及时掌控风门的运行状况及巷道内的环境变化。
（6）视频监控功能。实现监控后台对风门运行状况的实时监控。
1.3 监控系统模块单元
风门实时监控系统精准获取巷道内的环境信息、人员及车辆位置信息，基于数据处理分析系统、信息智能决策平台和风门自动控制系统，实现对风门不同开合度的数字化调节。在电力系统出现异常时，人工能够干预风门开合控制。当巷道内的通风系统出现风流短路或局部区域反风时，环境感知模块能准确判断异常，迅速做出预警并给出调控方案，及时对风门开合度进行调整。因此，矿井风门实时监控系统由环境感知系统、数据处理及分析系统、数据传输系统、智能决策平台和风门自动控制系统组成，按照井下多源异构信息实时感知→安全高效信息传输→风门信息分析与智能决策→风门执行器及动力智能对调节控制指令发布与执行的工作流程，如图1所示。
系统管理模块包括用户管理、安全管理和权限管理。在用户管理模块会将使用者划分为普通用户和管理人员，对于不同身份的用户设置不同权限。需求调度管理模块包括物料需求调度、任务调度和应急调度。通过对调度任务的管理，可以更好地对风门加以控制。物理层信息获取模块中，实时物料信息包括物料所在位置、物料的种类及物料的数量等;实时人员信息包括人员所处位置、人员身份等;实时车辆信息包括车辆所在的位置、车辆的种类、车上所载有货物种类等;实时环境信息包括巷道内的风流速度、巷道内的温度变化等。监控结果输出模块，可以将巷道内的监控信息通过趋势曲线或数据报表的方式显示在上位机监控平台上，反馈给生产管理人员，管理人员能够依据相关图表对风门的开合做出相应调整。
2 实时监控系统的工作流程
实时监控系统由三个模块组成，其工作原理如图2所示。通过实时感知模块监测巷道中风速、风压、温度、人员车辆位置信息等数据，将采集到的数据按照预设的解算方法及解算时间间隔进行处理分析，利用可编程控制器进行风门设备的远程控制，最终实现对风门的实时监测控制。
2.1 数据采集与模数转换模块
不同的传感器负责收集的巷道内及风门附近的各种环境参数信息，为精准对风门做出不同开合度的调节控制提供依据;视频监控器负责收集巷道内及风门附近的视频图像，为监控系统对风门的启闭做出远程控制，提供有效全面的图像支持;红外传感器负责监测人员活动及车辆行驶情况，为对风门的智能控制提供反馈信息。各类传感器采集到的信息经过模数转换成数字量之后经过通信网络传输到下一环节。
2.2 数据分析与决策模块
通过对数据分析准确判断巷道环境状况、风门启闭状态，实时预警，并融合井下人员、车辆定位系统等多重信息，制定井下风门设备的调控策略。
作为监控系统对用户的直接显示媒介，用户可以在登录上位机系统后对巷道内及风门附近的各种信息进行检核、调控。下位机负责对巷道内及风门附近的各种信息（如温度、风速、车辆位置等）进行收集、传输并对风门设备进行控制。如图3所示，当下位机硬件装置通电自动联网完成后，用户登录上位机系统，系统会自动获取网络节点拓补图，根据上位机系统的指令与下位机节点通信，并将下位机收集到的数据信息以实时曲线的形式在屏幕上显示。当釆集到的参数值超过初始设定的预警值时，系统进行触发声光报警器并驱动下位机响应动作。同时在系统内设置实时数据库，将收集到的信息数据进行保存。当下位机处于未联网状态时，用户也可以在登录上位机系统后查看存储的历史信息。
2.3 控制执行模块
执行层主要包括风门执行器、车辆位置传感器、人员监控传感器、声光报警器等。执行器在接收到上位机发送的指令后，可以控制风门启闭使人员或矿车安全通过;可以调节风门开合度，改变巷道内的过风断面积，得到不同风量，实现巷道内不同区域需风量的调控。可编程控制器在采集到井下通风异常状况或行人员车辆信号后，输出声光报警。
2.4 其他模块
（1）实时数据库。在监控系统运行过程中，需要处理有海量的数据，其中，很大部分的数据和信息是并非是一成不变的，例如矿车的位置信息、巷道温度等。由于监控系统对于信息存储的实时性要求较高，通过实时数据库的建立，能够生成运行参数趋势曲线和数据报表，可以在上位机系统中查询。
（2）网络通信。通信网络主要包括井下多源异构信息的交互传输算法、工业以太网、网络交换机、传输分站、传输线缆等。在巷道内及风门附近搭建若干无线基站，实现风门与监控平台的实时通讯，达到矿井上下通讯调度一体化的目的，实现了对风门系统的远程监测与控制。
（3）操作箱。操作箱是用于风门执行器、风门设备的手动按钮控制的操作，用于系统工作方式的选择。在紧急情况下，手动操作控制风门打开的功能。
3 关键技术
3.1 物联网技术
基于物联网技术的风门监控系统可以划分为三个基本架构，由物理层、数据层和服务层组成。物理层将无线传感器网络技术和传感器技术结合，实现对巷道内及风门附近数据信息的采集，并经过多跳式转发模式向基站传输信息;数据层采用5G技术进行数据传输，由物理层中的基站通过多跳式转发模式向监测系统发送现场收集到的数据信息;服务层是系统控制中心，它主要通过上位机平台对井下数据进行显示并对所采集的数据进行分析和处理。
3.2 传感技术
为实现对风门的远程实时监控，需要有大量来源于现场环境的数据信息，而现场环境的数据信息来源于传感器，传感器赋予了万物“感官”功能，如视觉、听觉等，可以通过不同类型的传感器感知周围环境。为了能够采集巷道及风门附近的数据信息，论文对所需部分传感器做了选型，如表1所示。
3.3 无线传感器网络技术
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量的具有感知能力的监测节点，通过无线通信方式搭建的一个自组织的无线网络。WSN能够通过不同传感器的协作对井下信息进行采集，并对监测区域内的节点信息进行处理，最后发送给监测系统，如圖4所示。
3.4 5G技术
论文将5G技术作为实现风门监控系统中人员、计算机、设备相互联结的网络基础。风门监测系统利用无线传输方式将矿井上下连接，通过5G技术传输数据信息。基站收集的数据通过TCP/IP协议转换模块送入5G无线数据传输模块中，再将TCP/IP协议的网络信号传输到5G网络，最后将数据信息传输给监控中心服务器端口，如图5所示。
3.5 自动控制技术
风门智能控制系统通过配备的各类传感器、可编程控制器、数据传输设备及风门执行器等装置，借助5G和无线传感器网络等现代通信与网络技术实现矿井上下信息置换，从而使风门能够在井下复杂环境下实现传感感知、智能决策、控制执行等功能。
4 矿井风门实时监控平台
论文搭建了按需通风、按需开门的智能控制层和矿井上下联动的装置执行层，建立了矿井风门远程实时监控平台。系统以Visual Studio 2017， MySQL 5.7为开发环境，开发了控制中心的监测软件平台，包括后台数据库系统和监测显示界面。此平台基于网络通信技术，将井下信息采集、数据分析与智能决策、远程控制等技术进行融合，实现了风门运行状况监控、矿井巷道信息管理、对井下采集到的数据及风门运行数据进行管理和对井下风门相关预警参数进行设置等功能。该平台的运行管理是基于多源异构数据的采集与传输及监控平台的智能分析与决策。
5 结语
矿井风门装置对巷道内的通风换气、井下工作人员及运输车辆安全起着重要的作用，将风门启闭系统向机械化、智能化转型发展具有十分积极的意义。本文提出了一种基于井下监测传感技术的风门实时监控方法，搭建了监控系统的功能框架，对该系统的关键技术开展了研究，为促进实时监控技术在矿井风门系统上的应用进行了初步探索。
参考文献：
〔1〕刘嘉鑫.基于PLC的矿井风门自动控制系统研究和设计[J].机械管理开发，2021，36（05）：193-194+266.
〔2〕武超，赵颖，刘瑞国.煤矿井下风门自动控制系统[J].煤矿机械，2014，35（12）：174-176.
〔3〕高俊亮.井下自动风门系统的研究与设计[D].辽宁工程技术大学，2016.
〔4〕张立群.双向无压快速拆装自动风门设计[J].矿山机械，2021，49（01）：50-52.
〔5〕陈翰光.矿井智能通风与实时监测控制系统[J].自动化应用，2020，51（09）：126-128.
〔6〕周福宝，魏连江，夏同强，王凯，吴新忠，王雁鸣.矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现[J].煤炭学报，2020，45（06）：2225-2235.
〔7〕高连月，徐德亮，周雨松，陈思.金属矿山井下主扇风机远程实时监控系统的研究及应用[J].金属矿山，2021，56（06）：198-203.
〔8〕刘建荣，伊玉祥，徐杜民，杜磊，于生存，刘君贤.基于工业以太网的天祝煤矿斜巷多水平提升监控系统[J].煤矿安全，2021，52（05）：166-169.
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