一种全矿井一网一站综合监管系统及实现方法与流程

1.本发明涉及矿井通信技术领域，特别是一种全矿井一网一站综合监管系统及实现方法。


背景技术：

2.煤矿井下现有的系统如安全监控系统、人员定位系统、车辆定位系统、语音广播系统、工业电视系统、调度指挥系统、避险救灾等系统之间相互独立、各成一体，组成了庞大的布线网络，各系统独立建站、分别布置电源线和信号线，出现问题时难查找，同时井下巷道岔口多，环网容量低，接入端口少的问题逐渐显现，伴随煤矿信息化的高速发展，对矿井主信息传输设备的要求逐渐增高。
3.随着煤矿安全监控系统升级改造对多系统融合提出要求，有些监控系统进行的融合，采取的是在中心站软件平台的融合，没有达到真正融合的目的，还有一些采取通讯融合的通信基站，但在井下监控分站层仍然是各自独立运行，各自布置自己的线路，总体来说，各个监控系统有自己专有的传感器，专有的监控分站，专有的逻辑控制关系，专有的传输线路，而且在每个矿井大多同时存在多个不同的系统，导致井下通信装置数量多、设备重复使用，无线传输带宽不足且布线复杂，不利于检修维护，浪费严重，通信系统对某一节点及设备的依赖度过高，一旦该部分出现异常，会导致整个通信系统瘫痪，通信系统各部分融合性差，各部分之间不能有效交互形成完整的响应体系，特别是缺乏井下融合与联动，不利于矿井安全生产。


技术实现要素：

4.本发明针对上述现有技术存在的问题，提供了一种全矿井一网一站综合监管系统及实现方法，解决现有煤矿中系统多、管理分散、维护困难的问题，真正实现“一网一站”的紧凑信息化系统，为安全生产提供更有效的技术保障。
5.本发明公开了一种全矿井一网一站综合监管系统，包括中心站、核心交换机、若干环网万兆交换机、若干综合管控分站，其中，中心站与核心交换机电连接；各环网万兆交换机依次顺序连接，处于首端和末端的环网万兆交换机分别与核心交换机连接，以组成环网；各综合管控分站之间以树形组网和/或环形组网的方式实现级联，任一环网万兆交换机独立连接至少一个综合管控分站。
6.综合管控分站包括核心处理模块，核心处理模块分别电连接有：电源模块、模拟量输入模块、开关量输入模块、控制输出模块、信息存储模块、显示模块、广播模块、无线通信模块、有线通信模块、读卡模块；有线通信模块电连接有分站交换机。
7.该系统还包括用于与综合管控分站连接的：电源箱、传感器、控制器、信息发布屏；该系统还包括用于与综合管控分站通信的：无线终端、标识卡。
8.本发明还公开了一种全矿井一网一站综合监管系统实现方法，包括：
9.综合管控分站获取由中心站发送且由环网传输的传感器定义、分站工作类型及相
关联动信息，使得综合管控分站能够进行采集、运算、判断、显示、执行、通信、联动控制；
10.综合管控分站获取传感器的检测信息，并基于预设的瓦斯危险程度预测模型识别危险异常状态；
11.综合管控分站基于预设的应急预案模型确定应对异常状态的应急联动信息；
12.综合管控分站基于应急控制信息进行应急响应，包括：切断相关危险区域电气设备的电源回路，加大区域通风，发出报警，将报警信息以音频形式通过广播模块播放，以文字形式显示在相关区域的信息发布屏上，通过将信息发送到相关区域的矿工身上佩戴的标识卡，通知相关区域的人员按照避险路径和应急预案进行撤离。
13.本发明至少具有以下有益效果：
14.本发明采用万兆交换机组成环网传输，结构简单且有冗余端口，数据流均匀分配，环网中某一节点上故障不影响整体运行，即简化煤矿现有复杂的通信系统，提升运营效率，又能提高通信系统的可靠性，保障井下安全生产；以集成多功能的综合管控分站取代原有各自独立的基站，解决系统多，管理分散、维护困难的问题，真正实现“一网一站”的紧凑信息化系统，为安全生产提供更有效的技术保障。
15.本发明的其他有益效果将在具体实施方式部分详细说明。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明优选实施例公开的全矿井一网一站综合监管系统的系统架构图。
18.图2是本发明优选实施例公开的综合管控分站电气结构原理图。
19.图3是本发明优选实施例公开的频率信号输入采集电路图。
20.图4是本发明优选实施例公开的电压/电流信号输入采集电路图。
21.图5是本发明优选实施例公开的电阻信号输入采集电路图。
22.图6是本发明优选实施例公开的开关量信号输入采集电路图。
23.图7是本发明优选实施例公开的控制输出电路图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
25.如图1和图2所示，本发明公开了一种全矿井一网一站综合监管系统，其特征在于，包括中心站、核心交换机、若干环网万兆交换机、若干综合管控分站。中心站采用一体化管理软件平台，实现系统信息的综合管控。
26.其中，中心站与核心交换机电连接。各环网万兆交换机依次顺序连接，处于首端和末端的环网万兆交换机分别与核心交换机连接，以组成环网。优选的，各环网万兆交换机之
间、万兆交换机与核心交换机之间通过光连接组成环网，使用一套光缆承载，改变井下系统多而杂，通信线杂乱的局面，并保证在任意一处断线的情况下，仍然实现井下和地面中心站之间的不间断通信。
27.各综合管控分站之间以树形组网和/或环形组网的方式实现级联，任一环网万兆交换机独立连接至少一个综合管控分站。参见图1，综合管控分站之间通过树形组网方式实现级联，如综合管控分站3级联综合管控分站4，再级联综合管控分站5，达到井下各点的统一采集、统一规划、统一实施、统一管理、统一维护，在链路较长时，同时支持环形组网，如综合管控分站1、综合管控分站2、综合管控分站3、综合管控分站4间的级联。
28.综合管控分站包括核心处理模块，核心处理模块分别电连接有：电源模块、模拟量输入模块、开关量输入模块、控制输出模块、信息存储模块、显示模块、广播模块、无线通信模块、有线通信模块、读卡模块；有线通信模块电连接有分站交换机。综合管控分站具有采集目前煤矿使用的各种类型的模拟量和开关量传感器参数信息功能，根据中心站预先的功能定义进行采集、运算、判断、报警、断电功能，同时具有标识卡识别功能，可以读取一定范围内的人员、车辆、设备信息，具有广播功能，可以对外进行广播，以及无线通信功能，用于实现监管区域内的无线信号通信，有线通信功能，用于实现监管区域内的有线信号通信。
29.该系统还包括用于与综合管控分站连接的：电源箱、传感器、控制器、信息发布屏；该系统还包括用于与综合管控分站通信的：无线终端、标识卡。
30.无线终端包括但不限于：甲烷便携仪、多参数便携仪、巡检仪、巡检机器人、无线摄像头、执法记录仪、手持终端、信息化矿灯、矿用对讲机、矿用手机。
31.传感器包括以下一者或几者：甲烷传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、硫化氢传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、风速传感器、烟雾传感器、开停传感器、风门状态传感器、风筒风量开关传感器、粉尘传感器、流量传感器。
32.本发明所述的电源箱，用于为综合管控分站提供矿用本安电源。
33.本发明所述的控制器，用于切断受控设备的电源回路。
34.本发明所述的信息发布屏，用于发布文字信息，平时展示一些常用安全生产标语，在特殊情况发布特殊内容信息，在危险情况下发布预警相关内容，包括但不限于危险区域、性质、类型、级别、逃生路线。
35.本发明所述的显示模块，用于显示监管区域采集的各类信息及其状态。
36.电源模块，用于将外部电源箱提供来的本安电源，转换为综合管控分站内部所需要的各电压等级并进行相应的电磁兼容技术设计。
37.有线通信模块包括但不限于：can总线通信模块、rs-485总线通信模块、rs-232总线通信模块、以太网光口模块、以太网电口模块。
38.无线通信模块包括但不限于：zigbee通信模块、uwb通信模块、蓝牙通信模块、rfid通信模块、wifi通信模块、lora通信模块、4g通信模块、5g通信模块。
39.模拟量输入模块设有模拟量传感器信号输入采集电路，以兼容不同信号输出类型的传感器，模拟量传感器信号输入采集电路具体包括：频率信号输入采集电路、电压/电流信号输入采集电路、电阻信号输入采集电路。
40.开关量输入模块设有开关量传感器信号输入采集电路，用于采集开关量信号。
41.所述的读卡模块，用于读取标识卡信息。
42.所述的广播模块，用于音频输出、功率放大、声音外放。
43.所述的信息存储模块，用于存储中心站下发的命令信息。
44.所述的分站交换机模块，用于将综合管控分站连接到环网交换机；或实现综合管控分站之间的级联，统一接到环网交换机，或实现井下环网，同时提供其它ip终端产品接入。
45.如图3所示，频率信号输入采集电路包括：光耦ic11、电阻r11、上拉电阻r12，其中，频率输入信号f-in能够通过电阻r11电连接光耦ic11的1脚，光耦ic11的2脚与3脚分别接地，光耦ic11的4脚通过上拉电阻r12与vcc电源正相连，光耦ic11的4脚f-out输出用于与cpu相应管脚相连。
46.如图4所示，电压/电流信号输入采集电路，包括：放大器集成芯片u41、电阻r41、电阻r42、电阻r43、电阻r44、电阻r45、电阻r46、电容c41、电容c42、电容c43，其中，电流输入信号i-in通过电阻r43电连接放大器集成芯片u41的3脚，同时i-in通过电阻r45电连接地，放大器集成芯片u41的1脚与2脚相连，并电连接电阻r41后的输出信号i-out经电容c43电连接地，同时与cpu相应管脚相连，电压输入信号u-in通过电阻r44电连接放大器集成芯片u41的5脚，同时电阻r44的另一端通过电阻r46电连接地，放大器集成芯片u41的6脚与7脚相连，并电连接电阻r42后的输出信号u-out用于与cpu相应管脚相连，同时经电容c42电连接地，放大器集成芯片u41的4脚电连接地，放大器集成芯片u41的8脚电连接vcc电源正，同时通过电容c41电连接地。
47.如图5所示，电阻信号输入采集电路，包括：集成芯片u31、集成芯片u32、电容c31、电容c32、电容c33、电容c34、电容c35、电阻r31、电阻r32、电阻r33、电阻r34、电阻r35、电阻r37、电阻r38、电阻r39、二极管d31，其中，集成芯片u31的4脚接vcc电源正，通过电容c31电连接地，集成芯片u31的1脚同时电连接电阻r32、电阻r31，电阻r31的另一端与集成芯片u31的6脚相连，同时电连接二极管d31的正极，二极管d31的负极电连接电阻r32的另一端，并通过电容c35电连接地，二极管d31的负极同时与电阻信号输入端口r-in相连，r-in端口通过电阻r35电连接集成芯片u32的3脚，同时集成芯片u32的3脚通过电阻r37电连接地，集成芯片u32的4脚电连接地，集成芯片u32的2脚通过电阻r38与1脚相连，同时通过电阻r36电连接地，集成芯片u32的1脚通过电阻r34与5脚相连，6脚通过电阻r39电连接地，同时6脚通过电阻r33与7脚相连，7脚输出信号r-out用于与cpu相应管脚相连，同时7脚通过电容c34电连接地，5脚通过电容c33电连接地，8脚连接vcc电源正，同时通过电容c32电连接地。
48.如图6所示，开关量输入模块设有开关量传感器信号输入采集电路，用于采集开关量信号，开关量信号输入采集电路包括：光耦u21、光耦u22、电阻r21、电阻r22、电阻r23、电阻r24，其中，开关量输入信号的一端k1电连接光耦u21的1脚，同时电连接光耦u22的1脚，输入信号的另一端k1-2通过电阻r21与光耦u21的2脚相连，光耦u21的2脚通过电阻r22电连接地，光耦u22的2脚、光耦u22的3脚和光耦u21的3脚均电连接地，光耦u21的4脚通过电阻r23与vcc电源正相连，光耦u22的4脚通过电阻r24与vcc电源正相连，光耦u21的4脚输出di1，光耦u22的4脚输出di1-2分别用于与cpu的相应管脚线连接。
49.如图7所示，控制输出模块设有开关控制输出电路。开关控制输出电路，包括：三极管q63、电阻r65、电阻r66、二极管d61、二极管d62、光耦u61、光耦u62，其中，三极管q63的基极与电阻r65连接，使得由cpu输出的控制信号do通过电阻r65电连接三极管q63的基极，三
极管q63的发射极电连接地，三极管q63的集电极通过电阻r66电连接光耦u62的2脚，光耦u61的1脚电连接vcc电源正，光耦u61的2脚电连接光耦u62的1脚，光耦u62的3脚电连接二极管d62的正极，二极管d62的负极电连接光耦u61的4脚，光耦u61的4脚作为输出控制回路的一端do-1，光耦u61的3脚电连接二极管d61的正极，二极管d61的负极电连接光耦u62的4脚，同时作为输出控制回路的另一端do-2，输出控制do-1和do-2用于与受控设备相连。
50.本发明还公开了一种全矿井一网一站综合监管系统实现方法，包括：综合管控分站获取由中心站发送且由环网传输的传感器定义、分站工作类型及相关联动信息，使得综合管控分站能够进行采集、运算、判断、显示、执行、通信、联动控制；综合管控分站获取传感器的检测信息，并基于预设的瓦斯危险程度预测模型识别危险异常状态；综合管控分站基于预设的应急预案模型确定应对异常状态的应急联动信息；综合管控分站基于应急控制信息进行应急响应。
51.综合管控分站内部的各模块具有多个cpu进行运算，接收并存储中心站下达的各种传感器定义、分站工作类型及相关联动信息，进行采集、运算、判断、显示、执行、通信功能，根据定义行使各种联动控制，综合管控分站内部嵌有瓦斯危险程度预测方法数学模型及相应控制策略，可以根据现场的具体使用场景、条件、环境情况，由中心站定义，承担原各种监控系统的监控分站职责，进行数据处理分析，识别各类异常状态并根据对应预设的应急预案，作出相对应的响应，综合管控分站可识别危险等级状态，也可接收其他综合管控分站或中心站发送来的危险报警信息，断电信息，执行相应的断电命令，同时将报警信息以音频形式通过广播模块播放出去，以文字形式显示在相关区域的信息发布屏上，通过将信息发送到附近区域的矿工身上佩戴的人员标识卡，通知相关区域的人员按照避险路径进行撤离。
52.所述的综合管控分站获取传感器的检测信息，并基于预设的瓦斯危险程度预测模型识别异常状态，包括：
53.将瓦斯浓度变化速度v和瓦斯浓度相对变化率s，作为瓦斯危险敏感指标，其中，瓦斯浓度变化速度表达式如下：
54.v＝(φn－φ0)/t
55.瓦斯浓度相对变化率表达式如下：
56.s＝(φn－φ0)/φ0×
100％
57.式中：v指瓦斯浓度变化速度，φn指采集的瓦斯体积百分比浓度，φ0指之前一定间隔时间采集的瓦斯体积百分比浓度，t指间隔时间，s指瓦斯浓度相对变化率。
58.基于若干组数据的瓦斯浓度变化速度及瓦斯浓度相对变化率对危险的隶属度，得到瓦斯浓度变化速度指标隶属度曲线方程为：
59.μ(v)＝aln(v) b
60.还得到瓦斯浓度相对变化率隶属度曲线方程为：
61.μ(s)＝cln(s) d
62.式中：a、b、c、d为计算得到的常数。
63.根据费歇判别法确定临界值为m，即：
64.当y＝eμ(v) fμ(s)《m时，判断为无危险异常；
65.当y＝eμ(v) fμ(s)≥m时，判断为危险异常；
66.式中：e、f为常数，且e f＝1。
67.综合管控分站基于应急控制信息进行应急响应，具体包括：切断相关危险区域电气设备的电源回路，加大区域通风，发出报警，将报警信息以音频形式通过广播模块播放，以文字形式显示在相关区域的信息发布屏上，通过将信息发送到相关区域的矿工身上佩戴的标识卡，通知相关区域的人员按照避险路径和应急预案进行撤离。
68.本发明针对目前煤矿监控系统种类繁多，各系统之间互不兼容，各自孤立单独布线、管理分散、维护难度大、出现问题时难查找的现状，提供一种全矿井一网一站综合监管系统及其实现方法，通过采用环网万兆交换机和综合管控分站，建立一种全矿井一网一站综合监管系统，实现井下安全监控、人员定位、4g/5g通信系统、wifi通信、应急广播、有线调度系统、通风监控、水文监测、供电监测、避险救灾、视频监测等多功能的一站式高度集成、统一管理、统一承载、统一联动，系统数据通过“一网”接入高速环网传输通道，实现真正的井下融合联动，简化煤矿井下系统结构，提高煤矿智能化，有益于安全管理，达到降低生产成本的目的。
69.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。