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當今世界各國的競爭，從某個角度來說，就是能源的競爭。中國是一個煤炭資源大國，煤炭工業對增加國家工業總產值，增強我國在國際能源問題上的話語權具有重要作用。然而，在煤炭生產過程中，不斷發生的礦難和其他重大煤礦安全生產事故，一次又一次的提醒人們，GDP的增加不能以犧牲生命為代價。建設安全高效的自動化、信息化管理為一體的礦區安全生產預防監督管理系統，加強安全生產，提高預警和事后搜救工作效率，已成為國家對煤礦生產企業的強制性要求。強化以煤礦安全生產綜合監控管理系統為基礎的現代煤礦信息化、自動化建設，是全國各主要煤礦企業安全生產基礎設施建設投入的重頭。

本期煤礦監控專題將以煤礦安全綜合監控管理系統的建設為主題，重點分析煤礦安全綜合監控管理系統建設和技術要點。在對煤礦安全綜合監控管理系統的特點和建設要點做調查了解的過程中，記者選擇了北皂煤礦，馬蘭煤礦，里彥煤礦，染家煤礦，淮南礦業集團，平煤十二礦等煤礦安全生產監控系統使用單位和中國礦業大學、中國煤碳科學研究總院常州自動化研究所等科研單位以及深圳嘉納通訊，安徽奧博光電，北京中盛益華，常州天地科技，深圳新天安數碼、北京華緯訊，易視科技等多家煤礦安全生產監控方案提供商的 20多個煤礦安全監控系統建設的案例進行了分析。這些案例，有的從利用ARM微控制器進行煤礦視頻監控系統設計的角度，有的從光纖環網系統建設的角度，有的從企業安全生產指揮平臺建設的角度，有些從工業電視視頻監控系統建設的角度，有的從IP網絡傳輸技術的角度，有的從礦用設備選型的角度，有的是煤礦企業從企業自身信息化建設的角度——對煤礦安全綜合監控管理系統的建設做了多維度的闡述。記者也試圖通過對這些案例的分析，去總結出一些煤礦安全綜合監控管理系統建設的要點，和大家分享。

本文主干部分由兩部分構成：一是對目前煤礦監控系統建設的現狀和需求的分析；另外一個重要部分是對煤礦安全綜合監控管理系統實現的關鍵技術點進行了分析。關鍵技術分析包括三部內容：1、構建基于冗余工業以太網光纖環網的傳輸平臺；2、利用以太光纖環網+現場總線構建煤礦綜合監控管理平臺；3、列舉了兩個重要的煤礦安全綜合監控管理子系統——煤礦工業電視監控系統和井下人員追蹤定位管理系統的構建。

另外，為了更加深入細致的說明煤礦綜合監控管理平臺的建設，本專題配發了7篇文章，從不同的技術層面對涉及煤礦安全綜合監控管理平臺建設的不同技術問題進行了更為專業深入的闡述。希望通過本專題的介紹，讀者能夠比較全面的了解煤礦安全綜合監控管理系統建設的相關問題，并起到拋磚引玉的作用，有更多煤礦安全綜合監控管理系統建設方面的專業人士參與交流。

一、煤礦監控系統建設現狀及需求

1、網絡結構不合理

環境安全、生產監控、信息管理、網絡運用、工業電視監控及以及兼容瓦斯抽放、火災監測、電網監測、頂板動態監測、主扇風機等各種監控系統自成體系，破壞了網絡結構的整體性，網絡從主從結構發展為多主結構，有必要對網絡結構以及相關的網絡協議開展研究。

2、實時性和優先級支持差

各種系統的典型巡檢周期在30s左右，對于各系統自成一體，不利于對突發性事故急性聯動處理。現有的安全監控系統和綜合監控系統沒有根據信息的重要性差別提供有效的優先級支持，無法確保重要信息的實時性要求。

3、兼容性差

現有廠家的監控系統幾乎都采用各自專用通信協議，很難找到2個相互兼容的系統。信息傳輸系統的兼容性已成為裝備監控系統的各煤礦集團公司、礦井進一步補建和擴充系統功能的制約因素。

4、井下信息傳輸設備物理接口協議不規范

隨著礦井年齡的增長，信息傳輸系統老化陳舊，接入復雜，系統傳輸壓力加大，先進的監控系統相互之間不能兼容等問題極為明顯。隨著安全形勢及礦井發展的需要，增加的子系統越來越多，各子系統在井下巷道中重復布置線纜情況日益突出，不但增加了資金的投入、加大了系統的維護工作量，也極不利于礦井安全生產的需要。

因此，對于大部分新建煤礦和已建煤礦來說，突破現有監控系統的體系結構、信息傳輸方式、系統反應速度等方面的技術瓶頸，建立一個兼容礦井安全監測、生產監控、人員定位等多個礦井監控子系統的煤礦綜合監控系統，已經勢在必行。

煤礦企業網絡改造的具體要求是：完善礦區光纖信道網，光纜的芯數應留有余地，有條件時最好形成礦區光纖環網信道；提升礦區主要網絡設備的性能，特別是礦區集團信息中心的主要網絡設備的性能；礦區內的主要網絡設備型號應保持統一，以便于網管；配置和完善防火墻等網絡安全設備，以保證網絡安全運行；建設內、外網物理上隔離的內、外網系統，并增加相應的網絡服務器，無論內網還是外網設備應具備vpn功能；建設具有提供預警、配置、統計等功能的全礦區統一的網管系統；保持礦區統一的Internet出口（即必須規定不允許從礦或其它二級單位有Internet的出口）；要有礦區生產過程和環境監測系統、視頻系統和小區的寬帶接入系統的接入設計等；要盡可能地利用原網絡設備。

按照這種應用思路建成的煤礦綜合監控管理系統應該能夠將已建的各種系統進行完好的融合，提高有效信息的利用率，對事前、事中、事后三個階段實時統一的應急指揮調度，實現事前安全防范，事中及時排查，事后妥善處理的目的。應具有以下功能：

1、日常管理：側重于安全生產綜合監督

事前的安全監督管理涉及到以下幾個方面：

第一，機關領導辦公室、安全生產指揮中心、調度室等部門可以實時對生產現場的情況進行視頻監控，以便隨時掌握生產現場第一手情況，及時發現事故苗頭，及早消除險情隱患；

第二，通過與人員定位系統的緊密結合，安全指揮中心、調度室等不僅可以看到井下工作人員的圖像，而且可以在定位系統的坐標上顯示其的精確位置，并與井下人員取得語音的雙向交流；

第三，可以采用多種錄像方式對生產現場、調度室、指揮調度和遠程培訓過程等重要場所、過程進行錄像，并能夠集中存儲，支持WEB分布播放功能，以便事后追究責任，經驗總結提供有力的證據。

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2、監控調度：一體化的遠程檢測預警聯動機制

一般情況下，遠程檢測是一套獨立的系統，但在應用過程中，如果將其與視頻通信進行一體化整合，無疑會增強安全生產檢測的效率。在實際應用中，生產現場的環境發生變化達到預警條件時，各種采集信息的報警程序立即啟動，如甲烷、一氧化碳、 風速、溫度、風機風門開停等，指揮人員根據各種報警信息和現場圖像，可以判斷報警信息是否為誤報，如果報警屬實，便于人員的及時疏散，避免人員傷亡。同時報警信息上傳上級管理部門，便于上級領導進行決策，并實施一體化的可視化指揮，從而將危險消滅于萌芽狀態。

3、事故應急：從全局出發突出即時交互的視頻應急指揮

事故發生后，機關領導和煤礦各級領導可以在第一時間開啟指揮調度，利用依存的有線網絡或者無線監控將事故現場的圖像上傳到指揮中，供領導快速決策，相關部門啟動應急程序，協助現場人員撤離，并且啟動應急預案進行搶救，以防止和減輕人員傷亡，降低財產損失。另外，煤礦領導及相關政府部門可以依據事前、事中的錄像文件，對事故發生原因進行排查，總結經驗，通過電視廣播會議，對煤礦企業的在職職工進行安全培訓，提高警惕。

4、直抵井下現場：遠程作業指導

調度室和領導辦公室等如果發現井下人員有違規行為，可以直接與其進行語音交流，對其進行遠程指導，糾正，如果現場人員面對當前的情況不太清楚，可以直接向相關部門進行詢問，避免人員誤操作帶來的事故。

二、構建煤礦安全

綜合監控管理系統的關鍵點

構建井下基于冗余工業控制以太網光纖環網的核心是100M---1000M的工業以太網交換機。這里以華豐煤礦1000M環形工業以太環網的構建來說明。

華豐煤礦是一個百年老礦。原有的自動化系統有：-450、-750中央泵房排水監控系統、洗煤系統，正在進行的自動化改造項目有礦井地面供電及-450、-750中央配電所自動化監控系統、主運自動化監控系統、大巷信集閉系統。這些監測監控系統都處于相互獨立的狀態，各種系統自成體系，造成通訊線路重復投資、重復建設，不僅系統維護量大，而且整體可靠性差，維修、維護困難，信息不能互通，形成了"信息孤島"現象，所以很難從系統工程的角度來整體對礦山進行統一的自動化管理，以發揮自動化集成的最大效益。因此，華豐煤礦需要建立綜合自動化監測監控系統，使工況信息和控制信息在一個統一的平臺上傳輸，實現遠程集中監測監控。

華豐煤礦的自動化系統包括信集閉系統、主運系統、洗煤系統、排水系統、地面供電系統、井下供電系統和數字工業電視系統，100Mbit/s的網絡難以滿足遠程監測監控的要求，需要搭建冗余的1000M環型工業以太網傳輸平臺。華豐煤礦綜合生產監控系項目一共采用了6臺西門子的SCALANCE X-400千兆交換機，-750調度站、-750泵房、-450泵房，地面主運車房各安裝一臺，調度中心安裝兩臺，通過單模光纖將6個節點連接起來，每臺交換機配有12個100Mbit/s RJ45接口和2個1000Mbit/s ST光纖接口，用于把各系統接入進來。在物理上和邏輯上確保網絡通路的冗余和安全，當某一子系統的通訊或元器件出現故障時，不影響其他子系統的通訊和整個網絡的傳輸性能。

為防止華豐煤礦的傳輸鏈路或交換機發生故障，在建立環網時， SCALANCE X-400 交換機切換為RM 模式，通過集成的冗余管理器，構成1000Mbit/s的高速光纖冗余環網。最多可支持 50臺X-400 交換機串聯連接到環網，總長為 150 km。在華豐煤礦有6臺X-400 交換機串聯在環網上，總長為11km。當傳輸鏈路或環網中的SCALANCE X-400 交換機發生故障時，網絡重構時間嚴格小于300ms，增強了網絡的可靠性。

SCALANCE X-400支持虛擬局域網VLAN技術，SCALANCE X-400提供模塊化的設計，用戶可以根據需要靈活的選擇端口數量，SCALANCE X-400最多支持4095個VLAN劃分，使用該技術，把華豐煤礦的網絡劃分為各個獨立的子網，從而可以將網絡流量進行分類，防止非法終端的接入等，提高了網絡的安全性。同時，VLAN按照節點的類型把網絡流量進行分類，防止網絡上不同站點之間、不同類型的網絡流量發生沖突，特別是視頻數據和生產數據的沖突，有效的降低了網絡的負荷，提高了網絡的通訊效率。（如圖1）

華豐煤礦項目采用西門子千兆工業以太網交換機SCALANCE X-400搭建千兆環型網絡傳輸平臺，井上環網與井下環網采用西門子HSR技術，網絡的重構時間小于300ms，環網間采用西門子standby技術形成環間耦合，重構時間小于300ms。遠端SCALANCE X-200工業以太網交換機采用星型結構接入主干網平臺，采用西門子SCADA軟件WINCC搭建集成監控平臺，采用以太網硬件接口和OPC軟件通訊協議接入其它自動化子系統。

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自動化子系統硬件接入以太網接口，但是根據控制點的分布、各自動化子系統和接入技術的特點，目前考慮共有四種接入方式：

1、上位機接入方式，有些自動化系統比較簡單，沒有以太網接口，但有上位機，可通過在該上位機增加通訊網卡來獲得以太網接口；

2、PLC接入方式，有些自動化系統采用PLC進行控制，可以對PLC增加以太網模塊，與附近的交換機進行物理上的網絡聯接；

3、子網絡接入方式，有些自動化系統已經很成熟，并且自成網絡，對外有統一的網關接口，直接采用這個接口即可接入到網絡傳輸平臺中；

4、擴展接入方式，有些自動化系統不僅沒有以太網接口，而且也沒有上位機，但該系統支持RS485/232或現場總線等串行接口，可以通過增加串口服務器等轉換設備，把其它接口轉化成以太網接口。

各個自動化子系統通過千兆工業以太網把實時數據傳輸到地面的監控中心，保證了數據傳輸的優先性和實時性，支持VLAN，可根據系統劃分，提高傳輸效率保證數據安全。支持三層交換技術，保證需要通訊的VLAN間可交換數據。數字視頻數據通過視頻編碼器轉化成數字信號通過工業以太網進行傳輸，將網絡視頻數據高度集成到集控平臺上，從而延伸視頻服務功能，支持IGMP協議，可以高效快捷的傳輸視頻源信號至多個監測位置，節省網絡資源。另外，語音數據也能夠通過工業以太網傳輸到集控中心的語音調度平臺。這樣，在煤礦實現了數據流、視頻流、語音流同纜同芯傳輸，實現數字信號的同網傳輸，便于綜合自動化系統平臺的高度集成，真正達到三網合一，優化了傳輸方式，減少成本，克服傳輸通道的瓶頸，在可保證數據的穩定傳輸前提下，同時千兆控制網的可用帶寬也得到了充分的利用。(劉毅)