全矿井多网融合监测技术及装备

1、汇报人：吴文臻 5 月煤炭科学技术研究院有限企业全矿井多网融合监测技术及装备第1页提 纲2第一部分：全数字式煤矿安全监控技术及装备第二部分：全矿井多网融合监测技术及装备第2页一、全数字式煤矿安全监控技术及装备技术现实状况 20世纪80年代,我国从欧美国家开始引进煤矿安全监控系统，经过消化吸收,当前在用煤矿安全监控系统绝大部分是我国自主研发产品，截至6月，取得国家安全标志监控厂家已多达80家以上，代表型号主要有KJ90N、KJ95N、KJ83N、KJ4N（KJN）、KJ66N等。安全监控系统推广应用为煤矿安全生产提供了有力保障。 我国煤矿安全监控系统技术现实状况可总结以下：现有监控系统大多采取主

2、从轮询工作模式，通讯方式多采取RS485、FSK，少数采取CAN等现场总线。 系统监控容量最多128台分站。受传输距离限制（通讯干线在5Km-10Km之间），整个系统通信速率较低(大多处于4800bps以下)，系统巡检周期30s。第3页一、全数字式煤矿安全监控技术及装备技术现实状况传感器与分站之间通讯，多采取200Hz1000Hz频率信号或4mA20mA电流信号，只可实现传感器至分站单向传输信息，且信息量小。甲烷传感器多采取催化元件，需要定时标校。监控设备普遍不具备抗电磁干扰能力，安标申请过程中不检验。电源箱后备电源可连续供电2h。监控系统软件具备数据统计和报表查询、打印功效。监控主备机含有双

3、机热备自动切换功效，切换时间不超出5min。第4页一、全数字式煤矿安全监控技术及装备存在问题 经过十几年实际应用，煤矿安全监控系统也逐步暴漏出一些问题：监控厂家数量众多，技术水平参差不齐，部分安全监控产品技术、质量水平不高，技术服务不到位；AQ6201-2006 煤矿安全监控系统通用技术要求，已经制订，其中技术要求较低，比如：监控产品电磁兼容性能、传感器外壳防护等级和检测精度等。新技术、新装备应用推广迟缓，缺乏国家层面政策引导和支持。监控系统功效单一，只停留在对环境参数实时采集、存放、超限报警及数据基本处理与应用，未对海量数据进行深度挖掘，基本不具备瓦斯超限预测预警功效、多网融合、GIS等功效

4、。煤矿安全监控系统与其它管理信息系统没有集成，数据无法共享，缺乏对信息数据采集深入汇总和分析，形成信息孤岛。第5页一、全数字式煤矿安全监控技术及装备存在问题受矿井使用环境和电磁干扰影响，安全监控系统稳定性不高，运行不可靠、瞬间冒大数、误报警现象比较普遍。监控设备技术落后，主要是催化燃烧式甲烷传感器不但需要定时标校而且还存在零点漂移，易受粉尘和潮气影响，造成监测数据准确性不高。传感器长距离供电不足，不能满足现有大型煤矿使用需求。 备用电源中锂电池不具备远程充放电管理功效，电池缺乏日常维护，严重影响电池寿命，造成后备电池供电时间不能满足2h要求，存在一定安全隐患； 矿井规模不停扩大，现有128台分

5、站系统容量已不能满足大型矿井监控需要，另外，伴随监测点不停增多，传统分站轮询工作方式，已不能满足巡检周期30s要求。第6页一、全数字式煤矿安全监控技术及装备改造背景 煤矿安全监控系统升级改造工作由国家煤监局年酝酿，20正式提出，20列入国家煤监局重点工作。20正式开始推广。 2012月29日国家煤监局印发了煤矿安全监控系统升级改造技术方案通知第7页一、全数字式煤矿安全监控技术及装备改造背景 截至5月8日，12家生产单位煤矿安全监控系统按照煤矿安全监控系统升级改造技术方案（煤安监【】5号）要求完成升级改造后，取得安全标志。第8页改造目标2 改造目标（1）推广应用安全监测监控新技术新装备，提升安全

6、监控系统技术性能和安全可靠性。 （2）促进安全监测监控多元融合和信息共享，提升煤矿安全预测预警水平，实现监测监控信息深度分析和综合利用。 （3）支持安全监管监察，促进煤矿企业合理有效使用安全监控系统，充分发挥安全监控系统在煤矿安全生产中主要作用，提升井下日常安全生产技术保障水平。 一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第9页改造内容3 改造内容 数字式监控系统结构示意图1.传输数字化2.抗干扰能力3.推广应用先进传感技术4. 提升传感器防护等级5.完善报警、断电等控制功效6.支持多网、多系统融合7.格式规范化8.增加自诊疗、 自评定功效9.加强数据应用分析10.应急联动11.提升系统性能指标12.

7、增加加密存放要求13.方便使用、维护、培训一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第10页改造内容（1）传输数字化 在分站至中心站数字化传输基础上,将传感器(模拟量)至分站升级为数字传输,实现安全监控系统数字化,促进智能传感器发展。以太网CAN总线RS485以太网全数字传输抗干扰性强一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第11页多主并发 主动上报 提升效率主机节点节点节点节点主从式结构巡检方式 传统方式多主并发、对等通信10秒30秒12改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第12页（2）增强抗电磁干扰能力 序号试验项目标准要求当前生产厂家经过最高等级1地面设备静电抗扰度试验3级A4级A2电磁辐射抗扰

8、度试验2级A3级A3脉冲群抗扰度验试2级A4级A4浪涌（冲击）抗扰度试验交流电源端口3级B、直流电源与信号端口2级 B交流电源端口4级A、直流电源与信号端口4级 A13改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第13页（3）推广应用先进传感技术及装备 推广使用架构简单系统以及激光、红外等低功耗传感器、自诊疗型传感器，鼓励使用多参数传感器。 突出矿井采煤工作面进、回风巷，煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出岩巷掘进工作面回风流中，采区回风巷，总回风巷瓦斯传感器推荐使用激光、红外等全量程传感器。突出、高瓦斯矿井回风隅角建议采取无线传感器。建议加装粉尘监测设备。14改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第

9、14页故障自诊疗类型自识别防护等级IP65功耗低6km无线化稳定周期长抗干扰能力强激光甲烷传感器15改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第15页激光甲烷传感器16改造内容比较内容激光甲烷红外甲烷催化甲烷使用寿命5年以上1-2年1年测量范围0-100%0-100%0-40%基本误差3%以内6%以内10%以内标定间隔6个月到1年标定一次即可3个月到6个月标定一次7天最多15天标定一次（非常浪费气体及人力，综合成本高）稳定性极好，几乎不漂移好，漂移较少不好，探头灵敏度一段时间后衰减大低功耗带载6km以上4km2-3km其它气体交叉敏感性几乎没有较少交叉敏感气体较多，而且轻易出现探头中毒失效现象

10、环境温湿度影响很小湿度有影响影响大，尤其是低温时总而言之：从久远角度看性价比比较高一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第16页17改造内容数字烟雾传感器 采取离子+光电+气体探测相结合测量技术，优化了软件分析算法，在不牺牲烟雾探测灵敏度情况下，能有效区分烟雾、粉尘、水雾，防止误报警。一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第17页故障自诊疗抗干扰能力强防护等级IP65中继功效监控容量大彩色液晶显示监控分站一线式连接18总线通信质量诊疗改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第18页12h4h2h电源箱彩屏显示界面上位机软件电源管理界面后备电源续航时间智能管理19改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及

11、装备第19页（4）提升传感器防护等级 将采掘面传感器防护等级由IP54提升到IP65。 IP6X：无灰尘进入； IP5X：向外壳各方向喷水，无有害影响。20改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第20页（5）完善报警、断电等控制功效 系统实现分级报警,依据瓦斯浓度大小、瓦斯超限连续时间、瓦斯超限范围等,设置不一样报警级别，实施分级响应。各级别报警浓度值设置可由煤矿企业依据相关法规标准和实际情况决定。 报警级别传感器级级级级单一传感器标准值报警值x1标准值报警值x1.5标准值报警值x2标准值报警值x2.5同一工作面两个或两个以上传感器 -2个或2个以上同时报警2个或2个以上同时报警，且其中一

12、个标准值x1.52个或2个以上同时报警，且其中一个标准值x2相邻区域传感器 - -相邻区域传感器同时报警，且其中一个标准值x1.5相邻区域传感器同时报警，且其中一个标准值x2依据报警数量21改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第21页甲烷传感器按超限时间分级报警设置22改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第22页传感器声光报警分级方式级级级级0.2Hz0.5Hz1Hz5Hz23改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第23页回风巷进风巷回风巷进风巷瓦斯浓度高于回风巷瓦斯浓度逻辑报警 逻辑报警，指监测到瓦斯浓度显著违反矿井瓦斯涌出内在逻辑关系，必定有违章行为或监测装置失效情况而应实

13、施报警。24改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第24页异控断电无需上位机软件参加40S60S老系统新要求25改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第25页依据瓦斯涌出、超限发展态势，由局部断电延展到区域性断电区域二区域一区域一26改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第26页（6）支持多网、多系统融合 实现井下有线和无线传输网络有机融合、监测监控与GIS技术有机融合。 多系统融合能够采取地面方式，也能够采取井下方式。勉励新安装安全监控系统采取井下融合方式。在地面统一平台上必须融合系统：环境监测、人员定位、应急广播，如有供电监控系统，也应融入。其它可考虑融合系统：视频监测、无线通

14、信、设备监测、车辆监测等。27改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第27页GIS功效：GIS技术应用，将安全监测监控与电子矿图有机结合，实现了可视化管理位置坐标28改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第28页安全监控应急广播人员管理视频监控供电监控运输监测井上融合29改造内容无线通信设备监测一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第29页井下融合人员定位基站4G基站光端机安全监控。手持终端人员管理车辆管理广播通讯顶板动态监测供电监控30改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第30页（7）格式规范化 系统主干网应采取工业以太网。分站至主干网之间宜采取工业以太网（电口、光口可选），也可采

15、取RS485、CAN、LonWorks、Profibus。“十三五”末应采取工业以太网。 模拟量传感器至分站有线传输采取工业以太网、RS485、CAN；无线传输采取WaveMesh、Zigbee、Wi-Fi、RFID。系统支持联网并可按要求数据格式上传。以太网速度快、稳定31改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第31页（8） 自诊疗、自评定功效 实现系统定时自诊疗、自评定，能够预先发觉系统在安装使用中存在问题。自诊疗内容最少应包含： 1）传感器、控制器设置及定义； 2）模拟量传感器维护、定时未标校提醒； 3）模拟量传感器、控制器、电源箱等设备及通信网络工作状态； 4）中心站软件自诊疗,包

16、含双机热备、数据库存放、软件模块通信。 32改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第32页传感器、控制器设置及定义错误异常数据识别、标校提醒双机热备故障软件模块通信异常数据库存放异常系统软件自诊疗、自评定功效33改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第33页硬件设备自诊疗、自评定功效传感器设备监控分站34改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第34页1.设备无需上位机设置，即插即用，上电即可正常工作，自动识别类型、量程、报警值等信息。2.传感器、分站等具备工作状态自诊疗功效。比如传感器可诊疗敏感元件故障、存放芯片故障，分站可诊疗液晶屏故障、总线通讯质量等。故障自诊疗总线通信质量诊疗

17、硬件设备自诊疗、自评定功效改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第35页（9）加强数据应用分析 安全监控系统应含有大数据分析与应用功效,最少应包含以下内容: 1）伪数据标注及异常数据分析； 2）瓦斯涌出、火灾等预测预警； 3）大数据分析,如多系统融合条件下综合数据分析等； 4）可与煤矿安全监控系统检验分析工具对接数据。36改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第36页 数据应用分析多系统融合的大数据平台瓦斯突出预测火灾预警伪数据滤除异常数据分析伪数据的标注CO温度瓦斯风速标校数据正常数据异常数据正常数据瓦斯突出37改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第37页（10） 应急联动 在

18、瓦斯超限、断电等需马上撤人紧急情况下，可自动与应急广播、通信、人员定位等系统应急联动。瓦斯超限人员管理系统运输监控系统视频监控系统供电监控系统广播通讯系统安全监控系统对外提供标准数据接口38改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第38页39多系统融合联动展示平台改造内容一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第39页改造内容40（11） 提升系统性能指标 1）系统巡检周期不超出20s； 2）异地断电时间不超出40s； 3）备用电源能维持断电后正常供电时间由h提升到h,更换电池要求由仅能维持h时必须更换,提升到仅能维持h时必须更换; 4）具备双机热备自动切换功效； 5）模拟量传输处理误差不超出0.

19、5； 6）分站最大远程本安供电距离(在设计工况条件下)实施分级管理,分别为km、km、km.一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第40页改造内容41（12）增加加密存放要求 为有利于安全监管监察和企业安全管理，对采掘工作面等重点区域瓦斯超限、报警、断电信息应进行加密存放，采取如MD、RSA加密算法对数据进行加密，确保数据无法被破解篡改。（13）方便用户使用、维护、培训 软件界面友好，方便调用，强化帮助功效。一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第41页升级思绪1.统筹规划、试点先行、有序推进 选择试点矿井，并依据各个煤矿不一样要求完善系统，试点矿井稳定、完善后，再逐步进行其它矿井升级改造。2.确保系

20、统先进性 系统功效、性能指标要在满足升级改造技术要求基础上，部分指标适当提升标准。3.全方面升级改造 系统部分升级，如在频率型传感器加装信号转换器，但部分性能无法到达升级改造要求，如抗电磁干扰能力、外壳防护等级（IP65）。提议一劳永逸、全方面彻底地升级改造。42/80一、全数字式煤矿安全监控技术及装备第42页提 纲43第一部分：全数字式煤矿安全监控技术及装备第二部分：全矿井多网融合监测技术及装备第43页技术概况二、全矿井多网融合监测技术及装备井下接入业务种类越来越多安全监控人员定位通信系统自动化信息化丰富接口、足够带宽、稳定性能建设基于4G技术矿井多网融合监测通信系统（一网一站），实现统一数

21、据接入、统一共网回传。12井下基站多系统独立建设无线数据传输带宽不足第44页技术概况二、全矿井多网融合监测技术及装备“一网一站”能够有效地对煤矿生产、安全、信息、设备、材料等建立一体化管控机制。建立在“一网一站”基础之上监测与管控，实现对整个煤矿安全生产标准化和精细化调度管理。煤矿4G通信“一网一站”实现井上、井下数据共网传输，终端互联互通，满足4G覆盖“一网一站”区域统一数据接入、统一共网回传功效，以及共网管控和共同维护平台。煤矿4G关键网与中国电信运行商进行对接，井上井下一号通用，井下语音及数据使用专网不计费，井上采取运行商模式。第45页系统特点4G无线通信系统添加文本添加文本添加文本井下

22、统一协议接入技术 多层蜂窝结构/IP协议SIP协议模拟音频/IP协议数字信令以太网/485/CAN模拟视频/IP协议调度软交换人员定位视频监控程控调度语音广播集成六类系统一站式接入协议，实现统一数据接入统一通道回传。实现功效框架统一，共享电源和传输。实现设备一体化，以及共网管和共维护平台。二、全矿井多网融合监测技术及装备第46页系统组成数字监控、人车定位、无线通信、IP电话、扩播系统等系统模块系统搭建高速 10GE 环网统一接入统一承载统一管理二、全矿井多网融合监测技术及装备第47页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装备第48页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装备1. 4G-LTE无线通

23、信系统 4G-LTE关键网具备以下功效： 1）专网4G关键网MME，SGW，PGW网元，已经与运行商对接成功，完成公网4G用户入网，鉴权； 2）专网关键网满足P-CSCF、S-CSCF、HSS、MGCF、MRFP等IMS域网络功效，能够为专网内4G用户提供语音、视频和短信业务； 3）关键网容量应能满足煤矿3000用户语音和数据处理需求，并可依据需求，增加用户插板扩展至50000用户；第49页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装备1. 4G-LTE无线通信系统 4）满足专网条件下4G用户IMS话音、短信业务与公网业务互联互通； 5）专网关键网系统支持PCMA、PCMU、G.729语音编解码转化

24、，满足专网内4G用户语音业务与公网、其它网络用户、井下专网、调度台互联互通对接； 6）4G专网关键网与运行商对接成功后，专网用户在运行商注册SIM卡，只需在关键网注册即可使用，不需更换SIM卡和手机终端。专网内部用户语音、短信通讯在专网内部完成，专网数据业务不经过运行商，充分利用企业现有网络实现。第50页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装备1. 4G-LTE无线通信系统 4G-LTE无线通信模块采取融合多元技术、面向未来移动网络发展FDD产品，该模块即插即用、自配置。 技术规格通信标准4G-LTE（FDD）信号覆盖距离800-1000米，信号强度大于-105dB无线频段Band3天线与人员

25、定位模块共用天线，增益11dBi信号切换时间17ms馈线标配5m，可依据实际情况定制单eNodeB最大吞吐量下行：150Mbit/s、上行：50Mbit/s单eNodeB最大激活用户数400第51页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装备人车定位系统 人车定位系统专为井下人员以及车辆定位而设计，实现井下人车准确定位（定位精度可到达5米）、实时人车监控、轨迹跟踪、求救报警、紧急撤离、考勤管理等功效。单个基站覆盖范围800-1000米，多个分站联网能够到达信号全井覆盖要求。第52页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装备人车准确定位模块主要技术指标指标技术规格工作电压DC 924V工作电流200m

26、A（12V）发射功率-50dBm+20dBm接收灵敏度-95dBm技术路线基于TOF算法Zigbee准确定位系统信号覆盖距离400m半径供电方式本安供电传输方式TCP/IP工作频段2402.5MHz-2477.5MHz漏读率0最大位移速度84.6Km/h（23.5m/s并发识别数量200张天线与无线通信模块共用天线，支持四路天线安装方式模块化，可插拔第53页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装备人车定位系统（定位技术） 1）基于TOF多射频定位技术采取先进基于TOF高精度定位技术低功耗、辐射小ZigBee信号技术多射频模组，单基站实现距离测量与方向判定，实现准确定位多射频模组，同时实现准确定

27、位与数据传输，为井下物联网建设提供基础，可实现多项扩展多射频模组，漏卡率更低（激励器）第54页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装备人车定位系统（定位技术） 2）基于UWB无线通信技术UWB(Ultra Wideband)是一个无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级非正弦波窄脉冲传输数据。因为其脉冲时间非常短，意味着极高时间/空间分辨率，也用于能够实现高精度测距和定位。定位方式分为TOF和TDOA两种 TOF经过直接两个设备之间信号飞行时间，计算设备间距离，精度可达30cm以内。 TDOA经过终端信号被不一样基站收到时间差，经过几何方式确定终端位置，用于设备间防撞定位，精度可达10cm以内。第55页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装备广播通信系统 采取全数字型广播系统，能够做为独立广播系统运行，也能够与视频监控、程控调度、无线通信、IP调度系统联动，实现几个系统统一平台管控，实现有线、无线、广播、视频监控一体化指挥调度联动功效。第56页系统组成二、全矿井多网融合监测技术及装