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矿井三大系统设计方案

新平鲁电可矿业有限公司

矿井三大系统设计方案

昆明恒大科技有限公司

2012年6月

矿井三大系统设计方案

综述

“信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。

坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源得到充分发挥的新型工业化路子”是我国矿山工业企业发展的必经之路。

遵循国家相关政策和精神，以“高起点、高技术、高质量、高效率、高效益”五高原则，本着对“矿井综合信息化系统”建设总体规划、分布实施、急用先建、突出重点，慎重投入的原则。

本次补充安全避险“三大系统”设计主要是依据遵照《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》的精神、按照国家标准AQ2031-2011至AQ2036-2011的要求，以及本矿安全生产管理实际情况进行的。

第一章项目介绍

第二章三大系统设计概述

1设计概述

1.1执行标准

从矿井的用途和实际出发，把安全放在第一位，系统设计和制造、施工中遵循的国家标准（GB）和行业标准：

GB16423-2006《金属非金属矿山安全规程》

AQ2031-2011金属非金属地下矿山监测监控系统建设规范

AQ2032-2011金属非金属地下矿山人员定位系统建设规范

AQ2033-2011金属非金属地下矿山紧急避险系统建设规范

AQ2034-2011金属非金属地下矿山压风自救系统建设规范

AQ2035-2011金属非金属地下矿山供水施救系统建设规范

AQ2036-2011金属非金属地下矿山通信联络系统建设规范

AQ2013.1-2008《金属非金属地下矿山通风技术规范》

《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》（国发〔2010〕23号）；

《国务院安委办关于学习贯彻国务院23号文的通知》安委办〔2010〕15号

重庆煤矿安全监察局《井下固定式避灾硐室建设标准》（2010年9月）。

《金属非金属地下矿山企业领导带班下井及监督检查暂行规定》（国家安全监管总局令第34号）。

《电子计算机房设计规范》；

《矿井通风及安全装备标准》；

《邮电部网管系统技术规范》

《中国国内电话网No.7信号方式技术规范（暂行规定）》及补充规范

《国内No.7信令方式技术规范综合数字网用户部分（ISUP）暂行规定》

《计算机软件开发规范》；

《计算机软件可靠性和维护性管理》

《计算机软件质量保证计划规范》

《矿井通风安全监测装置使用管理规范》。

《中华人民共和国消防法》

《建筑内部装修设计防火规范》

《建筑电气设计规范》《电气装置安装工程施工及验收规范》

《信息技术设备包括电气设备的安全规范》

《安全技术防范规范工程程序技术规范》

《建筑与建筑群综合布线工程系统设计规范》

《建筑与建筑群综合布线系统工程验收规范》

本次设计中涉及到的上述未列出的其他国家、行业相关现行标准。

1.2设计方案确定的原则和指导思想

以满足井下灾变条件下作业人员应急避险之需要，安全、实用、救生为基本原则。

以矿山企业领导带班下井制度为起点，以安全避险“六大系统”的实施为着力点，扎实推进矿山安全生产管理工作。

完善安全监控系统；全面推广人员定位系统；不断提高通信、压风、供水系统的可靠性；建立健全应急避险设施。

并逐步达到“设施完备、系统可靠、管理到位、运转有序”的要求。

系统设计原则

1）综合的通信平台

要求建设光纤工业以太环网，采用标准的TCP/IP协议，形成一个综合通信平台，使调度、无线通讯、人员定位、工业视频监控、环境监测等各系统数据在统一平台上传输。

2）合理的网络结构，分布均匀的丰富接口

根据矿山巷道的特殊性，系统采用最具灵活性的网络拓扑结构，使无线信号和各种接口普遍、均匀地分布在井下的各个区域，最大限度地方便了系统应用的扩展。

采用环网交换机+井下综合分站、井下分站和交换机均可以连接各个数据接口或监测监控设备的灵活组合模式。

井下分站之间以光缆直接连接，串行延伸避免重复布线造成浪费线缆。

3）技术成熟

采用成熟的核心产品和技术，具备二次开发能力和不断升级能力，能满足业主提出的特殊性要求，在类似条件的矿山取得过实际的应用案例，最好有类似条件的矿山1年半或更长时间的应用案例。

4）可靠和安全

充分考虑电气设备的供电和取电问题，保证系统在外部供电失效的情况下的UPS电源保证不少于2小时。

井下设备，应采用特殊的防护等级，做到防尘、防爆、防潮湿，防护等级不小于IP54，关键设备如井下综合分站的防护等级要达到IP65。

5）互联互通

系统容量设计充足，通讯协议标准。

调度、无线通讯、人员定位、工业视频监控、环境监测等各系统数据，经过安全处理后，可直接接入矿区管理办公网络或互联网，支持扩展到远程访问，数据库信息资源能够共享。

电话可实现公网对接。

6）易安装、易操作、易维护

系统的设计，尽可能的简洁，施工方便，容易维护。

通过高度的集成和有效的裁剪，减少设备种类，减少连接环节，保证系统工作的可靠性。

各类应用终端可通过有线或无线的方式，直接接入综合通信平台。

7）经济适用（高性价比）

依据综合通信平台的设计原则，尽量减少井下设备和接口种类和数量，减少线缆芯数和距离，综合分站（分站）沿着巷道部署，沿途提供100M有线宽带和无线信号，直至巷道最前端。

摄像头、传感器等终端设备采用有线或无线的方式，就近接入综合分站（分站），在冗余设计的前提下，做到最好的经济性。

1.3哲扬Z-NET系统特点和简要

Z-NET系统的分站具有交换和综合通信两大基本功能，一组经光缆连接的分站可以直接连接到井下一个水平面放置的千兆/百兆工业环网交换机上，组成一个百兆子环网/子网。

该子环网覆盖一个或数个巷道、采区工作面等区域，并在环网覆盖区域通过分站提供多个网络接口。

由于分站分散分布，相当于在巷道不同地点、采区现场等具有了以太网传输接口，其它网络应用设备或终端，如监控用的IP摄像头、广播终端、传感器数据采集终端（PLC远程通信终端）就可以就近接入到Z-NET分站中，通过Z-NET系统网络和井下环网交换机，将视频、数据信息上传到井上的处理中心。

如果矿井有多个水平，或者其井下在数个变电所放置了环网交换机，则可以通过Z-NET系统组成多个子环网或子网，这些子环网或子网将合起来提供数个百兆的传输带宽，足可以传输数十至上百个IP网络摄像头的监控信息，以及其它信息，但是所需的井下布线却非常少，就是分站之间自身的光缆布线，但却做到一个设备多个用途，应用功能非常强大。

Z-NET系统的交换和环网延伸覆盖能力，提供了较强的系统合成应用方式，在省却设备堆积重复布线、尽量就近接入、多点灵活接入、提高井下环网交换机数据信息业务加载能力等方面提供了有力的应用支撑。

将来，在数字矿山的建设中，除了无线通信系统以外，矿井还要增加更多的安全监控应用，如无线通信和调度、扩音广播、视频监控、传感器数据采集上传等，所有这些应用都将集中到井下环网交换机主干网络传输。

Z-NET系统其时可以作为一个接入和应用平台，一是做到通信等应用功能在一个硬件平台上的高度集成，二是提供多种数据信息（通讯信息、视频图像信息、广播数据信息以及监测数据信息）在一个传输网络的接入和合成传输，并无缝和透明接续到井下换网交换机接口界面。

如图Z-NET系统的综合应用示意图

1.4建设目标

遵循“国际先进、国内领先”的总体目标和“整体规划、分步实施、重点突破”的总体建设原则，本项目将以与直接生产相关的自动化、数字化和集成管理，以及生产安全监控相关的建设和集成管理为重点，项目建设成功对于本矿具有以下现实意义：

A、提高矿井安全生产管理水平

B．提高生产效率，建设知识型企业

C、消除信息“孤岛”，提高管理效率

D．为实现数字矿山最终的管控一体化奠定战略性基础

E、提升矿井综合形象，对矿井的数字化建设将起到示范带动作用

经过本项目工程的建设，提高本矿的安全生产和管理水平，并建设一个高标准现代化的安全生产综合调度监控中心；推进建设知识型企业和精细化管理，符合信息技术的发展方向，提升企业的总体竞争力。

1.5设计要求

要求如下：

依照客户要求要完成井下人员定位跟踪、紧急报警；要实现井上井下矿区内外的语音通话，视频监控；以及环境监测（CO、CO2、O2以及风速）功能。

这些功能要求在一套综合宽带系统中完成，并预留带宽和接口用于未来其它功能的扩展。

1.6设计范围

本次三大系统设计的范围有，1480（开拓中）分层、1530分层、1580分层。

和1533分层、1545分层、1556分层、1568分层。

1.7设计参数的确定

AQ2031-2011、AQ2032-2011、AQ2036-2011中鼓励将通信联络系统与监测监控系统、人员定位系统进行总体设计、建设。

矿山峰值人数170人，依据AQ2032-2011规范4.10的要求配备人员标示卡不少于经常下井人员总数10%的备用卡。

依据矿山规模和和组织结构，无线通信部分配置手机根据下井人员定。

设计内容：

本次设计共有7个分层，其中1580分层为采空分层，仅进行人员定位和通信；1480分层为开拓分层，所以仅放一台基站。

连接1533分层、1545分层、1556分层、1568分层的斜坡道为重要工作和停留通道，进行通信和定位设计。

1530是主要的巷道，进行定位、通信、监控和空气质量的检测的设计。

第三章具体设计与部署

2人员定位、通讯系统、监测监控三大系统设计。

建设工业光纤环网、光纤水平通讯网络，统一采用标准的TCP/IP通信协议，形成一个综合通信平台，调度通讯、无线通讯、人员定位、工业视频监控、环境监测等各系统数据采用统一平台传输，组成矿山综合通信平台；是行业技术发展的潮流。

国家在AQ2031-2011、AQ2032-2011、AQ2036-2011规范中明确提出了建设的方向：

鼓励将通信联络系统与监测监控系统、人员定位系统进行总体设计、建设。

统一基础通信网络平台，优化系统组件，达到提高可靠性，降低维护量的目的。

本次采用深圳哲扬生产的Z-Net综合通信基站，实现人员定位、通信联络、监测监控系统的建设。

2.1综合系统的设计思想

Z-NET系统基站集成了有线、无线两种通信方式；将矿山生产中使用的Zigbee无线信号（主要用于人员定位和信息采集）、Wifi无线信号（主要用于无线通信和视频监控）以及一个4口光纤环网交换机（用于有线以太网的设备连接）、2小时后备电源和电源变换器。

基站采用单一光纤连接；一入一出串接使用；每个基站可以T行分线连接；构成梳子状或者树状、带状连接；组网灵活；高度简洁。

如图：

采用分层设计的思想；将系统按信息采集、信息传输、信息存储与应用分为三个部分。

采用统一的平台进行传输；以采集到的信息构建上层应用。

以综合的角度看待人员定位、监测监控、、通信联络系统；结合上图可以将系统分为三部分：

2.2信息采集部分：

人员定位系统的信息采集部分是人手一个配置的定位标识卡。

通信联络部分的信息采集部分是无线手机。

监测监控系统的信息采集部分是各种传感器。

2.3信息传输部分

采集到的信号要传输的数据库中存储起来；人员定位系统前端采用的Zigbee无线信号；无线通信前端采用的是WiFi信号；监测监控系统的前端采用的以太网信号。

后端均是以太网信号。

Z-Net将上述功能结合在一起加上传输需要的环网交换机构成综合通信基站。

采用单一基站即可实现三个系统的数据传输工作。

2.4信息处理与应用部分

采集到的信号通过传输部分存储到数据库，根据需求划分具体的功能；人员定位系统获取人员定位信息进行统计处理，实现数据查询、报表打印和异常报警等具体应用。

无线通信系统根据采集到的需求连接不同线路上的用户进行通话、收发短信等功能应用。

监测监控系统根据采集数据与具体的报警阀值进行报警处理。

2.5人员定位系统设计

2.5.1人员定位系统简述

根据矿井、巷道、采区实际情况绘制井下巷道、采区图，并在该图上显示各个区域当前人数。

该图是动态的，随着井下人员的移动，该图显示的各区域人数会随时更新。

在该图上用鼠标点击，可以显示某个选定区域的人员名单，进一步点击还可以显示某个选定人员下井后的行踪；输入任意人员的姓名或编号，可以立即以图形方式显示此人当前所在区域；也可以同时输入多个人员，以文字方式显示这些人各自在井下的当前位置。

系统能够实时对下井人员入井时间、升井时间进行统计；能实时对各单位人员下井班数、班次、迟到、早退等情况进行监测和分类统计；能实时对井下各监测区域工作人员的数量和分布情况进行分类统计。

能自动汇总、存储、自动生成报表和打印以上各信息。

数据支持实时查询，随时可查询单独人员、班组、井、矿领导或公司领导下井情况。

数据存贮时间至少为两年，系统可提供两年数据的汇总统计功能。

考勤管理可按任意时间段进行班组、车间、矿分级汇总统计、查询、打印。

符合AQ2032-2011标准。

2.5.2系统结构

网络基础：

工业以太网，ZigBee无线信号，TCP/IP协议

硬件部署：

地面调度室部署定位服务器，人员佩戴标识卡

接入方式：

定位服务器接入地面交换机，标识卡通过井下分站ZIGBEE无线信号自动接入

实现原理：

人员定位系统即是在深圳哲扬Z-NET综合通信平台上实现的人员考勤、定位功能的应用，只需要在已经构建好的综合平台上增加相应标识卡终端和定位应用服务器即可。

作业人员必须每人佩带一个具有特定编号的标识卡。

在无线网络覆盖范围内，通信分站随时检测标识卡的信号并将这些数据第一时间传输到地面数据库，通过应用软件的分析处理，得出各具体信息（如：

是谁，在哪个位置，具体时间），同时可把它动态显示（实时）在调度室的大屏幕或电脑上，并作好保存，供相关管理人员随时了解这些人员位置信息。

人员定位系统实现功能:

1）实时监测

对井下人员的分布情况分区域实时监测。

实时监测全矿井井下人员总数，可以分区域实时监测作业面人员数量。

在该图上用鼠标点击，可以显示某个选定区域的人员名单；可查询选定人员下井后的行踪

2）查找人员当前位置

输入任意人员的姓名或编号，可以立即以图形方式显示此人当前所在位置。

3）井下人员跟踪

在井下巷道图上实时动态地显示他们的行踪。

4）统计查询进入特殊区域人员

对于井下某些特殊区域，例如规定不准一般人员进入的危险区域，在行踪保留时段内可以随时进行查询，列出进入该区域的人员和出、入时间。

5）考勤功能

人员定位系统提供完整的人员出入井记录数据，实现考勤功能。

能够准确统计人员入井、升井时间，并可按班次、按部门生成日考勤、月考勤统计报表。

6）干部管理功能

系统能对干部下井情况进行统计、监督，领导在办公室通过电脑或在调度室大屏幕就可以看到哪些干部在井下，哪些干部已升井，哪些干部该下井未下井等。

7）区域超员告警

对某个区域的人员数量进行限制，如果超员则告警。

8）矿工进入禁入区告警

当矿工进入禁区时，监控室系统会告警，提示管理人员采取相应措施。

9）工作超时、欠时告警

当矿工在井下停留超出规定时间或没有做够规定时间，系统将告警并记录。

10）双向告警和呼救功能，井下出现紧急情况时，带卡人员可以通过按住标识卡的报警按钮（连续按住3秒以上视为报警），主动将紧急情况通知地面系统，地面系统接到紧急呼救后，采取应急援救方案。

当有报警时，调度中心监控界面立即弹出报警框，显示报警类型、报警人员姓名、所在的位置区域等信息当有地面掌握特殊情况时，需要指挥井下工作人员迅速撤离，监控室调度或管理人员可以向井下全部或部分区域人员携带的标示卡发出告警撤离信号，标示卡将以声音、闪烁红灯和震动方式提醒井下人员注意。

11）标识卡电量告警

当标识卡电量过低时（剩余电量小于工作3天所需），标示卡将提前告警，红灯闪烁提醒矿工电量不足，及时更换电池或充电。

12）分站不在线告警

当综合分站连接故障时系统均会出现分站不在线告警，方便问题及时发现并解决。

待问题处理后告警会自动结束并在数据库中保存历史告警信息。

13）系统管理功能

系统的管理软件能够实现分配多个不同权限的用户，方便各个用户在网络终端上同时运行软件，查询井下实时情况，并可对软件进行分级别的修改；井下实时数据也可以上传到WEB服务器上，用户可以通过互联网，以网页的形式实时查看井下人员分布情况。

14）双机热备功能

系统具有双机热备功能，当主机出现故障时可手动或自动切换至备用机，手动（或冷启动）切换时间小于5分钟，一般热备状态下切换时间小于30秒。

15）GIS地理信息系统平台

具有GIS地图缩放功能，能实现井下巷道图的缩放、显示。

本安标识卡技术指标

✧

识别距离：

>100米；

✧误码率：

<10E-8（符合AQ2032）；

✧工作电压：

DC3.7V；

✧接收灵敏度：

-75dBm；

✧电池工作时间：

使用一次性电池，使用时间不低于6个月，电池更换方便；使用可充电电池，每次充饱后可以连续工作7天以上；可充电电池寿命：

2年。

根据图纸与客户需求定位系统设计如下：

包括1530分层、1580分层、1580与1530的斜坡道，正在开拓1480分层。

设计内容：

本次设计共有7个分层，其中1580分层为采空分层，仅进行人员定位和通信；1480分层为开拓分层，所以仅放一台基站。

连接1533分层、1545分层、1556分层、1568分层的斜坡道为重要工作和停留通道，进行通信和定位设计。

1530是主要的巷道，进行定位、通信、视频监控和空气质量的检测的设计。

2.61530分层设计如下：

即光纤从地面进入1480分层之后连接在1530分层中，1530分层共有14台基站，每台基站不仅可以用作人员定位还可以用作无线通讯。

1530分层基站连接是：

J101连接J102连接J103至J105，基站J105连接J106与J1014，J1014连接J107（J107从1480分层被J701连接）。

J107连接J108，J108连接J109，J1010，J1010连接J1012与J1011，J1011连接J1013.

每台基站完全覆盖1530分层的主巷道，对人员定位起到信号覆盖作用，并且基站有富余的端口可供客户随意调整，人员定位需要井下人员佩戴人员标识卡，信号通过基站传输到地面，利用地面人员监控设备软件，可实时监控，避免突发状况。

因1530分层有未开拓到的地方，所以具体设计，目前深度为2000米左右，具体基站数量定为8个，连接得依照具体的采掘面巷道设计。

2.71580分层设计如下：

3.7.1因1580分层为采空区，主要是下井人员通过斜坡前往1530的主通道，仅需要人员定位覆盖主巷道即可，所以1580分层配备6台基站，J201连接J202连接J203连接J204连接J205连接J206连接J207。

光纤从通风口进入。

同时基站也可用作是通讯服务设备。

每台基站接收人员佩戴的人员定位标识卡发出的信号，同时传输到地面。

并通过地面的人员定位服务器，观测井下的情况避免灾害发生。

3.7.21480分层正在开拓中，深度为300米左右，仅放一台基站。

3.7.31580与1530的斜坡道：

（此斜坡道连接了1533分层、1545分层、1556分层、1568分层）每个分层与斜坡的连接处附近放着一台基站（共4台），确保知道人员是进入了每个分层中还是在每个分层的斜坡中，由于分层每月度要放一次大炮，基站若放在脉外联道上，固定后不方便拆卸，所以目前在分层脉外联道还无法放置。

特点:

1）放在1580主巷道、1530主巷道、斜坡的基站通过防爆光纤串联起来，分别从1530,1580连接到地面的主机房的交换机，形成一个闭环的主通道，也就是通信线路是双备份的；无论1580还是1530任意一个主巷道发生坍塌事故，均能保证通信线路的正常。

2）将来采掘工作面上的视频、数字信号可以过该主通道传回机房。

PS：

详细信息参考CAD图纸人员定位信号覆盖图。

PS:

详细信息参考CAD图纸人员定位信号覆盖图

人员定位信号覆盖图

PS:

详细信息参考CAD图纸

人员定位信号覆盖图

PS:

详细信息参考CAD图纸

人员定位信号覆盖图

2.8通讯系统设计

基站是人员定位与无线通讯的共用基站，信号覆盖范围与人员定位相同，作为井下终端设备。

单基站可同时提供wifi无线语音信号，覆盖范围半径不小于300米。

环境监控数据，能够以无线传输的方式接入综合通信平台。

布置如下:

1根据下井人数配备wifi手机35部,实现井下到井下，井下到地面的通话。

2由于炸炮的原因，1533、1545、1556、1568四个分层的每个脉外联道（层走廊）上安装安装4部固定电话，通过防爆电话线连接到斜坡的语音网管（8通道），语音网关再连接到斜坡上的基站，这样，分层便可与地面的坐机，和wifi手机通话。

炸炮时除掉电话，之后再装上。

拆卸方便简单。

31530、1580和斜坡形成一个无线主通道，用wifi手机便可以实现井下到井下，井下到井上的通话。

2.8.1调度台与通讯服务器的功能作用

井下的语音信号通过基站和光纤传到地面的机房的交换机和通讯服务器（或调度台本方案采用通讯服务器），再通过语音网关（8口）连接到地面坐机，从而实现井下到井上的通话。

无线通信联络系统可以满足日常通信联络和抢险救援双重任务，井上调度员能随时与通信系统内的任何一部电话（包括井下电话、WiFi移动电话、井上办公电话等）建立联系，并可以随时与上级主管部门建立联系。

通讯服务器功能:

1）可以进行内线通话手机与手机之间通话，手机与地面之间通话，需要语音网关支持。

2）可以进行外线通话手机与外线通话，加入外部语音网关（本方案为涉及此内容），即可进行与外线通话。

3）通讯服务器最大可承载128部电话同时通话，每台基站可同时承载12部电话通讯。

通讯服务器指的是软件（即安装通讯服务器软件）。

调度台实现功能与特点：

1）系统具有语音调度应急功能：

包括呼叫、紧急呼叫、热线呼叫、强插、呼叫锁定、呼叫前转、呼叫等待、强拆、手动录音、遇忙转移、呼叫代理、监听、自动录音、个人跟随、会议电话；

2） 一机多调功能：

可划分多个模拟用户组采用不同的电话号码体系和多个调度台，它们有各自的调度台，这样就虚拟成多个调度机。

实现总调和专业调度的功能；

3）图形化设计，各类终端状态一目了然。

全面显示呼叫状态信息：

调度界面可实时显示调度中心所有终端的呼叫状态，如：

空闲、振铃、通话等；

4）话单管理：

记录每一个通话信息；

5）对讲功能：

可进行双工扬声（免提）对讲，进行“一对一”或者“一对多”通话，像使用对讲话机一样方便。

支持一键通话功能，用户优先功能，创建动态组群，支持企业用户的各种调度管理；

6）安全应急预案处理功能，编制灵活，记录档案信息详细，可完整的保存。

事故灾害通知和处理一键到位；

7）救生引导及紧急广播：

在出现突发事件时，可直接播放应急预案中设置好的预案语音文件，实现突发事件的快速引导；可与现行报警系统对接，实现报警联动广播功能。

注明：

通讯服务器与调度台的区别在于，调度台具有调度功能。

而通讯服务器是只通讯服务器软件安装在电脑设备中，从而实现了通讯功能但不具备调度功能，通讯服务器最大一共可连接128部，有线通讯设备终端（固定电话）和无线通讯设备终端（手机）。

电话系统构成示意图

2.9监测监控

符合《AQ2031-2011金属非金属地下矿山监测监控系统建设规范》的要求。

井下环境参数监测主要由CO监测点、风速监测点组成。

依据客户要求加装二氧化碳传感器、氧气传感器和风速传感器。

井下传感器工作流程是，通过在通风井放置传感器能