0 引言

煤矿安全监控系统是煤矿安全生产的重要保障系统，也是安全避险“六大系统”的重要组成部分，已纳入国家安全生产监督管理总局确定的安全生产“七大攻坚举措”[1]。《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》通知中明确提出“促进安全监控多元融合，提高煤矿安全预测预警水平”，“支持多网、多系统，实现井下有线和无线传输网络的有机融合”的要求[2]。因此，井下多系统融合是煤矿安全监控系统升级改造的主要发展方向。

煤矿安全监控系统为防范和减少煤矿重大安全事故发挥了重要的数据监测和预警作用，但是目前我国煤矿安全监控系统的通信和传感器接口[3]相对比较单一，不同系统有不同的通信协议[4]，各系统占用独立链路，多系统融合程度不高，无法实现系统间的数据共享[5]。针对煤矿发展的需求，在分析多系统融合现状及存在问题的基础上，结合目前先进的技术成果，笔者提出了煤矿井下安全监控多系统融合方法。

1 多系统融合现状及存在的问题

煤矿安全监控类系统架构[6]如图1所示，大致分为4层，包括应用层、传输层、采集控制层和现场设备层。应用层主要包括地面监控主机，传输层包括交换机、光端机和以太网转现场总线传输接口等传输转换设备，采集控制层包括采集分站和控制分站等设备，现场设备层包括传感器和执行器等设备。应用层和传输层之间采用以光纤或工业以太网为主的有线通信方式，传输层与采集控制层、采集控制层与现场设备层之间采用有线和无线相结合的通信方式。

图1 煤矿安全监控类系统架构
Fig.1 Structure of coal mine safety monitoring and control system

煤矿安全监控系统的多系统融合包括井下监控系统的融合和地面监测平台的融合[7]。目前我国煤矿安全监控系统升级改造多为地面监测平台融合，即应用层融合，通过开发新的应用层软件进行多系统融合。地面监测平台通过获得各监控系统的数据，并对数据进行分析，实现地面监测平台对井下各系统数据资源的共享。井下监控系统融合方式包括传输层融合和采集控制层融合。目前，煤矿井下数据传输多采用工业以太网[8]，多个采集分站、控制分站以及现场设备等均接入同一个环网，井下采集控制层中不同监控系统连接各自系统的现场设备，各系统独立运行。

煤矿地面监测平台融合相对较完善，井下监控系统的融合还有很多待改进的地方。井下监控系统的传输层大部分采用工业以太网，纯有线通信方式布置增加了系统成本，繁琐的布线也给井下工作现场带来不便，降低了系统的扩展能力，系统长时间工作易造成线路老化或损坏，降低了数据传输准确度[9]。井下监控系统采集控制层的设备端口不统一以及各系统之间工作相互独立，增加了设备维护的难度和成本，降低了系统的兼容性和性价比，井下各系统间无法实现数据资源共享。因此，改进和完善煤矿井下多个系统的融合是十分必要的。

2 融合分站设计

针对煤矿井下监控系统融合程度不高的情况，设计了一种具有多种通信接口和多种传感器接口的新型融合分站。融合分站总体结构如图2所示，该融合分站是由处理器、有线通信接口、无线通信接口、有线传感器接口、无线传感器接口及其他外围电 路组成。处理器芯片选用STM32F429IGT6型芯片[10]，该芯片具有功耗低、价格便宜和接口多样等优点。有线通信接口包含以太网接口[11]、RS485总线接口[12]和CAN总线接口[13]，无线通信接口包含蓝牙通信接口、WiFi[14]通信接口以及4G通信接口，有线传感器接口包括RS485接口、SPI接口和CAN接口，无线传感器采用ZigBee模块。

图2 融合分站总体结构
Fig.2 Overall structure of fusion sub-station

融合分站包含多种通信及传感器接口，提高了系统间的融合程度和兼容性，降低了成本。融合分站之间也可通过有线或无线的方式实现相互通信，达到了数据共享的目的。

3 多系统融合方法

在设计的新型融合分站基础上研究多系统融合方法，根据传输层、采集控制层、现场设备层以及通信协议的情况，融合分站可实现3种程度的系统融合：① 链路级融合：不同系统现场设备层占用独立物理链路，各系统之间数据相互独立。② 设备级融合：不同系统现场设备层共用同一物理链路，各系统之间数据相互独立。③ 共享数据级融合：不同系统现场设备层共用同一物理链路，各系统之间数据共享。

3.1 链路级融合

3.1.1 链路级融合方法

链路级融合原理如图3所示，链路级融合方法是通过融合分站的多种采集接口分别连接有相同通信协议接口的系统现场设备层，不同系统的现场设备占用独立的物理链路，各系统之间数据相互独立，融合分站将采集的数据通过有线或无线通信方式分别传输给各自系统的监控主机，从而实现多个系统间的链路级融合。

图3 链路级融合原理
Fig.3 Principle of link level fusion

链路级融合适用于小型及井下地形不复杂的煤矿。因煤矿井下各种传感器、执行器等现场设备是不同厂家生产，其通信方式、产品型号及设备输出信号等参数都不尽相同，链路级融合方法通过多种采集接口和通信接口实现融合分站统一控制不同系统的现场设备和监控主机，分配好各自系统的链路，每个物理链路独立工作。

3.1.2 链路级融合软件设计

链路级融合软件流程包括通信接口配置、通信接口初始化、现场传感器数据接收、发送及业务处理等。设备通过接口接入系统，首先检查通信接口的配置情况，完成通信接口初始化，然后接收现场传感器采集的数据，对传感器采集数据进行业务处理，业务处理完后将数据发送至现场传感器，通过不同系统接口的数据处理实现多个系统的融合，融合分站的每一通信接口都有相同的软件程序设计，链路级融合软件流程如图4所示。

图4 链路级融合软件流程
Fig.4 Flow of software of link level fusion

3.2 设备级融合

3.2.1 设备级融合方法

设备级融合原理如图5所示，设备级融合方法是对井下不同系统的现场设备进行整合，将不同系统有相同接口的现场设备统一接入融合分站的某一采集接口，实现不同系统现场设备层共用同一物理链路，进行数据采集，各系统之间数据相互独立，融合分站将获得的数据通过有线或无线通信方式分别传输给各自系统的监控主机，从而实现多个系统间的设备级融合。

图5 设备级融合原理
Fig.5 Principle of device level fusion

设备级融合与链路级融合相比，提高了井下系统现场设备的融合程度。不同系统的现场设备因生产厂家不同，通信方式和输出信号等参数也存在差异，可将不同系统有相同通信协议和输出信号的设备进行整合，统一接入融合分站的同一采集接口，达到融合的目的。与链路级融合相比，设备级融合减少了接口数量，布线简单，降低了成本。

3.2.2 设备级融合软件设计

设备级融合软件流程包括通信接口初始化、接收链路上传感器数据、发送数据至链路上的传感器、链路上传感器的数据处理以及业务处理等，如图6所示。设备接入通信接口，首先完成通信接口的初始化，判断接收到的传感器数据是否为链路数据，然后对链路上的传感器数据进行接收以及业务处理，根据需要将数据发送至链路上的传感器。针对一条链路上不同系统现场设备数据的收发和处理情况，实现链路上多个系统的融合。

图6 设备级融合软件流程
Fig.6 Flow of software of device level fusion

3.3 共享数据级融合

3.3.1 共享数据级融合方法

目前,煤矿安全监控系统中数据融合处理多在地面监控主机上完成。煤矿井下地域狭长、地形复杂，每一段区域都要布置大量传感器进行参数监测，现场设备层采集数据，传输层将采集的大量数据传输给地面监控主机，最终由地面监控主机完成数据融合处理，导致地面监控主机数据处理工作量增大，增加了传输层的任务量，延长了控制时间。

为解决以上问题，煤矿井下采用共享数据级融合的方法，共享数据级融合原理如图7所示。共享数据级融合方法是在不同系统现场设备层共用同一物理链路的基础上，融合分站内各采集接口,增加共享数据输入/输出接口，实现分站内部各系统之间的数据共享。

图7 共享数据级融合原理
Fig.7 Principle of shared data level fusion

共享数据级融合在分站内实现了数据共享和融合处理。融合分站根据采集数据的大小和类型分配相应的存储内存和类型，再对数据进行分析和筛选后，通过分站内输入/输出接口实现不同系统业务间的数据共享，以达到减少数据传输量和数据传输时间以及降低地面监控主机处理数据难度的目的。

3.3.2 共享数据级融合软件设计

共享数据级融合与设备级融合软件设计相比，只是增加了多系统数据处理功能，其他与设备级融合软件流程基本相同。通信接口初始化完成后，针对接收的数据要做一个链路数据或多系统数据的判断，判断完成后进行业务处理，实现多系统间的数据共享。首先初始化通信接口，接收到传感器数据后判断是否是链路数据，若是，进行链路业务处理，若不是，判断是否为多系统数据，分别进行单系统业务处理和多系统业务处理，若有需要可将数据发送至传感器。共享数据级融合软件流程如图8所示。

图8 共享数据级融合软件流程
Fig.8 Flow of software of shared data level fusion

4 结论

(1) 融合分站具有RS485、ZigBee等有线和无线多种采集接口以及以太网、CAN总线、4G通信等多种无线通信接口等配置，可根据煤矿井下现场设备布置、采集接口以及通信接口等情况，进行煤矿井下安全监控多系统的融合。

(2) 煤矿井下安全监控多系统融合方法利用融合分站可实现链路级融合、设备级融合以及共享数据级融合，与其他煤矿井下融合方法相比，该融合方法不仅能提高系统的拓展能力，减少现场布线的繁琐，提高数据传输的准确度，降低煤矿井下系统建设和维护成本，还可实现多个系统之间的数据融合和共享。

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