礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦山安全生產(chǎn)的核心，為礦井作業(yè)提供新鮮空氣，確保工作人員健康與安全。實施高效的通風(fēng)環(huán)境監(jiān)測是開展通風(fēng)優(yōu)化管理、降低長期運營成本的重要途徑。巷道的風(fēng)量、溫度、濕度、空氣質(zhì)量、風(fēng)速以及有害氣體和粉塵濃度直接影響工人的工作效率和生命安全。許多事故源于通風(fēng)不良和有毒氣體積聚，而有效的環(huán)境監(jiān)測能顯著降低事故發(fā)生率，保障礦工生命安全。

新一代信息技術(shù)與礦山生產(chǎn)的深度融合正在引領(lǐng)全球采礦行業(yè)邁向智能礦山時代。近年來，我國不斷加大數(shù)字礦山、智能礦山領(lǐng)域的投入力度，重點推進(jìn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的智能化升級。依托物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、數(shù)字孿生等技術(shù)，礦井通風(fēng)智慧監(jiān)測體系通過構(gòu)建多維感知網(wǎng)絡(luò)與智能決策平臺，實現(xiàn)對井下風(fēng)量、風(fēng)速、氣體濃度、溫濕度等參數(shù)的實時動態(tài)調(diào)控，有效提升通風(fēng)系統(tǒng)安全性與能效水平。

為強化礦井通風(fēng)安全保障，2020年4月28日工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、自然資源部聯(lián)合印發(fā)的《有色金屬行業(yè)智能礦山建設(shè)指南（試行）》特別強調(diào)：在通風(fēng)環(huán)境復(fù)雜（存在有毒有害氣體聚集風(fēng)險）、人工巡檢難度大（巷道縱深超千米、多級通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)）、高危區(qū)域（采空區(qū)鄰近區(qū)域、高溫高濕作業(yè)面）等場景，應(yīng)優(yōu)先部署具備自主感知、智能分析、聯(lián)動調(diào)控功能的通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)。通過安裝分布式智能傳感器陣列，構(gòu)建通風(fēng)參數(shù)實時數(shù)字孿生模型，并依托AI算法實現(xiàn)通風(fēng)異常預(yù)警、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及風(fēng)機群組協(xié)同控制，從而降低人工巡檢風(fēng)險，杜絕通風(fēng)系統(tǒng)“過通風(fēng)”與“欠通風(fēng)”現(xiàn)象，保障井下空氣質(zhì)量動態(tài)達(dá)標(biāo)。國家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布2024年第1號公告，批準(zhǔn)《非煤礦山建設(shè)項目安全設(shè)施設(shè)計編寫提綱》，其中特別指出：礦山應(yīng)積極推進(jìn)智能化建設(shè)，通過智能礦山設(shè)計提升本質(zhì)安全水平。設(shè)計說明需涵蓋智能礦山的總體原則、實施范圍與內(nèi)容，明確分階段實施計劃及預(yù)期效果（如通風(fēng)智慧調(diào)控、災(zāi)害預(yù)警等）。礦山必須建設(shè)安全管理信息平臺，確保災(zāi)害發(fā)生時能快速整合各系統(tǒng)數(shù)據(jù)（如通風(fēng)參數(shù)、人員定位、設(shè)備狀態(tài)等），為安全避險和應(yīng)急救援提供實時決策支持。同時，應(yīng)建立安全危害因素的事前預(yù)警機制，通過智能感知與AI分析實現(xiàn)瓦斯突出、通風(fēng)異常等風(fēng)險的動態(tài)預(yù)判。

傳統(tǒng)礦井監(jiān)測面臨幾個主要問題：設(shè)備需要網(wǎng)絡(luò)化布置，成本高昂，且在亟需通風(fēng)的生產(chǎn)工作面更新布置往往不及時。此外，礦山通風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，需要綜合監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓、溫濕度和有害氣體等多元數(shù)據(jù)。因此，有必要研發(fā)一種便于安裝、便攜且智能化的監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的通風(fēng)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，提升礦井安全管理效率。

在國家自然科學(xué)基金面上項目（編號：52074020）資助下，北京科技大學(xué)王培濤教授團隊以礦井通風(fēng)環(huán)境監(jiān)測過程為研究對象，以實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的通風(fēng)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，提升礦井安全管理效率為目的，研發(fā)了基于樹莓派礦井通風(fēng)環(huán)境智能化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；該系統(tǒng)由前端監(jiān)測設(shè)備與后端數(shù)據(jù)顯示平臺組成：前端監(jiān)測設(shè)備通過集成風(fēng)速傳感器、環(huán)境傳感器、一氧化碳傳感器、粉塵濃度傳感器，自帶便攜式Wi-Fi模塊和移動電源，并選擇使用ONENET物聯(lián)網(wǎng)平臺，建立本系統(tǒng)的后端數(shù)據(jù)顯示平臺。最終系統(tǒng)實現(xiàn)了井下通風(fēng)環(huán)境(溫度、濕度、大氣壓強、風(fēng)速、巷道內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)IAQ和CO濃度)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)操作簡易，運行穩(wěn)定，可大面積布點，數(shù)據(jù)可進(jìn)行二次利用，提高了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時，開放式云平臺的應(yīng)用能減少服務(wù)器架設(shè)，降低開發(fā)成本，有效滿足金屬礦山通風(fēng)監(jiān)測需求，具有良好的應(yīng)用前景

本項研究主要成果包括：

（1）以Raspberry Pi開發(fā)板為核心構(gòu)建了礦井通風(fēng)在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過集成風(fēng)速傳感器、環(huán)境傳感器、一氧化碳傳感器，自帶便攜式Wi-Fi模塊和移動電源，解決了實際安裝過程中，礦山井下不易搭接電纜、電線的問題；并將所有設(shè)備集中于監(jiān)控箱中，使得系統(tǒng)現(xiàn)場布置靈活、維護方便；該監(jiān)測設(shè)備可實現(xiàn)基于樹莓派的獨立運行，脫離PC端控制，獨立進(jìn)行數(shù)據(jù)的二次處理和分析，使得實物操作使用十分簡便、適用場景豐富，可代替人工測量且減輕部分井下測量工作和人為誤差，保證了測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，易于在礦山普及使用。

針對現(xiàn)有通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)功能單一的問題，利用Raspberry Pi開發(fā)板豐富的接口連接多種傳感器，提高了監(jiān)測設(shè)備的集成度和功能性；強大的運算能力可實現(xiàn)獨立運行復(fù)雜代碼，提高監(jiān)測效率與系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；Raspberry Pi開發(fā)板便攜式的設(shè)計使得監(jiān)測設(shè)備體積微小，便于后期監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)場安裝和大面積布點；通過其多種通信接口，可快速與互聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。因此，利用上述Raspberry Pi的特點建立礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的可行性和應(yīng)用價值。

基于Raspberry Pi的礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)由前端監(jiān)測設(shè)備與后端數(shù)據(jù)顯示平臺組成，與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)所選用的開發(fā)板相比，Raspberry Pi有一定的CPU和GPU的計算能力，具有千兆位以太網(wǎng)端口、2.4 GHz和無線(Wi-Fi)、藍(lán)牙5.0和BLE，具有更強的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用價值；其次樹莓派擁有多種接口：I2C、SPI、UART和Xbee插座，其GPIO引腳可用于通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)

礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測設(shè)備研發(fā)以Raspberry Pi 4B開發(fā)板作為核心處理器（MCU）和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀采用BME680環(huán)境傳感器，可同步采集溫度和濕度，并搭載風(fēng)速和CO傳感器。當(dāng)移動電源啟動后，數(shù)據(jù)采集儀控制上述傳感器對礦井通風(fēng)環(huán)境相關(guān)參數(shù)（溫度、濕度、風(fēng)速、大氣壓強、CO濃度、IAQ指數(shù)）進(jìn)行采集。其中IAQ指數(shù)是通過環(huán)境傳感器中加熱的金屬氧化物會根據(jù)空氣中的揮發(fā)性有機化合物(VOC)改變電阻，通過計算得到該電阻值并結(jié)合開發(fā)板中所安裝的BSEC軟件庫脫離后期PC端，對VOC氣體變化阻值、濕度、溫度進(jìn)行智能化分析輸出IAQ值（空氣質(zhì)量指數(shù)）；便攜式Wi-Fi為數(shù)據(jù)采集儀提供網(wǎng)絡(luò)，以便數(shù)據(jù)的上傳。

礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測設(shè)備

礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測平臺搭建：選擇使用ONENET物聯(lián)網(wǎng)平臺，建立本系統(tǒng)的后端數(shù)據(jù)顯示平臺；ONENET平臺支持適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，可實現(xiàn)各種傳感器和智能硬件的快速接入，提供豐富的API和應(yīng)用模板以支撐各類行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開發(fā)，有效降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和部署成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、智能化改造、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全以及大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務(wù)需求，與礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測設(shè)備形成了良好的適配性，其數(shù)據(jù)可視化效果優(yōu)秀，便于相關(guān)人員查看，且平臺具有觸發(fā)器管理模塊，通過對不同監(jiān)測點進(jìn)行數(shù)據(jù)閾值設(shè)置，可實現(xiàn)井下安全預(yù)警。

3 ONENET平臺可視化界面

ONENET平臺中可進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)建，在設(shè)備列表中進(jìn)行設(shè)備添加，將平臺設(shè)備ID寫入監(jiān)測設(shè)備所儲存的python代碼中，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與平臺創(chuàng)建設(shè)備的信息對應(yīng)。本系統(tǒng)設(shè)計使用ONENET平臺所提供的HTTP協(xié)議接入。該協(xié)議的接入具體在開發(fā)板儲存的python代碼中體現(xiàn)，下位機Raspberry Pi開發(fā)板通過搭載便攜式Wi-Fi來實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)連接，下位機向ONENET物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器的指定端口發(fā)起一個HTTP請求，建立TCP連接。通過下位機在線監(jiān)測設(shè)備對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集上傳，ONENET物聯(lián)網(wǎng)平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，并通過數(shù)據(jù)流模板將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以時間為橫軸變化的曲線圖，可視化效果明顯且數(shù)據(jù)實時更新，數(shù)據(jù)具有時效性，便于管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)查看與導(dǎo)出。

利用ONENET平臺的觸發(fā)器管理功能實現(xiàn)礦井通風(fēng)環(huán)境安全預(yù)警，通過添加觸發(fā)器，設(shè)置觸發(fā)器類型，根據(jù)井下生產(chǎn)安全規(guī)范，進(jìn)行觸發(fā)條件設(shè)置，并進(jìn)行特定設(shè)備或多個設(shè)備的關(guān)聯(lián)，若某一設(shè)備上傳的某一類型數(shù)據(jù)符合對應(yīng)的觸發(fā)條件，平臺將自動進(jìn)行觸發(fā)器信息發(fā)送，可發(fā)送至相關(guān)人員郵箱，達(dá)到預(yù)警的目的，并顯示觸發(fā)預(yù)警的監(jiān)測點編號，從而定位風(fēng)險位置。

平臺觸發(fā)器管理設(shè)置界面

（2）礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用，開展礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的安裝。得益于本系統(tǒng)便攜式的設(shè)計，現(xiàn)場14個監(jiān)測點的安裝布置僅耗時5天時間，實現(xiàn)了系統(tǒng)研發(fā)前制定的短周期完成井下布點的目標(biāo)。

目前該成果已在鞍鋼集團眼前山鐵礦井下開展安裝應(yīng)用，考慮井下環(huán)境較為潮濕、粉塵較多，在安裝前對監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行完備的調(diào)試與密封組裝。選取礦井通風(fēng)系統(tǒng)中進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷、主巷處關(guān)鍵節(jié)點和區(qū)間進(jìn)行布點，在井下-321 m運輸水平安裝5個監(jiān)測點，分別在東主回風(fēng)井、西主回風(fēng)井、中央主回風(fēng)井、副井附近的5條巷道內(nèi)；在井下-303 m進(jìn)風(fēng)水平安裝4個監(jiān)測點；在井下-123 m回風(fēng)水平安裝3個監(jiān)測點；在斜坡道入口處安裝1個監(jiān)測點，在地表安裝1個監(jiān)測點，共計14個監(jiān)測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)量達(dá)10萬+。

-123 m回風(fēng)水平監(jiān)測點位置

-303 m采場進(jìn)風(fēng)專用水平

-321 m運輸水平監(jiān)測點位置

現(xiàn)場監(jiān)測點安裝位置

監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝情況

利用ONENET物聯(lián)網(wǎng)平臺所提供的可視化項目應(yīng)用功能，進(jìn)行平臺界面的二次設(shè)計，建立可視化項目，對顯示界面進(jìn)行重新布置，將所有數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線圖集中于同一界面，并將設(shè)備分布位置進(jìn)行標(biāo)注，便于相關(guān)人員查看。建立了井下環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、大氣壓強、CO濃度、IAQ指數(shù)數(shù)據(jù)庫。

礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測平臺

（3）監(jiān)測系統(tǒng)引入AI算法開展數(shù)據(jù)分析、傳感器信息補償，實現(xiàn)了智能化監(jiān)測與環(huán)境預(yù)警。通過應(yīng)用卡爾曼濾波，系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，減少了后處理工作，并降低了數(shù)據(jù)波動，這些創(chuàng)新顯著提升了監(jiān)測效果和可靠性。

卡爾曼濾波應(yīng)用方案

基于Raspberry Pi礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)可長期運轉(zhuǎn)并實時傳輸數(shù)據(jù)至平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、儲存及安全預(yù)警，為礦山井下環(huán)境安全性提供安全保障。所建立的數(shù)據(jù)庫對后續(xù)研究各通風(fēng)參數(shù)對通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律提供了參考。在線監(jiān)測系統(tǒng)與眼前山鐵礦三維仿真通風(fēng)系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)的交互應(yīng)用，為未來進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)據(jù)修正提供了更充分的數(shù)據(jù)支撐，具有一定的推廣前景。

成果來源

任海龍，孔銘，張寶金，黃鉑然，黃浩，王培濤.基于Raspberry Pi的礦井通風(fēng)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].金屬礦山，2025（1）：198-206.

作者簡介

驗室主任。《金屬礦山》青年專家學(xué)術(shù)委員，《地質(zhì)與勘探》、《成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》青年編委，成都理工大學(xué)首屆優(yōu)秀研究生導(dǎo)師團隊成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評價和研究科技創(chuàng)新團隊”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團隊”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個大型-超大型礦床的勘查評價，主持國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃專題、四川省自然科學(xué)基金及各類橫向項目10余項，發(fā)表文章70余篇，主編專著2部，參編教材2部

王培濤 ，教授、博士、博士研究生導(dǎo)師。主要從事邊坡穩(wěn)定性與監(jiān)測預(yù)警、破碎圍巖支護控制、多場耦合裂隙巖體破裂機理等方面的教學(xué)和科研工作。主持國家自然科學(xué)基金面上等國家級項目/任務(wù)共4項、企業(yè)合作項目8項。在《International Journal of Mining Science and Technology》《Rock Mechanics and Rock Engineering》《Tunnelling and Underground Space Technology》《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》《金屬礦山》等刊發(fā)表論文100余篇。近5年來，以第一/通信作者發(fā)表論文39篇，其中SCI中科院二區(qū)以上14篇，2篇EI論文入選領(lǐng)跑者F5000，入選2024中國知網(wǎng)高被引學(xué)者TOP 1%，4篇論文入選中國知網(wǎng)高被引論文；出版教材專著共4部，授權(quán)國家專利10項。獲教學(xué)類獎勵8項和教育部科技進(jìn)步獎1項、中國黃金協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎2項、中國職業(yè)安全健康協(xié)會科技進(jìn)步一等獎1項和創(chuàng)新團隊1項、冶金礦山科學(xué)技術(shù)一等獎1項等科研獎勵。兼任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會采礦巖石力學(xué)分會、寒區(qū)巖土力學(xué)與工程分會理事，以及《International Journal of Mining Science and Technology》《Rock Mechanics Bulletin》《Geohazard Mechanics》《應(yīng)用力學(xué)學(xué)報》《粉末冶金材料科學(xué)與工程》《Green and Smart Mining Engineering》等刊青年編委/特聘編委。

主要成果如下：

（1）提出并建立了考慮結(jié)構(gòu)面跡線和三維表面粗糙特性的離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型（Rough Discrete Fractures Network, RDFN2D/RDFN3D），實現(xiàn)了巖體粗糙離散結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型精細(xì)表征,為開展裂隙巖體多尺度力學(xué)特性和各向異性力學(xué)分析提供科學(xué)的數(shù)字化模型，為揭示裂隙巖體變形與破裂演化機制奠定了理論和模型基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《International Journal of Mining Science and Technology》《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》《煤炭學(xué)報》《巖土力學(xué)》等刊，授權(quán)國家發(fā)明專利（ZL201710413633.9、ZL202210859487.3）2項。

（2）建立并完善了基于3D打印技術(shù)的裂隙巖體表征和室內(nèi)試驗力學(xué)分析方法，得到了適用于裂隙巖體相似模擬試驗的不同類型材料力學(xué)特性，為深入探討巖體的各向異性損傷和破壞提供了可靠模型；結(jié)合DIC建立了基于多元信息融合的裂隙巖體變形和破裂征兆判別指標(biāo)體系，為巖體的各向異性變形破裂機制研究提供了有效方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Journal of Materials Research & Technology》《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》《巖土力學(xué)》等刊，2篇相關(guān)成果入選領(lǐng)跑者F5000論文。

（3）工程巖體變形破裂災(zāi)害預(yù)測與防控技術(shù)方面，研發(fā)了基于Raspberry Pi礦井環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)并成功應(yīng)用于鞍鋼礦業(yè)眼前山鐵礦通風(fēng)環(huán)境監(jiān)測，提出基于Raspberry Pi的礦山智腦系統(tǒng)（AIBrain），實現(xiàn)了多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的高度集成和異構(gòu)數(shù)據(jù)的在線聯(lián)合解析，為實現(xiàn)礦山智能化走向智慧化提供了支撐。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

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