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作者费璟昊 深圳先进技术研究院的研究员。

井下无线信道环境、物理环境和生产环境对电磁场的影响和无线网络的构建等关键基础性问题有很大的影响，这些需要更多的研究和铺垫。KUIRS





煤炭行业安全与传感器网络产业化发展

一、总论

随着科学技术的飞速发展，我们已经置身于信息高度互通互联的时代，同时由于能源需求的急剧增长，信息与能源行业结合已经成为今后发展的重要方向之一。如今，在能源行业中随处可见信息技术的身影，从资源监测、数据汇集到统筹规划、工程管理，无不显示出信息技术对产业的能力提升作用。

煤炭作为能源行业中的重要部分，对我国的国民经济发展具有重要的作用，自1998年起一直呈现良好的发展态势。全国煤炭产量从1998年的12.33亿吨上升到2005年的21.1亿吨，生产能力和经济总量一直保持高速增长。由于我国的煤炭主要是满足内需，因此，在国民经济快速增长拉动下，煤炭产销量快速增长，煤炭价格仍旧稳步上升。

自2004年下半年起，由于政府工作透明度的提高，各种事故不断被曝光，煤炭行业受到很大程度的规范，行业的发展呈现出新的特征。具体表现为：不符合安全生产规范的小型煤矿被依次关闭，在一定时间段内供求关系失衡（供小于求）；全国煤产量主要依靠国有大矿，但过快的增长隐藏了许多安全隐患；安全成本增加，“暴利”行业逐步走向正轨；安全保障体系难以遏制矿难事故；安全生产建设内容逐渐具体化、规范化。

我们不难发现，安全生产因素对煤炭行业的影响不容忽视。因此，煤炭行业如果继续保持快速发展的势头，不仅需要有效的政策和规范的管理手段，同时还需要先进的技术输入。在这种行业需求的牵引下，新兴的无线传感器网络技术与煤炭行业安全生产的紧密结合将成为发展的重要趋势之一，这将大大促进生产力的提高，加速行业的发展。

二、煤炭行业安全生产现状

1、安全生产发展趋势

自建国以来，由于国家高度重视煤矿生产安全，各级煤炭管理部门、监察部门和煤炭企业认真贯彻“安全第一、预防为主”安全生产方针，坚持“管理、装备、培训并重”原则，煤矿安全总体状况有所好转，但前景仍不容乐观。总体来说，呈现三大现象：

（1）    百万吨死亡率下降趋势；

建国以来除特殊时期外，各个时期大都是煤炭产量增长、百万吨死亡率逐年下降。

（2）    死亡人数与产量相比呈下降趋势，但事故与死亡并未实质减少；

煤矿事故一直是困扰中国煤炭行业发展的难题，虽经过各方多年努力有所减少，但收效很不明显（参见表2.1）。仅2005年度，从国家安全生产监督总局公布数字来看，死亡事故就发生了1426起，死亡[费1] 人数达3264人。其中死亡人数超过10人的事故就占44起，表2.1、2.2显示了2004～2005年度各种事故的发生对比关系和死亡人数对比关系。

表2.1 2004～2005年度煤矿事故数量对比



表2.2 2004～2005年度煤矿事故死亡数量对比

（3）    透水、瓦斯事故仍是安全生产的主要障碍

据统计，透水和瓦斯事故中的死亡人数通常较其他事故为多，占据了多人死亡事故的主体，而瓦斯事故则占据了多人死亡事故中的最大比例，以2005年度事故统计为例，10人以上的死亡事故共发生44起，其中瓦斯事故29起，透水事故11起，火灾等其他事故仅4起。

2、原因分析

事故频发的原因与我国的地质构造有很大的关系，如：在我国的重点煤矿中高瓦斯矿井有152个[费2] ，煤与瓦斯突出矿井有154个，占重点煤矿总体的49.8％。另外，管理不善也是造成事故频发的一个主要原因，不规范的管理、淡薄的安全意识导致了灾难的发生，笔者于2005年曾亲历矿井工人井下吸烟、矿井电缆出现裸线的情形。因此，面对严峻的现实状况，在未来的安全生产发展过程中，如何有效的监督、管理和调度，以及如何提高灾难预警、应急指挥调度将成为主要的发展趋势之一。

众所周知，我国政府于2004年底开始加大了对煤炭行业安全生产的管理力度，也制定了一系列的法规保障工人权益，但是根据表2.1、2.2统计数据可以看出，收效并非明显，究竟为何煤矿事故难以“刹车”？关于管理方面的原因诸如违法开采、管理不善许多文章已经论述过，本文仅针对顶板及瓦斯方向为例进行分析。

我国煤矿事故的主体通常为顶板、瓦斯、煤尘等三大类，而瓦斯又处于危险等级的上缘（煤尘引起的事故不多）。除去地质构造外，煤炭安全生产中仍旧存在下列问题：

（1）    缺乏持续有效的监测手段、通讯方式落后；

瓦斯传感器目前主要以催化燃烧式为主，这种类型传感器受到温湿度的影响比较大，会产生较大的数据漂移，因此需要不断的进行校验，如果校验不及时或管理不善将很大程度上影响到其实际性能；基于光谱的瓦斯传感器人为操作的需求较高，对于实时监测则很难满足要求；

瓦斯监测通信方式通常以RS232/RS485等有线传输方式为主，数据通信量小、系统灵活程度低、主－从模式通信（容灾性能较差）及可扩展性差成为了这种通信方式的主要问题。虽然后期出现了基于GPRS/CDMA、小灵通基站及射频识别RFID等无线通信方式的监测网络，但真正井下采集数据的也仅小灵通个别范例而已。

（2）    传统的工作面突出预测方法过程复杂、干扰煤炭采掘生产；

传统工作面突出预测方法通常在现场和实验室测定大量的煤层基本参数，利用基本参数确定突出预测敏感指标及其临界值，建立多个与之配套的分级动态预测指标，然后根据实测数据进行预测。这种方法需要进行大量的实测，在很大程度上干扰了正常生产，因此出现了安全与生产相互影响的现象。

（3）    传统的工作面突出监测方法较难应对突发事件；

即便有了良好的预测方法，也是很难100％预测到突出的发生，事实上预测成功率仍不尽如人意，所以一旦发生突出事故，事件将迅速扩大到难以控制。另外，应急指挥系统不够健全也导致了处理突发时间的响应时间较长，加之煤矿事故情况复杂，与地质环境有极大关系，这也导致了煤矿死亡率较高。

（4）    井下人员定位手段落后，难以为搜救提供有效信息；

在传统煤矿中，井下人员几乎是无法进行定位的，主要原因就是由于大部分矿井深埋于地下，因此，无线信号使用受到极大的限制，传统的GPS卫星定位系统将毫无用武之地。一旦发生矿井事故，由于无法准确定位人员位置，在很大程度上造成了挖掘等工作进展缓慢，为搜救造成了很大的困难。

三、传感器网络技术发展及煤炭行业需求分析

随着无线通信技术和电子元器件技术的不断进步，低成本、低功耗、体积小、功能全（感知、处理、通信功能）传感器也得到了较大的发展，同时，由于多学科的高度交叉，也使得应用泛在计算理念的传感器网络进入迅速发展和生长的阶段。

传感器随着电子元器件技术的发展已经历了数十年的历程，而最早的传感器网络则出现于上世纪70年代，发展至今已经度过了四代，表3.1中显示了四代传感器网络的发展：

表3.1四代传感器网络的发展

传感器网络	产生时间	特点	使用状态
第一代	70年代	点对点传输；信息获取功能简单；基本无网络概念；有线特点	基本淘汰
第二代	80年代	综合信息获取能力；串口/并口通信方式；集中控制方式为主；有线特点	普遍使用中
第三代	20世纪末	节点智能化；采用现场总线连接传感控制器构成局域网络；形成网络；有线特点	不断发展应用中
第四代	21世纪初（研究工作开始）	节点进一步进化；自组织、多跳、动态拓扑；网络化；无线特点	研究发展过程中

传感器网络综合了传感器技术、集成电路设计技术、嵌入式计算技术、网络技术、无线通信技术以及分布式信息处理技术等，并且通过各种层次协议决定通信及拓扑生成的方式，利用专用传感器实时监测、感知和汇集各种监测对象的信息，通过多层次系统对汇集信息进行处理，并反馈给各级用户。在应用领域方面，传感器网络具有十分广阔的应用前景，例如在军事国防、工业控制、农业温室、城市交通、智能楼宇、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值。据预测，传感器网络将对二十一世纪的科技和工业发展产生巨大影响。

目前，在我国传感器网络同煤炭行业结合的比较紧密，每一个矿井几乎都有传感器网络的痕迹，但我国目前主要以第二代传感器网络应用为主，通信线路采用RS485/RS232，通信带宽1kb到几十kb不等，这种通信方式已经比较难以满足煤炭安全生产的需求。与之对比，正在发展中的第四代传感器网络将能够解决通信带宽、移动传输数据、人员定位、工作面实时监测、监测与工程同步等关键问题，虽然其中尚需完善低功耗、无线传输距离等部分功能，但是它的先进性恰恰能够满足当今煤炭行业安全生产的关键需求，因此具有巨大的发展潜力。

新的形式下需要新的技术为煤炭行业注入活力，同时传感器网络之类的新兴技术也需要行业的土壤进行发育和成长。对于行业来说，单纯依赖于较为陈旧的技术，其发展速度将会因为难以适应需求而受到很大程度的限制。依靠引进外来技术，则要面临很多技术壁垒和成本障碍，而难以实现跨越式的发展。对于面向应用领域的自主创新核心技术来说，没有实际行业的大量应用和检验，自主创新技术将很难完善和发展。只有通过与行业需求不断结合、并依照实际应用需求不断修订和改进，才能使得自主创新技术迅速成型、发展和完善。韩国汽车工业技术就是一个很好的例子，如果没有“民族工业”这个大行业的支持，韩国的汽车工业技术很难在短期内实现飞速的发展。

四、传感器网络在煤炭行业中的发展与规模产业化

我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》中明确指出“把提高自主创新能力作为调整经济结构、转变增长方式、提高国家竞争力的中心环节”并“支持鼓励企业成为技术创新主体”，这表明除去基础研究外，在应用科学和技术方面企业应当走在技术产业化的前沿，因为在应用科学中，需求将引导发展的方向，新兴应用科学与技术需要与产业结合方可有旺盛的生命力。但是针对我国目前企业目前科研实力和创新能力普遍较弱的特点，目前在我国尚不能完全依托企业应用未完善或者说较不完善技术，科技自主创新能力培养需要一个漫长的过程。

作为新兴技术的传感器网络在煤炭行业中应用亦需要较长的一段过程。但是由于煤炭行业的迫切需求，其面向行业的应用技术发展将会大大加速，并且呈现以下趋势：

（1）    原有的有线传感器网络因为数据带宽远远不能满足需求，将由主－从式网络形态逐步转化成为无主式网络形态，从而提高已有传感器网络的整体性能及稳定性；

（2）    光谱类、化学类、红外类新型便携式传感器将出现并结合传感器网络实现井下动态联网；

（3）    通过采用适当的传感器网络，完成人员定位，使得搜救速度提高数十倍；

（4）    通过使用传感器网络，将能够对工作面进行实时监测；

（5）    传感器网络监测、感知和汇集的数据将能够与多级政府部门联网，实现信息动态共享和互动；

在煤炭行业需求的牵引下，传感器网络可够借助良好的发展时机，充分依托我国的产业化体系，通过煤炭行业作为突破口，并利用中国巨大的市场，迅速壮大。其大致产业化模式分为四步：

第一步，符合企业需求牵引规律，构建小规模研究体系。

此阶段中，研究实体应当根据具体的市场需求，开展小规模探索式研究，突破部分技术难题，从而为构建局部循环链条做好准备。这一阶段对于传感器网络研究非常重要，主要用于突破传输距离、传感器升级、路由协议等技术难题，资金需求规模较小。我们可以称之为生存期，未来该技术能否生存主要在于此阶段的发展。

第二步，连接小规模研究体系，构建创新成果局部循环链条。

在技术基本成熟的前提下，各种研究实体与产业化组织相互融合，各自分工定位，形成研发——小规模使用——市场回报循环链条，以便检验和完善研究成果。这一阶段最主要特征是小规模，因此循环速度非常快，资金、人员与技术等基本要素能够得到快速的流动，同时需求也能够得到及时反馈，从而形成规模产业化前期的“星星之火”。

第三步，介入特殊资本支持，扩大产业规模。

作为高新技术的传感器网络的产业化过程与传统行业不同，如煤炭等资源行业本身等。由于其应用范围极广、规模巨大，依靠缓慢的资源积累将不能够满足规模扩展的需求。因此在第三阶段中，需要介入大量的风险投资资本和政府资源保障。这样，巨大的竞争潜力方能够得以发挥，产业规模才可以迅速扩大。

第四步，跨区域联合与竞争，形成产业集群。

前几步产业化过程通常主要依托于单一地域进行，地理位置的集中能够使得产业规模扩大，而跨区域的联合与竞争将使得厂商不得不对技术进行改进，并充分降低成本，为参与世界竞争做好充分准备。

这几个步骤在不同的地域、不同的时间将呈现不同的状态，甚至融合进行。而在中国目前的行业需求和政府职能干预的背景下，传感器网络的发展风险将会大大降低，发展将越来越顺畅。

五、结语

总体来说，传感器网络可以应用的领域非常广泛，不仅仅局限于煤炭行业，具有较为普遍的生命力和适应力。但是，以中国目前的状况来看，煤炭行业的需求牵引将给传感器网络带来巨大的发展契机。而且，凭借资源行业的雄厚的资金背景支持，传感器网络发展将不会遇到过多的定位、资金等难题。因此，传感器网络技术先期依托煤炭行业安全进行发展将能够迅速得以壮大，并深入到千家万户。