安全信息工程——以煤矿和交通安全监控为例

安全是关乎人民生命财产和幸福生活的头等大事。安全为了生产，生产必须安全。

安全信息工程是计算机技术、电子信息技术、网络与通信技术等在安全领域的具体应用。近年来，随着科学技术的进步，安全信息工程学科得到了长足的发展。但由于它是一门非常年轻的学科，涉及与众多学科知识的交叉融合，在学科建设上又面临一定的滞后性。如何既能充分利用现代化的信息技术手段，又要满足不同安全领域的发展要求，是安全信息工程学科建设面临的重要课题。

安全信息工程涵盖的领域非常宽广。除了安全专业知识外，还包括了信息领域的设计。如硬件设计，包括模拟电子技术、数字电子技术、单片机、DSP、ARM等；软件设计，包括程序设计、数据库、网络通信、算法等内容；近风起云涌的大数据理论、云计算、移动互联技术、无人驾驶技术，将会给安全信息工程领域带来一场前所未有的革命。

本书共分为11章，具体内容安排如下。

第1章，安全信息工程概述。本章阐述安全、信息、安全信息工程的基本概念与原理，安全信息工程建设的主要内容，安全信息工程的实例。结合近年来快速发展的大数据理论、云计算、移动互联技术，给出了安全信息工程的发展趋势。

第2章，安全信息工程的体系结构。本章以煤矿三大安全系统为例，进行论述。首先对系统进行分析，确定设计范围和主要内容，进而给出系统设计原理、监测监控的手段及方法、通信的原理，给出了整个系统的完整解决方案。

第3章，安全信息工程的设计方法——矿用乳化液矢量自动配比装置研究。矿用乳化液矢量自动配比装置是针对当前煤矿的生产要求来开发和设计的。系统采用了先进的超声波技术和变频调速技术，运用主流单片机对装置进行了设计。系统软件运用结构化设计思想，采用C51编程，进行了模块化设计，建立了矢量控制算法，并验证了该模型在实际生产过程中的正确性和可靠性。

第4章，安全信息工程的监测监控系统——冲击地压的监测监控与事故分析。本章针对2015年7月26日，曲阜星村煤矿发生的一次冲击地压事故为例，进行论述。3302工作面震动受构造应力与自重应力影响较为显著。工作面顺槽同时面临深部采动与矿震双扰动，变形大，有较强的冲击地压发生倾向。本章针对3302工作面发生事故的原因、机理，结合当时各个监控系统监测参数的预警分析进行探讨。为保证生产安全，预防冲击地压的发生，给出了掘进期间冲击危险监测方案、掘进期间冲击危险防治方案设计及卸压解危方案、回采期间冲击危险监测方案、回采期间冲击地压防治方案设计、回采期间监测危险区域处理措施等。

第5章，煤矿安全监测大数据平台的开发与设计。本章介绍了数据库设计、软件设计的原理，给出了软件运行界面，并列出了部分源程序。应用安全监测大数据平台，对顶板和冲击地压数据进行传输、收集、存储，通过大数据平台，对算法进行提炼。应用大数据理论，把微震监测系统、综采压力系统、电磁辐射系统、钻孔应力系统，包括钻屑法等环节获得的数据进行信息融合，运用平台的并行运算处理能力，对算法进行仿真和优化。找出顶板运动、冲击地压等运动变化的规律性，满足煤矿企业瞬息万变的井下环境数据处理能力，实现高效的预警分析，对指导企业的安全生产起到积极的推动作用。

第6章，大数据系统分析方法及在安全预警中的应用。常用的大数据分析方法有：分类、回归分析、聚类分析、关联规则、神经网络方法、Web 数据挖掘、支持向量机、随机森林等。本章从3308工作面所获得的200多天的数据着手，进行分析。通过聚类、支持向量机分析，和现场的工程实践进行比较，以期获得和工作面相符的结论，更好地指导工程实践。

第7章，辐射剂量实时监测与预警系统。本章运用已有的煤矿监控系统，嵌入了辐射剂量传感器，并入煤矿井下监测分站，经光纤传入地面监控系统；能对矿井辐射环境中的X、γ射线进行不间断检测。对长期在复杂环境工作的人员所受的辐射剂量进行连续跟踪和风险评估；通过传感器获得井下实时数据，运用SQL数据库对数据进行存储、统计、分析，对超标的辐射环境进行预警，并提醒决策部门、工作人员采取必要的防护措施。

第8章，吊管机智能监控仪的设计。本章论述了监控仪的设计原理，包括传感器、通信协议、硬件设计、软件设计、LCD显示原理及设计，给出了部分源程序。该监控仪具有吊重、吊杆角度、爬坡角度、车体倾斜角度、吊高、工作幅度、力矩百分比等参数显示及报警功能，后给出了仪器的抗干扰措施。

第9章，煤矿水文监测系统的设计。本章给出了水文监测系统的整体结构、系统组成与工作原理。以煤矿的实际需要为例，给出了详细的设计方案、设备规格明细。

第10章，煤矿安全信息工程实例。本章以济宁鹿洼煤矿的人员定位系统和矿井水文监测系统为例，说明监控系统在企业的应用。这些系统的应用为煤矿的现代化生产、管理起到了保驾护航的作用，也是对第2章和第9章内容的进一步探讨。

第11章，安全信息工程在交通智能管理系统中的应用研究。本章从出租车的智能管理总体方案入手，对终端整体结构进行了设计，明确了终端要实现的具体功能，完成了车载智能终端硬件电路设计——主控模块、液晶屏显示、无线通信模块、语音模块以及接口电路等。软件设计部分实现了Linux嵌入式开发环境和Qt GUI开发环境的搭建、根文件系统以及QT等源码的编译与移植。在嵌入式Linux系统下成功编写了基于AM1808 Linux Qt下的车载智能终端整套嵌入式程序，在QT图形化框架下编写了智能车载终端界面程序，此程序能显示平台的各种通知、文本等信息，还可显示终端本身的各种状态指示，可以通知用户终端的动态数据。

本书编写得到国家安监局项目（项目编号：2013097，shandong-0016-2015AQ，shandong-0028-2015AQ)、山东省安监局项目（项目编号：LAJK2013-139，2014-59，2014-94，2015-58，2016-62）资金资助，在此表示感谢。

本书出版之际，感谢我的博士生导师、山东科技大学原副校长宋扬教授；感谢我的硕士生导师闫相宏教授、黄自伟教授；感谢泰山医学院放射学院院长刘林祥教授，孟庆建书记，科研处长李建民教授、刘建波教授；感谢山东省安监局刘桂法处长；感谢山东省济宁鹿洼煤矿的刘岭书记，李浩建工程师，曲阜星村煤矿原副矿长马学春、郑玉友高级工程师，蔡辉工程师；感谢中国矿业大学窦林名教授、王连国教授；感谢北京科技大学姜福兴教授；感谢山东科技大学宋振骐院士、谭云亮教授、杨永杰教授、吴士良教授、林晓霞副教授；感谢山东农业大学朱红梅副教授等。要感谢的人太多，恕不一一列出。

本书在编写过程中得到了闫相宏、张东升、张德新、袁文超、程运福、翟代庆、游敏娟等的帮助，在此对他们的付出表示真诚的感谢。

由于水平和时间所限，以及所述内容的复杂性、多样性，故难免有不妥之处，恳请读者批评指正。

著者

2018年7月于泰山脚下

张勇，齐鲁医科大学（筹）放射学院/泰山医学院，教授，1988-1992   青岛化工学院 生产过程自动化专业
本科    学士

2002-2005   山东科技大学 计算机应用技术     研究生  硕士

2006-2009   山东科技大学 安全技术及工程     研究生  博士

  主要从事计算机应用和智能控制、安全技术及工程等方面的教学和科研工作。硕士期间，导师为闫相宏教授、黄自伟教授，两位导师为首的团队，创建了山东尤洛卡自动化仪表股份有限公司（现为精准信息），为煤炭安全保驾护航，并成功在创业板上市。博士生导师，为山东科技大学原副校长、俄罗斯外籍科学院院士、中国煤炭工业劳动保护科学技术学会顶板防治专业委员会主任委员宋扬教授。

  本人近年来多次主持省部级项目。本专著的部分内容为国家安全生产监督管理局年度项目的研究成果。教学上，主要承担《电路原理》、《计算机在化学化工上的应用》、《电子技术》、《医用电子线路设计与制作》等课程的教学任务。发表论文20余篇。

1安全信息工程概述1

1.1安全信息工程概述1

1.1.1安全的基本概念1

1.1.2信息的基本概念2

1.1.3安全与信息的关系2

1.1.4安全信息工程的应用3

1.2安全信息工程建设3

1.2.1安全信息工程建设的主要内容4

1.2.2安全信息工程的硬件设计4

1.2.3安全信息工程的软件设计5

1.2.4安全信息工程的预测与决策算法5

1.3安全信息工程举例5

1.3.1尤洛卡（精准信息）煤矿顶板动态监测系统5

1.3.2KJ95N型煤矿综合监控系统6

1.3.3河南义马煤矿工业视频监控6

1.3.4安全监控组态软件8

1.3.5安全管理信息系统8

1.4安全信息工程的发展趋势9

1.5安全信息系统的可靠性11

2安全信息工程的体系结构12

2.1系统分析12

2.1.1需求分析12

2.1.2系统设计的原则12

2.2设计方案13

2.2.1设计范围13

2.2.2主要内容13

2.2.3设计原则13

2.2.4设计依据14

2.2.5整体方案14

2.3系统设计15

2.3.1系统平台设计原则15

2.3.2系统平台主要技术要求15

2.3.3系统平台总体布置15

2.3.4康家湾矿井下拟建信号覆盖区域分析16

2.3.5系统总体布置及主干环网设计16

2.3.6光纤线路和基站布置16

2.3.7平台部分千兆交换机中段布置17

2.3.8大屏拼接显示系统17

2.4监测监控系统18

2.4.1系统设计要求18

2.4.2系统主要监测监控方案18

2.4.3监测监控的技术要求及达到的功能18

2.4.4主要监测监控设备19

2.5通信联络系统19

2.5.1系统设计要求19

2.5.2系统设计方案19

2.5.3主要有线通信设备20

2.6人员定位系统20

2.6.1系统设计要求20

2.6.2人员定位系统功能实现20

2.6.3定位卡总数及分配21

2.7项目评分表21

2.8建设工程项目工程量清单22

3安全信息工程的设计方法——矿用乳化液矢量自动配比装置研究24

3.1概述24

3.1.1问题的提出及研究的目的和意义24

3.1.2国内外概况及技术发展趋势24

3.1.3研究工作的设想25

3.2总体研究方案26

3.2.1系统实现的功能26

3.2.2系统的总体设计说明27

3.2.3系统的硬件设计28

3.2.4系统的软件设计28

3.3系统硬件模块设计及研究29

3.3.1传感器简介29

3.3.2单片机系统设计31

3.3.3A/D转换电路的设计32

3.3.4D/A转换电路的设计35

3.3.5变频调速电路的设计36

3.3.6液晶显示电路设计37

3.3.7键盘电路40

3.3.8控制输出及自动闭锁电路41

3.3.9电源电路设计42

3.4系统软件设计43

3.4.1单片机C语言简介43

3.4.2单片机软件设计45

3.4.3矢量控制45

3.4.4PID控制46

3.4.5编程举例48

3.5安全可靠性分析与设计49

3.5.1硬件抗干扰技术49

3.5.2软件抗干扰设计50

3.5.3防爆措施53

3.6系统功能的进一步扩展54

3.6.1分布式乳化液自动配比系统的组成54

3.6.2分布式乳化液自动配比系统接入矿井以太网的应用方案57

4安全信息工程的监测监控系统——冲击地压的监测监控与事故分析60

4.1星村煤矿3302工作面概况60

4.1.1矿井及工作面概况60

4.1.2冲击地压危险性分析61

4.1.3冲击危险指数评价63

4.1.4冲击地压危险区域划分64

4.2冲击地压监测监控的手段和方法65

4.2.1微震监测65

4.2.2冲击地压在线应力监测67

4.2.3钻屑法检测72

4.2.4电磁辐射法监测标准73

4.3冲击地压的发生过程75

4.3.1冲击地压事故基本情况介绍75

4.3.2监测系统的数据表现75

4.3.3事故分析75

4.4掘进期间冲击危险防治方案设计及卸压解危方案78

4.5回采期间冲击危险监测方案79

4.6回采期间冲击地压防治方案设计80

4.6.1工作面超前预防卸压80

4.6.2回采期间监测危险区域处理措施81

5煤矿安全监测大数据平台的开发与设计83

5.1煤矿检测大数据应用平台的基本架构83

5.2数据库设计83

5.2.1对象浏览器83

5.2.2数据库结构举例86

5.3软件应用环境89

5.4程序设计90

5.4.1程序启动90

5.4.2数据查询举例92

5.5源程序设计举例100

6大数据系统分析方法及在安全预警中的应用116

6.1数据来源116

6.2常用数据挖掘工具131

6.3聚类分析在安全预警中的应用132

6.3.1聚类分析的一般步骤132

6.3.2距离的定义132

6.3.3K-means（K均值）算法133

6.3.4围绕中心点的划分133

6.4支持向量机在安全预警中的应用135

6.4.1基本原理135

6.4.2支持向量机建模137

6.4.3结果与讨论137

7辐射剂量实时监测与预警系统140

7.1概述140

7.1.1辐射的基本概念140

7.1.2辐射对人体的影响140

7.1.3射线探测理论141

7.2辐射探测器的类型142

7.3煤矿辐射剂量监测要实现的基本功能143

7.3.1仪表分类143

7.3.2煤矿辐射剂量检测项目简介144

7.4辐射剂量监测的基本原理144

7.4.1系统要实现的基本功能144

7.4.2辐射剂量传感器145

7.5硬件设计145

7.6软件设计146

7.7软件运行界面147

8吊管机智能监控仪的设计151

8.1吊管机简介151

8.2吊管机需监控的技术性能指标152

8.2.1主要实现的功能152

8.2.2技术性能指标152

8.2.3工艺要求153

8.3系统组成与结构153

8.3.1技术特点153

8.3.2工作原