Zusammenfassung: Traditionelle Methoden des Sicherheitsmanagements im Bergbau basieren primär auf menschlichen Faktoren, weisen Mängel in quantitativen Indikatoren auf und sind ungenau, wodurch sie den Anforderungen moderner Produktionsbedingungen zunehmend ungeeignet werden. Dieser Artikel wendet ZigBee, eine aufstrebende Technologie in der Nahbereichskommunikation, im Bereich der Bergwerkssicherheit an und schlägt eine qualitative und quantitative Bewertungsmethode vor: Mithilfe von ZigBee werden verschiedene Parameter, die von Endgerätsensoren erfasst werden, an ein Gateway im Tunnel übertragen. Die Gateway-Daten werden anschließend über eine Kabelverbindung an einen zentralen Kontrollrechner unter Tage weitergeleitet. Der Rechner analysiert und vergleicht die Daten, um den Sicherheitsstatus des Bergwerks zu bewerten. Dieser Artikel wurde in „Coal Mine Safety“, Band 37 (Gesamtnr. 375), Nr. 2, 2006, ISSN 1003-496X/CN 21-1232/TD, veröffentlicht. Schlüsselwörter: Bergwerkssicherheit, ZigBee. Anwendung von ZigBee in der Bergwerkssicherheit. Zusammenfassung: Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich mit der Anwendung von ZigBee in der Bergwerkssicherheit. Zigbee wird zur Übertragung von Einzeldurchlaufdaten über eine Drahtleitung verwendet. Ein zentraler Computer verarbeitet diese Daten und liefert ein Ergebnis zur Beurteilung der Sicherheit im Bergbaugebiet. Schlüsselwörter: Bergbausicherheit, Zigbee. Einleitung: Das Sicherheitsmanagement im Bergbau ist ein komplexes Systemtechnikprojekt. Es umfasst ein umfassendes System, das Umwelt, Maschinen, Ausrüstung, Produkte, Rohstoffe sowie das zugehörige Personal und Umweltfaktoren einschließt. Oberstes Ziel ist der Schutz von Mensch und Produktionsmaterial. Die Bergbauproduktion zielt auf Erzkörper ab, die sich in einem dreidimensionalen unterirdischen Raum befinden, der von komplexen geologischen Verwerfungen umgeben ist. Die fünf Hauptsysteme des Bergbaus – Kohleabbau, Tunnelbau, Belüftung und Brandschutz, elektromechanische Systeme und Transport – sind in diesem unterirdischen Raum verteilt. Der gesamte Produktionsprozess ist durch Faktoren wie Gase, Kohlenmonoxid, Kohlenstaub, Wassereinbrüche, elektromechanische Probleme, Deckeneinstürze und Belüftungsprobleme gefährdet. Diese komplexen Umweltbedingungen erfordern ständige Wachsamkeit in Bezug auf die Sicherheit, um Unfälle schnell und genau lokalisieren und im Falle von Anomalien präzise Korrekturmaßnahmen einleiten zu können. Unsere derzeitigen, vorwiegend auf menschliche Faktoren fokussierten, traditionellen Sicherheitsmanagementmethoden weisen Mängel in Bezug auf Lokalisierung, Quantifizierung und Genauigkeit auf und sind daher für die Produktionsentwicklung zunehmend ungeeignet. Fortschrittliche Methoden und Mittel sind unerlässlich, um die Sicherheit von Menschenleben besser zu gewährleisten. Unser angestrebtes zukünftiges Bergwerksicherheitssystem soll Unfälle vorhersagen, deren Muster erkennen, qualitative und quantitative Bewertungen vornehmen, relevantes Personal frühzeitig vor potenziellen Gefahren warnen und Unfallschäden minimieren können. Das in diesem Beitrag beschriebene Anwendungskonzept untersucht ein solches zukünftiges Bergwerksicherheitssystem. 1. Einführung in die ZigBee-Technologie: ZigBee ist eine aufstrebende, kostengünstige und datenratenarme drahtlose Netzwerktechnologie mit geringer Reichweite. Sie stellt eine Technologie dar, die drahtlose Tagging-Technologien und Bluetooth vereint. Früher unter den Bezeichnungen „Home RF Lite“ oder „Fire Fly“ bekannt, wird sie hauptsächlich für drahtlose Kurzstreckenverbindungen eingesetzt. Der ZigBee-Netzwerkstandard wurde von der IEEE 802.15-Arbeitsgruppe entwickelt; ZigBee ist der Handelsname für den IEEE 802.15.4-Standard. Der Standard 802.15.4 eignet sich für Produktion und Alltag und stellt geringe Anforderungen an Datenraten und Dienstgüte (QoS). Er zielt auf Industrie, Privathaushalte und das Gesundheitswesen ab – Bereiche, die energieeffiziente, kostengünstige und flächendeckende drahtlose Überwachungssysteme benötigen. Die grundlegenden technischen Parameter sind in Tabelle 1 dargestellt. 2.3 Funktionsprinzip: Das Systemdesign basiert auf dem Aufbau eines einfachen, tragbaren Netzwerks mit Sensoren und ZigBee-Modulen. Das von Bergleuten getragene Endgerät besteht im Wesentlichen aus verschiedenen Sensoren, Alarmen sowie ZigBee-Sende- und Empfängermodulen. Die Sensoren lassen sich in zwei Bereiche unterteilen: Ein Bereich dient der Umgebungsüberwachung und umfasst Funktionen wie die Messung von Gaskonzentrationen, Kohlenmonoxidkonzentrationen und Luftfeuchtigkeit. Der andere Bereich erfasst Vitalparameter der Bergleute wie Puls, Blutdruck, Atmung und Körpertemperatur mithilfe von Puls-, Temperatur- und Statussensoren. Nach der Erfassung der Rohsignale müssen diese analogen Signale in digitale Signale umgewandelt werden. Dieser Prozess erfordert analoge Signalverstärker, A/D-Wandler, Pegelkomparatoren, Signalprozessoren und weitere Komponenten. Die resultierenden digitalen Signale werden drahtlos über Zigbee-Sendemodule an Gateway-Geräte an den Wänden des Minentunnels übertragen. Feste Gateway-Geräte sind alle paar Dutzend Meter im Tunnel installiert und per Kabel verbunden, um Zigbee-Funksignale zu empfangen und die gesammelten Daten per Kabelverbindung an den zentralen Steuerrechner unter Tage zu senden. Da sich die Abbaufront kontinuierlich erstreckt, ist die zeitnahe Installation von Kabeln unpraktisch. Daher werden Zigbee-Funkrelais in der Nähe der Abbaufront eingesetzt, um Signale an benachbarte Gateways zu senden. Das Funk-Gateway muss außerdem gemäß den Anweisungen der zentralen Steuereinheit Parameter für den Netzwerkaufbau und -start festlegen. Dies umfasst die Auswahl eines Funkkanals, einer eindeutigen Netzwerk-ID und verschiedener Betriebsparameter sowie die Konvertierung der Zigbee-Funkdaten in das kabelgebundene Übertragungsformat. Die von den Bergleuten getragenen Endgeräte verfügen über eine 64-Bit-IEEE-Adresse. Alternativ kann zur Reduzierung der Paketgröße eine 16-Bit-Kurzadresse verwendet werden. Dadurch lassen sich die Bergleute anhand ihrer Endgeräteadresse leicht identifizieren. Im Falle eines Grubenunglücks lässt sich der Standort des jeweiligen Bergmanns anhand der zuletzt vom Gateway aufgezeichneten Informationen leicht ermitteln, was die Rettung erleichtert. Die drahtlose Übertragung erfolgt standardmäßig über Baumstruktur-Routing. Das bedeutet, dass bei der Formulierung von Routing-Strategien eine Baumstruktur zur Adressauswahl verwendet wird. Dank Baumstruktur-Routing müssen Geräte keine speicherintensiven Routing-Tabellen verwalten oder zusätzliche Over-the-Air-Downloads (OTA) zur Pfadfindung durchführen, wodurch der Netzwerkverkehr minimiert wird. Dies vereinfacht die Gerätestruktur und reduziert Kosten und Stromverbrauch. ZigBee-Geräte verbrauchen generell sehr wenig Strom, die Sendeleistung liegt unter 1 mW. Zwei handelsübliche AA-Batterien können das Systemterminal drei Monate bis zu einem Jahr lang mit Strom versorgen und machen es somit ideal für den großflächigen Einsatz in Industrie- und Bergbauunternehmen. Wird die Beleuchtung der Bergleute batteriebetrieben, verlängert sich die Batterielebensdauer des Terminals erheblich. Die vom Gateway empfangenen Signale werden über Kabelverbindungen zur Erde übertragen. Das spezifische Medium für die Kabelverbindung und die Datenübertragungsmethode müssen anhand verschiedener Faktoren, darunter Kosten und andere Aspekte, ausgewählt werden. Die kabelgebundenen Daten werden über das Schnittstellenmodul in computerlesbare Daten umgewandelt. Die interne Software des zentralen Steuerungsrechners übernimmt folgende Aufgaben: Steuerung des Gesamtsystems, Verarbeitung und Vergleich von Daten zur Alarmauslösung, Erfassung der Endgerätestandorte für Rettungseinsätze im Falle eines Grubenunglücks, automatische Datensicherung und automatisches Hochladen der Daten an das Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem der Regierung. Die Systemsteuerung umfasst die Kontrolle des Ein-/Aus-Zustands des ZigBee-Netzwerks und die Parametereinstellung. Die Datenverarbeitung beinhaltet hauptsächlich den Vergleich verschiedener erfasster Parameter mit vordefinierten Normalwerten im System. Beispiele hierfür sind der Vergleich der Methankonzentration zur Entscheidung über eine Stromabschaltung, der Vergleich der Kohlenmonoxidkonzentration zur Entscheidung über eine Evakuierung des Personals und der Vergleich der Luftfeuchtigkeit zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeit eines Wassereinbruchs. Die Möglichkeit, historische Daten abzufragen, ist für das Softwaresystem unerlässlich. Dies ermöglicht die Ermittlung des genauen Standorts jedes Endgeräts und des körperlichen Zustands des Trägers zum Zeitpunkt des Unfalls und bildet die Grundlage für eine detaillierte Rettungsplanung. Alle Daten des Grubensicherheitsmanagements müssen automatisch an das Überwachungssystem der zuständigen staatlichen Arbeitsschutzbehörde hochgeladen werden, um die staatliche Aufsicht über die Grubensicherheit zu erleichtern. Der spezifische Workflow der internen Software des zentralen Steuerungsrechners ist in Abbildung 3 dargestellt. 3. Fazit: Die Einführung der ZigBee-Technologie ermöglicht quantitative und qualitative Bewertungen der Sicherheitsbedingungen im Bergwerk und trägt somit zur Reduzierung menschlicher Fehler im Bergwerkssicherheitsmanagement bei. Zukünftige technologische Entwicklungen werden die Empfindlichkeit, die Reichweite und die Akkulaufzeit der Endgeräte weiter verbessern, die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der drahtlosen Übertragung weiter steigern, die Funktionen des Gateways und des zentralen Steuerungsrechners erweitern und die Fernsteuerungsfunktionen des Systems stärken. Dies ermöglicht es den lokalen staatlichen Arbeitsschutzbehörden, das Bergwerkssicherheitsmanagement direkt zu steuern, die Wahrscheinlichkeit von Fahrlässigkeit seitens privater Bergwerksbetreiber zu verringern und letztendlich das bestehende Niveau des Bergwerkssicherheitsmanagements zu verbessern. Referenzen [1] Jin Chun, Jiang Xiaoyu, Luo Zuqiu, Analyse und Vergleich von ZigBee und Bluetooth [J], Information Technology and Standardization, 2004 (6) -17-20 [2] Wang Chenggang, Feng Shenhong, Zhou Shengshi, Anwendung von Geographischen Informationssystemen in der Überwachung und im Management der Minensicherheit [J], Coal Mine Safety, 2000 (4) -19-22 [3] Hu Yu, Entwurf und Implementierung der KJL3-Minenüberwachungssystemsoftware [J], Computer Development and Application, Vol. 14 Nr. 5 -7-9 Autorenvorstellung Jin Chun: Männlich, 39 Jahre alt, promoviert in den Vereinigten Staaten, kehrte nach China zurück, um Chongqing Jinou Technology zu gründen, beschäftigt sich hauptsächlich mit der Forschung und Entwicklung von Kurzstreckenkommunikationstechnologie und war als Doktorvater an der Chongqing University of Posts and Telecommunications tätig. Qi Yansong: Männlich, 25 Jahre alt, Master in Kommunikations- und Informationssystemen der Chongqing University of Posts and Telecommunications, Forschungsschwerpunkt: Persönliche Kommunikation. Projektbeschreibung: Dieser Artikel wird durch das Projekt „Forschung zu tragbaren Netzwerkgeräten auf Basis drahtloser Kommunikation, Systemstruktur und Schlüsseltechnologien“ der National Natural Science Foundation of China gefördert.