礦山物聯(lián)網(wǎng)體系及其應用

摘要：隨著(zhù)礦山企業(yè)的不斷發(fā)展，現有的信息化和自動(dòng)化系統已經(jīng)難以滿(mǎn)足礦山企業(yè)的生產(chǎn)需要。礦山物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，可以解決現有礦山企業(yè)的信息化、自動(dòng)化難題，實(shí)現礦山企業(yè)的全面感知、智能控制和綜合管理，在一定程度上解決現有產(chǎn)品只流于表面主體功能需求，而細節方面較差的問(wèn)題，消除礦山企業(yè)的“信息孤島”現象。
關(guān)鍵詞：礦山物聯(lián)網(wǎng)；感知礦山；控制礦山；管理礦山；信息孤島

0 引言
目前，在我國能源生產(chǎn)和消費中，煤炭仍是主要能源(約占73％)。據專(zhuān)家預測，煤炭作為主要能源的地位還會(huì )在相當長(cháng)的歷史時(shí)期中不會(huì )改變。雖然我國煤炭資源豐富，勞動(dòng)力廉價(jià)，在國際市場(chǎng)競爭中本應占有優(yōu)勢，但是，我國煤炭?jì)Υ鏃l件復雜，煤礦自動(dòng)化水平低，井下用人多，生產(chǎn)安全監控系統采用的技術(shù)較為落后，系統功能單一，再加上綜合管理等因素，使得生產(chǎn)成本高，安全形勢不容樂(lè )觀(guān)。全國煤礦事故死亡人數居高不下，百萬(wàn)噸死亡率大大高于世界主要產(chǎn)煤國家的平均水平，嚴重影響了煤炭工業(yè)的可持續發(fā)展和社會(huì )的穩定。
由于礦山開(kāi)采的對象是分布于三維地理空問(wèn)，且隨著(zhù)開(kāi)采進(jìn)程不斷變化著(zhù)的地質(zhì)實(shí)體，礦山安全生產(chǎn)的一切過(guò)程都離不開(kāi)三維空間，無(wú)論是礦層、構造等地質(zhì)實(shí)體，還是縱橫交錯的井下巷道系統，各種監測監控信息都具有空間屬性。不僅如此，礦山生產(chǎn)活動(dòng)又始終處于一種隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的復雜系統之中，所以反映其實(shí)際狀態(tài)的各種數據，如果得不到有效集成，就只能形成彼此隔離的“信息孤島”。探測同一地質(zhì)實(shí)體的多數系統只能對其采集到的原始數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉換、存儲、顯示和打印，而面向同一地質(zhì)實(shí)體同時(shí)探測到的多源信息往往得不到有效地綜合利用，更談不上有效地為煤礦安全提供決策依據。
隨著(zhù)開(kāi)采深度的加大和儲存地質(zhì)條件的惡化，深部煤炭開(kāi)采的力學(xué)環(huán)境、巖體組織結構、基本力學(xué)行為特征和工程響應與較淺部分明顯不同，因而可能導致沖擊礦壓、頂板大面積來(lái)壓和采空區失穩等動(dòng)力災害事故的明顯增加，從而對深部煤炭資源的安全開(kāi)采造成嚴重威脅。在重大災害的預測方面，缺少實(shí)時(shí)、在線(xiàn)、連續的監測預警裝備。而礦山物聯(lián)網(wǎng)概念的問(wèn)世，打破了之前的傳統思維?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對煤礦復雜環(huán)境下生產(chǎn)系統內的人員、機器、設備和基礎設施實(shí)施更加實(shí)時(shí)有效的協(xié)同管理和控制。

1 礦山物聯(lián)網(wǎng)的現狀
煤礦、鐵礦、鋁礦等各類(lèi)礦山企業(yè)均涉及生產(chǎn)、成本、質(zhì)量、人員、固定資產(chǎn)、物資、設備、工程項目、安全、環(huán)境等多方面的管理運營(yíng)工作，通過(guò)實(shí)現各個(gè)環(huán)節的自動(dòng)化和信息化來(lái)達到減員增效、安全生產(chǎn)是行業(yè)發(fā)展的必然選擇。當前，在礦山生產(chǎn)管理安全方面的自動(dòng)化、信息化系統眾多，大中型礦山企業(yè)均不同程度地引入了綜合管理系統平臺，以提升企業(yè)的管理水平。在現有系統的建設中，工控設備、通信設備、軟件系統、傳感器、以太網(wǎng)等均已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，工業(yè)化與信息化兩化融合的進(jìn)程也顯著(zhù)加快。然而，各家礦山企業(yè)采用的系統平臺、設備、數據格式、通信方式與協(xié)議等各不相同，即便一家企業(yè)，在建設各個(gè)子系統時(shí)也不能做到與現有系統全面兼容和信息共享；同時(shí)，現有的安全生產(chǎn)監測監控系統，由于生產(chǎn)廠(chǎng)商和系統建設時(shí)期不同，各個(gè)系統之間沒(méi)有統一的通信協(xié)議和接入技術(shù)，系統之間的數據結構差異很大，呈現多源性和異構性。這就使得礦山企業(yè)難以實(shí)現全面的信息化、智能化管理。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，瓦斯、CO等各類(lèi)傳感器、電纜、電氣機械設備、鋼筋混凝土等等，所有這些與芯片、寬帶整合為統一的基礎設施，對礦山企業(yè)的環(huán)境、人員、設備進(jìn)行全面的感知、控制和管理，才能全面實(shí)現感知礦山、控制礦山和管理礦山的目標。
實(shí)現感知礦山、控制礦山和管理礦山的意義主要是如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決煤礦生產(chǎn)中人員安全環(huán)境的感知問(wèn)題，解決礦山災害狀況的預測預報、減少或避免重大災害事故的發(fā)生，解決安全生產(chǎn)的智能控制問(wèn)題。

2 礦山物聯(lián)網(wǎng)的基本含義
礦山物聯(lián)網(wǎng)就是將實(shí)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用在信息化、自動(dòng)化的系統上，使礦山企業(yè)實(shí)際應用過(guò)程中的生產(chǎn)、安全、運輸、銷(xiāo)售、機電、物資、供應、統計、人力等相關(guān)應用進(jìn)行系統集成，通過(guò)對各類(lèi)相關(guān)信息的統一管理和資源共享，實(shí)現對礦山整體數據的綜合采集、存儲和分析，進(jìn)而提供相關(guān)決策信息和系統解決方案，完成礦山企業(yè)信息資源的精準化采集、網(wǎng)絡(luò )化傳輸、規范化集成、可視化展現和自動(dòng)化操作。
礦山物聯(lián)網(wǎng)是將礦山地理、地質(zhì)、礦山建設、礦山生產(chǎn)、安全管理、產(chǎn)品加工與運銷(xiāo)、礦山生態(tài)等綜合信息全面數字化，將感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理、智能計算、現代控制技術(shù)、現代信息管理等與現代采礦及礦物加工技術(shù)緊密結合，并將礦山全部人員、設備、環(huán)境信息納入，以構成礦山中人與人、人與物、物與物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò )，動(dòng)態(tài)詳盡地描述并控制礦山安全生產(chǎn)與運營(yíng)的全過(guò)程，實(shí)現礦山系統的全面智能控制，因而是礦山企業(yè)減員提效、防災減災的最佳解決方案。
礦山物聯(lián)網(wǎng)是一套龐大的產(chǎn)品體系，包括礦山物聯(lián)網(wǎng)標準化綜合平臺、配套子系統、聯(lián)網(wǎng)通信設備、傳感器體系、標準和接口等。
礦山物聯(lián)網(wǎng)一般需要采用智能計算技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、有線(xiàn)通信技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、通信標準、近距離通信相關(guān)技術(shù)、傳感器技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、感知技術(shù)、系統平臺技術(shù)、嵌入式軟件技術(shù)、云計算技術(shù)、企業(yè)管理技術(shù)等通用技術(shù)。

3 礦山物聯(lián)網(wǎng)體系的基本組成
礦山物聯(lián)網(wǎng)標準化綜合平臺一般采用感知層、控制層和管理層等三層結構模型。
首先是感知層。礦山生產(chǎn)是移動(dòng)作業(yè)，人員、設備、車(chē)輛等集中在巷道中，隨著(zhù)生產(chǎn)的不斷延伸，這些巷道及設備位置均處在不斷地變化之中，因此，實(shí)現全面感知監控是解決礦山生產(chǎn)難題的重點(diǎn)。在感知層，礦山物聯(lián)網(wǎng)主要實(shí)現人、物、環(huán)境三方面感知，以全面提升礦井安全生產(chǎn)管理水平。主要實(shí)現實(shí)時(shí)精準定位、可視化監控、智能化感知。通過(guò)感知礦工自身及周?chē)踩h(huán)境，實(shí)現主動(dòng)式安全保障；通過(guò)感知礦井災害征兆，實(shí)現各種災害事故的預警預報；通過(guò)感知礦井設備工作健康狀況，實(shí)現預知維修。
其次是控制層?？刂茖又饕劳斜椴紤闷髽I(yè)廣為使用的光纖網(wǎng)絡(luò )、電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，利用先進(jìn)的智能控制算法及智能控制技術(shù)，實(shí)現對礦山應用設備和感知層應用終端的自動(dòng)化、智能化控制。
第三是管理層，該層可利用物聯(lián)網(wǎng)的感知系統實(shí)現對人、物、環(huán)境的有效監控和檢測，超前預防事故。在事故預警、應急救援等方面，可以實(shí)現由間斷性檢查向連續實(shí)時(shí)監控的轉變，從人為判斷向智能分析轉變，由事后反應向自動(dòng)響應轉變。通過(guò)對礦山的全面感知、智能控制和深層次管理，真正實(shí)現礦山企業(yè)管理的智能化。