礦山物聯(lián)網(wǎng)體系及其應(yīng)用

摘要：隨著礦山企業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的信息化和自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足礦山企業(yè)的生產(chǎn)需要。礦山物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，可以解決現(xiàn)有礦山企業(yè)的信息化、自動(dòng)化難題，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)有產(chǎn)品只流于表面主體功能需求，而細(xì)節(jié)方面較差的問(wèn)題，消除礦山企業(yè)的“信息孤島”現(xiàn)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(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)中，煤炭仍是主要能源(約占73％)。據(jù)專家預(yù)測(cè)，煤炭作為主要能源的地位還會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期中不會(huì)改變。雖然我國(guó)煤炭資源豐富，勞動(dòng)力廉價(jià)，在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中本應(yīng)占有優(yōu)勢(shì)，但是，我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)存條件復(fù)雜，煤礦自動(dòng)化水平低，井下用人多，生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術(shù)較為落后，系統(tǒng)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(shì)不容樂(lè)觀。全國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)居高不下，百萬(wàn)噸死亡率大大高于世界主要產(chǎn)煤國(guó)家的平均水平，嚴(yán)重影響了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定。
由于礦山開(kāi)采的對(duì)象是分布于三維地理空問(wèn)，且隨著開(kāi)采進(jìn)程不斷變化著的地質(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(gòu)造等地質(zhì)實(shí)體，還是縱橫交錯(cuò)的井下巷道系統(tǒng)，各種監(jiān)測(cè)監(jiān)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(fù)雜系統(tǒng)之中，所以反映其實(shí)際狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)，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(cè)同一地質(zhì)實(shí)體的多數(shù)系統(tǒng)只能對(duì)其采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示和打印，而面向同一地質(zhì)實(shí)體同時(shí)探測(cè)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(jù)。
隨著開(kāi)采深度的加大和儲(chǔ)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(jié)構(gòu)、基本力學(xué)行為特征和工程響應(yīng)與較淺部分明顯不同，因而可能導(dǎo)致沖擊礦壓、頂板大面積來(lái)壓和采空區(qū)失穩(wěn)等動(dòng)力災(zāi)害事故的明顯增加，從而對(duì)深部煤炭資源的安全開(kāi)采造成嚴(yán)重威脅。在重大災(zāi)害的預(yù)測(cè)方面，缺少實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)的監(jiān)測(cè)預(yù)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(tǒng)思維?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對(duì)煤礦復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)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(xiàn)狀
煤礦、鐵礦、鋁礦等各類礦山企業(yè)均涉及生產(chǎn)、成本、質(zhì)量、人員、固定資產(chǎn)、物資、設(shè)備、工程項(xiàng)目、安全、環(huán)境等多方面的管理運(yùn)營(yíng)工作，通過(guò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化和信息化來(lái)達(dá)到減員增效、安全生產(chǎn)是行業(yè)發(fā)展的必然選擇。當(dāng)前，在礦山生產(chǎn)管理安全方面的自動(dòng)化、信息化系統(tǒng)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(tǒng)平臺(tái)，以提升企業(yè)的管理水平。在現(xiàn)有系統(tǒng)的建設(shè)中，工控設(shè)備、通信設(shè)備、軟件系統(tǒng)、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)程也顯著加快。然而，各家礦山企業(yè)采用的系統(tǒng)平臺(tái)、設(shè)備、數(shù)據(jù)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(shè)各個(gè)子系統(tǒng)時(shí)也不能做到與現(xiàn)有系統(tǒng)全面兼容和信息共享；同時(shí)，現(xiàn)有的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，由于生產(chǎn)廠商和系統(tǒng)建設(shè)時(shí)期不同，各個(gè)系統(tǒng)之間沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議和接入技術(shù)，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異很大，呈現(xiàn)多源性和異構(gòu)性。這就使得礦山企業(yè)難以實(shí)現(xiàn)全面的信息化、智能化管理。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，瓦斯、CO等各類傳感器、電纜、電氣機(jī)械設(shè)備、鋼筋混凝土等等，所有這些與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)礦山企業(yè)的環(huán)境、人員、設(shè)備進(jìn)行全面的感知、控制和管理，才能全面實(shí)現(xiàn)感知礦山、控制礦山和管理礦山的目標(biāo)。
實(shí)現(xiàn)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(zāi)害狀況的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、減少或避免重大災(zāi)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(yīng)用在信息化、自動(dòng)化的系統(tǒng)上，使礦山企業(yè)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的生產(chǎn)、安全、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、機(jī)電、物資、供應(yīng)、統(tǒng)計(jì)、人力等相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)集成，通過(guò)對(duì)各類相關(guān)信息的統(tǒng)一管理和資源共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山整體數(shù)據(jù)的綜合采集、存儲(chǔ)和分析，進(jìn)而提供相關(guān)決策信息和系統(tǒng)解決方案，完成礦山企業(yè)信息資源的精準(zhǔn)化采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成、可視化展現(xiàn)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(shè)、礦山生產(chǎn)、安全管理、產(chǎn)品加工與運(yùn)銷(xiāo)、礦山生態(tài)等綜合信息全面數(shù)字化，將感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理、智能計(jì)算、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代信息管理等與現(xiàn)代采礦及礦物加工技術(shù)緊密結(jié)合，并將礦山全部人員、設(shè)備、環(huán)境信息納入，以構(gòu)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(yùn)營(yíng)的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)礦山系統(tǒng)的全面智能控制，因而是礦山企業(yè)減員提效、防災(zāi)減災(zāi)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(biāo)準(zhǔn)化綜合平臺(tái)、配套子系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備、傳感器體系、標(biāo)準(zhǔn)和接口等。
礦山物聯(lián)網(wǎng)一般需要采用智能計(jì)算技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、有線通信技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、通信標(biāo)準(zhǔn)、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(tǒng)平臺(tái)技術(shù)、嵌入式軟件技術(shù)、云計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化綜合平臺(tái)一般采用感知層、控制層和管理層等三層結(jié)構(gòu)模型。
首先是感知層。礦山生產(chǎn)是移動(dòng)作業(yè)，人員、設(shè)備、車(chē)輛等集中在巷道中，隨著生產(chǎn)的不斷延伸，這些巷道及設(shè)備位置均處在不斷地變化之中，因此，實(shí)現(xiàn)全面感知監(jiān)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(xiàn)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(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位、可視化監(jiān)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(xiàn)主動(dòng)式安全保障；通過(guò)感知礦井災(zāi)害征兆，實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害事故的預(yù)警預(yù)報(bào)；通過(guò)感知礦井設(shè)備工作健康狀況，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修。
其次是控制層。控制層主要依托遍布應(yīng)用企業(yè)廣為使用的光纖網(wǎng)絡(luò)、電力線網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線網(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(xiàn)對(duì)礦山應(yīng)用設(shè)備和感知層應(yīng)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)人、物、環(huán)境的有效監(jiān)控和檢測(cè)，超前預(yù)防事故。在事故預(yù)警、應(yīng)急救援等方面，可以實(shí)現(xiàn)由間斷性檢查向連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的轉(zhuǎn)變，從人為判斷向智能分析轉(zhuǎn)變，由事后反應(yīng)向自動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)變。通過(guò)對(duì)礦山的全面感知、智能控制和深層次管理，真正實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)管理的智能化。