浅析智慧矿山物联网

浅析智慧矿山物联网

摘要：论述了矿山物联网的特征,它主要表现在多系统综合应用、感知层开放、应用平台开放和适合构建逻辑子系统等几个方面;分析了感知层、网络层、应用层的关键技术和跨层的公共技术;矿山物联网建设模型，是在对物联网发展历程的深刻研究，对可视化管理理论的深入学习的基础上，仔细分析了感知矿山建设的主要容和建设步骤后提出来的，这为物联网与感知矿山建设的联合提供了坚实的理论基础。明确提出感知矿山的核心问题是“三个感知”,即感知矿山灾害征兆,实现各种灾害事故的预警预报;感知矿工周围安全环境,实现主动式安全保障;感知矿山设备工作健康状况,实现预知维修。感知矿山系统建设的关键是感知层网络建设,建设目标是减灾保安全。

关键词：矿山;物联网;体系构架;感知灾害征兆;感知环境;感知设备健康状况0引言

我国一直以来都把煤炭作为主要能源，但是煤炭在我国存储的地理条件复杂，煤矿生产主要靠人工，生产安全监控管理的设备和技术管理都比较落后，应用技术的功能单一，管理不到位，造成煤矿生产的成本高，安全隐患大。煤矿中先用的安全监控系统，其生产商与生产时期差异很大，各系统间的通信协议等技术不统一，数据结构之间也存在很大的区别，表现为多元化和异构性。近年来我国政府和企业对于矿山的安全监测不断加强重视，这为矿山的正常生产和安全保障发挥了重要作用。但是就目前的监管设备和技术水平低下的情况下，安全隐患无法根除，矿山灾难还是不时地发生，需要一种实时地连续的监控预警系统。

在这样的前提下，“矿山物联网”这一系统就出现了，它的产生主要基于自动化、信息化和数字化的前期准备建设，在此基础上，运用网络和各种遥感设备，将矿山更加具体全面的呈现在人们面前。但煤矿生产中正需要的就是对移动施工过程的监控，而物与物的通常需要的是大围的无线网能力，要运用网络来对矿山进行分布式的感知。“矿山物联网”的建设是将瓦斯等传感器、电缆、电气设备等与宽带、芯片当作是一个整体的系统的基础设施，运用泛感知技术对在参与煤矿生产的人员、基础设施和机器进行实时有效的监管和控制。在矿山物联网建设中运用物联网技术和可视化管理，对于感知系统动态描述能力的提高，以及对矿山生产安全性的提高有非常重要的作用，也能够保证矿山开采的安全和高效，促进矿山的可持续生产，经济增长的可持续，以及矿山生态环境的和谐与稳定。

因此，将物联网应用在煤矿生产的矿山物联网建设中，对于物联网理论的发展和应用技术的开发进步有很大的促进作用，同时在建设过程中将其与可视化管理的结合也会提高可视化管理在实践中的应用水平。

１物联网研究现状

物联网是近年来新兴起的一种技术，目前在国际上还没有形成统一认识。美国和欧洲将其视为一种智能的、传感的、泛在的网络技术。国际电信联盟在2005 年发表的网络报告《ITUInternet Reports 2005 ：The Internet of Things》中也没有对其的涵进行明确的解释。而在2009 年9 月的中欧之间的物联网与企业环境研讨会上，当时的欧委会信息社会与媒体司，也就是现在的通信网络、网络数据和技术司的部门负责人则提出了他们对于物联网的理解：物联网是全球性的动态网络基础设施，它能够对标准化和能互相操作的通信协议进行自我组织，其

中物既包括物理的也包括虚拟的，它有物理属性、虚拟属性、身份特征和智能接口，并能够与信息网络做到无缝结合。无论物联网的定义是什么，它都有其核心的四大技术基础，即传感网络技术、物对物的信息交换技术（M2M）、两化融合技术和传感技术（RFID）[1]。

现如今，无论是国外学者、研究机构还是企业都对物联网理论和其应用技术研究非常重视。随着矿山物联网物联网建设进程的不断深入，有关矿山物联网建设的理论模型已经逐渐建立起来了，也建立起了矿山物联网技术的开放性标准模型。

2矿山物联网系统架构

矿山作为物联网应用的一个重要发展区域，矿山物联网是通过各种传感、信息传输、处理技术、云计算、自动化控制技术、现代信息管理等与现代采矿及数据挖掘技术紧密相结合，构成矿山中人与人、人与物、物与物相联的网络，将原本各自独立的作业体系通过无形的纽带连成一个整体，并通过集成化的管理平台提供生产指导、安全调度、生产经营、辅助决策等功能，从而实现对真实矿山整体及相关现象的可视化、数字化及智慧化以保证矿山企业的又好又快发展。

矿山物联网的建设综合应用了物联网技术和可视化管理理论，主要是通过感知、信息传递以及信息处理，来对整个矿山及生产施工现场进行系统化、数字化和可视化的监控。潞安集团司马煤业公司在实践中试点应用了矿山物联网的物联网技术，为我们提供了宝贵的经验，矿山物联网的建设要将地质地理、采矿生产、安全监测、产品运输以及生态环境等多方面信息进行收集并数字化，把传感技术、信息处理技术、现代信息管理技术、现代监控技术等高科技与现代采矿业的生产

加工技术紧密联系起来，最终形成人与人、人与物、物与物的全面联系的综合矿山网络，为详尽地感知和控制矿山生产和运营做准备，以保证整个矿山的安全与和谐[2]。

2.1 矿山物联网设计原则

1.立足现在，着眼未来，设计开放的矿山物联网信息系统。在制定和执行信息规划时，应始终坚持信息系统总体规划和矿山企业中长期战略发展之间协调一致。

2.总体设计，分步实施。矿山的信息化建设应从企业的发展及运行实际出发，根据不同的阶段制定可行的建设方案。

3.充分集成现有资源，降低系统开发成本。制定信息化总体规划应当高起点，强调信息的高度集成。在充分考虑现有系统和设备的利用上，应当掌握合适的度，避免总体规划本身缺乏集成度和完整性。

4.预留系统接口，提升系统扩展性。总体规划不是一次性的、一成不变的，应当随着信息技术的发展及企业外部环境的变化而相应调整。要求总体规划具备较好的扩展性，可以根据需要增加或减少子系统而对整体不会产生负面影响。

5.以实际需求进行设计规划。制定信息化总体规划，应处理好信息技术先进性和实用性之间的关系，在充分调研了解矿山企业实际需求的基础上完善信息化建设方案。

2.2煤炭行业物联网应用

煤炭行业物联网应用分为4个层次,如图1所示,每个层次的职能和要实现的

目标各不相同。对于地方煤矿,有的矿业集团级物联网层由县(市)煤炭行业物联网来承担。

图1煤炭行业物联网四级层次

2.3系统总体结构设计

矿山物联网物联网建设是为了能够使矿山生产实现综合自动化，这主要体现在以下三个方面：第一，对矿工周围环境的安全性进行感知，以保障矿工的人身安全；第二，对矿山设备的完好情况进行感知，在问题出现前进行维护维修，以保证设备的安全运转；第三，对矿山的隐患灾害进行感知，预测风险，提前预防，以减少损失和伤害[3]。

矿山物联网建设是用顶层设计法设计的框架，它主要由感知层、网络层、资源层和应用层四个方面构成，四个层次互为横向支撑；同时由标准化、信息安全和管理维护三层体系构成系统的纵向支撑。其中，四层横向体系的主要容体现在以下方面：

（1）感知层是整个矿山物联网物联网建设的基础和核心，它所包含的各类感知设备与人的皮肤功能无异，主要负责的是对煤矿生产运营过程中的各类信息

进行采集，并通过传感设备将这些信息集中在网络层，为全面矿山物联网做准备。

（2）网络层主要认为是保证感知层采集的信息能够得到有效及时的传输，它通过把数据、电视和电信网络相结合，综合运用到传输过程中，最终达到数字、图像及视频等信号的有效传输。

（3）资源层是负责保存和处理各项数据信息的主要层面，它是整个矿山物联网建设的数据库中心，主要由基础数据库、业务以及决策支持数据库组成。资源层通过对感知层感知的信息和网路层积累的信息进行处理和整合，形成一个统一格式的标准数据库，为云计算以及数据保存挖掘提供支持。

（4）应用层是整个矿山物联网物联网建设的最终体现，综合体现了煤炭生产的自动化、数字化和信息化。它通过综合运用原有的独立的无联系的子系统，最终形成一个完整的综合的应用系统；通过对资源层的数据进行云计算，研发新的应用体系，同时引进可视化管理，建设综合管理控制的可视化平台；通过利用综合系统对煤炭生产运营的各个环节进行安全监管，以达到闭环管理的效果。

物联网的核心技术体系框架(见图2)包括感知层技术、网络层技术、应用层技术和公共技术[4]。

图2物联网核心技术体系框架

图3矿山物联网总体结构图

3矿山物联网中的“三个感知”

在煤矿综合自动化建设的基础上,矿山物联网建设的核心问题是“三个感知”,即矿山物联网灾害风险,实现各种灾害事故的预警预报;感知矿工周围安全环境,实现主动式安全保障;矿山物联网设备工作健康状况,实现预知维修。“三个感知”的目标是减灾保安全[5]。

为了实现“三个感知”,需要研究开发矿山特有的感知与测量技术。许多地质参数与岩层运动规律是影响矿山安全的关键因素,如地下水赋存情况、瓦斯与煤突出、岩层受力与冲击地压、采空区发火等。目前对这些影响煤矿安全的重要因素的感知技术还不是很成熟。电磁幅射、声发射、透地成像、微振监测、红外视觉识别等技术是研制矿用感知传感器的热点技术。还应加强各类新型MEMS 传感器的研制。

需要利用先进智能传感器与物联网技术对煤矿有关环境与地质参数进行实时采集,根据采集的数据与理论分析,研究煤炭资源开采尤其是深部资源开采中重大灾害的成因、预测预报理论以及防治对策等关键问题;重点研究煤与瓦斯突出、矿井突水、顶板冒落与冲击地压等突发性动力灾害成灾机理、矿山重大灾害应急救援与事故分析理论与技术,为深部资源开发中重大灾害事故的预测、预报和防治提供可靠的理论基础和技术支持。

与煤矿生产密切相关的大型设备有很多,有些设备的运转状况会直接影响工作人员的生命安全,因此,对这些大型设备进行实时的健康状况监测一直是人们关注的热点。煤矿生产过程监测和控制与地面工厂生产线有很大的不同,这就是煤矿生产过程始终需要与许多未知的因素打交道,这些未知因素对煤矿安全生产起