物联网在煤矿应用

物联网在煤矿应用

引言

煤炭行业在我国经济发展中占据着举足轻重的地位。虽然煤矿安全生产已取得不小进步，但是较发达煤矿安全生产水平还有一定差距，尤其是特大安全事故还时有发生。物联网技术的发展为解决煤矿安全问题带来了希望。物联网技术能够保证煤矿安全生产，预防事故发生，而且在事故发生后能快速、准确定位，进行应急抢救。

物联网技术还为煤矿安全监督管理引入了新的理念、新的技术和新的方法。把感应器嵌入到煤矿安全监控系统中,感知煤矿“人员、机械、环境”方面的各种状态信息,将现有分散、独立、单一的网络监管平台提升为系统、开放、多元的综合网络监管平台,实现人与机械、环境等物理系统的整合,物与物、人与物的互联互动,从而保证煤矿的安全生产,实现安全监督管理中“物物互联、智能感知、物物互动、智慧处置”的设想。

1 物联网在煤矿应用发展现状

1.1 物联网的概念

物联网(Internet of Things)又称传感网，是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。物联网是一个比Internet更为庞大的网络。物联网的核心和基础是互联网，物联网是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络，其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间进行信息交换和通信。物联网实现了“物-物通信”、“物-物联动”，使连接到物联网上的所有物品、设备能够自由地互相通信、共享信息、互通状态。

1.2 物联网的发展现状

物联网概念最早出现于比尔盖茨1995年《未来之路》一书,只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起世人的重视。2003年，美国《技术评论》提出，传感网络技术将成为未来改变人们生活的十大技术之首。2005年1l月，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《I-TU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念，指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临。

目前，美国、欧盟、日本、韩国等主要和地区都在投人巨资深人研究物联网，大力推动物联网的发展，抢占物联网技术和标准的制高点。2009年，奥巴马就任美国总统之后，提出了建设“智慧地球”的概念；2009年，欧盟提出了《欧盟物联网行动计划》，希望通过构建新型物联网管理框架，让欧洲引领世界物联网发展；日本于2004年提出“U-Japan”战略；韩国也于2009年10月通过了《物联网基础设施构建基本规划》。

我国政府高度重视物联网产业的规划和建设。1999年，中科院启动了传感网及相关技术的研究，经过几年的努力，分别在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机、移动基站等方面取得了重大进展。目前，我国传感器的技术研发水平处于世界前列，拥有多项专利，传感网标准体系也已形成初步框架，并向国际标准化组织提交了多项标准提案且被采纳。在这个全新产业领域的未来发展中，我国与德、美、英等国一起，将成为国际标准制定的主导国之一。

1.3 煤矿环境现状

煤矿现有生产作业较为恶劣，矿业生产组织过程中需要大量的人员、设备协同作业，具有以下特点：

（1）空间小，设备多。煤矿企业井下、选煤厂、机修车间等设备需求量都相当大，而且多为大型机电设备，尤其是井下空间狭窄、巷道复杂、环境恶劣，却集中了供电、运输、通风、排水、采掘、支护等大量大型机电设备，而设备分管相对零散化，严重影响着安全及生产效率，所以对设备的检测、管理、更新都需要有统一调度性质的管理手段。

（2）移动性强。大量的设备需要跟随采掘的进度搬迁，设备、材料损耗、浪费、丢失现象严重，直接影响着生产效率。设备的定位与管理在煤矿企业有待层次化统一管理。

（3）定位精确性差。我国煤矿机车定位主要以有线通信方式为主。由于技术、成本与现场安装环境的限制，定位继电器无法高密度大量安装，所以只能在道岔、车站等少数关键位置实现定位，机车运行途中的精确定位无法实现。

（4）炸药管理需要在技术上得到提高。煤矿开采炸药需求量相对比较大，当然许多恶性矿难也都与炸药管理有直接关系，主要在于炸药缺乏了精确的定位与系统的管理，无论从炸药领取登记方面还是从炸药运输方面都缺乏系统性的管理。

（5）人与设备、运输工具等的协同太过于主观性。煤矿安全规程里，大量的规程都涉及人、设备、运输工具与作业流程的协同操作，而对于规程的执行目前主要靠制度与人的自觉性，缺乏有效的监控技术手段。

1.4 物联网在煤矿应用可行性分析

（1）目前人员定位系统、设备点检系统、瓦斯监控系统等已经陆续运用于各大煤矿，这些技术证明了底层WSN、RFID射频识别技术，WiFi射频定位、GPS定位技术，网络视频技术等已经能够很好的应用于矿井。

（2）基于二维码、RFID射频识别技术，WiFi射频定位、GPS定位技术，网络视频技术等，通过无线以太网与工业以太网，把人员、设备与网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、监控，实现“人与人”、“物与物”、“人与物”之间的协同作业、智能管理的创新应用。

（3）将物的定位与人的定位相结合，辅助以通信系统，与生产系统相协同，应用于煤矿企业的安全生产管理，恰能作为物联网技术在煤炭企业安全生产工作中创新应用的核心。

（4）各大系统的统一集成整合可大大的提高生产效率。各大系统整合后可以提高设备的复用率，减少材料浪费，克制人员主观性操作所造成的损失。同时能整合从煤炭的开采、设备的采购、设备的使用、煤炭销售等一体化的进行对企业效益进行很好的分析，为高层领导分析提高效益方法时提供了很大方便。

以上4点说明物联网无论从技术方面、还是从管理方面都能得到有效的解决与高效的利用。煤炭行业的这种特殊性，使其必须上“物联网”这一新台阶。

2 煤矿物联网架构系统

2.1 架构设计

根据煤矿环境分析，可以将系统架构为三层，感知层、调度层、以及应用层。如图2-1煤矿物联网架构设计。

图2-1 煤矿物联网架构设计

2.1.1 感知层

感知层包括人员定位、设备定位、车辆定位、危险品定位及运输监测、瓦斯、通风、排水等监测；包括地面供电、安防监控等。感知系统可由无线覆盖网络实现，例如WSN、WiFi、Zigbee等，地面感知层可由无线3G 网络、GPRS实现。这样风速、风量、温度、转速、振动、电压、电流、功率等传感器，甲烷、CO、CO2 、锚杆压力、钻孔应力、顶板离层环境等传感器，跑偏、堆煤、烟雾、皮带打滑等传感器，煤仓料位计、水位计等传感器以及摄像机、RFID人员定位等在矿区地面、井下就构建了一个庞大的传感网络。传感器所采集数据也就奔跑在这个庞大的网络上。

2.1.2 调度层

铺设在地面、井下的光纤环网及网络交换机设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器等组成矿区工业以太网，以及用来实现无线覆盖的PHS网络或WiFi网络，共同构建了覆盖整个矿区的数据网络。通过数据网络将感知层采集数据进行信息集成到控制中心进行信息处理、信息挖掘、信息融合等。形成具有统一安全生产监控的调度系统。

2.1.3 应用层

应用层是最高层物联信息化管理平台，可作为物联管理中心，通过对感知层物流、人流、车流、危险品等采集的数据进行集成、加工处理，在安全生产管理和实时调度控制之间架起一座桥梁，达到两者之间的信息交换和紧密集成，在关系数据库系统基础上，实现各应用系统的集成、管理和信息共享、交互，形成统一的物联管理平台。通过该平台，可以将企业分散的物流、人流、危险品等各子系统实现有机的整合，增加监测监控、告警、存储、分发、业务流程管理、协同作业管理、统计报表、数据分析等附加功能，实现多级、分层、实时以及任意位置的监控与管理。

图2-2 调度监控

在最基础的画面上如图2-2所示，在平台的客户端中，调度人员在一个界面下，可以查看、记录一个作业点的现场视频、现场人员与设备、地理位置、设备工况等相关信息，实现数据与信息的集成。

管理决策方面, 矿山各个职能部门可以通过Internet实现联系，例如对上级单位的回报或者对上级领导的汇报。当然也可以进行矿山安全生产评价与监管、煤矿灾害预警与防治、煤矿供应链管理、大型设备故障诊断、矿山资源环境控制及评价以及地理信息系统等。确保矿山安全发展以及企业又好较快发展。

2.2 物联网实施分析

2.2.1 信息编码

背景分析里讲到煤矿设备量相当大，比如洗煤厂主席车间、准备车间、煤泥处理车间所用机电设备、井下掘进机、采煤机、掘进机、采煤机、刮板输送机、液压支架、液压泵站、机、破碎机、带式输送机、提升机、电机车、胶轮车、通风机、水泵、压风机、移动变电站、电气开关、变压器、监控、通信、机修车间各类机床等大量的机电设备都涉及到物联网设计当中，所以需要对设备进行必要的编码处理。

2.2.2 完善各项应用系统

炸药的领取、运输、使用、剩余回收情况与安全最直接的挂钩；目前全国煤炭大量开采，导致堵车、运输事故频频出现，运输工具的定位跟踪调度也必须全程监管。瓦斯监测、通风监测、排水监测、小灵通等系统已经完善的应用于各大煤矿。

2.2.3 信息集成、统一平台建设

目前信息化已经广泛的在地面低危企业应用起来，Oracle、SQL等应经能成熟应用信息化平台，财会电算化与物资供应系统的融合也已经广泛的应用于各大企业，对数据整合可借鉴地面大型公司。

煤矿井下无线传输衰减大、电气必须防爆等特殊性,制约着地面物联网技术直接在煤矿井下应用。因此,需要针对煤矿井下特殊性和煤矿安全生产需求, 研究矿用物联网技术。

3物联网技术在煤矿应用中存在的问题和发展规划

3.1 物联网技术在煤矿应用中存在的问题

虽然物联网技术在煤矿安全方面已取得很大的发展，但是仍不能满足煤矿安全生产、灾害预警、应急救援等的需求，需要进一步发展研究煤矿物联网技术，解决煤矿准用产品和矿用关键设备的全程跟踪监管等问题。

中国物联网标准仍在制定中，相关技术并未发展成熟；大部分的业务仍然是数据采集应用的扩展，要想在安全生产中实现更加“智能”和“物与物对话”，还需要解决以下几方面的问题：

1）必须生产大量性能可靠、精度较高、适合煤矿井下环境和规的智能传感器件。2）建设分布式、可移动、自组网的信息采集平台，研究矿山复杂环境下无线传感网技术、局部地区发生灾害后的网络重构技术。

3）开展适用于煤矿的安全信息获取技术与处理技术、矿井灾害预警等关键前沿技术的研究。

4）对人员安全环境感知技术与终端设备、生命探测技术进行研究，预防预警灾害。

5）统一物联网技术中涉及的技术标准，制定真正适合于煤炭行业安全发展的技术标准。

3.2 物联网技术在煤矿中应用的发展规划

为使物联网技术能够更好的应用于煤矿安全，减少事故的发生，针对还存在的一些问题，提出煤矿物联网技术下一步发展规划及建议意见。

第一，煤矿环境复杂，机房硐室、设备繁多，为更好保证煤矿安全生产，下一步需要做以下工作，将所有可能发生会安全事故的机房硐室、电气设备全部纳入监控检测系统，监控中心就可以通过系统实时监控这些场所设备。

第二，煤炭行业要开展物联网技术人才培养与技术交流活动，研究开发物联网新技术，促进煤矿物联网技术的发展。

第三，煤矿物联网技术要想发展必须有统一的技术标准，要制定真正适合煤炭行业安全发展的煤矿物联网技术标准。成立专门研究煤矿物联网技术的组织机构，定期举办交流会议，汇总各矿发展煤矿物联网技术的经验及研究成果，供组织会员单位分享。大家集思广益加强交流有利于促进煤矿物联网技术的发展。

第四，物联网又名传感网，因此组建煤矿物联网系统需要大量性能可靠、价

格低廉、能耗较低、精度较高、适合煤矿井下环境和规的智能传感器件。所以下一步就是鼓励传感器行业研发此类传感器件。

第五，煤矿环境复杂，井下人员、设备移动频繁，给人员、设备的监控检测以及系统的建立带来很大的困难。因此要建设分布式、可移动、自组网的信息采集平台；大力研究无线传感网技术，以便克服复杂的煤矿坏境给系统建立带来的困难；研究局部地区发生灾害后的网络重构技术，在发生煤矿安全事故时系统能够重构、恢复功能，为救援提供可靠帮助，最大限度的降低事故灾害带来的损失。

第六，保证检测监控数据的可靠和安全，确保煤矿安全，要研究矿山复杂环境下的安全信息获取技术与处理技术、矿井灾害预警预报等关键前沿技术。拓展物联网技术在煤矿安全上的应用，因此一方面要研究人员安全环境感知技术与终端设备，预防预警灾害事故的发生；另一方面要研究生命探测技术，在灾害发生时能够以最快速度确定被困人员的具体位置以最佳解救路线解救被困人员，减少人员的伤亡。

总结

我国煤矿安全形势依然严峻，物联网技术的发展为煤矿安全带来了契机。现物联网技术已广泛应用于煤矿安全方面，也已初见成效，但是煤矿物联网技术还存在很多问题。为使物联网技术更好的服务于煤矿，我们必须大力研究并加强交流合作，共同解决还存在的问题。针对存在的问题应制定下一步发展规划，保证煤矿物联网技术快速持续发展。