矿山物联网体系及其应用

摘要：随着矿山企业的不断发展，现有的信息化和自动化系统已经难以满足矿山企业的生产需要。矿山物联网概念的提出，可以解决现有矿山企业的信息化、自动化难题，实现矿山企业的全面感知、智能控制和综合管理，在一定程度上解决现有产品只流于表面主体功能需求，而细节方面较差的问题，消除矿山企业的“信息孤岛”现象。
关键词：矿山物联网；感知矿山；控制矿山；管理矿山；信息孤岛

0 引言
目前，在我国能源生产和消费中，煤炭仍是主要能源(约占73％)。据专家预测，煤炭作为主要能源的地位还会在相当长的历史时期中不会改变。虽然我国煤炭资源丰富，劳动力廉价，在国际市场竞争中本应占有优势，但是，我国煤炭储存条件复杂，煤矿自动化水平低，井下用人多，生产安全监控系统采用的技术较为落后，系统功能单一，再加上综合管理等因素，使得生产成本高，安全形势不容乐观。全国煤矿事故死亡人数居高不下，百万吨死亡率大大高于世界主要产煤国家的平均水平，严重影响了煤炭工业的可持续发展和社会的稳定。
由于矿山开采的对象是分布于三维地理空问，且随着开采进程不断变化着的地质实体，矿山安全生产的一切过程都离不开三维空间，无论是矿层、构造等地质实体，还是纵横交错的井下巷道系统，各种监测监控信息都具有空间属性。不仅如此，矿山生产活动又始终处于一种随时间动态变化的复杂系统之中，所以反映其实际状态的各种数据，如果得不到有效集成，就只能形成彼此隔离的“信息孤岛”。探测同一地质实体的多数系统只能对其采集到的原始数据进行简单的转换、存储、显示和打印，而面向同一地质实体同时探测到的多源信息往往得不到有效地综合利用，更谈不上有效地为煤矿安全提供决策依据。
随着开采深度的加大和储存地质条件的恶化，深部煤炭开采的力学环境、岩体组织结构、基本力学行为特征和工程响应与较浅部分明显不同，因而可能导致冲击矿压、顶板大面积来压和采空区失稳等动力灾害事故的明显增加，从而对深部煤炭资源的安全开采造成严重威胁。在重大灾害的预测方面，缺少实时、在线、连续的监测预警装备。而矿山物联网概念的问世，打破了之前的传统思维。基于物联网技术，可以对煤矿复杂环境下生产系统内的人员、机器、设备和基础设施实施更加实时有效的协同管理和控制。

1 矿山物联网的现状
煤矿、铁矿、铝矿等各类矿山企业均涉及生产、成本、质量、人员、固定资产、物资、设备、工程项目、安全、环境等多方面的管理运营工作，通过实现各个环节的自动化和信息化来达到减员增效、安全生产是行业发展的必然选择。当前，在矿山生产管理安全方面的自动化、信息化系统众多，大中型矿山企业均不同程度地引入了综合管理系统平台，以提升企业的管理水平。在现有系统的建设中，工控设备、通信设备、软件系统、传感器、以太网等均已经进入实用阶段，工业化与信息化两化融合的进程也显著加快。然而，各家矿山企业采用的系统平台、设备、数据格式、通信方式与协议等各不相同，即便一家企业，在建设各个子系统时也不能做到与现有系统全面兼容和信息共享；同时，现有的安全生产监测监控系统，由于生产厂商和系统建设时期不同，各个系统之间没有统一的通信协议和接入技术，系统之间的数据结构差异很大，呈现多源性和异构性。这就使得矿山企业难以实现全面的信息化、智能化管理。在物联网时代，瓦斯、CO等各类传感器、电缆、电气机械设备、钢筋混凝土等等，所有这些与芯片、宽带整合为统一的基础设施，对矿山企业的环境、人员、设备进行全面的感知、控制和管理，才能全面实现感知矿山、控制矿山和管理矿山的目标。
实现感知矿山、控制矿山和管理矿山的意义主要是如何利用物联网技术解决煤矿生产中人员安全环境的感知问题，解决矿山灾害状况的预测预报、减少或避免重大灾害事故的发生，解决安全生产的智能控制问题。

2 矿山物联网的基本含义
矿山物联网就是将实用的物联网技术应用在信息化、自动化的系统上，使矿山企业实际应用过程中的生产、安全、运输、销售、机电、物资、供应、统计、人力等相关应用进行系统集成，通过对各类相关信息的统一管理和资源共享，实现对矿山整体数据的综合采集、存储和分析，进而提供相关决策信息和系统解决方案，完成矿山企业信息资源的精准化采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现和自动化操作。
矿山物联网是将矿山地理、地质、矿山建设、矿山生产、安全管理、产品加工与运销、矿山生态等综合信息全面数字化，将感知技术、传输技术、信息处理、智能计算、现代控制技术、现代信息管理等与现代采矿及矿物加工技术紧密结合，并将矿山全部人员、设备、环境信息纳入，以构成矿山中人与人、人与物、物与物相联的网络，动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程，实现矿山系统的全面智能控制，因而是矿山企业减员提效、防灾减灾的最佳解决方案。
矿山物联网是一套庞大的产品体系，包括矿山物联网标准化综合平台、配套子系统、联网通信设备、传感器体系、标准和接口等。
矿山物联网一般需要采用智能计算技术、互联网技术、有线通信技术、无线通信技术、通信标准、近距离通信相关技术、传感器技术、工业控制技术、感知技术、系统平台技术、嵌入式软件技术、云计算技术、企业管理技术等通用技术。

3 矿山物联网体系的基本组成
矿山物联网标准化综合平台一般采用感知层、控制层和管理层等三层结构模型。
首先是感知层。矿山生产是移动作业，人员、设备、车辆等集中在巷道中，随着生产的不断延伸，这些巷道及设备位置均处在不断地变化之中，因此，实现全面感知监控是解决矿山生产难题的重点。在感知层，矿山物联网主要实现人、物、环境三方面感知，以全面提升矿井安全生产管理水平。主要实现实时精准定位、可视化监控、智能化感知。通过感知矿工自身及周围安全环境，实现主动式安全保障；通过感知矿井灾害征兆，实现各种灾害事故的预警预报；通过感知矿井设备工作健康状况，实现预知维修。
其次是控制层。控制层主要依托遍布应用企业广为使用的光纤网络、电力线网络及无线网络，利用先进的智能控制算法及智能控制技术，实现对矿山应用设备和感知层应用终端的自动化、智能化控制。
第三是管理层，该层可利用物联网的感知系统实现对人、物、环境的有效监控和检测，超前预防事故。在事故预警、应急救援等方面，可以实现由间断性检查向连续实时监控的转变，从人为判断向智能分析转变，由事后反应向自动响应转变。通过对矿山的全面感知、智能控制和深层次管理，真正实现矿山企业管理的智能化。

4 矿山物联网体系的构成
矿山物联网是将矿山地理、地质、矿山建设、矿山生产、安全管理、产品加工与运销、矿山生态等综合信息全面数字化，将感知技术、传输技术、信息处理、智能计算、现代控制技术、现代信息管理等与现代采矿及矿物加工技术紧密相结合，同时纳入矿山全部人员、设备和环境信息，构成矿山中人与人、人与物、物与物相联的网络，以便动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程，实现矿山系统的全面智能控制，是矿山企业减员提效、防灾减灾害的最佳解决方案。下面介绍一下矿山物联网体系的构成。
4．1 矿山物联网综合管理平台
矿山物联网标准化综合平台是以大量无线、无源、多参数传感器及有线传感器，物联网控制分站等设备以及有线、无线网络相结合形成的矿山标准化感知、控制及管理综合平台。
该平台的表现形式主要采用三维可视化技术。三维可视化系统利用矿井实际数据，采用虚拟现实技术和各种实体建模技术来构建三维可视化应用，同时采用3D虚拟技术，以地测、工程数据为基础，自动生成三维地面工业广场、井巷工程立体图、三维钻孔、地层立体图。在矿井综合工况图中显示生产信息(动态采、掘工作面位置)、实时动态的监测信息，包括瓦斯、CO等有害气体的三维分布，人员的三维分布，安全与生产设备(集成综合自动化系统)的三维分布及其运行状态，井上、井下视频监控图像等，以便将矿井地面与地下的真实全貌(包含生产、设备运行状态)完整地展现出来。
4．2 全面覆盖的矿山企业各功能子系统
在矿山物联网子系统方面，主要包括生产、保障、安全及其他四个大类系统，而且可以根据现实需要延伸出不同的分支系统。具体如下：
生产系统：包括提升系统、主运输系统、辅助运输系统、综采工作面系统、洗选集控系统、皮带机运输系统、斜井提升系统、开拓工作面系统。
保障系统：包括供电系统、通风系统、压风系统、排水系统、供水系统、设备检测维修系统等。
保障系统：包括安全监测系统、束管系统、瓦斯抽放站自动控制、矿井来压实时监测系统、通用调度指挥系统、无线应急通信系统、重大危险源监测管理控制系统、应急救援指挥系统。
其他配套系统：包括供暖系统、消防系统、季节性水灾预防系统、污水处理系统、能源计量综合管理系统和智能决策、诊断分析系统。
矿山物联网子系统与现有子系统的区别是具备系统协同功能和完善的感知功能。例如：在灾害预警防治子系统中，通过对瓦斯涌出规律的分析和瓦斯实时监测及预测预警，可实现生产的安全监测。而根据历史及当前实时监测出的瓦斯、风速、风门开关、局部通风机开停等信息，以及历史人工瓦斯检测信息，瓦斯超限记录，矿井回采、地质等信息，并通过数据挖掘和相应的数学模型，就可以得出相应煤层的瓦斯涌出规律。然后通过对与瓦斯有关的相关信息的采集处理，可以实现对安全监控信息的实时监测、规律分析和超前预警。预、报警方式主要是系统内即时信息、手机短信、通风GIS的图上动态显示等。
在束管系统中，通过对矿井自然发火规律分析以及外因火灾监测报警，可以实现自然发火早期预测预报、自燃火灾标志性气体分析，以便及时判断、识别矿井自然发火隐患，并对外因火灾进行监测报警。依据历史及当前的束管监测、人工防灭火检测信息，结合相应的煤层自然倾向性、煤层燃点、巷道风速、气体变化、采煤方法、推进速度、顶板情况等自然发火影响因素的建模分析，得出不同矿井、不同煤层、不同区域、同一煤层不同分层等的发火规律；同时根据外因火灾(主要是皮带发火、电器发火)的发展规律，结合对皮带、电器所在巷道的烟雾、温度等监测信息，实现外因火灾监测报警，并得出矿井的外因火灾发生后对其他区域的影响规律。
4．3 网络传输设备
矿山物联网的具体产品具有统一的模型架构、数据描述和通信协议等，这使得矿山物联网产品具有普遍的适用性和兼容性。因此，对于网络传输设备的要求也非常高，必须具有较强的兼容性和适用性。需要开发基于IPv6通信技术的自组网设备，基于无线传感网关键通信控制设备，基于传感节点自组网技术及相关设备，基于应急通讯设备光线通信设备及控制分站和设备图像、语音、信息、数据等交互处理设备，基于通用服务器、伺服器、集群、传感网智能路由器等组合开发的矿山专业信息处理设备。
4．4 传感器体系
矿山物联网需要将所有子系统进行标准化整合，以便实现普遍互联和信息共享，因此，需要完成实时全面的感知和监控，同时需要构建完善的感知系统和完善的传感器体系。其重点应从以下几方面入手：
(1)环境感知类：结合现有煤矿生产实际，在完善瓦斯、煤尘、温湿度、形变、红外、辐射、SO2等有害气体传感器的基础上，实现空间距离上的突破，同时还应包括其他环境感知类的智能处理、多参数集成的传感器。
(2)设备控制类：包括生产设备控制、辅助设备控制、环境监控设备控制、通信控制、安全设施控制、危险源监控设备控制等与自动化设备及系统对接控制用的传感器，主要是在接收感知传感器信息数据并处理分析的基础上，结合对设备运行状态的感知，为自动控制提供智能化的决策参考。
(3)有线传感器：主要是用于工作环境恶劣、无线信号容易受到干扰的综采系统、煤尘瓦斯集中区以及不需要移动和远距离监测的巷道固定安装基于光纤、电力线的传感器设备。
(4)无线传感器：包括用于无线信号覆盖及受干扰较小的环境感知、提升输送等移动设备控制及监控所需的无线、无源传感器。
4．5 标准和接口
矿山物联网是适应矿山需要的新体系，要具有相关的技术标准，主要包括矿山物联网平台模块化标准、子系统及其接口标准、网络地址分配标准、IPv6技术矿山应用标准、传感器分类及标准、实时通信互联协议、控制标准、管理标准等。

5 结语
目前，国内外关于矿山物联网的产品遍及安全、生产、管理各个环节，国内有上百家企业在从事生产系统、胶带、运输、提升、输送、井下排水、瓦斯抽放、通风系统、防火灭火、人员监测、综采工作面、给水、地面供电、井下供电、水处理、锅炉房、供压、井下降温、选煤厂、多媒体、通信、视频等系统的设计与产品开发。从产品细分和业务环节覆盖程度看，几乎涵盖了矿山物联网的全部内容。但从产品、系统的设计深度、适用性来看，大部分产品流于表面主体功能需求，细节方面较差。以视频监控为例，国内尚无产品能够将视频监控采集的信息进行分类处理并提出针对性的建议方案或者预测结果，这显然不能达到矿山企业对科学分析、智能决策的实际需求。存在这种细节适用性问题的原因在于，真正的矿山物联网系统应该是融入矿山企业管理运营经验的系统，是智能化程度高、真正能够起到减员增效作用的系统。传统的软件、硬件及系统集成商大多没有矿山企业管理经验，对矿山生产运营中涉及的细节问题、管理经验、技术等没有深刻理解，也就难以设计出真正有价值、实用性强的系统和产品。
矿山物联网体系的构建与矿山企业现有的信息化系统相比具有无可比拟的优势，其在感知范围、控制的自动化程度和管理的智能化程度方面显著提升。目前，矿山企业现有信息化系统大多为独立的子系统，诸如煤矿综采系统、提升输送系统、瓦斯监测系统、人员定位系统等，这些系统独立成体系，管理控制信息不能与其他系统共享，这使得矿山企业要针对每个系统安排调度协调、巡检维护、现场值班人员，以保证其良好运行。在各个子系统大的感知能力方面，目前主要限于小范围内瓦斯、煤尘等有害物质及水、火、温湿度等的信息采集，对于岩体形变、环境辐射、电磁及其他有害气体等的监控及监测范围并不到位，因而大大削弱了对矿山灾害的预警能力，不能充分保障矿工及设备的安全。矿山物联网是将所有子系统进行标准化整合，实现普遍互联和信息共享，并可对矿山企业的一切人、设备、环境因素寻址定位，进行实时全面感知和监控，达到“感知矿山、控制矿山、管理矿山”境界的一种系统。它可以显著降低人员需求、提高矿山生产效率、提升矿山企业人员的安全保障水平，对于重大危险源，矿山物联网具有实时监控和模拟预警功能，在灾害发生时，也可以实现及时处置。
矿山物联网的具体产品具有统一的模型架构、数据描述和通信协议，而且，矿山物联网产品应当具有普遍的适用性和兼容性。矿山物联网体系应在依靠物联网企业及科研院所的基础上，与具有丰富矿山企业管理经验的技术人员进行深入融合。