基于煤礦企業的礦山物聯網應用技術研究

王吳宜

（開灤集團信息與控制中心，河北省唐山市，063018）

基于煤礦企業的礦山物聯網應用技術研究

王吳宜

（開灤集團信息與控制中心，河北省唐山市，063018）

闡述了礦山物聯網的架構、網絡平臺、軟硬件系統和技術標準，針對煤礦生產實際情況，分析了礦山物聯網的主要子系統。通過對礦山物聯網應用技術研究，為我國礦山物聯網產業的發展在概念界定、體系架構、技術標準、示范礦井建設等方面起到引領性的作用。

煤礦 物聯網 體系架構 標準 子系統

1 概述

物聯網是生產社會化、智能化發展的必然產物，是現代信息網絡技術與傳統產業市場有機結合的一種創造。這不僅可以極大地促進社會生產力發展，而且能夠改變企業生產管理方式，物聯網對煤炭企業生產方式也將產生深刻影響。2012年是我國發展戰略性新興產業的政策全面啟動和推進年，國務院正式發布的《工業轉型升級規劃（2011－2015年）》已經將培育發展戰略性新興產業融合到傳統產業轉型升級之中。因此，非常有必要對煤礦企業進行礦山物聯網的應用技術研究。將煤礦企業涉及到的生產、安全、運輸、銷售、機電、物資、供應、統計、人力等各個分支環節集成為一體，實現各類信息的統一管理和使用，通過對整體礦山環節的各類數據存儲和分析，最終實現提供決策信息和解決方案并自動反饋給相應的系統和設備。系統運行數據通過信息化神經網絡實現數據融合，通過云計算功能進行數據集中處理，實現數據在統一的時間坐標和和空間框架下，將礦山信息資源進行全面、高效、有序地管理和整合，完成礦山企業所有信息的精準化采集、網絡化傳輸、規范化集成、可視化展現和自動化操作。

2 礦山物聯網定義

礦山物聯網就是將全面化的傳感技術、多樣化的通信技術、智能化的計算技術與自動化的控制設備相結合，通過全覆蓋的高速網絡將人、設備、環境等要素相連結，實現礦山企業全面感知、自動控制和智能管理的物聯網系統。其網絡架構分為感知層、控制層和管理層3個層級，感知層與控制層相結合實現自動化的全面感知，控制層和管理層相結合實現智能化的自動控制，整體則實現全面化的智能管理，構建形成“感知礦山、控制礦山、管理礦山”和基于局域網的礦山企業標準化綜合管理“共有云”平臺。

2.1 全面感知

在感知層，通過感知礦工自身實現實時定位與主動式的安全保障，通過感知礦山設備運行狀況實現實時控制與預知管理，通過感知礦山環境實現災害預警與應急救援。其特點是一切“人、物、環境”要素均可尋址，實現實時定位、可視化監控和智能化感知，全面提升礦井安全管理水平。

（1）感知內容。感知層感知內容應包括人員位置及動作、現場實景、全部礦山設備及其運轉狀態、瓦斯氣體、煤塵粉塵、水情、火情、巖體外形及形變、溫濕度、電磁及射線、可見光、災害動態等。

（2）核心技術。感知層核心技術應包括生命探測技術、人員實時定位技術、雙向信息傳輸技術、多參數智能傳感技術、RFID電子標簽技術、視頻監控技術、移動計算技術、三維數字化實景模擬技術、智能診斷技術、重大危險源智能監控與處置技術、科學調度管理技術、各種有線及無線通信技術、設備安全穩定技術、紅外激光燈感知技術、智能芯片技術等。

（3）子系統平臺。感知層子系統平臺應包括采掘（采煤機、綜掘機、單體支柱、液壓支架）、提升、運輸（絞車、電機車、礦車）、通風（通風機、局扇）、排水（水泵）、供電（變壓器、開關）、人員、調度、災害預警、應急救援、廣播等。

2.2 自動控制

在控制層，依托遍布地上地下的光纖網絡、電力線網絡及無線網絡，利用智能算法及控制技術，實現對礦山設備和感知層終端的自動化控制。

（1）控制內容。控制層控制內容應包括全部礦山設備及其運行操作、通信信號與數據傳輸、數據存儲分析糾錯等。

（2）核心技術。控制層核心技術應包括工控自動化技術、有線及無線通信技術及相關協議、自組網技術、設備及網絡接口技術、智能計算及算法技術、大規模數據存儲技術、容錯糾錯技術、IP傳輸技術等。

（3）子系統平臺。控制層子系統平臺應包括地上環網、地下環網、安全生產管理子系統自動化平臺、智能計算系統、有線無線通信節點、多源異構平臺、接口兼容設備系統、數據信息存儲及容錯糾錯系統等。

2.3 智能管理

在管理層，通過云計算技術及面向對象的應用程序、顯示設備、控制設備等實現智能顯示、智能分析、智能決策，從而實現智能管理。

（1）管理內容。管理層管理內容應包括人員管理、設備控制及診斷維修管理、生產運輸管理、安全管理、重大危險源管控監、災害預警及應急救援管理、工業視頻監控、決策管理、ERP管理、數據信息管理、實景仿真模擬等。

（2）核心技術。管理層核心技術應包括云計算技術、智能控制技術、診斷分析技術、三維模擬技術、視景仿真技術、移動智能管理終端技術、表單信息處理技術、面向對象的管理軟件技術、工業視頻技術、智能決策分析技術、數據信息實時處理技術、遠程遙控技術等。

（3）子系統平臺。管理層子系統平臺應包括多源異構管理平臺、煤礦標準化綜合平臺、綜采提升運輸等生產管理平臺、重大危險源管控監平臺、災害預警與應急救援平臺、人員管理平臺、財務管理平臺、決策管理平臺、實景監控平臺、設備診斷與維修管理平臺、機電設備控制平臺等。

2.4 “共有云”平臺

以云計算技術搭建的礦山物聯網系統是一個基于局域網的開放式“共有云”平臺，可以將礦山企業全部的人員、設備、環境及現有的自動化系統、管理系統等接入平臺，真正實現信息共享，實現人機、人人、機機互聯，實現智能感知、智能控制和智能管理。

3 礦山物聯網架構

礦山物聯網系統是一個適合礦山企業生產、安全、決策以及管理實際需要的平臺，是基于礦山企業局域網上的“共有云”平臺，是對礦山企業現有自動化系統、礦山設備以及管理平臺的全面整合，是礦山企業減員提效、節約成本、防止災害的最佳整體解決方案。系統可以適應各種不同類型礦山的需要，可以將礦山全部人員、設備和環境信息納入，實現對全部子系統平臺的控制以及礦山的全面感知、控制和管理，其三層架構體系示意圖如圖1所示。

4 礦山物聯網平臺、軟硬件及標準接口

（1）在平臺方面，形成礦山物聯網標準化綜合平臺，礦山物聯網標準化綜合平臺總體架構示意圖如圖2所示。

（2）在系統分類方面主要包括生產系統、生產保障系統、安全保障系統及其他配套系統4個大類30多個細分系統，可以延伸出上百個不同子系統。

（3）在軟件方面，礦山物聯網以基礎系統軟件、嵌入式軟件、應用軟件進行搭建，涵蓋當前主流軟件平臺。

（4）在硬件方面，礦山物聯網以超級計算機、工控機、交換機、路由設備、無線通信設備、光纖通信設備、電力線通信設備、PC機、礦山設備、控制設備等為基礎，實現全面兼容。

（5）在標準體系方面，礦山物聯網應用IPV6等互聯網標準、（WPAN）IEEE 802.15.4、（WLAN）IEEE 802.11等無線通信標準、射頻識別技術、EPC產品電子編碼標準、MAC傳感網標準等為基礎，實現有線無線兩類通信技術搭配應用。

（6）在傳感器方面，礦山物聯網以有線傳感器、無線智能傳感器、多參數傳感器、物流紅外激光等多種模式傳感器等為基礎，實現全面感知。

（7）在接口方面，礦山物聯網以高速互聯網接口技術、無線通信接口技術、光纖及電力線通信接口技術、局域網與個域網接口技術以及傳感網接口技術為基礎，兼容各種機電設備、顯示終端、控制器及計算機設備。

5 礦山物聯網功能特點、標準設定及主要子系統

5.1 礦山物聯網功能特點及標準設定

礦山物聯網是在物聯網通用核心技術基礎上，根據礦山企業實際特點做到：以云計算技術輔以小規模的超級計算（CPU＋GPU）中心來實現礦山企業的“共有云”平臺；電力線通信、光纖通信與無線通信技術相結合，且以有線通信為主；應用IPV6等新一代互聯網技術解決IP地址容量問題；地上、地下高速通信網絡全覆蓋；感知智能化、多參數集成傳感；全部設備加裝工控設備，實現控制自動化；應用軟件平臺面向對象可視化和分析處理決策智能化；標準化綜合平臺與各個子系統平臺模塊化接入；全部設備具備安全、穩定、防爆、防潮等特點；全面兼容各類技術及協議標準，具有滿足各類設備接入的接口；實現管理層與感知層雙向實時通信；平臺建設及子系統接入實現模塊化。物聯網核心技術及礦山物聯網技術設計標準見表1、表2。

5.2 礦山物聯網主要子系統

分別應用于煤礦生產系統、生產保障系統、安全保障系統以及其他配套系統的礦山物聯網主要子系統見表3。

表1 物聯網核心技術

表2 礦山物聯網技術設計標準

表3 礦山物聯網主要子系統

續表

6 結語

礦山物聯網把信息網絡技術、通信技術、傳感器技術等應用于煤炭生產系統，組成一個龐大網絡，通過網絡實現對生產系統的智能化、精確化管理與操作，從而提高煤炭生產效率和安全水平。通過礦山物聯網技術的廣泛應用，煤炭生產將更加高效、更加安全，真正實現智能礦業、數字礦山。

通過對礦山物聯網應用技術的研究，為我國礦山物聯網產業的發展在概念界定、體系架構、技術標準、示范礦井建設等方面起到引領性的作用。項目實施既能夠獲得可觀的經濟效益，也能夠為企業信息化建設節約投資，對礦山企業的信息化建設方向更具有指導意義。該項目建設將帶動形成礦山物聯網規模市場效應，直接推進我國物聯網技術在礦山領域的應用和發展。

［1］ 張建平，柴洪靜.數字化礦山綜合調度指揮平臺研究［J］.中國煤炭，2011（10）

［2］ 張春紅，裘曉峰，夏海輪等.物聯網技術與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2011

［3］ 賈靈，王薪宇，鄭淑軍.物聯網／無線傳感網原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011

［4］ 鄧奇根，魏建平.基于網絡技術的煤礦安全監控系統［J］.河南理工大學學報，2007（3）

［5］ 王相林.IPv6核心技術［M］.北京：科學出版社，2009

［6］ 朱愷，吉逸，方寧生.計算機網絡與通信［M］.北京：機械工業出版社，2010

Study and application of internet of things for coal mining enterprises

Wang Wuyi
（Information and Control Center of Kailuan Group，Tangshan，Hebei 063018，China）

The architecture，network platforms，hardware and software systems and technical standards of internet of things for coal mines were described.Aimed at the actual situation of production，the subsystems were also analyzed.The results showed that the application of internet of things to the coal mining enterprises will be a guide to the conceptual definition，system architecture，technical standards，demonstration of mine construction，and so on.

coal mine，internet of things，system architecture，standard，subsystem

TD76

A

王吳宜（1967－），女，河北唐山人。2006年畢業于中國礦業大學（北京）計算機技術專業，工程碩士。現任開灤集團公司信控中心高級工程師，主要從事煤礦自動化科研和管理工作，發表論文十多篇。

（責任編輯 路 強）