淺談煤礦設備狀態管理系統的物聯網模型

現階段，煤礦企業設備的狀態管理與維修方面還存在著幾個比較明顯的問題，本文在常見物聯網模型的基礎上，結合煤礦實際特點進行改進，提出了物聯網技術運用到煤礦設備狀態管理中的感知模型、實際應用模型。

一、煤礦生產中傳統設備狀態管理模式

煤礦安全生產是關系煤炭工業健康穩步發展的首要大事，雖然呈現出好轉的趨勢，但是還存在著許多問題。現階段，煤礦企業設備的狀態管理與維修方面還存在著幾個比較明顯的問題，比如臨時性維修管理太過頻繁、時間代價過大、人員資源成本較高等等。一般采用的傳統維修方法拘泥于一成不變的維修模式，通常采取人工周期性檢修的方式，主要對數據和故障現象進行采集匯總和診斷。另外，目前在我國煤礦中應用的設備監控系統有十余種，但是監控范圍都比較小，都不具有開放性、缺乏一致的接口技術和通信協議，異構性等特征較突出。不能實現信息的共享，更不能實現協同操作，而且在傳輸信號方面，井下各工作面的設備，大多數采用模擬信號進行傳輸，井下分站與地面檢測站之間采用傳輸效率較低的異步傳輸方式。雖然工業以太網以及現場總線技術的應用在一定程度上改變了目前煤礦管理技術發展相對落后的情況，但是這樣的系統布線難度大，需要較高的維護成本，并且依靠有線網絡傳輸數據信息，由于煤礦井下環境的特殊性，設備數量多，人員復雜，巷道距離長、寬度窄，拓撲結構復雜，地熱效果明顯，濕度溫度較高，一旦礦井發生瓦斯爆炸等，必然會使有線網絡受到影響，使數據不能安全有效地傳輸。為了有效地改善目前設備的維修管理現狀，需要逐漸向預知性設備狀態管理體制轉變，以提高設備運行的可靠性和利用率等。因此，人們將礦山將來的發展方向定為“感知礦山”，而信息化與自動化則是其最現實的基礎。

二、系統感知模型的建立

（一）本體模型介紹

本體概念被引入到計算機應用方面之后，人們對于領域知識的共同理解得到了很好地描述，其是實現資源間互操作的基礎。本體建模方法側重于對語義上的統一，和物聯網在語義互操作上的要求相一致，利用其概念層次結構，通過將生活中的概念特征等抽象成模型，對情景信息進行有效地描述，加入到信息檢索框架中，以實現信息資源的共享，提高檢索質量，為系統的互操作和語義集成提供有力保障。本體建模可以利用工具將文件輸出格式根據需要定制為XML 、OWL、RDF 等語言，并且可以在一定程度上實現轉換；可以提供可擴展的 API 接口，模塊劃分界限比較明了清晰。本體建模中，抽象出來的模型獨立于具體的特定環境，可提高資源重新利用的效率，并且對象屬性、相關概念描述方面明確清晰，能夠被計算機識別。以上的這些特點成為國內外學者研究設計物聯網系統時采用本體建模方法的主要依據。

（二）本體模型創建流程

在創建本體過程中需要滿足創建的本體能夠表達專業領域資源情況的要求，具有明確的任務要求、意義、目的以及能夠反映出用戶的需求，并且能夠對知識資源等進行有效地映射和整合。在明確本體構建需求、目標等基礎之上，對其中涉及到的相關概念匯總分析，這個過程需要領域專家的全程指導。進入本體的使用操作階段，用戶會根據自己的使用情況提出具體的建議，由領域專家和本體創建人員結合這些問題，修改其中的概念聯系等等，即所謂的進入了本體最后的維護階段。本體創建通常需要經過多次的維護修改才能逐漸趨于完善。

（三）本體模型在煤礦設備狀態管理系統中的應用

將本體建模技術應用到感知模型建立中，對煤礦井下各個巷道以及工作面設備實時的預報警信號以及設備的工作運行狀態等數據信息創建資源管理庫、推理規則等，利用Jena 實現本體實例的知識挖掘推理，使應用軟件能通過本體直接進行數據訪問或者直接對生成的 XML 文件信息進行讀取，支持信息推理拓展，符合物聯網對大量數據源的信息采集和處理需求，提高了智能化程度和信息查詢檢索的效率。傳統的設備管理系統中預報警模塊功能的實現主要是將實時數據與設置好的數值進行比較，超過上下限范圍則進行報警。但是采用了本體感知模型對信息采集、分析、推理之后，能夠有效地完成某一時刻某一區域范圍實時測點信息的互聯，進行綜合評估，能夠反映相對應工作面設備整體運行情況，也能夠將同一型號設備在不同工作地點運行情況比較分析生成相關日志，為高層決策提供參考依據。另外在特定場合還能夠直接將信號命令反饋到實際生產區域中，提高反饋的及時性，為井下礦難的救援爭取寶貴時間。感知模型的建立以及相關推理規則的創建，能夠使得本系統設計實現中色梯控件顏色變化不再局限于和具體的固定數值相比較，而是可以由一個參數的變化引起其他參數的變化，充分地利用信息的共享性，提高信息的展示和更新速度；利用信息的近似性，提高信息檢索查詢速度，從而能夠提高系統的工作效率。

三、系統應用模型的建立

（一）設計方法和原則

首先介紹設計主要遵循的原則，接著針對具體煤礦生產特點，對系統的需求進行分析，研究系統應用中的RFID、WiFi 定位算法，在此基礎上對煤礦生產中各個場景進行應用實施的模擬分析。基于煤礦企業生產的特點、特殊復雜的環境條件，我們需要創建一個模擬的場景，方便使用者依據個體特征有針對性地解決實際生產過程中遇到的問題。在設計過程中，我們應該遵循的原則主要體現在：第一，界面友好性原則。界面設計時應該盡量統一風格、簡單明了，易于將使用者的注意力集中在功能實現方面。第二，適用性原則。煤礦設備狀態管理系統涉及的內容很多，目前在功能實現上要考慮其實用性、考慮當前的軟件技術、網絡技術等能否滿足系統的實施等。第三，易擴充性原則。設計系統時，要考慮當前煤礦生產中設備管理對環境的支持和要求標準，各個功能子模塊要保留接口，以便功能的增添刪除等；另外需要考慮硬件環境是否支持未來系統的擴充以及擴充成本問題等。

（二）設計需求

第一，煤礦自然條件差災害多。我國所有的煤礦均是瓦斯煤礦，煤層由于自然條件的復雜多變，在開采前不適宜進行瓦斯抽放。但是采掘過程中受到開采規模、集約化程度、瓦斯散放量等因素影響，容易誘發瓦斯突出等現象。因此模型的設計過程中需要考慮各個煤礦實際應用中所處的地質條件，考慮相應硬件設備要求。第二，煤礦數量多差異大。我國煤礦數量比世界上其他采煤國總數還要多，大中小煤礦并存。大型煤礦機械化程度較高、而小型煤礦則普遍偏低，安全技術裝備不足。據統計，部分礦井目前還未建立防滅火措施、防塵供水管路等。很大一部分小煤礦中的安全儀器比如甲烷斷電儀等設備配備不足，現存設備多為落后需要淘汰的，導致防爆性能差，容易發生事故。因此需要考慮煤礦井下設備產品的使用時間、損耗程度、儀器的準確程度等等，確保數據信息及時有效地反饋。第三，與其他系統連接的接口。設備狀態管理系統不僅需要和地面監控中心、人員定位系統等進行數據交換，而且還要與系統本身內部具備的傳感器、單片機等進行數據通信。一些設備需要對信息實時處理，一些則需要分析其歷史數據。因此設計中還要考慮到接口的設計問題。第四，運輸過程的控制。以井下大巷運輸過程為例，主要對運輸礦車進行記錄跟蹤定位。要能根據每天采區生產情況和煤倉煤量來配置井下運輸礦車數量。另外應該能夠監控礦車的位置和運輸時間的準確性，對于運送的資源能夠進行跟蹤并記錄其使用情況。運輸過程的控制中最為重要的是定位技術的應用，其是進一步對設備、人員等進行智能控制的基礎和前提，也是物聯網的主要技術之一。

（三）技術應用

第一，系統 RFID 定位技術應用。

煤礦井下的定位屬于室內定位，需要確定移動設備、人員等的位置信息。RFID 技術主要通過射頻方式實現非接觸的雙向通信數據交換，具有傳輸范圍大、體積較小、成本較低的優勢。RFID技術的基本定位方法有多種，目前較為常用的有接收信號強度法（RSSI）， 此方法在一定程度上消減了室內多徑效應帶來的影響，更加適合在室內定位中推廣應用。

第二，系統 WiFi 定位技術應用。

基于RFID的人員定位技術是目前礦山人員定位的主要技術，經過實際驗證，能夠滿足礦山人員定位的需要。上述改進算法一定程度上提高了RFID近距離定位精度，能夠在讀卡器解讀距離內對設備以及人員實現很好地定位。但其屬于區域定位，對于煤礦井下巷道中距離讀卡器較遠的設備不能很好地實現定位，因此采用WiFi 定位技術和RFID定位技術相結合的方法，實現井下巷道定位信號的全面覆蓋，對移動設備及其運動軌跡等進行實時跟蹤定位。WiFi 無線信號一般覆蓋距離為 100m，其在信號較弱或者有干擾的情況下，能夠自動對帶寬進行調整，對網絡的穩定性有很好的保障。在巷道中遠距離移動設備上配置WiFi 標簽，當設備移動經過無線局域網覆蓋區域時， WiFi 無線基站對標簽進行掃描，通過無線網絡傳輸給WiFi 定位服務器，服務器通過對數據進行處理，獲得設備當前的移動方位信息。

煤礦井下環境復雜，應盡可能多地鋪設WiFi 熱點。即使待定目標距離此熱點比較遠，無法建立連接，但還是可以偵聽到熱點的存在。熱點接收標簽中的信號，此信號包含熱點的唯一全球 ID 以及待定目標的數據信息。通過 RSSI 定位算法對這些信息進行處理，結合 RSSI 存儲數據庫中的數據，進行信息優化，得到待定目標的精確位置坐標。

四、場景分析

（一）主井副井

主井副井主要的作用是用來運輸煤和矸石、人和材料。我們分別制作相應的標簽，配置在主井的箕斗、副井的罐籠、提升機上和鋼絲繩周圍，通過不同的傳感器將標簽中存儲的代碼信息借助網絡傳輸到系統服務器中，方便管理者對設備工作狀態以及位置信息等情況管理追蹤。

（二）通風井

煤礦井下環境復雜、地面空氣進入礦井之后，各種成分、濕度、溫度等都會發生相應的改變。必須不停地為井下供給新鮮空氣，減少礦塵和有害氣體的影響，才能確保礦工的身體健康。我們需要在通風井口等位置配置相應標簽，通過風壓傳感器等監測其空氣中各項參數指標。

（三）運輸大巷

大巷主要承擔著井下通風和運輸的任務，裝配在礦車上、礦工身上能夠實現遠距離定位的WiFi 標簽，有效地對礦車進行定位，并及時根據相關算法實現車輛避讓、車與車之間距離的診斷分析以及礦車調頭時機的判斷等；對礦工的定位可以有效地監督煤炭皮帶運輸機上是否有人員違法搭乘、監督人員工作是否規范、人員的位置分布等。此外，井底車場、水泵房等需要利用連接傳感器的標簽，實現車輛管理和水壓預測控制等。

（四）采區采煤工作面

采掘工作面是井下最容易產生爆炸的地方。除了在采煤機、液壓支架、刮板運輸機、裝載機以及采區皮帶上配置相應標簽外，我們還需要另外對環境參數進行監測的傳感器，實時監測工作面的空氣成分，瓦斯濃度以及濕度、溫度等指標。

（五）采區掘進工作面

掘進工作面主要涉及到掘進機、錨桿機、煤電鉆以及刮板輸送機等設備，需要在其上配置所需標簽，配合相關傳感器，以實現井下掘進進度的實時掌握，并及時了解各設備的工作狀態是否正常，及時排查故障等。另外安裝在巷道中的閱讀器接收到的不僅包括相關巷道的信息，還記錄著此巷道中采掘面的數量，便于對巷道施工進程的掌握以及人員工作的分配安排。

（六）各個場景信息聯網

物聯網真正的實質是能夠將所有應用系統、場景、物品和人員等融合在一起，形成一個泛在網絡，真正地實現信息的傳遞、共享、交流。比如煤礦應用中，可以通過對井下煤倉煤量信息的感知，和其它場景設備共享儲煤量信息，從而通過向標簽發送命令，智能控制運輸礦車的調度數量和速度。當煤倉中煤量較少時，向采區巷道中礦車發送命令，加快運輸速度；向掘進面掘進機發送命令，加快其掘進進度。同時，當巷道中礦車加速行駛時，需要同時和附近礦車、人員共享標簽中的控制信息，根據情況進行彼此之間的避讓等。另外可以通過采煤工作面瓦斯濃度數據的共享，自動調整通風井進風量，及時地向巷道中供給新鮮空氣，沖淡有毒氣體等。

（作者單位：神華新疆能源有限責任公司）