數字煤礦中的物聯網技術應用研究

王桂寶

摘 要：研究了煤礦物聯網方案，充分利用現有資源條件，總體規劃將現有煤礦系統的信息孤島進行整合，并利用已有的硬件設施來降低系統應用成本。同時將煤礦安全生產的各個環節看作有機的整體，用全局眼光設計規劃一體化的信息系統。充分利用物聯網技術，實現煤礦的智能化控制，提高勞動生產率，控制生產成本，降低安全事故發生風險。

關鍵詞：物聯網;無線傳感器網絡;數字煤礦系統;一體化

中圖分類號：TP311 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）09-00-02

0 ?引 ?言

煤礦綜合自動化信息系統是煤礦調度中心的核心，多種網絡平臺已在一些礦井得到成功應用，但各個網絡平臺之間存在數字鴻溝[1]。近年來，隨著無線通信技術、分布式計算技術、傳感器技術以及無線網絡技術的飛速發展與融合，將物聯網技術引入綜合自動化信息系統建設，建立統一網絡平臺的煤礦物聯網系統已成為煤礦信息化建設的重要內容[2]。以煤礦物聯網為核心的數字化煤礦是煤礦未來的發展方向，煤礦物聯網系統的應用必將在建設資源節約型、環境友好型、安全高效型的煤礦中發揮極其重要的作用。本文提出了煤礦生產系統的物聯網應用解決方案，實現了數字化煤礦物聯網架構體系。

1 ?煤炭生產信息化中的問題

煤炭行業既是國家能源的主要支柱，也一直是工礦企業中的高危行業。但由于我國煤炭儲存條件復雜，煤礦自動化水平低，井下用人多，生產安全監控系統采用的技術比較落后，功能單一，再加上管理等因素，使得生產成本高，安全形勢不容樂觀。煤礦事故死亡人數居高不下，嚴重影響了煤炭工業的可持續發展和社會的穩定。如果沒有現代化信息技術的支持，要保證安全、高效的生產是十分困難的。因此，如何加強煤礦安全生產管理模式，實現管理的現代化、信息化成為煤礦企業關心的問題[3，4]。

目前，由于資金、觀念等的制約，煤炭行業數字化進程緩慢，管理手段落后，安全問題尤為突出。為了改善能源工業這種落后的安全監測及管理手段，必須引入新的技術進行改造。其中，物聯網技術是當前大家公認的首選技術[5-7]。傳統煤礦管理信息系統一直是將物理基礎設施和信息基礎設施分開，物聯網概念的引入打破了傳統的思維模式。對煤礦安全生產而言，在物聯網時代，人員、設備、礦井基礎設施等將借助物聯網技術形成一個互相通信互相協同的整體，從而實現智能高效的煤礦安全生產管理。物聯網概念為建立煤礦安全生產與預警救援新體系提出了新的思路和方法。

物聯網技術的引入，將對改善能源工業的作業環境、安全監測、管理水平等方面起到極大地促進作用，基于物聯網技術的管理信息化將為能源工業的可持續發展提供良好的條件;能源行業的管理信息形式標準化、信息傳遞規范化以及信息內容系統化、安全生產監測監控自動化，是能源行業應用系統的必然趨勢。

2 ?物聯網技術的應用

物聯網是典型的以應用為驅動的網絡技術，因此，智能煤礦系統的總體結構模型應當基于應用目的設計。由于綜合自動化及數字煤礦模型在煤礦企業己經有眾多的實際應用，智能煤礦物聯網的建設應該建立在這些己有工作的基礎上，充分借鑒已有的經驗和系統，而不是全盤推翻。因此，智能煤礦物聯網的模型勢必與數字煤礦、煤礦綜合自動化的模型有很緊密的聯系。本文設計的智能煤礦物聯網應用模型如圖1所示，這是一個包含了感知層、網絡層、存儲層和應用層四個層次的結構模型。

在智能煤礦系統的總體結構模型中：感知層由各種傳感器設備、圖像采集設備和執行器構成，負責完成煤礦人員、設備和環境的實時狀態數據的采集和控制數據的反饋;網絡層由鋪設在地面、井下的防爆1 000 M工業以太網和用來實現無線覆蓋的無線WiFi網絡構成，核心網絡設備包括用于無線通信的礦用本安防爆無線基站和礦用光纖耦合器箱，以及用于有線網絡交換和安全的路由器、交換機，防火墻等設備，共同構建了覆蓋整個礦區的數據網絡;存儲層由數據采集服務器、流媒體服務器、語音通訊服務器、應用程序服務器和Web服務器等設備構成，用于存儲和集成不同傳感器網絡獲取的信息，為應用層的管理和控制提供數據信息支持;應用層是煤礦生產安全管理和決策支持的應用系統，應用層在3D GIS系統可視化展示的基礎上，集成了煤礦實時監控、自動化管理、智能調度和智能決策支持的功能，應用層為第三方軟件開發者提供良好的軟件接口，可以方便地在該平臺上進行二次開發，以滿足煤礦企業不斷變化的新需求。

圖1 ?智能煤礦系統的總體結構模型

控制中心是智能煤礦系統中各種信息的集散地，因而它又是一個信息中心。對于智能煤礦來說，它就是一個“管控一體化”中心。智能煤礦系統平臺工程建設中，控制中心的功能與原來生產方式下的單純的調度室相比得到了加強與擴大，各種系統的信息均通過綜合傳輸網絡送到控制中心，是智能煤礦的上層集成平臺。通過示范工程集成平臺建設，解決原煤礦各系統相對獨立、信息孤島問題;解決異構系統接口問題，形成統一的煤礦集成平臺標準。集成平臺建設除了上述介紹的硬件平臺建設外，還有軟件平臺建設。

軟件平臺確保煤礦所有安全生產、人員、設備、管理信息等復雜異構信息在統一的網絡平臺上運行，在異構條件下進行聯通與共享，能夠使不同功能的應用系統聯系起來，協調有序的運行，使各自獨立的監控系統信息實現共享。軟件平臺實現的主要功能有：異構數據的統一接入接口、控制命令輸出接口、數據的實時處理與存儲、通信狀態監控與報警、實時報警與預警、數據報表與曲線。具體功能接口如圖2所示。

圖2 ?智能煤礦系統控制中心硬件規劃圖

3 ?新型煤礦物聯網設計的技術優勢

智能煤礦系統解決方案集成和完善了現有的煤礦信息系統，利用物聯網技術建設煤礦中人與人、人與物、物與物相聯的一體化信息系統;實現對煤礦人員、設備和環境的實時監控，實現井下電力、通風、排水、提升、運輸系統的遠程自動化控制，實現煤礦井下生產的無人化或少人化作業;實現煤礦生產智能化調度，實現煤礦安全隱患的預警和智能化預防，實現煤礦的安全質量評估和安全漏洞智能分析;保證系統硬件和軟件的可擴展性。本文的智能煤礦系統解決方案的特色與創新之處歸納為四個方面的先進特性：

（1）一體化

信息系統實現一體化是煤礦安全生產的實際需求。通過物聯網技術將煤礦生產中復雜的人與物抽象連接到互聯網中，實現信息管理的一體化控制。

（2）自動化

煤礦工作環境惡劣，迫切要求生產設備能夠實時監控和遠程自動化控制，智能煤礦系統通過物聯網實現煤礦生產的電力、通風、排水、提升和運輸系統無人值守的目標。

（3）智能化

智能化是煤礦信息化建設未來的發展趨勢。針對煤礦生產錯綜復雜的現狀，依靠現有的管理經驗不能做到有效的生產調度，安全煤礦生產難以保證。智能煤礦系統能夠實現智能化控制煤礦生產設備、優化調度煤礦生產流程和智能保護煤礦安全生產。

（4）可視化

利用三維地理信息系統技術建立煤礦空間數據庫，將煤礦生產設備信息、現場視頻監控信息、自動化控制管理系統集成到三維可視化的環境中，實現對煤礦生產系統的全景化和動態化顯示。

4 ?結 ?語

煤礦生產系統的數字化已成為現代煤礦企業發展的必然趨勢，智能化、管控一體化也成為煤炭企業發展的必然之路。本文將先進的物聯網技術應用到智能煤礦系統解決方案中，實現了煤礦一體化的信息管理、自動化的遠程控制、智能化的安全生產、可視化的動態顯示以及可擴展的應用平臺，構建數字化煤礦物聯網架構體系。

參考文獻

[1] 孫繼平.煤礦自動化與信息化技術回顧與展望[J].工礦自動化，2010（6）：26-30.

[2] 李瑗，孫超.物聯網中嵌入式控制器技術在煤炭產量遠程檢測系統中的應用[J]. 煤炭技術，2013，32（4）：203-205.

[3] 張冬雪.煤炭安全生產信息化的未來發展方向[J].黑龍江科技信息，2013（29）：262.

[4] 楊翠芳.基于無線傳感器網絡的煤礦井下人員定位系統的研究與實現[J].煤炭技術，2013，32（1）：160-161.

[5] 張登宏.煤礦安全檢測系統的物聯網技術研究[J].煤炭技術，2011，30（12）：95-97.

[6] 衛何.基于無線物聯網的基站運維管理系統的設計和實現[J].煤炭技術，2011，30（12）：165-167.

[7] 蘭占濤.應用物聯網技術促進銅川市煤礦安全生產[J].物聯網技術，2013，3（6）：8-9.