淺論礦井機電設備基于物聯網的狀態監測技術

付青青+劉明輝

摘要：礦井機電設備是煤礦企業的重要組成部分，是煤礦企業能夠正常運行的核心，礦井機電設備的狀態好壞將直接影響企業的利益，而其中的關鍵技術也是提升企業競爭力的重要因素。在物聯網信息化的背景下，礦井機電設備的狀態檢測將依靠這種新型的載體實現現代化，并從中取得一定的效果。本文就從物聯網的平臺去研究礦井機電設備狀態監測的關鍵技術取得的成果，并從中汲取經驗，指導實踐的更好運行。

關鍵詞：煤礦井下；物聯網；數據挖掘；機電設備狀態監測

我國煤礦的開采大多為地下開采，地質復雜，工作環境十分惡劣，井下工作人員的生命財產安全難以得到有效保障，煤礦安全面臨著重大的威脅。亟需加強煤礦生產安全監控，減少煤礦災害事故發生，更好地應對事故發生后進行及時搶救被困井下工作人員，最大程度降低國家和煤礦企業的財產損失。然而現有的井下環境檢測系統具有檢測區域不全面、不能及時進行定位、擴展性差等不足。近年來，隨著計算機互聯網技術的快速發展，網絡的應用和發展已經不能滿足人與人之間正常溝通的需求，物與物之間通過網絡的信息交互成為人們追求的方向。物物相連的互聯網即物聯網技術將大大推進社會的發展與進步，已經成為國內外研究的熱點。物聯網技術應用到煤礦井下環境監測系統中，將大大提高煤礦安全生產現狀，對煤礦的安全生產和國民經濟的發展具有重大的現實意義。

一、礦山物聯網結構及其關鍵技術

物聯網技術代表著信息技術發展的方向，是基于互聯網高速發展起來的，被稱為互聯網技術革命史上的第三次革命，為促進互聯網的發展和社會的向前發展起到巨大的推動作用，引起世界的廣泛關注，物聯網連接世界上成萬上億的物體。物體之間能夠進行相互“交流”，不必受到人為的操控。本質就是物聯網采用了RFID、無線通信技術等科學技術，完成事物間的通信、識別，但是物聯網的概念還沒有得到世界各界的統一。

（一）礦山物聯網結構

從網絡結構上礦山物聯網自底向上分為3層，感知層、網絡層和應用層（如圖1）

（二）關鍵技術

感知層。作為物聯網的核心技術，類似物聯網的眼睛、手和皮膚，識別物體，獲取包括環境狀態、物體屬性等信息，是聯系信息世界和物理世界的紐帶。感知層的組成包括各種硬件：RFID、GPS、條碼掃描器等各種傳感器。感知層的關鍵技術有無線通信技術、RFID技術等。

網絡層。物聯網的網絡層類似生物體的中樞神經，進行消息的控制與傳輸，負責接受感知層的信息，進行相應的處理，并及時傳送到應用層。網絡層以互聯網為基礎，包括應用服務器和數據庫等。網絡層的關鍵技術有網絡傳送和融合技術、IP承載技術等。

應用層。物聯網的應用層與目標需求結合，負責數據的顯示、轉換等，是物聯網中的“實現者”，滿足行業的各種需求。應用層分為兩個子層，分別是：應用服務子層和支撐平臺。前者是在后者的基礎上，實現行業的具體應用，包括運輸車輛、電力、環境監測等。后者提供包括數據處理在內的基礎服務和各種接口服務，為資源的合理調度提供便利，實現在不同領域的應用。數據存儲、挖掘時物聯網應用層的關鍵技術。

二、設備監測物聯網系統開發

（一）礦山設備狀態監測物聯網系統總體架構

物聯網的設計與創建需要遵循特定的原則，主要包括以下幾點：多樣性、互聯性、時空性、堅固性和安全性。其中，多樣性原則指物聯網傳感節點類型不同，物聯網體系結構也不同；互聯性原則指物聯網體系中各個目標對象能夠達到無縫連接；時空性原則指物聯網體系結構的設計需要滿足對時間、空間的需求；堅固性原則指體系結構的穩固性；安全性原則指體系結構能正常運行，可抵御各種攻擊。按照設計原則，物聯網的創建需經歷以下步驟：識別物體，創建被識別物體聯網系統，應用平臺的搭建及應用服務系統的實現。

（二）礦井提升機傳感器網絡組織

物聯網涉及到對現實世界物體的感知，信息的獲取、處理和顯示，物聯網是一門綜合性很強的學科，技術領域包括計算機、傳感器、網絡與通信等。關鍵技術非常多，國際電信聯盟物聯網報告中，物聯網的關鍵技術概括起來主要包括以下幾個方面：RFID，傳感器技術，智能技術和嵌入式技術。

物聯網技術備受國內外關注，是一項新的數據獲取、處理技術，已經在電力、交通、醫療等多個行業得到廣泛應用。而煤礦井下地形十分復雜，煤礦開采過程中會遇到各種危險，進行礦井機電設備狀態監測對煤礦安全生產意義重大。井下工作人員在開采區域工作一旦遇到緊急情況，井上救援人員需及時了解井下員工的位置軌跡信息，幫助救援工作的有效開展。鑒于此，研究并實現基于物聯網的礦井機電設備狀態監測系統，以無線傳感器網絡為支撐，將監測到的多種環境狀態參數、工作人員位置等信息，匯聚后實時傳送到地面監控中心，進行分析處理，為管理者提供數據支持。系統完成了煤礦安全監測系統功能模塊的設計開發，實現了煤礦井下環境檢測系統的數據實時采集、處理與傳輸、人員定位、環境監測與預警、信息共享等功能，提高煤礦生產的安全性。

（三）系統整合

物聯網狀態監測系統包括4部分，數據采集前端、設備接入層、廣域網和上層應用平臺系統構成，（如圖2）

隨著物聯網技術的快速發展，為礦井機電設備狀態監測提供有效的監測手段。在礦井下開采環境中，運行物聯網技術實時監測井下機電設備狀態指標，監控端實時顯示監測到的基礎信息，為煤礦井下機電設備狀態監測的作業信息提供可靠的數據支持。我國煤礦眾多，開采環境惡劣，迫切需要提高煤礦生產安全性。開發煤礦物聯網井下機電設備狀態監測系統，實現煤礦井下各種環境參數監測、預警、井下工作人員的定位和跟蹤等功能，利于煤礦企業安全生產，提高煤礦生產的監管力度，提高煤礦發生事故后的救援效率，減少煤礦事故帶來的經濟損失，對保障煤礦井下工作人員的生命財產安全和煤礦企業的安全生產具有重大意義。

三、結語

（一）展望

我國煤礦存在生產人員密集、設備所處環境復雜、調度中心離生產部門距離遠等特點，礦山設備的運轉狀況與工作人員的生命安全和企業效率息息相關，因此，對這些大型設備進行在線監測勢在必行。隨著分布式計算技術、無線通信技術和無線傳感器技術等迅速發展，使物聯網監測設備運行狀態成為可能。基于物聯網技術的礦山設備監測，有利于全而感知設備健康狀態，能為煤礦企業做出恰當的維修方案提供指導，為設備故障處理提供依據。不僅提高了企業的總體效率，更重要的是降低煤礦災害發生率，促進我國煤礦信息化的建設，也是煤礦安全開采，綠色開采的重要保障。

（二）努力方向

由于時間原因，本論文還存在不足，有待完善和改進。

1.煤礦井下礦井機電設備狀態監測系統中的數據挖掘算法有待進一步優化，提高算法運行效率，本文的數據分析在實際工作中的應用做得還不豐富，還處于試驗階段，需要進一步根據實驗環境做出改進，實現煤礦井下開采區域環境參數的預測功能，為煤礦安全生產提供決策支持；

2.本文開發的煤礦井下礦井機電設備狀態監測系統，根據實際應用的需求，還需要進一步完善系統功能，比如健全GIS、SMS短信功能；

3.系統與實際煤礦井下生產環境還有一定的差距，實際井下生產環境會更加復雜，需要在實際應用中不斷完善和改進。

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