礦山物聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)及功能實(shí)現(xiàn)

趙 新

(煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司)

煤炭作為我國的主要能源，在未來很長時(shí)間內(nèi)都將占據(jù)重要地位，雖然近年來新能源和可再生能源發(fā)展成就顯著，但目前首要任務(wù)仍是搞好煤炭產(chǎn)業(yè)，保障煤炭安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益，走綠色智能化健康發(fā)展的道路。

我國大多數(shù)煤礦井下人員多，智能化水平有限，導(dǎo)致工作效率低下，同時(shí)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)功能單一，技術(shù)也比較落后，加之煤炭地下存儲(chǔ)條件也很復(fù)雜，管理不到位等原因，造成噸煤生產(chǎn)成本高，安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重制約著煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

目前我國淺部煤炭資源日漸枯竭，進(jìn)入深部開采己成為煤炭資源開發(fā)的必然趨勢(shì)。深部“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，使得深部煤體和巖體力學(xué)特性及其工程響應(yīng)有著明顯的不同，同時(shí)也形成了很多動(dòng)力災(zāi)害性事件，包括沖擊地壓、煤與瓦斯突出、頂板大面積來壓和采空區(qū)失穩(wěn)等，并且發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害性事件的程度有所加劇，頻率有所提高，發(fā)生災(zāi)害機(jī)理變得更加復(fù)雜，因此，深部煤炭資源的開采面臨嚴(yán)重的安全問題。

在煤炭開采的復(fù)雜過程中，各種設(shè)備和各類監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都是反映設(shè)備和系統(tǒng)真實(shí)狀態(tài)，且具有空間屬性，如果不能有效采集，就不能在功能上關(guān)聯(lián)互助、數(shù)據(jù)共享互換等，造成數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用相互脫節(jié)，只能簡(jiǎn)單地將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和打印，而不能將各種設(shè)備和各類系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)到的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地分析處理，也就不能為保障煤礦的安全生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息[1]。在預(yù)測(cè)重大動(dòng)力災(zāi)難事件時(shí)，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控及預(yù)警設(shè)備不能很好地進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線和持續(xù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控。礦山物聯(lián)網(wǎng)打破了傳統(tǒng)的思維觀念，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以在煤礦復(fù)雜環(huán)境中對(duì)各種系統(tǒng)中的人員、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更加實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)監(jiān)控和協(xié)同管理。

1 礦山物聯(lián)網(wǎng)的含義

礦山物聯(lián)網(wǎng)是基于日益發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)的新興網(wǎng)絡(luò)協(xié)作平臺(tái)。礦山物聯(lián)網(wǎng)能夠?yàn)槊旱V各種設(shè)備供應(yīng)鏈提供完美合理的解決方案。即通過礦山物聯(lián)網(wǎng)，煤炭企業(yè)可以隨時(shí)了解設(shè)備供應(yīng)鏈上每臺(tái)設(shè)備的位置信息并進(jìn)行管理，為決策提供更加準(zhǔn)確和有效的支持。礦山物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)非常先進(jìn)、全面、復(fù)雜的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“物物通信和聯(lián)動(dòng)”，使物聯(lián)網(wǎng)上的物品和設(shè)備之間可以自由通信、分享信息和溝通[2]。

礦山物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)包括物聯(lián)網(wǎng)、配套子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、傳感器系統(tǒng)和接口的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，是一套龐大的產(chǎn)品體系。

礦山物聯(lián)網(wǎng)涵蓋內(nèi)容很多，包括以礦山科學(xué)技術(shù)、人工智能、自動(dòng)化技術(shù)、信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用等為理論基礎(chǔ)，在礦山觀測(cè)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下，建立起一系列不同層次材料模型、力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型、信息模型、計(jì)算機(jī)模型及計(jì)算機(jī)集成模型、計(jì)算機(jī)及通訊網(wǎng)絡(luò)模型、機(jī)械傳感信息采集模型等，通過多媒體和模擬仿真虛擬技術(shù)、LED多維顯示屏來表達(dá)展示人員操作、人員位置、人員情況、生產(chǎn)原料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)成品、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)配、生產(chǎn)預(yù)警、生產(chǎn)維修、生產(chǎn)活動(dòng)中出現(xiàn)的各類生產(chǎn)復(fù)雜的問題平臺(tái)。

2 實(shí)現(xiàn)礦山物聯(lián)網(wǎng)的意義

煤炭企業(yè)涉及安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、成本利潤、人員管理、材料設(shè)備、工程項(xiàng)目、工作環(huán)境等多方面的管理業(yè)務(wù)，通過實(shí)現(xiàn)各方面的自動(dòng)化和信息化，提高工作效率。當(dāng)前，大中型煤炭企業(yè)為提高管理水平，大多數(shù)引入了綜合管理系統(tǒng)平臺(tái)，在系統(tǒng)的建設(shè)中，通信設(shè)備、軟件系統(tǒng)、傳感器、工業(yè)控制設(shè)備和以太網(wǎng)都被用來加速工業(yè)化和信息化集成的進(jìn)程。

但是，各家煤炭企業(yè)在建設(shè)各個(gè)子系統(tǒng)時(shí)不能很好地做到與現(xiàn)有系統(tǒng)全面兼容，無法信息共享。同時(shí)，各家煤炭企業(yè)所采用的系統(tǒng)平臺(tái)之間沒有統(tǒng)一的接入技術(shù)和通訊協(xié)議，設(shè)備、通訊方式、數(shù)據(jù)格式等也不同，呈現(xiàn)多源性和異構(gòu)性。這樣就很難實(shí)現(xiàn)煤礦全面智能化管理。

礦山物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)是將煤炭企業(yè)的各類傳感器、通訊電纜、機(jī)械設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)等集成為一體的基礎(chǔ)設(shè)施，利用感知技術(shù)對(duì)工作人員和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)和有效的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

實(shí)現(xiàn)礦山物聯(lián)網(wǎng)的意義主要是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決在煤炭生產(chǎn)過程中人員的安全問題、生產(chǎn)中機(jī)械設(shè)備的智能控制問題、礦山各種動(dòng)力災(zāi)害性事件的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控及預(yù)警工作，減少或避免重大災(zāi)害事故的發(fā)生[3]。

3 礦山物聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)

礦山是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展區(qū)域，礦山物聯(lián)網(wǎng)是通過各種智能管理與煤炭開采技術(shù)及數(shù)據(jù)采集技術(shù)緊密結(jié)合，形成礦山中人與人、人與物、物與物相連的網(wǎng)絡(luò)，將相互獨(dú)立的作業(yè)體系連成一個(gè)整體，并通過智能管理平臺(tái)進(jìn)行安全生產(chǎn)和經(jīng)營指導(dǎo)，提出決策建議等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山整體的可視化、數(shù)字化及智慧化管理。

物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層3個(gè)層次，各行各業(yè)應(yīng)用子網(wǎng)都是在3層基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建的。

由于煤炭企業(yè)各種數(shù)據(jù)信息采集頻率高、種類多，礦山物聯(lián)網(wǎng)傳輸層受到了極大的壓力。因此，在傳輸層獲取數(shù)據(jù)之前，對(duì)感知層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，再轉(zhuǎn)交到傳輸層，這樣不但有利于緩解傳輸層的壓力，還可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴４送猓旱V信息系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，系統(tǒng)多，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不盡相同，導(dǎo)致系統(tǒng)間不能很好地進(jìn)行互通。因此，在應(yīng)用層之前加入數(shù)據(jù)服務(wù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使傳輸層與應(yīng)用層系統(tǒng)能夠更好地相互連接。所以將礦山物聯(lián)網(wǎng)的體系建設(shè)分為感知層、解析層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層5個(gè)層次[4]。

(1)感知層是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵部分，是物聯(lián)網(wǎng)的核心。感知層的主要功能是進(jìn)行物體識(shí)別和數(shù)據(jù)采集等，就像人體結(jié)構(gòu)中的皮膚和五官感觸外界信息一樣。感知層主要包括二維碼和RFID標(biāo)簽、識(shí)讀器、GPS、傳感器、攝像頭、網(wǎng)關(guān)和M2M終端等。

(2)解析層主要是對(duì)感知層采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選，將錯(cuò)誤的和不合理的數(shù)據(jù)信息刪除、屏蔽，同時(shí)對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行修正、編碼，并上傳至傳輸層，這樣可以有效防止數(shù)據(jù)信息丟失，降低數(shù)據(jù)信息解析的壓力，提高數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)乃俣萚5]。

(3)傳輸層即通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。傳輸層由互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)以及其他私有網(wǎng)絡(luò)等組成，類似于人的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，是解析層和處理層連接的紐帶，負(fù)責(zé)將解析層獲取的數(shù)據(jù)信息，安全有效地傳輸?shù)教幚韺樱凑詹煌膽?yīng)用需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。傳輸層包含接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)，接入網(wǎng)接入方式包括銅線(普通電話線)接入、光纖接入、光纖同軸電纜(有線電視電纜)混合接入和無線接入等，實(shí)現(xiàn)接入功能。傳輸網(wǎng)由公網(wǎng)與專網(wǎng)組成，包括互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、電力通信網(wǎng)、專用網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)傳輸功能。

(4)處理層主要是完成對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類存儲(chǔ)、調(diào)取和上傳等處理工作。此步驟僅傳輸對(duì)應(yīng)用層系統(tǒng)有用的信息。

(5)應(yīng)用層的核心功能表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是“數(shù)據(jù)”，應(yīng)用層需要完成數(shù)據(jù)的管理和處理；二是“應(yīng)用”，僅僅管理和處理數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須將這些數(shù)據(jù)與煤炭行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合。由于感知層采集了大量原始數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、篩選、分析處理后，使其對(duì)用戶具有實(shí)際價(jià)值，并根據(jù)用戶的不同需求完成信息的調(diào)配，設(shè)置觸發(fā)相關(guān)的通告信息[6]。另外，應(yīng)用層還能為用戶完成指令生成控制和指令傳遞控制等特定服務(wù)。

礦山物聯(lián)網(wǎng)只有在各個(gè)子網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行信息交換、信息共享和整合，形成一個(gè)互通的信息網(wǎng)絡(luò)，才能最大程度地發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的作用，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本，保障礦山安全生產(chǎn)。

4 礦山物聯(lián)網(wǎng)的功能實(shí)現(xiàn)

礦山物聯(lián)網(wǎng)是在數(shù)字礦山體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上搭建的與數(shù)字礦山相比，重點(diǎn)在于執(zhí)行階段，在整個(gè)體系的運(yùn)行中，礦山物聯(lián)網(wǎng)的功能主要體現(xiàn)在能夠進(jìn)行智能化生產(chǎn)、智能化監(jiān)控、智能化銷售、智能化管理和智能化決策。

(1)智能化生產(chǎn)。利用物聯(lián)網(wǎng)感知層實(shí)時(shí)采集井下采煤過程中各種機(jī)械設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并上傳至處理中心進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，同時(shí)各種服務(wù)子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理計(jì)算，最后傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫共享[7]。這樣管理人員和負(fù)責(zé)人就可以利用顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看井下反映上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整和進(jìn)度查看等。

(2)智能化監(jiān)控。煤炭企業(yè)最重要的是安全生產(chǎn)。在安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控過程中，礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集井下各種安全監(jiān)控設(shè)備和機(jī)械設(shè)備傳感器以及人員定位等數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)分析確定所處的工作環(huán)境和設(shè)備的安全狀態(tài)，自動(dòng)分析各種數(shù)據(jù)信息的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)其發(fā)展方向，找出潛在的安全隱患和解決辦法，如果有安全隱患，則自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

(3)智能化銷售。煤炭銷售要經(jīng)過裝載、稱重、進(jìn)出煤礦等流程，最后形成一次完整的交易記錄，礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以對(duì)銷售流程進(jìn)行智能化管理。如智能識(shí)別進(jìn)出煤礦裝載車輛的信息，準(zhǔn)確判斷車輛裝載情況以及自動(dòng)記錄稱重信息等，形成無人值守的智能化銷售環(huán)境。

(4)智能化管理。煤炭企業(yè)的管理涉及到企業(yè)經(jīng)營管理、生產(chǎn)過程管理、人力資源管理、物資管理、財(cái)務(wù)管理、供銷管理和后勤管理等多個(gè)方面[8]。礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將煤炭企業(yè)的所有管理資源和信息進(jìn)行整合兼并，最終實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一智能化管理。

(5)智能化決策。煤炭企業(yè)在實(shí)現(xiàn)了智能化的生產(chǎn)、監(jiān)控、銷售和管理后，最終完成了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)共享互通，從而有效保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析工具，采用合理的數(shù)據(jù)分析模型，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，將原來相互間沒有聯(lián)系的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成決策建議，最終為管理層決策整個(gè)企業(yè)提供重要依據(jù)。

5 結(jié) 語

礦山物聯(lián)網(wǎng)是新興網(wǎng)絡(luò)協(xié)作平臺(tái)，是一個(gè)非常先進(jìn)、全面、復(fù)雜的系統(tǒng)，礦山物聯(lián)網(wǎng)上的物品和設(shè)備之間可以自由通信、分享信息。礦山物聯(lián)網(wǎng)體系通過感知層、解析層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)、智能化監(jiān)控、智能化銷售、智能化管理和智能化決策。礦山物聯(lián)網(wǎng)體系可以有效解決現(xiàn)有煤炭企業(yè)的信息化、自動(dòng)化難題，實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)，減少或避免重大災(zāi)害事故的發(fā)生，有效提高煤炭企業(yè)生產(chǎn)效率和人員安全保障水平。