礦山物聯網實驗教學平臺設計

張延凱 高玉坤 歐盛南 王少勇 張永芳

[摘要]礦山物聯網技術以安全、高效、綠色開采為目標，將感知技術、傳輸技術、信息處理、智能計算、控制技術、信息管理等與采礦技術緊密結合，實現對礦山整體及相關現象的可視化、數字化及智慧化。礦山物聯網技術實驗教學還處于摸索起步階段，實驗課程體系不完善、實驗教學平臺匱乏、實驗教學人才緊缺等問題都亟待解決。通過梳理礦山物聯網相關理論體系和技術架構，分析實驗教學中存在的問題及主要原因，結合北京科技大學課程設置、研究基礎、教學資源等實際情況，提出實驗教學平臺的總體建設思路，規劃了感知層、網絡層、應用層等各層的建設內容，以滿足采礦工程專業本科生礦山物聯網技術課程實驗教學的需求。

[關鍵詞]礦山物聯網;實驗課程體系;礦山安全;感知礦山;數字化

[中圖分類號]TD679

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0059-04

1991年美國麻省理工學院首次提出物聯網概念，并于1999年成立自動識別中心。2005年國際電信聯盟進一步拓展了物聯網的內涵，物聯網現已廣泛用于家居、建筑、醫療、工業、農業、物流、交通等各領域，萬物互聯（Thing to Thing，T2T）的時代已經到來。

2009年我國提出“感知中國”戰略構想，中國物聯網產業迎來重大機遇期。2010年中國礦業大學物聯網（感知礦山）研究中心成立，這標志著我國礦山物聯網研究的開端。為滿足物聯網人才培養的需求，國內高校和高職院校開設物聯網課程甚至設置物聯網專業的越來越多。但是，由于物聯網技術的快速變革，實驗教學平臺的建設和更新成為制約物聯網教育的瓶頸，具體到礦山物聯網方向更是如此。

掌握礦山生產特點，同時具有物聯網知識的通用型人才已成為礦山需求的熱點。圍繞礦山物聯網專業人才培養，本文分析了當前礦山物聯網實驗教學中存在的問題，并針對實驗課程體系不完善、實驗教學平臺匱乏等主要問題，結合北京科技大學相關實驗教學平臺設計實踐，梳理了該類型平臺的設計思路，這對同類型其他高校具有參考借鑒意義。

一、礦山物聯網體系架構

自礦山物聯網概念提出以來，其理論日趨完善，實踐范圍不斷擴大。多家大型礦業公司積極嘗試探索部署了不同規模的物聯網系統，取得了顯著的社會效益和經濟效益。

（一）礦山物聯網建設目標

礦山物聯網的概念最早在煤炭領域提出，其建設目標主要是圍繞生產安全問題。姚建銓院士認為，礦山物聯網以實現本質安全礦山為目標。丁恩杰等把有效利用礦山安監數據作為礦山物聯網的首要任務，致力于實現礦山全面感知，確保安全生產。袁亮院士認為，礦山物聯網技術為精準開采及無人礦山服務，是實現智慧礦山的技術支撐。錢鳴高院士提出采礦的核心任務是安全、高效、綠色地采出礦物資源。

礦山物聯網是服務于采礦的信息化技術手段，因此，礦山物聯網技術應以安全、高效、綠色開采為目標?，F階段，礦山物聯網主要應用于煤炭安全領域，因為安全是煤礦生產的前提條件，同時，該領域具有良好的數字化、自動化、信息化基礎。未來，礦山物聯網必將得到更加廣泛的運用，為實現安全、高效、綠色礦山發揮更大的作用。

（二）礦山物聯網層次體系

物聯網由感知層、網絡層和應用層組成。感知層包括各類傳感器、RFID等，實現物體識別、空間定位、狀態感知、信息采集、數據短距離傳輸與編碼等。網絡層包括有線傳輸、無線傳輸、網關等，網絡層能夠將感知數據透明、可靠、安全、高效地傳送。應用層由各種軟件和反饋控制單元組成，滿足不同行業的個性化需求，提升智能應用水平。

作為物聯網應用的一個重要領域，礦山物聯網同樣可以歸納為三層體系。目前，得到公認的礦山物聯網體系結構如圖1所示：

（三）礦山物聯網技術特點

礦山生產要面對復雜多變的地質條件，使用種類繁多的大型設備，經歷曠日持久的開發流程，涉及地上地下大范圍的作業空間，受瓦斯、潮濕、震動等環境的影響。因此，礦山物聯網要求必須能夠適應“復雜、受限、時變、惡劣”等特定條件。

感知層與網絡層要求能夠具有防爆、防塵、防潮、防震等特性。同時，由于采礦工程的時變特性，感知層網絡采用動態、分布式、自組網更為適合。另外，地下封閉空間對無線信號的屏蔽作用使4G網絡、GPS、Wi-Fi等地面通用技術失效。礦山特別是地下礦山通常要自建礦域工業環網、礦圖定位導航系統、礦用通訊聯絡系統等。

應用層將感知層獲取的海量數據通過傳輸層進行匯總，從低密度、低價值數據中挖掘有用信息，有效支撐生產執行系統（MES）和決策支持系統。礦山MES由通風、排水、供電、運輸、地壓監測、尾礦庫監測、位移監測等各種自動化和監測系統組成。礦山MES實時性要求高，將應用層下移，運用邊緣計算技術將有效緩解海量數據傳輸壓力、提供快速響應解決方案。礦山決策支持系統主要是利用礦山運行數據結合外部政策、經濟、社會條件對生產經營活動進行評估與量化，包括礦山資源評價、礦山環境評價、礦山安全形勢評估、礦山生產優化等。MES側重于某一生產系統或某個局部，決策支持系統更加關注礦山整體，兩個系統從不同層面服務于礦山高效、安全、綠色生產目標。

二、礦山物聯網實驗教學存在的問題

作為新興交叉學科，物聯網涉及網絡技術、通信技術、數據庫技術、嵌入式開發、傳感器技術等，礦山物聯網技術是物聯網技術+礦業，礦業的高度復雜性決定了其具有更加明顯的交叉學科特征。我國礦山物聯網實驗教學才剛剛起步，主要存在以下問題。

（一）實驗課程體系不完善

中國礦業大學煤礦物聯網（感知礦山）研究中心全面梳理了礦山物聯網的體系結構、功能、關鍵技術等，并將相關研究成果應用于（煤礦類）高校實驗教學中。但是，課程設置特別是非煤礦山物聯網技術的實驗課程設置還需進一步探討研究。由于從理論到實踐，礦山物聯網技術發展不過十來年時間，加之技術更新迅速，礦山物聯網理論技術體系尚不成熟。另外，傳統采礦工程專業學生知識結構相對固化，需要補充大量前序和后續課程以配合礦山物聯網教學。課程改革和實驗課程體系的建立涉及面廣、操作復雜、效果評價困難。

（二）實驗教學平臺匱乏

由于礦業類實驗課程建設投資大、準備周期長、維護成本高，部分單位不具備資金、技術、場地條件，實驗教學平臺建設和維護困難。礦山物聯網技術屬于新開設課程，沒有與之配套的實驗教學平臺類產品?，F有通用性物聯網實驗箱、計算機網絡、傳感器、單片機或嵌入式開發等實驗平臺不能直接用于礦山物聯網技術實驗教學，因此，學校只能圍繞教學需求自行研發相關實驗平臺。

（三）實驗教學人才緊缺

工程技術人才的培養除了必要的基礎理論知識之外，更重要的是通過實踐教學培養學生的動手操作能力。開展礦山物聯網實驗教學除了需要完善的實驗教學體系和配套的實驗教學平臺外，還必須要有熟悉理論及實踐操作的實驗教學人員。當前，我國礦業領域急缺此類人才。一方面，計算機、通信技術類教師很難弄懂礦業需求;另一方面，礦業類教師對物聯網相關技術掌握不深入，很難找到既懂礦業又懂物聯網的合格教育人才。

三、礦山物聯網實驗教學平臺設計

現代信息技術、網絡技術、大數據、云計算等一系列新興技術正在沖擊和改造著傳統礦業教學的理念、內容和方式。北京科技大學采礦工程專業緊密圍繞國家金屬礦產資源開發利用的重大戰略需求，瞄準礦業與安全工程學科前沿，采用現代高新技術改造傳統采礦產業，以解決影響礦山安全高效開采的突出問題為目標，全面開展采礦基礎科學創新及其應用研究。

（一）礦山物聯網技術課程設置

礦山物聯網技術是北京科技大學智能采礦班主干特色專業課程，共設置32學時，包括20學時的理論講授和12學時的實驗。與之配套開設了大學計算機基礎、微機原理及應用、C語言程序設計等前序通識類課程和智能采礦學概論專業核心類課程，設置了礦山機械與智能裝備、礦山現代測試技術、現代礦山智能化管理、數字軟件建模與應用等學科平臺類課程。

以上特色專業課程總計劃學時數達320學時。其中，礦山物聯網技術12學時的實驗課要輔助理論課教學，鞏固和加強相關知識點的學習和實踐，使學生更加深刻地理解物聯網的體系架構、礦山物聯網的技術特點，掌握傳感器、定位、組網、數據采集與分析的基本技能，為礦山物聯網的設計、設備（網絡）選型、開發奠定基礎。

（二）實驗教學平臺設計思路

礦山物聯網實驗教學系統通過教學和實踐、感知體驗與動手開發、方案設想及實際驗證的結合，提高學生的系統思維能力，鞏固學生的理論知識，積累實踐經驗，從而全面提高實驗教學質量水平。

該平臺由硬件設備、軟件資源構成。硬件包括物聯網綜合實驗箱、視頻采集設備、工業物位計等。軟件包括系統網絡軟件、通信接口程序、三維可視化編輯及展示軟件等。結合礦山實際情況，感知層硬件包括氣體濃度、溫濕度、壓力、粉塵濃度等，通信接口包括Wi-Fi、藍牙、工業串口等，以上設備和接口用于構建礦山物聯網感知層，實現礦山環境和生產狀態數據的及時采集。

根據礦山組網特點，網絡層采用光載無線交換機、網橋，實現無線信號傳輸;光纖、網線、光端機等，用于工業環網的搭建;同時配備Wi-Fi、藍牙、ZigBee等無線通信節點及RFID讀/寫卡器，以快速組建無線傳感器通信網絡。

應用層是本實驗教學平臺設計的重點內容。應用層軟件應實現井下生產開拓、人員定位、視頻監控、有害氣體監測等的三維虛擬仿真?？蓪崿F對傳感器異常數據自動識別并進行聲光電的報警提示;對傳感器和監控設備進行遠程控制。為方便系統的維護與擴展更新，應用層軟件應支持井下巷道自動三維仿真建模;可以自定義傳感器模型;可以實時接收和顯示傳感器數據信息;支持二次開發。

由于礦山物聯網系統使用條件“復雜、受限、時變、惡劣”，系統要發揮作用，在硬件上要防塵、防爆、防水，在軟件上要能和生產系統快速對接，其維護和更新格外重要，為此設計的實驗教學平臺系統總體邏輯如圖2所示。

（三）實驗教學內容設計

按照課程大綱，礦山物聯網技術實驗部分12課時，每次實驗2課時，共設置6個實驗。基于礦山物聯網應用體系架構，覆蓋傳感層、網絡層、應用層等各個層面的典型技術，實驗課程從體驗、使用到開發、設計逐步深入，實驗題目如下。

實驗一：網絡傳輸基礎實驗（實驗內容包括有線局域絡、工業環網）。

實驗二：短距離無線通信網絡實驗（實驗內容包括Zigbee、Wi-Fi）。

實驗三：無線傳感器監測數據采集實驗（實驗內容包括溫濕度、液位計）。

實驗四：礦山物聯網平臺搭建（實驗內容包括三維場景建立及更新維護、數據采集）。

實驗五：井下定位實驗（實驗內容包括人員定位、設備定位）。

實驗六：礦山物聯網數據分析（數據展示、存儲策略、關聯分析）。

針對以上實驗內容，設計具體實驗環節，并圍繞實驗所需組織實驗資源。實驗過程緊密圍繞礦山特點，兼顧物聯網通用知識的培養。其中，實驗一至實驗三屬于基礎實驗，實驗四至實驗六為專業綜合實驗。

（四）實驗教學平臺的特點

現階段礦山物聯網技術尚缺乏穩定、開放、高效、全覆蓋的感知傳輸網絡，難以實現對災害隱患的自動識別、有效預警、協同控制。本實驗教學平臺從礦山工程實際出發，力求全面仿真采礦作業條件，構建具備自我識別、精確定位、全面感知、智能分析、協同管控的礦山物聯網實驗教學系統。

本平臺具有如下幾個顯著特征。1.豐富多樣的感知類型。以通用物聯網實驗箱+外接專業傳感器模式涵蓋了位移、應力、粉塵、氣體濃度等多種感知類型。2.開放靈活的組網方式。有線、Wi-Fi、工業環網、ZigBee等混合組網，學習者親自動手選擇組網形式，網絡搭建清晰明了。3.統一協調的三維分析軟件。礦山生產作業場景建模、地下空間定位、傳感器數據采集、三維展示等多功能集成，實現多源異構信息的統一處理、系統分析。4.兼容簡便的維護升級模式。全面兼容不同接口形式、支持Python語言二次開發，軟硬件平臺可擴展性強。

四、結語

通過對礦山物聯網相關理論體系和技術架構的梳理，對其實驗教學中存在的問題及原因分析，結合實際情況規劃了礦山物聯網各層的建設內容，得出以下結論。

1.礦山物聯網具有感知層、網絡層、應用層架構，其在定位、感知、傳輸、應用等核心技術上都具有礦業行業特點。2.礦山物聯網實驗教學還處于摸索階段，在實驗課程體系、實驗教學平臺、實驗教學人才等方面還存在諸多不足，有待加強。3.礦山物聯網實驗教學平臺的設計應結合高校教學和科研特點，體現專業技術特色，力求做到豐富、靈活、開放、兼容。

[責任編輯：陳明]