礦山物聯網技術及其在智慧礦山建設中的應用

（中鐵資源集團有限公司，北京 100039）

在國家大力推進智慧礦山建設的背景下，國內礦山行業對于物聯網技術在礦山建設中的應用也非常重視。物聯網是一種基于信息技術和電子技術的多學科技術，作為智慧礦山建設的基礎，重點解決系統軟硬件環境問題，包括設計平臺架構、業務子系統的接口設計、存儲和數據管理設計、異構通信子網核心技術以及第三方子系統接入的問題。同時，在礦山物聯網平臺的基礎上，實現了全息數字化信息顯示和生產安全監控等業務功能。

1 智慧礦山的現狀與發展趨勢

由于我國大多數礦山的地質條件惡劣，生產系統復雜，安全生產條件差，所以在生產過程中引起很多問題，如果不及時采取有效措施，則可能導致重大事故。在這樣的背景下，大型國有礦山行業將積極引進先進的信息和自動化技術，以信息系統為平臺，以自動化管理為手段來實現遠程集中自動化管理，從而減少了人員，提高了效率。但是，在現階段，中國大多數礦山安全管理系統相對于其他系統是獨立存在的，導致重復投資，浪費資源，無法實現信息共享、數據暢通。

在過去20年中，在國內礦山行業的信息化建設過程中大致分為以下四個階段：第一階段是業務信息的電子化階段：單獨的電子設備用于收集數據，并以文本、電子報告等形式記錄為電子業務信息。第二階段是數字礦山：數字礦山信息管理系統用于礦山生產進度管理、設備設施管理、銷售信息管理等各種業務，將大量的結構化的業務數據存儲在數據庫中，讓使用人員可以實時掌握和管理礦山的運營。第三階段是虛擬礦山或全息數字礦山：將整個礦山的真實情況以及各方面的相關數據都繼承下來，做到整個礦山包括井下真實場景以虛擬現實的形式再現展示，做到輔助分析決策。第四階段是智慧礦山：在全息數字礦山的基礎上，將物聯網技術使用其中，系統集成，數據融通，實現管理、控制和監督的集成，再將人工智能技術使用其中，實現科學和智能的管理決策，再利用自動定位和導航技術實現采礦的自動化和無人化。由于國家對礦山安全、信息化和自動化的要求不斷提高，在國家政策、科學部署和各礦業主管人員有效實施的指導下，基于物聯網、虛擬現實、AI人工智能等技術的智慧礦山平臺建設無疑將帶來巨大的飛躍。

2 礦山物聯網和智慧礦山

物聯網是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控的設備或過程的各種信息，通過網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對設備和過程的智能化感知、識別和管理。基于礦山物聯網和互聯網的核心技術，將最初孤立的礦山安全和自動化等系統集成到一個綜合平臺上，真正實現井下環境、人員監控、語音、視頻、自動控制等多網合一。在此基礎上，統一管理、交換和分析各種信息，最終通過智能系統計算出決策信息和解決方案。

智慧礦山基于物聯網、地理信息系統作為支撐，并使用現代計算機技術、網絡通信技術、自動化控制技術和現代企業管理相結合的多層級分布式網絡，實現礦山安全生產過程中的信息數據集成與智能控制、提高安全生產水平和生產運行效率，分步實現智能決策和管理。

物聯網作為一個發展中的新產業，它融合了各種高新科學技術，使人、物和計算機做到了互通互聯、信息同步共享。它是一項將各種傳感器與現有網絡相連接、相融合的新技術，基于物聯網的智慧礦山的建設是以信息化和自動化為基礎，將礦山的生產、安全、銷售、運輸、物資等每個環節融合到一個平臺上，實現各類信息數據的采集、存儲、管理等。將各類的信息數據進行大數據分析和計算，最終提供決策信息和解決方案。目前礦山行業智慧化建設還處于初級階段，物聯網是智慧礦山建設的基礎，因此，進行相關物聯網研究對智慧礦山建設有著至關重要的意義。

3 設計基于物聯網的智慧礦山系統

基于物聯網的智慧礦山系統應著眼于三個方面：企業管理、工業自動化和礦山安全，需要使用物聯網、信息融合、AI人工智能等技術，可以使用三維GIS技術進行立體的、可視化的全息展示，整體建設涉及到多項內容和技術，所以智慧礦山是一個復雜的系統工程。因此，需要提前做出一個先進、科學、完整的項目設計，確保建設有序的進行。

（1）總體系統框架：全息數字化智慧礦山系統利用物聯網、互聯網和云計算技術為具有集團、二級公司和基層礦山等多層級單位的大型集團公司構建總體的、多層級的、綜合性的管理、控制和監督平臺。形成用于礦山監控、管理的一體化的全息數字智慧礦山管理平臺，具有統一身份認證、統一平臺接口、統一數據管理，實現整體礦山的線上管理。

（2）集團級別的平臺架構：可以隨時查看和監視所有下屬生產單位的安全、生產和運行狀態。通過整合、提取和統計等方法來分析整個集團的所有信息數據，可以全面反映各個系統的生產經營狀況等，為管理層的決策提供數據支撐，同時也能根據專家決策系統，利用智能算法，為管理者提供輔助決策支持。

（3）礦山及生產單位平臺架構：在智慧礦山系統上，實現了企業OA和ERP的統一管理，實時對生產的各個設備進行可視化監測和遠程控制，可以對事故進行提前預判，提前預警，防止事故發生。

（4）系統邏輯架構：各類礦山業務在礦山物聯網信息平臺上傳輸數據、共享數據，而無需擔心異構網絡中的通信問題。借助平臺的數據融合功能，每個礦山業務傳輸數據，而無需考慮網絡帶寬、延遲等問題，平臺的異構網絡傳輸算法會解決這些問題。底層的智能協議模塊和標準化接口模塊對不同系統的數據進行整合，將其上傳到數據挖掘、業務系統等模塊進行數據分析，借助三維GIS系統和WEB頁面進行全面展示，在可視的前提，實現了一體化的生產和安全管理。

4 物聯網在智慧礦山建設中的應用

作為一項不斷發展的新技術，物聯網可以從字面上理解為萬物互聯的網絡，因此，物聯網以互聯網為基礎，可以擴展到任何項目的各個終端設備，實現項目之間的信息互聯互通。在應用物聯網技術的過程中，把需要實時管理的任何對象連接起來，收集各種必要的信息，組成一個龐大的網絡，該網絡實現了物與物，物與人，物與網絡之間的連接，為管理和控制提供了便利。在礦山建設過程中存在環境較差，通訊困難等問題，通過加速礦山的數字化建設，可以有效提高生產效率，并確保井下作業安全。因此，在礦山建設中引入物聯網技術可以為智慧礦山建設奠定良好的基礎。

4.1 采礦過程實時監控系統

在采礦過程中，由于井下采礦受到多種因素的限制，無法及時發現采礦過程中的一些異常情況，因此無法及時采取有效措施，不僅會導致生產管理上的滯后，而且會造成安全事故的發生。將物聯網技術應用于礦山，建立一個實時監控系統，可實時了解和監控礦山的生產狀況，有效改善這一問題。實時監控系統主要依靠智能數字傳感器、無線局域網和RFID等技術，使用射頻、紅外和激光傳感器實時監測井下工人、設備和環境狀況，以及各種生產環節的運行狀態，并使用接口技術來形成礦山智慧網絡，為礦山的生產管理提供有效監控，實現生產調度和指揮決策的智能化。

4.2 安全監控系統

在礦山企業的整個經營中，安全生產是一個從未改變的重要課題。在生產過程中，礦山生產人員、生產設備、生產環境存在許多不確定性，經常會發生緊急情況。因此，在礦山生產期間，必須有效地監視和定位生產人員、生產設備和生產材料，并及時收集工作環境的數據。當前，大多數礦山都安裝了安全監控和人員定位系統，但是該系統與其他系統不能互聯互通，這使得監視系統和定位系統無法發揮重要作用。物聯網技術用于礦山安全監控系統中，該系統由身份卡、讀卡器、網絡通訊系統、安全生產管理系統軟件組成，不僅可以對生產人員和生產設備進行定位，還可以收集工作環境的數據并實時進行數據傳輸，安全生產管理系統軟件對數據進行科學的分析和計算，對即將發生的緊急情況進行預判，及時將預警信息發送到井下。

與其他行業相比，礦山行業存在許多危害，因此對采礦過程中對主要危害進行監視、預警和緊急處理有更高的要求。因此，需要以地理信息系統為基礎平臺，與物聯網協同處理，通過有效的災害評估，可以對災害進行預判，實現礦山危害的動態監控和現場預警。通過基于GIS技術的物聯網，將每個獨立的監視對象連接起來，創建基本的空間數據庫，實現危害監測、預警分析、趨勢分析、應急管理等功能。

4.3 智能物流系統

礦山生產中需要大量爆炸物，許多礦山事故都涉及濫用和處理爆炸物，因此，爆炸物流量控制是極其重要的控制環節。傳統的管理方法難以精確控制，物聯網可以通過二維碼、RFID識別技術來管控爆炸物的流量。同時，它與人員定位系統和車輛管理系統結合使用，統計爆炸物的數量，識別接收爆炸物的人員和記錄爆炸物的使用情況，從而杜絕因爆炸物管理不善引起的安全事故。

5 結束語

本文著眼于礦山的現實情況，基于整合和標準化的思維，結合礦山的建設初期投資和未來的發展需求，介紹了基于物聯網的智慧礦山建設。它可以充分利用現有的自動化設備整合不同時期的礦山，通過整合不同自動化程度的設備，實現統一管理。物聯網技術的推廣和實施無疑將成為現代智慧礦山建設的重要技術之一。