物聯網在煤礦中的應用現狀及展望*

趙 炬，吳佩利，孟 然

(1.陜西能源職業技術學院 煤炭與化工產業學院，陜西 咸陽 712000；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

由于開采深度的增加，地應力、瓦斯突出等對煤礦安全生產的影響日益突出[1]，對保證煤礦安全生產，促進煤礦信息化發展十分重要，物聯網作為信息時代的產物，雖然在我國出現較晚但受到高度的重視，國家應急管理部曾指出加快礦山物聯網的建設，對提升煤礦安全監管和事故防范能力至關重要[2]。隨著物聯網在礦區的投入使用，實現了井下多源信息的采集融合，在一定程度上緩解了井下信息孤島的狀態，而且物聯網所具備的信息的實時采集傳輸能力，實現管理人員對煤礦信息更加全面、準確、實時地了解[3]；對及時發現排除事故隱患，制定相應防災減災措施等提供強力的保障。

1 物聯網的概述

物聯網(Internet of Things，IoT)概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出[4]，早期的物聯網是指依托射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術和設備，按約定的通信協議與互聯網相結合，使物品信息實現智能化識別和管理，實現物品信息互聯而形成的網絡[5]。隨著科技的發展，物聯網得到了加強和完善，它的定義也出現了許多不同的版本。總體來說，物聯網可以概括為：通過傳感器、射頻識別技術、全球定位系統等技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或者將生產生活過程中所需要的各類信息進行采集分析，通過各種可能的網絡接入，實現物與物、物與人的連接，從而實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯網的主要技術見表1。

表1 物聯網主要技術介紹

物聯網主要包括3個層次：感知層、網絡層、應用層[6]。感知層是物聯網應用、發展的基礎，主要功能是幫助人們獲取物理世界的各類信息，例如對外界環境壓強、氣壓、溫度、濕度等信息的采集，并通過對這些信息的采集，實現對物體的識別和與物體相關的各類物理信息的感知。網絡層主要用來實現更加廣泛的互聯功能，它建立于現有的通訊網和互聯網之上，它能夠將感知層收集到的信息進行無障礙、高可靠性、高安全性的傳輸。隨著通信技術的快速發展，網絡層的服務能力也越來越強，其穩定高速的傳輸能力確保了感知層采集信息的時效性、穩定性，對于物聯網的構建是不可缺少的一環。應用層是物聯網的核心與發展潛力的關鍵，它的作用在于對采集的信息進行處理、分析，然后根據使用者的需要將這些信息應用到不同的方面[7]。

2 物聯網在煤礦中的研究與應用

2.1 物聯網在礦井設備管理中的應用

礦井設備在煤礦安全生產中占據著十分重要的地位，是煤礦生產的重要保障，井下設備一旦出現問題，輕則停產，重則可能導致嚴重的事故，造成大量的人員傷亡和財產損失，所以對井下設備的監測監控十分重要。傳統的監控檢測存在著不全面、實時性差、設備之間獨立檢測信息不互通等問題，通過物聯網的使用不僅實現了對設備的全面監控，而且可以將設備進行統一管理，在加強對設備監測能力的同時，還提高了設備的管理效率，實現設備的協同管理，達到降低能耗和延長設備使用壽命的效果。設備信息的及時獲取如圖1所示。

圖1 設備監控系統示意Fig.1 Schematic diagram of equipment monitoring system

潘文忠[8]針對了人工檢測往往對井下機電設備發生故障的部分不能做出精準的判斷，提出利用物聯網技術對設備實行全面監測，并指出通過物聯網的全面監測，及時對設備進行維修，不僅可以降低維修成本，更能減少因設備故障引起的事故，在一定程度上保證了人員生命安全和提高了礦井的安全程度。劉楊等[9]論述了基于RFID射頻技術的智能礦車和智能礦燈的研究，提出了利用物聯網中的RFID射頻技術和信息傳輸技術，使礦方可以精確地了解井下礦車的數量和所在位置。李敬兆等[10]提出了通過物聯網對礦山大型機電設備協同管理，不僅提高了設備的使用效率，而且減少了機電設備在生產過程中的耗電量。

2.2 物聯網在礦井人員管理中的應用

礦工作為煤礦生產的主要參與者，保障他們的安全不僅是國家以人為本的要求，也是企業長期穩定發展的保障，所以對人員的管理一直是煤礦企業的重點工作之一。由于生產工作面遠離地面且工作環境復雜，人員管理方面一直存在著考勤困難、違章操作發現不及時、人員信息獲取難等問題，通過物聯網的引入，使得人員的身份信息、位置信息、身體狀態等信息，可進行及時獲取和處理，降低了人員管理的難度，同時加強了管控力度，大大減少違章操作行為的發生，具體如圖2所示。

圖2 人員信息識別系統Fig.2 Personnel information identification system

王亞琴等[11]結合國內外RFID技術的研究經驗，利用物聯網中的RFID技術與CAN總線相結合設計了井下人員定位系統，可以實時收集井下人員信息，在一定程度上給井下從業人員提供了生命安全的保障。韓臻[12]描述了亭南煤業使用有源和無源的RFID卡來實施人員定位與考勤，從一定程度上減少了代刷的發生，增加了考勤的準確度。孫繼平[13]利用物聯網對特種作業人員是否持證上崗和是否有權進行操作進行監控，將作業人員的證件編號與姓名、人臉或虹膜等個人信息綁定，在作業人員入井時可自動檢查人員是否持證上崗，在其操作設備時，也可通過設備識別系統判斷其有無權限，若無權限，禁止其進行操作并選擇報警。

2.3 物聯網在井下環境監控中的應用

由于井下的環境復雜多變，通常的監測手段往往是對單一信息的監測，且存在著傳輸的滯后性，這樣導致得到的環境信息準確度不高，且信息無法得到充分的利用，物聯網的引入實現多元監測，全面測得各類環境信息，及時上傳統一處理，增加了環境信息的關聯性，使得判斷更加準確，同時及時地獲取處理制定相應的政策,使得信息利用率得到極大地提升，工作原理如圖3所示。

圖3 環境監測系統示意Fig.3 Schematic diagram of environmental monitoring system

徐江陵[14]利用物聯網技術進行井下瓦斯的監測與報警，當井下布置的瓦斯傳感器檢測出井下瓦斯濃度超標后，將檢測到的信息發往報警系統，系統在數據分析的基礎上進行風險判定，一旦得出當前瓦斯濃度已經達到事故設定的濃度時，立刻報警提醒井下作業人員。孫繼平[15]在分析瓦斯爆炸事故的基礎上，提出了利用物聯網技術對礦井瓦斯實施多級監管，保證在煤礦一些防護措施未能發揮作用的情況下，上級管理部門可以對井下的信息有所了解，及時發現礦井中存在的安全隱患，并且針對具體情況制定相應的措施。王軍號等[16]針對當前煤礦瓦斯監測數據存在著模糊、不精確等問題，提出將物聯網感知技術應用到煤礦瓦斯監測中，除了對瓦斯進行數據采集外，同時對風速、溫度、粉塵濃度等信息實施采集，然后利用信息融合算法，實現信息互補和協同感知。使得監測信息的精準程度得到了很大的提升，為煤礦的生產安全提供了更好的保障。

2.4 物聯網在煤礦綠色發展中的應用

物聯網的構建可實時監控在采煤過程中的各類消耗，同時可以監測排出有毒有害物質和污染物的量，加以控制達到節能減排的要求。何新洲等[17]針對環保問題提出了利用ZigBee技術與傳感器，對溫度、水質、有害氣體等環境信息進行實時監控，并將監控數據反映到監控平臺，實現節能減排、保護環境的目的。吳立新等[18]論述了基于數字礦山和礦山物聯網的智能采礦技術，表示該技術不僅是提高生產能力和礦區的安全水平的保障，也是實現礦山可持續發展、綠色發展的基礎。高彬等[19]基于物聯網設計了物資管理系統，在礦用物資上裝配RFID標簽，通過網絡傳輸實現對物資使用壽命、所處位置進行監測，從而減少物資的浪費。

2.5 物聯網在應急救援中的應用

應急救援是煤礦事故的最后一道防線，是保障遇險礦工生命安全的重要工作。礦山事故救援的成功關鍵因素之一就是對井下災區信息的充分準確掌握，其次就是信息的快速獲取。傳統手段存在著信息監測不全面，信息獲取相對滯后等問題，使得救援過程中災情信息存在一定的模糊性和難預測性。利用物聯網技術，可以對井下各類信息實施全面采集、實時上傳，可提高災情信息獲取的準確性、及時性，縮短救援的準備時間，提高決策的科學性和及時性，從而大大地提高救援效率。

西安科技大學鄭學召等[20]總結了以往的礦山救援中存在的問題，提出了礦山救援需根據當時情況，靈活地選取并組合各種救援設備，并分析了RFID技術、ZigBee技術、Wi-Fi技術、UWB技術在人員定位方面的優缺點，為救援方面應用提供了指導。最后提出了煤礦探測機器人技術，不僅可以保證救援人員安全，同時還提高了救援效率。王吉龍等[21]提出在應急救援物品上裝RFID的標簽，這樣一方面可以增強日常設備管理的效率，另一方面在發生事故時能準確地了解到設備的位置、狀態，不僅提高了救援的效率，而且在一定程度上增強了應急救援的作用。

3 物聯網在煤礦應用中存在的問題

隨著物聯網的發展，在煤礦上的應用越來越普遍，體現出了非常大的優越性，但是在煤礦的應用中還存在著一些問題，一定程度上制約了物聯網在煤礦上的發展。

3.1 多數物聯網相關設備對煤礦復雜環境適應性差

當前市面上的物聯網設備種類非常多，設備的功能基本可以滿足礦山的要求。但是很多物聯網設備在細節上存在著問題，如防爆、防塵等性能，將其應用在井下本身就存在著安全隱患，而且部分設備功能性單一，無法實現多種信息的同時采集，大量鋪設既不方便，又增加成本。

3.2 礦山物聯網信息安全性較差

隨著礦山物聯網的構建，大量的信息需要傳輸，信息泄露很可能對企業帶來大量的損失。雖然許多商家也開始著眼于信息的保護，但是多數企業的逐利性導致物聯網的信息安全不能得到重視[22]，推進緩慢，技術上的不成熟也是提高信息安全性的一個阻礙。

3.3 礦山物聯網的相關標準不統一

礦山物聯設備接口、通信協議等還缺乏一個統一的標準，導致各系統之間無法形成有效的信息聯通、交互，“信息孤島”現象無法得到根本上的解決[23]。物聯網的性能不能充分發揮，它的優越性也不能得到充分體現，使得礦方在使用過程中無法達到預期的目的，嚴重制約了礦山物聯網的發展。

3.4 物聯網普及和利用率不高

部分煤礦企業領導對技術革新認識不清，缺乏應對的手段，更習慣于傳統的煤礦發展模式[24]，對物聯網的建設積極性不高。另外礦井從業人員素質參差不齊，有的人員對新技術的學習、使用缺乏動力，導致物聯網的使用率較低，不能完全發揮礦山物聯網的價值。

4 礦山物聯網應用問題的解決對策與研究展望

4.1 礦山物聯網問題的解決對策

煤礦生產因政策、生產條件、市場需求的變動，其發展方式也發生著變革，物聯網隨著煤礦發展的改變越來越廣泛地應用到煤礦生產中，物聯網在煤礦應用中呈現良好的發展趨勢。針對當前煤礦物聯網應用中存在的問題，應加大生產廠商與煤礦企業的合作力度，使煤礦的技術人員參與到廠商的設備研發生產過程中，提出煤礦所需物聯網設備的要求，讓生產廠商按照要求進行研發生產，同時需要加強物聯網相關人才隊伍的建設，提高物聯網相關技術的研發能力，保證可以按照要求生產出相適應的設備。在法律上進行嚴格要求，打擊竊取信息的犯罪行為。聘用專業人才對信息進行加密處理，幫助企業構建防火墻，保證信息在傳播過程中的安全性，對關鍵信息進行備份防止丟失，加強負責網絡安全人員的管理，杜絕監守自盜。發揮政府的職能，與高校、科研機構、生產廠商進行協商，對各類標準進行統一規定，同時也要考慮生產企業的生存狀況，對物聯網生產廠商加大扶持力度，推進技術革新，保證物聯網的發展，也是促進標準統一的重要保障。政府應引導企業，鼓勵企業應用物聯網技術，研發部門推動物聯網技術的發展，推動礦山物聯網的智能化，以及相關設備操作維護的簡易化，同時企業開展員工培訓，讓員工了解、熟悉物聯網相關設備的操作，做到設備能用、工人會用。

4.2 礦山物聯網的研究展望

隨著煤礦物聯網的發展，相關技術、設備的更新，煤礦也朝著監控一體化、救援智能化、生產少人化的方向發展。

4.2.1 監控一體化

利用先進的傳感設備構建人、機、環境的感知網絡，保證對人、機、環境信息的實時采集，統一通信協議，增加各個監測系統間的信息交互，通過當前開發出的5G和光纖等先進的傳輸手段，保證信息的及時上傳。結合數據融合、云計算、風險分級、WebGIS和一張圖模式的展示等技術，構建統一的監控平臺。不僅方便管理人員查看井下的各類信息，時刻了解井下的安全狀況，而且通過平臺建立、通信協議的統一使之前相互獨立的人員、設備、環境信息結合成有機整體，可以更加科學精準地對井下的風險等級進行評估，及時發現隱患，減少事故的發生。同時可以將平臺和廣播系統、井下各類防災裝置相連接，在判斷出可能發生事故時可以結合實時上傳的人員、設備、環境和巷道信息，規劃撤離路徑，組織人員撤離，啟動相應的防災設備防止事故擴大，如圖4所示。

圖4 監控一體化示意Fig.4 Schematic diagram of monitoring integration

4.2.2 救援智能化

事故發生后迅速開展有效的救援行動對減少人員傷亡和財產損失有著十分重要的作用，井下信息的獲取則是制定救援行動的重要支撐，當前關于救災機器人的研究越來越多?？梢詫⒕葹臋C器人并入礦山物聯網，將救災機器人作為感知工具深入井下，構成災后的感知層，同時通過便攜式的有線/無線的通信設備保證信息傳遞和指導機器人的行動。利用統一的救災平臺，結合大數據、云計算、輔助決策系統，對采集的信息進行分析處理，并得出相應的救援方案，輔助救援工作的開展。在節省救援時間的同時增加了救援的科學性、準確性，使得救援工作可以發揮更大的作用。智能救援方案如圖5所示。

4.2.3 生產少人化

當前自動化設備的應用越來越普遍，煤礦生產由于生產環境復雜、工作面隨時移動因而需要各個設備之間更加緊密的配合，利用煤炭物聯網，可以使各自動化設備的位置信息、設備狀態等信息進行實時交互。結合AI智能隨時協調各設備的生產狀態，隨時調整指令，使各設備之間配合更加密切，實現井下的自動化開采，從而減少煤礦的從業人員。

圖5 智能救援Fig.5 Intelligent rescue

5 結語

物聯網在煤礦的應用，呈現著良好的發展狀況，不僅大大提高了煤礦生產的安全程度，同時為煤礦的智能化發展奠定堅實基礎。雖然當前物聯網的應用還存在著相關設備適應性差、信息安全、相關標準不統一、人員觀念滯后等問題，但是隨著物聯網的發展，廠商煤礦合作力度的加大，各類標準的規范、網絡安全的提高以及人工智能的進步，物聯網在煤礦上的應用也越來越普及，越來越完善。希望隨著物聯網的發展與完善，煤礦生產的安全程度可以得到進一步的提升，煤礦智能化生產可以早日實現。