礦山物聯網技術及其在智慧礦山建設中的應用分析

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-7476

作者簡介：王旭強（1989—），男，本科，工程師，研究方向為智慧礦山自動化。

摘要：現代礦山建設的重要性突出，從安全生產、提高生產效率的角度出發，各地均在嘗試建設智慧礦山，這為礦山物聯網技術的運用提供了思路和空間。以礦山物聯網技術原理、構成為切入點，在此基礎上分析該技術在智慧礦山建設中的應用方法，就確定關聯主體、建立業務關聯、智慧工作系統作業邏輯控制等內容進行論述，最后結合AS礦山建設現狀進行模擬，分析礦山物聯網技術的運用優勢，為該技術的未來運用和礦山建設、發展提供少許參考。

關鍵詞：礦山物聯網 智慧礦山 邏輯控制?自動化技術

中圖分類號：TD76

礦山物聯網（Mining Internet of Things）是物聯網的一種具體形式，主要強調將傳感技術、通信技術、自動化設備以及智能化技術結合在一起，覆蓋礦山企業內各類設備、工作人員以及環境等生產和控制要素，實現生產過程的自動控制、全面感知以及智能作業。礦山物聯網優勢突出，被視作智慧礦山建設的關鍵環節[1]。目前來看，一方面智慧礦山的建設時間較短，各地對礦山物聯網技術的運用尚不完善，另一方面安全生產、高效率生產得到廣泛關注，是未來礦山企業建設的基本目標。在此背景下，分析礦山物聯網技術及其在智慧礦山建設中的應用，具有一定的現實意義。

1 礦山物聯網技術原理、構成

1.1礦山物聯網技術原理

從原理上看，礦山物聯網技術與常規物聯網技術相似，主要強調利用傳感技術、通信技術、自動化設備以及智能化技術，完成對礦山作業區域內各類設備和工作人員、作業環境等要素的實時關聯，并對一些可重復的工作環節進行智能控制，減少傳統工作模式下人員工作的精力消耗，也提升作業質量和效率[2]。礦山區域內的各類危險因素，均由智能系統進行一體化感知和分析，如果存在風險由系統發出警報，并做記錄，由人員進行后續干預。如風險的情況繼續進行信息采集，可不做信息記錄。由于智能系統工作可全程無人化或半無人化，工作質量和效率均更有保障。

1.2??礦山物聯網構成

礦山物聯網一般由4個要素構成，即終端工作系統、通信模塊、智能模塊以及其他輔助模塊。其中終端工作系統主要為傳感器等現場信息采集設備，該系統負責實時采集礦山內各區域的基本信息，如作業區域內的粉塵濃度、井下空氣質量、可燃氣體濃度等來自終端的實時信息，是礦山物聯網進行工作的基本依據。通信模塊一般包括有線模塊和無線模塊兩類，有線模塊主要用于設備之間的互聯，尤其是井下設備，在存在通信干擾、通信環境不佳的情況下，有線通信模式可以保證通信質量[3]。地上部分工作、人員信息識別等，則以無線通信技術提供輔助，以提升通信靈活性。智能模塊是礦山物聯網技術的核心模式，該模塊的主要工作任務為借助默認程序完成實時信息的分析，以判斷其是否合理、安全、得當，并據此給出下一步處理意見。其他輔助模塊如警報系統、信息存儲系統等，這一類工作系統不影響礦山物聯網技術的具體運用，但可以提升系統的工作覆蓋效應，優化智慧礦山建設水平[4]。

2物聯網技術在智慧礦山建設中的應用方法

2.1?確定關聯主體

智慧礦山建設中礦山物聯網技術的應用強調邏輯清晰、設計簡練、運用和維護便捷，同時也要求建立行之有效的作業系統，關注對各類工作主體、工作對象的有效覆蓋。實際工作中，需要首先確定與物聯網有關的各類作業主體，可大致將其分為3個類別：被控制對象、工作人員、中間設備（如作業平臺、作業系統內的設備等）。被控制對象包括礦山內的環境要素、工作系統等，這些要素是物聯網建設、智慧礦山工作的直接目標，關乎到礦山物聯網技術是否能夠發揮預期作用。工作人員即智慧礦山工作人員，包括程序設計者、遠程工作者、現場工作人等，如負責處理礦山物聯網報警信息的人員、組織數據加工處理的人員等。中間設備的功能定位各有不同，其核心作業在于維持系統工作的邏輯性和完整性，使礦山物聯網技術能與智慧礦山融為一個整體，有效服務通信、信息采集等一般性工作。

2.2?建立業務關聯

智慧礦山建設中礦山物聯網技術的關聯主體確定后，應為各主體建立明確的業務關聯，其關聯的重點在于形成有助于智能工作、信息化作業的綜合模式，也強調以信息技術、電子技術保證關聯穩定，且具有必要的魯棒性。

以礦井下的抑塵系統為例，業務關聯工作模式為中心，通過智慧礦山物聯網工作中心建立默認工作系統，通過工作人員設定工作程序，根據一般研究，礦井下粉塵濃度過高時存在爆炸風險，且增加了吸入性疾病（如塵肺）和皮膚病的發生率，可根據礦井工作物特點，設定抑塵工作最低濃度標準，默認該參數均值為X%。實際工作中，受到工作強度、時間等因素影響，作業區域內粉塵濃度一般在X%上下波動，呈現為一個模糊化線性變化特點的數集：

[X%min；-2X%；-1X%；X%；1X%；2X%；X%max] ??（1）

式（1）中：[X%min；X%max]表達作業區域內粉塵濃度的最小值和最大允許值，X%min的最小理論值為零，X%max的最小理論值為風險臨界值，最大理論值為爆炸臨界值，由傳感器實時對作業區域的粉塵濃度進行收集，當其處于[X%min；X%max]范圍內時，抑塵系統可根據一般要求決定是否作業，原則上如果X%max達到最小理論值時，即應由智能系統完成辨識，進行實時抑塵避免人員患各類疾病，也降低粉塵富集產生爆炸問題的風險。為保證業務關聯緊密，還可考慮建立備用工作系統，當常規系統因老化、故障不能完成工作時，啟動備用系統作為替代，以保證智能作業系統魯棒性。

2.3?礦山物聯網系統作業邏輯控制

智慧礦山建設中，礦山物聯網系統的作業邏輯應保證明確清晰、簡練易用。實際工作中主張采用CAN總線技術以及PLC邏輯控制系統提供邏輯控制方面的支持[5]。CAN總線系統為復雜的作業體系提供了可擴展的現場通信支持，各類不同的工作設備、人員均可通過獨立的信道與智慧礦山物聯網工作中心或其直屬部門完成關聯，以避免通信干擾、延遲等問題。在此基礎上，以PLC邏輯控制系統為智慧礦山物聯網工作中心、各獨立工作系統提供邏輯程序作業方面的支持，實現對智慧礦山、礦山物聯網系統的有序控制。當礦山控制對象數目增加或物聯網工作系統面臨優化、程序變化需要時，也可以分別借助CAN總線技術以及PLC邏輯控制系統進行通信對象拓展和程序重新編寫，持續服務智慧礦山建設和智能作業。

2.4?反饋與優化

智慧礦山建設以提升生產效率和安全工作水平為目標，需要在常規應用礦山物聯網技術的基礎上，對系統以及技術應用情況進行必要的分析、優化，使其始終滿足工作需要[6]。例如：礦山井下通風作業，常規作業模式下，通風設備可能出現老化、工作能力下降等問題，此時礦山物聯網內的傳感器發現系統通風能力下降、礦井空氣質量不佳的問題，可快速將其反映給遠程端，后者據此進行通風系統工作參數調整，也可以由通風系統借助自適應技術調整通風參數，優化井下空氣質量。當通風系統自適應調整越發頻繁，礦山物聯網系統報警次數持續增加時，應形成反饋報告，由系統自行整理通風系統自適應調整情況、礦山物聯網系統報警情況，提示遠程工作人員系統內的異常，工作人員根據反饋報告，發現井下通風系統工作參數變化頻繁，據此進行調整，更換、修理老舊部件，以充分保證礦山物聯網技術發揮優勢，提升智慧礦山建設水平。

3 模擬分析

3.1模擬對象

為論證礦山物聯網技術應用于智慧礦山建設中的優勢，選取AS礦山進行模擬分析，采用參數模擬法，利用計算機建立模擬實驗進行動態靜態信息評估。利用AS企業提供的礦山一般資料形成對比，以評估常規工作模式下礦山安全問題發生率、工作效率、故障感知和處理時間。

3.2模擬過程與結果

模擬實驗共分為兩組，第一組為常規組，以AS礦山提供的工作信息為依據進行數據加工。第二組為智慧組，利用礦山物聯網技術組織智慧礦山建設，利用計算機產生參數做技術模擬，包括靜態模擬、動態模擬兩類，靜態模擬用于分析生產效率，按照固定參數形成工作模型，判斷其標準工作模式下，以礦山物聯網技術支持智慧礦山建設，單日的勞動生產率，隨機搭建100個模型，統計勞動生產率的均值。動態模擬采用加速形式，默認加速參數為1∶100 000，每完成一分鐘模擬，相當于系統實際運行100 000 min，在此過程中添加1 000個錯誤參數，分別模擬粉塵過量、通風不暢等安全問題和風險，判斷系統是否可以敏銳感知和處理。完成模擬后，對兩組實驗結果進行分析統計。具體如表1所示。

結合實驗結果，可知常規組的礦山安全問題發生率較高、工作效率和故障感知率較低，處理時間也較長。而借助礦山物聯網技術建設的智慧礦山，能夠以現代技術完成安全問題發生率控制，發生率為0.2%；同時礦山的個人工作效率和故障感知率提升，分別達到31.2元/h、92.2%；故障處理方面，智慧礦山利用礦山物聯網技術能夠在0.33?h完成故障處置，效率更高。這表明礦山物聯網技術應用于智慧礦山建設提升了礦山工作和勞動水平。

3.3??智慧礦山建設應用礦山物聯網技術的趨勢

結合當前礦山物聯網技術應用情況、智慧礦山建設現狀，未來前者的應用可能出現更多變化，重點集中于兩個方面：技術性突出、系統改進。從模擬實驗層面出現，礦山物聯網技術應用于智慧礦山建設，顯著改善了后者的工作水平，但實驗添加的均為理想參數，并不能完全真實地反映礦山工作情況，包括通信干擾控制、物聯網老化問題影響、傳感器信息真實性和靈敏性控制等。未來工作中，應分別考慮通信質量提升、系統感知效率改進，同時兼顧動態因素控制，以提升礦山物聯網技術應用的總體水平。系統改進以技術更新為基礎，需要根據技術系統的變化做出調整，如采用的現場可視化系統的情況下，需要考慮為可視化系統提供信息處理、大數據加工、存儲和緩存方面的支持，以保證智慧礦山建設水平和礦山物聯網技術的應用質量。

4結語

綜上所述，礦山物聯網技術優勢明顯，應用于智慧礦山建設中，可以改善礦山工作水平，降低能耗、提升安全性和工作效率。其原理在于對實時信息進行收集和分析、交互，作為具體工作的依據。具體工作中，要求確定智慧礦山建設的各類主體，確定其關聯方式，并建立實時作業系統，以清晰的工作邏輯提供智能化服務。結合模擬分析結果，可發現運用礦山物聯網技術的情況下，智慧礦山的工作水平、建設水平得到提升，未來可在各地智慧礦山建設工作中加以運用。

參考文獻

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[2] 李自杰.物聯網技術在煤礦綜合信息化建設中的應用探討[J].數字通信世界， 2023（10）：134-136.

[3] 劉廣超.基于物聯網技術的煤礦網絡調度故障實時監測與診斷研究[J].網絡安全和信息化，2023（10）：151-153.

[4] 田振伍，聶倩，原小科.基于WAMS和物聯網技術煤礦全電網高壓漏電監控系統方案設計[J].內蒙古煤炭經濟，2023（5）：54-56.

[5] 孟亦凡.智慧礦山物聯網接口機制與信息資源調度方法研究[D].淮南：安徽理工大學， 2022.

[6] 劉忠育.基于深度學習的礦工不安全行為識別方法研究[D].徐州：中國礦業大學，2021.