基于物聯網的礦山數字化管控平臺研究與應用

摘要：為滿足金屬礦山生產信息的關聯性與共享性需求，加強對人員和裝備的安全管控，實現企業全面數字化管理水平，搭建了基于物聯網的礦山數字化管控平臺。該平臺依托物聯網技術智能感知、自動采集和存儲生產過程裝備數據和環境變量，規范化管理內部系統的數據接口與數據傳輸協議，實現信息流在整個礦山企業范圍內的無縫流轉與自動集成共享。同時，該平臺能夠對生產裝備數據、工藝流程進行多角度、全方位的可視化的管理，從而實現整個礦山作業狀態的有效監控和管理。根據平臺的應用情況分析，該平臺的建設能有效提高礦山生產效率，優化業務數據管理能力，對金屬礦山生產管控全面智能化發展具有重要意義。

關鍵詞：物聯網；金屬礦山；數據自動采集；工藝流程可視化

中圖分類號：TP391.48；TD672 文獻標志碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-00-05

Research and Application of Mining Digital Control Platform Based on Internet of Things

Abstract： To meet the demand for correlation and sharing of production information in metal mines， strengthen safety control of personnel and equipment， and achieve comprehensive digital management level of enterprises， a mining digital control platform based on the Internet of Things has been built. This platform relies on Internet of Things technology to intelligently perceive， automatically collect and store production process equipment data and environmental variables， standardize the management of internal system data interfaces and data transmission protocols， and achieve seamless flow and automatic integration and sharing of information flow throughout the entire mining enterprise. At the same time， the platform can provide multi-dimensional and comprehensive visualization management of production equipment data and process flow， thereby achieving effective monitoring and management of the entire mining operation status. Based on the analysis of the platform’s application situation， the construction of this platform can effectively improve mining production efficiency， optimize business data management capabilities， and is of great significance for the comprehensive intelligent development of metal mine production control..

Keywords： Internet of Things; metal mines; automatic data acquisition; process visualization

工業互聯網快速發展和國家礦山政策的出臺加快了信息技術與制造技術融合發展，推動了傳統行業的全面轉型升級。依托于礦山規劃和國家長期發展戰略，我國金屬礦山企業的經濟形態和經營狀況已有重大突破，礦山裝備、監測、通信以及軟件系統的信息化建設逐步完善[1]。部分企業已完成通信聯絡系統、人員定位系統、監測監控系統以及設備自動化控制系統等信息化建設，促使礦山企業的全面數字化轉型成為必然發展趨勢[2-4]。

物聯網技術在金屬礦山領域的數字化、智能化建設中至關重要。物聯網是指通過信息傳感設備，根據約定的協議將任何物品與互聯網相連接[5]，進行信息的交換與通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控及管理的網絡[6]，并滿足礦山生產需求，推動礦山行業持續發展[7]。

金屬礦山生產場景復雜，不同的生產作業、工藝環節關聯密切，存在著生產信息不能充分共享和實時傳輸，不能及時展開生產跟蹤和控制等問題。在礦山建設過程中，生產信息流轉的延遲和較低的數據質量將直接影響生產運營策略的調整。雖然礦山企業的信息化建設在逐漸完善，但是國內礦業企業總體礦山數字化水平還相對較低[1]。部分礦山的生產自動化系統建設較為分散，運行和在建的自動化控制系統依然存在以下共性問題：一方面，自動化控制系統數據采集不完善，無法充分分析和利用數據，無法支持生產過程中高效管理；另一方面，各自動化控制系統建設缺乏統一規劃及自動化集成管控體系，難以全面發揮智能化技術和裝備于礦山生產高效結合的效果[8]。

該項目結合物聯網技術的優勢，針對礦山企業面臨復雜的作業場景需求，在數字化礦山建設理念的驅動下，開發了基于物聯網的礦山數字化管控平臺。該平臺旨在為礦山企業著重構建了一個基于工業物聯網的礦山信息高效采集、傳輸及智能決策為一體的數字化礦山生產管控體系。

1 物聯網技術概述

20世紀末，美國麻省理工學院提出了物聯網的概念，將互聯網和各種物理設備通過射頻識別等信息傳感設備相互連接[9-10]，實現數據交換和智能控制的技術，構建一個可以實現智能化的網絡[11]。物聯網的核心是通過傳感器、通信網絡、計算系統，實時收集硬件設備的特征信息，實現設備之間的無縫連接和信息共享，將物理世界中的對象數字化，智能化的感知物體運行過程，從而實現遠程監控和管理。

物聯網主要解決物品與物品、人與物品、人與人之間的互聯[10]。物聯網的架構可分感知層、網絡層和應用層[12]。感知層由各種傳感器組成，包括探測器、攝像頭、智能設備等感知終端，感知層是物聯網與物理世界交互的橋梁，主要實現物體的識別與數據信息的采集。網絡層是物聯網的中樞，實現物聯網系統的通信和設備連接，并將感知層收集到的數據傳輸到其他設備或云平臺。網絡層主要采用各種通信技術，如無線網絡、有線網絡、蜂窩網絡等，實現不同設備與系統之間的連接與信息交互，接收并處理感知層的信息[13]，確保信息能夠安全、可靠地從源頭傳輸到目的地。應用層是物聯網系統架構的頂層，充當著物聯網與用戶之間的橋梁，使得用戶能夠訪問、控制及監控物聯網設備與系統，同時能夠根據用戶需求可以定制化開發，實現各種智能應用場景與服務[14]。

2 系統功能設計與實現

2.1 平臺總體架構

采用微服務架構技術構建了基于物聯網的礦山數字化管控平臺，并采用前后端分離的模式進行開發。平臺后端框架采用Spring-Cloud、MyBatis-Plus、Java開發工具包（Java Development ToolKit，JDK）等核心技術進行開發，前端框架基于Vue、Node、Vite、Echarts等技術進行開發。平臺系統采用基礎設備層、連接層、物聯網平臺層、應用層等結構設計。其中，物聯網平臺層提供核心的物聯網自動數據采集功能，是實現礦山生產數據集成與共享的必要條件，應用層能夠可視化展示設備狀態參數等。除此之外，根據金屬礦山生產業務特點，平臺通過大屏、組態等可視化形式直觀展示數據及工藝流程，協助實現企業智能化調度指揮，并逐步形成數據資產與知識沉淀，提高信息傳遞、整合、輸出的精準性和時效性。基于物聯網的礦山數字化管控平臺架構如圖1所示。

2.2 平臺功能設計

基于物聯網的礦山數字化管控平臺功能分為基礎支撐功能和礦山數據業務功能，核心是實現生產裝備和業務系統的數據自動采集以及生產工藝流程、自動化設備的可視化模擬。基礎功能包括用戶管理、任務中心、系統管理以及監控運維等。礦山數據業務功能是針對礦山企業的數據范圍進行定制化開發的功能，具體包括生產裝備數據自動化采集、生產工藝流程及設備運轉模擬可視化展示等。該平臺以礦石流為主線，支持數據采集、流轉、存儲、展示與分析功能，實現全流程數字化平臺建設。

2.2.1 基礎功能

基于物聯網的礦山數字化管控平臺具有基本通用功能，為礦山企業的數據業務處理提供輔助支撐。部分功能簡介如下。

第一，用戶管理功能。該功能主要實現企業內部人員的平臺用戶賬號、用戶權限、用戶角色等配置管理。基于物聯網的礦山數字化平臺是一個多用戶管理平臺，且多用戶之間的數據相互隔離，可通過用戶配置和用戶角色限制用戶的資源使用。

第二，任務中心功能。該功能是以周期時間為觸發器，設定各種定時任務，實現數據的定時采集、設備狀態定時控制等。

第三，系統管理功能。該功能是對平臺進行基礎的系統設定，從而實現賬號、日志、菜單、組織、基礎信息維護以及角色權限等內容的管理。

第四，監控運維功能。該功能負責監控、管理和維護物聯網平臺的運行狀態，確保平臺能夠穩定、可靠地提供各項服務。例如，監控平臺中各種生產裝備及其分布情況，及時監控設備上下線記錄，及時發出警告并解決故障，幫助企業高效地管理和維護物聯網平臺。

2.2.2 物聯網數據自動采集

礦山企業擁有龐大數量的生產裝備，其協議和數據類型難以統一，因此需要將礦山大量的生產裝備與采集系統進行對接，實現數據的統一與集成。基于物聯網的礦山數字化管控平臺主要通過設備和產品的管理實現對生產裝備數據的自動化采集和數據集成。同時，將企業的數據信息集成在一個易于訪問的數據集成中臺內，實現礦山信息資源的充分集成、規范加工、高效存儲及傳輸。物聯網平臺數據采集網關通過消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）、Modbus等協議與智能裝備或者可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）連接，實時采集礦區生產設備數據，通過網絡連接將數據上傳至超融合數據服務中心進行持久化存儲，并在定制化的前端界面進行實時可視化展示。

設備管理通過定義產品將同類型設備或相同生產場景進行歸類定義，如充填、通風、提升等子網關產品具備相同的屬性、服務和事件等。該產品定義可支持多協議如MQTT、傳輸控制協議（Transmission"Control Protocol，TCP）、用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）以及受限應用協議（Constrained"Application Protocol，CoAP）等。同時，設備管理支持“添加設備”來連接網絡中的各種物理設備或傳感器，并支持更改設備配置信息，配置完成的設備可以通過物聯網平臺自動采集、傳輸、管理及監控數據，從而為各種應用系統提供數據支持，滿足數據采集、存儲、加工、分發的管理需求。

基于物聯網的礦山數字化管控平臺規范化管理數據的對外發布與對外服務功能，明確數據的服務范圍和授權等級，規范數據調用行為、封裝標準，使得接口滿足生產業務系統的數據需求，實現數據交互。基于物聯網的礦山數字化管控平臺設備管理界面展示信息如圖2所示。

2.2.3 生產裝備、工藝模擬可視化

基于物聯網的礦山數字化管控平臺通過可視化的形式，實現了實體礦山全場景、全生產流程、全生產要素仿真效果。該平臺結合企業生產調度的需求，以礦石流、數據流為主線，融合礦山地質資源、生產運營、感知監測以及人員設備等數據，可視化展示生產裝備、工藝流程，以多維度、全方位地管理生產數據、安全數據、設備數據，從而有效地監控和管理整個礦山運行狀態[15]，為打造與實體礦山映射的數字“孿生”礦山建設提供有效支撐。

結合大部分礦山生產情況，基于物聯網的礦山數字化管控平臺可視化建設主要涵蓋了采礦工藝、選礦工藝、供風、通風、運輸提升以及充填等通用生產環節。具體實施過程中，建立礦山井下和地表重點生產場景二維建模，并展示生產業務數據，形成虛擬可視化動畫場景，助力企業提升生產指揮能力。該平臺為礦山企業提供了直觀的可視化大屏，有助于企業實時監控生產裝備的運行狀態和各項生產指標，不僅便于企業快速發現設備問題，還能讓生產調度人員和決策者更好地了解生產狀況，做出更加科學合理的決策，從而提高了企業的整體運營效率和管理水平。

3 平臺應用

基于物聯網的礦山數字化管控平臺在某集團下屬礦山企業中實施部署并開展應用。在滿足標準化、協同化、可視化、數字化基礎上，平臺建設力爭達到對生產全過程、全要素、全覆蓋的目標，智能感知、采集及存儲生產中關鍵的過程裝備數據和環境變量，為應用層的可視化系統與物聯網層設備數據通信奠定堅實基礎。在應用層可視化系統中，從礦山作業工藝流程特點出發，模擬展示了生產工藝過程中的生產狀態，從設備角度出發，系統接入礦山礦井的主要設備的運行數據，可視化監控設備參數，提升了企業安全生產調度管控能力。平臺的可視化應用系統界面效果如圖3所示。

4 結論

立足于礦山生產實的際需求，構建了一套基于物聯網的礦山數字化管控平臺，旨在解決金屬礦山生產過程中存在的信息流延時、各業務系統集成度低以及數據融合不充分等問題。該平臺的搭建，促使礦山生產的信息采集與物聯網技術的充分結合，基于生產業務構建智能服務和管理，為打造出一個安全、可靠的數字化礦山企業奠定堅實基礎。該平臺主要基于物聯網的設計，結合可視化的方式深入分析生產、環境、設備數據，有效提高了金屬礦山企業生產效率和安全生產監管水平。礦山企業應該在保證可持續發展的前提下，進一步提高企業數字化、智能化建設水平，實現整體協調優化，以更好地適應未來礦山安全管理管發展方向，實現礦山生產管理的全面智能化建設。

參考文獻

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