矿山物联网体系及其应用

摘要：随着矿山企业的不断发展，现有的信息化和自动化系统已经难以满足矿山企业的生产需要。矿山物联网概念的提出，可以解决现有矿山企业的信息化、自动化难题，实现矿山企业的全面感知、智能控制和综合管理，在一定程度上解决现有产品只流于表面主体功能需求，而细节方面较差的问题，消除矿山企业的“信息孤岛”现象。
关键词：矿山物联网；感知矿山；控制矿山；管理矿山；信息孤岛

0 引言
目前，在我国能源生产和消费中，煤炭仍是主要能源(约占73％)。据专家预测，煤炭作为主要能源的地位还会在相当长的历史时期中不会改变。虽然我国煤炭资源丰富，劳动力廉价，在国际市场竞争中本应占有优势，但是，我国煤炭储存条件复杂，煤矿自动化水平低，井下用人多，生产安全监控系统采用的技术较为落后，系统功能单一，再加上综合管理等因素，使得生产成本高，安全形势不容乐观。全国煤矿事故死亡人数居高不下，百万吨死亡率大大高于世界主要产煤国家的平均水平，严重影响了煤炭工业的可持续发展和社会的稳定。
由于矿山开采的对象是分布于三维地理空问，且随着开采进程不断变化着的地质实体，矿山安全生产的一切过程都离不开三维空间，无论是矿层、构造等地质实体，还是纵横交错的井下巷道系统，各种监测监控信息都具有空间属性。不仅如此，矿山生产活动又始终处于一种随时间动态变化的复杂系统之中，所以反映其实际状态的各种数据，如果得不到有效集成，就只能形成彼此隔离的“信息孤岛”。探测同一地质实体的多数系统只能对其采集到的原始数据进行简单的转换、存储、显示和打印，而面向同一地质实体同时探测到的多源信息往往得不到有效地综合利用，更谈不上有效地为煤矿安全提供决策依据。
随着开采深度的加大和储存地质条件的恶化，深部煤炭开采的力学环境、岩体组织结构、基本力学行为特征和工程响应与较浅部分明显不同，因而可能导致冲击矿压、顶板大面积来压和采空区失稳等动力灾害事故的明显增加，从而对深部煤炭资源的安全开采造成严重威胁。在重大灾害的预测方面，缺少实时、在线、连续的监测预警装备。而矿山物联网概念的问世，打破了之前的传统思维。基于物联网技术，可以对煤矿复杂环境下生产系统内的人员、机器、设备和基础设施实施更加实时有效的协同管理和控制。

1 矿山物联网的现状
煤矿、铁矿、铝矿等各类矿山企业均涉及生产、成本、质量、人员、固定资产、物资、设备、工程项目、安全、环境等多方面的管理运营工作，通过实现各个环节的自动化和信息化来达到减员增效、安全生产是行业发展的必然选择。当前，在矿山生产管理安全方面的自动化、信息化系统众多，大中型矿山企业均不同程度地引入了综合管理系统平台，以提升企业的管理水平。在现有系统的建设中，工控设备、通信设备、软件系统、传感器、以太网等均已经进入实用阶段，工业化与信息化两化融合的进程也显著加快。然而，各家矿山企业采用的系统平台、设备、数据格式、通信方式与协议等各不相同，即便一家企业，在建设各个子系统时也不能做到与现有系统全面兼容和信息共享；同时，现有的安全生产监测监控系统，由于生产厂商和系统建设时期不同，各个系统之间没有统一的通信协议和接入技术，系统之间的数据结构差异很大，呈现多源性和异构性。这就使得矿山企业难以实现全面的信息化、智能化管理。在物联网时代，瓦斯、CO等各类传感器、电缆、电气机械设备、钢筋混凝土等等，所有这些与芯片、宽带整合为统一的基础设施，对矿山企业的环境、人员、设备进行全面的感知、控制和管理，才能全面实现感知矿山、控制矿山和管理矿山的目标。
实现感知矿山、控制矿山和管理矿山的意义主要是如何利用物联网技术解决煤矿生产中人员安全环境的感知问题，解决矿山灾害状况的预测预报、减少或避免重大灾害事故的发生，解决安全生产的智能控制问题。

2 矿山物联网的基本含义
矿山物联网就是将实用的物联网技术应用在信息化、自动化的系统上，使矿山企业实际应用过程中的生产、安全、运输、销售、机电、物资、供应、统计、人力等相关应用进行系统集成，通过对各类相关信息的统一管理和资源共享，实现对矿山整体数据的综合采集、存储和分析，进而提供相关决策信息和系统解决方案，完成矿山企业信息资源的精准化采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现和自动化操作。
矿山物联网是将矿山地理、地质、矿山建设、矿山生产、安全管理、产品加工与运销、矿山生态等综合信息全面数字化，将感知技术、传输技术、信息处理、智能计算、现代控制技术、现代信息管理等与现代采矿及矿物加工技术紧密结合，并将矿山全部人员、设备、环境信息纳入，以构成矿山中人与人、人与物、物与物相联的网络，动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程，实现矿山系统的全面智能控制，因而是矿山企业减员提效、防灾减灾的最佳解决方案。
矿山物联网是一套庞大的产品体系，包括矿山物联网标准化综合平台、配套子系统、联网通信设备、传感器体系、标准和接口等。
矿山物联网一般需要采用智能计算技术、互联网技术、有线通信技术、无线通信技术、通信标准、近距离通信相关技术、传感器技术、工业控制技术、感知技术、系统平台技术、嵌入式软件技术、云计算技术、企业管理技术等通用技术。

3 矿山物联网体系的基本组成
矿山物联网标准化综合平台一般采用感知层、控制层和管理层等三层结构模型。
首先是感知层。矿山生产是移动作业，人员、设备、车辆等集中在巷道中，随着生产的不断延伸，这些巷道及设备位置均处在不断地变化之中，因此，实现全面感知监控是解决矿山生产难题的重点。在感知层，矿山物联网主要实现人、物、环境三方面感知，以全面提升矿井安全生产管理水平。主要实现实时精准定位、可视化监控、智能化感知。通过感知矿工自身及周围安全环境，实现主动式安全保障；通过感知矿井灾害征兆，实现各种灾害事故的预警预报；通过感知矿井设备工作健康状况，实现预知维修。
其次是控制层。控制层主要依托遍布应用企业广为使用的光纤网络、电力线网络及无线网络，利用先进的智能控制算法及智能控制技术，实现对矿山应用设备和感知层应用终端的自动化、智能化控制。
第三是管理层，该层可利用物联网的感知系统实现对人、物、环境的有效监控和检测，超前预防事故。在事故预警、应急救援等方面，可以实现由间断性检查向连续实时监控的转变，从人为判断向智能分析转变，由事后反应向自动响应转变。通过对矿山的全面感知、智能控制和深层次管理，真正实现矿山企业管理的智能化。