礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)與安全淺析

王乾屹

摘要：我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)存形式多樣且復(fù)雜，煤礦開(kāi)采和挖掘設(shè)備落后，自動(dòng)化水平普遍較低，需要長(zhǎng)時(shí)間井下作業(yè)的人仍然很多，對(duì)于生產(chǎn)安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的安全檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用也不成熟不規(guī)范，再加上缺乏管理經(jīng)驗(yàn)，使得生產(chǎn)成本高，達(dá)不到理想的安全生產(chǎn)。與此同時(shí)對(duì)于現(xiàn)今煤礦綜合自動(dòng)化的應(yīng)用，僅僅是將眾多子系統(tǒng)聯(lián)接到了總體網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)的基本還是原來(lái)各分立的子系統(tǒng)的功能，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)1+1>2。而運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就可以幫助我們深入改善和解決這一系列問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高度融合，并引進(jìn)“感知物聯(lián)”的理念實(shí)現(xiàn)可控，可信，可管，可直觀實(shí)時(shí)監(jiān)控的更安全更高效的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和礦山物聯(lián)系統(tǒng)。

關(guān)鍵字：礦山物聯(lián)網(wǎng) 安防系統(tǒng) 感知物聯(lián)網(wǎng) 綜合一體化

物聯(lián)網(wǎng)的定義

隨著2010年溫家寶總理在政府工作報(bào)告附錄中首次對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了比較權(quán)威和詳盡的解釋，物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)快速發(fā)展的新興科技逐步走入的大眾的視線并帶動(dòng)了新一輪的科技進(jìn)步?！拔锫?lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把需要聯(lián)網(wǎng)的物品與網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，它是在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展應(yīng)用”。然而對(duì)于這個(gè)概念的定義，在此又不單一的對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)來(lái)規(guī)定，而是需要聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)和物體，同時(shí)強(qiáng)調(diào)物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的延伸和擴(kuò)展應(yīng)用。這樣能夠更好的適應(yīng)和配合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)和要求。

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)

我國(guó)煤炭資源豐富，勞動(dòng)力廉價(jià)，在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中本應(yīng)占有優(yōu)勢(shì)，但是我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)存形式多樣且復(fù)雜，煤礦開(kāi)采和挖掘設(shè)備落后，自動(dòng)化水平普遍較低，需要長(zhǎng)時(shí)間井下作業(yè)的人仍然很多，對(duì)于生產(chǎn)安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的安全檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用也不成熟不規(guī)范，再加上缺乏管理經(jīng)驗(yàn)，使得生產(chǎn)成本高，達(dá)不到理想的安全生產(chǎn)。全國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)居高不下，百萬(wàn)噸死亡率大大高于世界主要產(chǎn)煤國(guó)家平均水平，嚴(yán)重影響了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定。

不過(guò)隨著國(guó)家對(duì)于煤礦等重要資源開(kāi)采項(xiàng)目的高度重視，政府對(duì)于煤礦開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)的大力支持，煤礦企業(yè)在各種安全監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)方面的加大投入，對(duì)保證礦山的安全和正常生產(chǎn)起到了重要作用。然而以目前的形式距離我們理想的安全生產(chǎn)，可控、可信的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系還需要時(shí)間去嘗試和實(shí)踐。在目前的裝備和技術(shù)水平下，無(wú)法根除各種安全隱患，礦山災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。

現(xiàn)有的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，由于生產(chǎn)廠商和系統(tǒng)建設(shè)時(shí)期不同，各個(gè)系統(tǒng)之間沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議和接入技術(shù)，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異很大，呈現(xiàn)多源性和異構(gòu)性。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要以聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)為主構(gòu)架，由監(jiān)測(cè)終端、監(jiān)控中心站、通訊接口裝置、井下分站、傳感器組成，主要方式是在礦井下固定地點(diǎn)安裝各種適應(yīng)的監(jiān)測(cè)傳感器，再通過(guò)長(zhǎng)電纜將收集整合到的數(shù)據(jù)傳到地上的監(jiān)控中心站。然而很顯然這樣的系統(tǒng)存在弊端，真正參與項(xiàng)目，我們不難發(fā)現(xiàn)其布線難度大、環(huán)境適應(yīng)性低、維護(hù)成本高等問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

目前隨著物聯(lián)網(wǎng)研究的不斷深入，例如視頻識(shí)別技術(shù)、Zigbee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全管理中已經(jīng)成為了完善和提高物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)新的突破方向。具體的研究層次可以分為 1、根據(jù)工作頻域由高到低將射頻識(shí)別標(biāo)簽 分為低頻段（30KHz-300KHz），中高頻段（3MHz-30MHz）和超高頻段與微波段（例如433MHz，2.45GHz，5.8GHz）。

這一先進(jìn)的理念運(yùn)用在國(guó)外已經(jīng)得到成功運(yùn)用， 2008年多媒體和信息技術(shù)國(guó)際會(huì)議上有學(xué)者發(fā)表了一篇煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的論文。該系統(tǒng)由發(fā)射器和接受器組成。礦工帶有發(fā)射機(jī)，一旦事故發(fā)生，救援使用接收器來(lái)同UHF頻段的發(fā)射機(jī)溝通，通過(guò)觀察接收到的信號(hào)水平來(lái)判斷方向。這個(gè)無(wú)線電模塊采用內(nèi)置低噪聲放大器，數(shù)字濾波器，匹配網(wǎng)絡(luò)，RSSI 和DDS+PLL頻率合成技術(shù)。這個(gè)系統(tǒng)使用433 MHz工作頻率，以提高滲透性，高衍射性和長(zhǎng)距離識(shí)別。

前不久，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院無(wú)線通信技術(shù)小組就進(jìn)行了一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)部署的可行性研究，他們采用實(shí)時(shí)測(cè)量鏈路，并考慮移動(dòng)多徑衰落環(huán)境以及無(wú)線電物理層的特點(diǎn)。原型系統(tǒng)是基于900 MHz Tinos支持低速率數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

而在國(guó)內(nèi)，也不斷有基于物聯(lián)網(wǎng)的多維融合以增強(qiáng)礦山安全開(kāi)采，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)安全可信的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系。2011年8月 國(guó)資委聯(lián)手中國(guó)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升煤礦安全水平。項(xiàng)目命名為“E礦山”。其通過(guò)手機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井安全生產(chǎn)狀況，井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)情況，手機(jī)會(huì)隨機(jī)收到告警短信，如果沒(méi)有在限定時(shí)間內(nèi)處理，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)起語(yǔ)音呼叫?！癊礦山”是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)。GPS定位技術(shù)與礦山現(xiàn)有信息化系統(tǒng)緊密融合，集成礦井人員定位、安全數(shù)據(jù)檢測(cè)、視頻監(jiān)控、重點(diǎn)工程管理、生產(chǎn)日?qǐng)?bào)、安全預(yù)警、信息發(fā)布等七大功能模塊，實(shí)現(xiàn)了用手機(jī)等無(wú)線終端實(shí)時(shí)掌握煤礦企業(yè)“產(chǎn)、運(yùn)、銷”等環(huán)節(jié)信息，并對(duì)企業(yè)進(jìn)行拽屁會(huì)調(diào)度的一套信息管理系統(tǒng)。

基于感知物聯(lián)網(wǎng)的礦山綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

對(duì)于礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)我們提到也接觸過(guò)很多概念，如數(shù)字礦山、礦山綜合自動(dòng)化、信息化礦山、智能礦山等?！案兄V山”是在綜合了這些概念的基礎(chǔ)上，更加真實(shí)和全面地描述礦山系統(tǒng)與安全狀況。那對(duì)于綜合一體化又作何解釋呢，綜合自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)了將煤礦各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控子系統(tǒng)整合到一個(gè)平臺(tái)里，實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)與安全系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，同時(shí)這為感知礦山的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。但這樣簡(jiǎn)單的整合和宏觀的聚集對(duì)于礦山網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的價(jià)值沒(méi)得到應(yīng)有的提升，最重要的是沒(méi)有給礦山安全帶來(lái)明顯的改善。以太網(wǎng)發(fā)明人之一邁特卡夫曾預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值是與聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)的平方成正比。煤礦綜合自動(dòng)化將眾多子系統(tǒng)聯(lián)接到了總體網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)的基本還是原來(lái)各分立的子系統(tǒng)的功能，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)1+1>2。而對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)本身就是基于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)本身就是要在GIS（地理信息系統(tǒng)）和GPS（全球定位系統(tǒng)）下實(shí)現(xiàn)定位的應(yīng)用，我們通過(guò)它就可以進(jìn)一步提升綜合自動(dòng)化和網(wǎng)路系統(tǒng)的互補(bǔ)運(yùn)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)1+1>2,實(shí)現(xiàn)了控制與網(wǎng)絡(luò)一體化的應(yīng)用。

利用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)技術(shù)，提高集成信息的價(jià)值；利用移動(dòng)感知技術(shù)，提高煤礦安全信息的感知能力。。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步完善礦山綜合自動(dòng)化，使其更加適應(yīng)礦山的真正需要。這正像國(guó)內(nèi)知名網(wǎng)絡(luò)專家曾說(shuō)的那樣“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展和強(qiáng)大的”，來(lái)進(jìn)一步豐富和擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。這是感知礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和真正價(jià)值所在。

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)中心 礦山感知系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案

安防知識(shí)網(wǎng) 煤礦行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)初步應(yīng)用