智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建和應(yīng)用研究

張勝英，王煙軍，宋若臣

(山東行政學(xué)院，濟南 250014)

一、引言

礦山安全一直是政府和行業(yè)管理難題，煤炭安全生產(chǎn)則是重中之重。我國煤炭儲存環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，開采成本高;缺乏及時有效的預(yù)警系統(tǒng);百萬噸死亡率依然較高，安全問題十分突出。礦山生產(chǎn)迫切需要提升開采和監(jiān)管方式。

物聯(lián)網(wǎng)是物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，以互聯(lián)網(wǎng)為支撐，以協(xié)議為保障，利用多種傳感器和自動識別設(shè)備，融合全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)、無線射頻技術(shù)，智能地識別和定位關(guān)聯(lián)物品，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)打破了原有礦業(yè)開采中物理設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施分離的積弊，通過設(shè)置各種傳感設(shè)備，及時感知井下瓦斯、一氧化碳、鋼筋混凝土、電氣機械設(shè)備、電纜等的變化，通過物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)把各種信息及時傳遞給地面工作人員，進行信息交換，使人員、機器、設(shè)備融為一個整體，為大規(guī)模無人化作業(yè)和安全生產(chǎn)提供了系統(tǒng)性保障。

建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之上的智慧礦山體系為礦業(yè)生產(chǎn)提供了新的管控平臺，可以解決以下問題:①保障人員安全;②及時做出災(zāi)害預(yù)警;③實現(xiàn)智能控制;④形成新的產(chǎn)業(yè)標準;⑤井下無人化作業(yè);⑥提高出煤率和作業(yè)效率。

二、我國礦山信息化的發(fā)展歷程和特點

我國一直重視礦山信息化建設(shè)研究和應(yīng)用，希望以此促進礦山企業(yè)向無人化、高效率、低成本方向發(fā)展。大體上，我國礦山信息化經(jīng)歷了綜合自動化(Automatic Control)、數(shù)字化(Digital Mine)和智慧化(Intelligent Mine)三個發(fā)展階段，具體見表1。

表1 礦山信息化的發(fā)展階段

通過上表可以看出，智慧礦山綜合運用了物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，融合無線通訊技術(shù)，實現(xiàn)了礦山無人化管理，是數(shù)字礦山的更高發(fā)展階段。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山體系的構(gòu)建

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山體系結(jié)構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系原理相似，大體分感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層次。感知層主要由廣泛安置于礦山體系內(nèi)部的各種傳感設(shè)備和傳感網(wǎng)絡(luò)組成，具體如溫度傳感器、濕度傳感器、濃度傳感器、位置傳感器、壓力傳感器等形成的傳感網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合自動識別技術(shù)中的二維碼、無線射頻(RFID)技術(shù)、攝像頭、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)來實現(xiàn)對礦區(qū)環(huán)境的最初識別、監(jiān)測和感知。應(yīng)用層是感知礦山物聯(lián)網(wǎng)用戶和各子系統(tǒng)的接口，主要完成各個子系統(tǒng)平臺的搭建、處理、監(jiān)控和管理。網(wǎng)絡(luò)層借助移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)的局域網(wǎng)完成感知層和應(yīng)用層信息的傳遞和處理。具體邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示:

圖1 智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)

在實踐中，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山體系也對應(yīng)的設(shè)計成應(yīng)用層、處理層和感知層。

感知層可以細分為三個子系統(tǒng):環(huán)境監(jiān)測信息采集系統(tǒng)，通過相應(yīng)的傳感設(shè)備和傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對礦山體系內(nèi)外部環(huán)境的實時監(jiān)測和處理;礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對礦山整體開采前、中、后全過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)變化監(jiān)測;生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)測信息采集，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測和感知，為企業(yè)進行安全、高效和無人化生產(chǎn)提供必要的數(shù)據(jù)儲備。

應(yīng)用層可以細化為四個子系統(tǒng):智慧生產(chǎn)系統(tǒng)，包括采煤工作面和推進工作面的細化和管理;智慧輔助系統(tǒng)，通過多個方面為生產(chǎn)系統(tǒng)提供服務(wù)，如運輸、提升、供電等多個輔助作業(yè)環(huán)節(jié);智慧安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)，包括環(huán)境監(jiān)測、防滅火、智慧爆破、人員安全等多個功能體系;智慧后勤支持系統(tǒng)，主要側(cè)重于ERP 體系的建設(shè)、辦公自動化、物流系統(tǒng)、生活保障等方面。

處理層包括數(shù)據(jù)倉庫、信息處理、數(shù)據(jù)挖掘、信息融合和信息傳輸?shù)取?/p>

以上三個層次以互聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、局域網(wǎng)和移動通信網(wǎng)絡(luò)為支撐，實現(xiàn)相互聯(lián)系、相互配合，最終實現(xiàn)智慧礦山倡導(dǎo)的無人化采掘、無人化運輸、無人化管理，最終實現(xiàn)整座礦山的無人化作業(yè)和少人化管理，整座礦山處于智慧設(shè)備和智慧機器人的操作、運營和管理之下。應(yīng)用體系模型見圖2 所示:

圖2 智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用模型

在系統(tǒng)搭建和軟件開發(fā)上，智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)和功能模塊組成，大體可以分為井上部分、井下部分和管理應(yīng)用平臺三個部分，主要子系統(tǒng)和功能模塊列舉如下(見表2):

表2 智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)的主要子系統(tǒng)及功能模塊

四、智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

國家物聯(lián)網(wǎng)十二五規(guī)劃明確把建設(shè)智慧礦山作為物聯(lián)網(wǎng)重點示范領(lǐng)域之一。智慧礦山體系的建設(shè)，可以應(yīng)用于礦山的規(guī)劃設(shè)計、勘察勘驗、生產(chǎn)調(diào)度、監(jiān)控監(jiān)測和綜合管理等多個領(lǐng)域。通過物聯(lián)網(wǎng)，可以有效地在井下人員定位、通訊聯(lián)絡(luò)、環(huán)境監(jiān)控、自檢自救和緊急避險等多個方面，實現(xiàn)無人化監(jiān)管和自動化控制。

在智能生產(chǎn)方面，可以在生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)對采煤機、掘進機、通風(fēng)機、輸送帶等進行實時管理和控制，相關(guān)機械設(shè)備的性能指標、工作狀態(tài)、進度完成情況等數(shù)據(jù)都可以及時上傳至物聯(lián)網(wǎng)控制中心，從而實現(xiàn)對礦山企業(yè)的及時調(diào)度和管理。

在智能監(jiān)控方面，通過對安置于井下的各類傳感設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備的綜合使用，及時向地面管理人員傳遞瓦斯、人員、風(fēng)壓、濕度、濃度等數(shù)據(jù)，自動判斷工作環(huán)境的安全程度，自發(fā)啟動應(yīng)急預(yù)案，做到提前預(yù)警和預(yù)防，自動找尋不安全因素并提出解決方案，有效避免大規(guī)模傷亡事故發(fā)生。

在智能管理和決策方面，智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過管理平臺如ERP、辦公自動化等系統(tǒng)可以實現(xiàn)對人、財、物、產(chǎn)、供、銷的全方位管理，把相關(guān)部門的信息進行有效收集和整合，對人員、財物進行統(tǒng)計記錄，依托龐大的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，提煉和處理數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)經(jīng)營狀況做出匯總和評估，生成輔助性決策報告，供決策參考。

在智能銷售方面，系統(tǒng)可以通過條碼系統(tǒng)、RFID、電子監(jiān)控、自動稱重和計費、電子收費等手段，實現(xiàn)無人化銷售和管控，實現(xiàn)自動售賣和結(jié)算。

五、結(jié)語

社會開始進入到“智慧”時代，物聯(lián)網(wǎng)蘊藏著巨大商機，被稱為繼互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后的又一次產(chǎn)業(yè)革命，將成為下一個萬億級產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于礦山開采，形成智慧礦山，必將給未來礦業(yè)開發(fā)帶來更大機遇和挑戰(zhàn)。智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)還處于研究階段，真正的實踐積累還很少。未來的礦山物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)要特別重視以下兩個方面:一是物聯(lián)網(wǎng)的“感知”問題，礦山開采復(fù)雜多變，能否做到完全及時精確地感知，需要技術(shù)的突破;二是智慧礦山如何走出實驗室，形成智慧產(chǎn)業(yè)，這既依賴于礦企自身，還有待理論、技術(shù)的深入和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商、移動運營商、政府等多個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的通力配合。

［1］孫艷芝，王斌.“智慧礦山”建設(shè)與應(yīng)用研究［EB/OL］.中國經(jīng)營網(wǎng)，［2012－11－17］.http://www.cb.com.cn/1634427/20120702/391576.html.

［2］胡日新.智能傳感技術(shù)在煤礦建筑中應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計［J］.煤炭技術(shù)，2012(8).

［3］裴衛(wèi)華.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“智慧礦山”建設(shè)芻議［J］.山東煤炭科技，2012(5).

［4］吳立新，汪云甲，等.三論數(shù)字礦山——借力物聯(lián)網(wǎng)保障礦山安全與智能采礦［J］.煤炭學(xué)報，2012(3).

［5］陳鴻.基于RFID 技術(shù)的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)［J］.煤炭技術(shù)，2012(6).

［6］解海東，李松林，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能礦山體系研究［J］..工礦自動化，2011(3).

［7］張勝英.山東省物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展政策比較［J］.江蘇商論，2012(6).