礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺設計

張延凱 高玉坤 歐盛南 王少勇 張永芳

[摘要]礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以安全、高效、綠色開采為目標，將感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理、智能計算、控制技術(shù)、信息管理等與采礦技術(shù)緊密結(jié)合，實現(xiàn)對礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的可視化、數(shù)字化及智慧化。礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗教學還處于摸索起步階段，實驗課程體系不完善、實驗教學平臺匱乏、實驗教學人才緊缺等問題都亟待解決。通過梳理礦山物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理論體系和技術(shù)架構(gòu)，分析實驗教學中存在的問題及主要原因，結(jié)合北京科技大學課程設置、研究基礎、教學資源等實際情況，提出實驗教學平臺的總體建設思路，規(guī)劃了感知層、網(wǎng)絡層、應用層等各層的建設內(nèi)容，以滿足采礦工程專業(yè)本科生礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程實驗教學的需求。

[關(guān)鍵詞]礦山物聯(lián)網(wǎng);實驗課程體系;礦山安全;感知礦山;數(shù)字化

[中圖分類號]TD679

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0059-04

1991年美國麻省理工學院首次提出物聯(lián)網(wǎng)概念，并于1999年成立自動識別中心。2005年國際電信聯(lián)盟進一步拓展了物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵，物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)已廣泛用于家居、建筑、醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流、交通等各領域，萬物互聯(lián)（Thing to Thing，T2T）的時代已經(jīng)到來。

2009年我國提出“感知中國”戰(zhàn)略構(gòu)想，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迎來重大機遇期。2010年中國礦業(yè)大學物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心成立，這標志著我國礦山物聯(lián)網(wǎng)研究的開端。為滿足物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)的需求，國內(nèi)高校和高職院校開設物聯(lián)網(wǎng)課程甚至設置物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的越來越多。但是，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速變革，實驗教學平臺的建設和更新成為制約物聯(lián)網(wǎng)教育的瓶頸，具體到礦山物聯(lián)網(wǎng)方向更是如此。

掌握礦山生產(chǎn)特點，同時具有物聯(lián)網(wǎng)知識的通用型人才已成為礦山需求的熱點。圍繞礦山物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)，本文分析了當前礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學中存在的問題，并針對實驗課程體系不完善、實驗教學平臺匱乏等主要問題，結(jié)合北京科技大學相關(guān)實驗教學平臺設計實踐，梳理了該類型平臺的設計思路，這對同類型其他高校具有參考借鑒意義。

一、礦山物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

自礦山物聯(lián)網(wǎng)概念提出以來，其理論日趨完善，實踐范圍不斷擴大。多家大型礦業(yè)公司積極嘗試探索部署了不同規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

（一）礦山物聯(lián)網(wǎng)建設目標

礦山物聯(lián)網(wǎng)的概念最早在煤炭領域提出，其建設目標主要是圍繞生產(chǎn)安全問題。姚建銓院士認為，礦山物聯(lián)網(wǎng)以實現(xiàn)本質(zhì)安全礦山為目標。丁恩杰等把有效利用礦山安監(jiān)數(shù)據(jù)作為礦山物聯(lián)網(wǎng)的首要任務，致力于實現(xiàn)礦山全面感知，確保安全生產(chǎn)。袁亮院士認為，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為精準開采及無人礦山服務，是實現(xiàn)智慧礦山的技術(shù)支撐。錢鳴高院士提出采礦的核心任務是安全、高效、綠色地采出礦物資源。

礦山物聯(lián)網(wǎng)是服務于采礦的信息化技術(shù)手段，因此，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應以安全、高效、綠色開采為目標。現(xiàn)階段，礦山物聯(lián)網(wǎng)主要應用于煤炭安全領域，因為安全是煤礦生產(chǎn)的前提條件，同時，該領域具有良好的數(shù)字化、自動化、信息化基礎。未來，礦山物聯(lián)網(wǎng)必將得到更加廣泛的運用，為實現(xiàn)安全、高效、綠色礦山發(fā)揮更大的作用。

（二）礦山物聯(lián)網(wǎng)層次體系

物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成。感知層包括各類傳感器、RFID等，實現(xiàn)物體識別、空間定位、狀態(tài)感知、信息采集、數(shù)據(jù)短距離傳輸與編碼等。網(wǎng)絡層包括有線傳輸、無線傳輸、網(wǎng)關(guān)等，網(wǎng)絡層能夠?qū)⒏兄獢?shù)據(jù)透明、可靠、安全、高效地傳送。應用層由各種軟件和反饋控制單元組成，滿足不同行業(yè)的個性化需求，提升智能應用水平。

作為物聯(lián)網(wǎng)應用的一個重要領域，礦山物聯(lián)網(wǎng)同樣可以歸納為三層體系。目前，得到公認的礦山物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

（三）礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點

礦山生產(chǎn)要面對復雜多變的地質(zhì)條件，使用種類繁多的大型設備，經(jīng)歷曠日持久的開發(fā)流程，涉及地上地下大范圍的作業(yè)空間，受瓦斯、潮濕、震動等環(huán)境的影響。因此，礦山物聯(lián)網(wǎng)要求必須能夠適應“復雜、受限、時變、惡劣”等特定條件。

感知層與網(wǎng)絡層要求能夠具有防爆、防塵、防潮、防震等特性。同時，由于采礦工程的時變特性，感知層網(wǎng)絡采用動態(tài)、分布式、自組網(wǎng)更為適合。另外，地下封閉空間對無線信號的屏蔽作用使4G網(wǎng)絡、GPS、Wi-Fi等地面通用技術(shù)失效。礦山特別是地下礦山通常要自建礦域工業(yè)環(huán)網(wǎng)、礦圖定位導航系統(tǒng)、礦用通訊聯(lián)絡系統(tǒng)等。

應用層將感知層獲取的海量數(shù)據(jù)通過傳輸層進行匯總，從低密度、低價值數(shù)據(jù)中挖掘有用信息，有效支撐生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和決策支持系統(tǒng)。礦山MES由通風、排水、供電、運輸、地壓監(jiān)測、尾礦庫監(jiān)測、位移監(jiān)測等各種自動化和監(jiān)測系統(tǒng)組成。礦山MES實時性要求高，將應用層下移，運用邊緣計算技術(shù)將有效緩解海量數(shù)據(jù)傳輸壓力、提供快速響應解決方案。礦山?jīng)Q策支持系統(tǒng)主要是利用礦山運行數(shù)據(jù)結(jié)合外部政策、經(jīng)濟、社會條件對生產(chǎn)經(jīng)營活動進行評估與量化，包括礦山資源評價、礦山環(huán)境評價、礦山安全形勢評估、礦山生產(chǎn)優(yōu)化等。MES側(cè)重于某一生產(chǎn)系統(tǒng)或某個局部，決策支持系統(tǒng)更加關(guān)注礦山整體，兩個系統(tǒng)從不同層面服務于礦山高效、安全、綠色生產(chǎn)目標。

二、礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學存在的問題

作為新興交叉學科，物聯(lián)網(wǎng)涉及網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、嵌入式開發(fā)、傳感器技術(shù)等，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+礦業(yè)，礦業(yè)的高度復雜性決定了其具有更加明顯的交叉學科特征。我國礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學才剛剛起步，主要存在以下問題。

（一）實驗課程體系不完善

中國礦業(yè)大學煤礦物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心全面梳理了礦山物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、功能、關(guān)鍵技術(shù)等，并將相關(guān)研究成果應用于（煤礦類）高校實驗教學中。但是，課程設置特別是非煤礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗課程設置還需進一步探討研究。由于從理論到實踐，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展不過十來年時間，加之技術(shù)更新迅速，礦山物聯(lián)網(wǎng)理論技術(shù)體系尚不成熟。另外，傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)學生知識結(jié)構(gòu)相對固化，需要補充大量前序和后續(xù)課程以配合礦山物聯(lián)網(wǎng)教學。課程改革和實驗課程體系的建立涉及面廣、操作復雜、效果評價困難。

（二）實驗教學平臺匱乏

由于礦業(yè)類實驗課程建設投資大、準備周期長、維護成本高，部分單位不具備資金、技術(shù)、場地條件，實驗教學平臺建設和維護困難。礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)屬于新開設課程，沒有與之配套的實驗教學平臺類產(chǎn)品?，F(xiàn)有通用性物聯(lián)網(wǎng)實驗箱、計算機網(wǎng)絡、傳感器、單片機或嵌入式開發(fā)等實驗平臺不能直接用于礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗教學，因此，學校只能圍繞教學需求自行研發(fā)相關(guān)實驗平臺。

（三）實驗教學人才緊缺

工程技術(shù)人才的培養(yǎng)除了必要的基礎理論知識之外，更重要的是通過實踐教學培養(yǎng)學生的動手操作能力。開展礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學除了需要完善的實驗教學體系和配套的實驗教學平臺外，還必須要有熟悉理論及實踐操作的實驗教學人員。當前，我國礦業(yè)領域急缺此類人才。一方面，計算機、通信技術(shù)類教師很難弄懂礦業(yè)需求;另一方面，礦業(yè)類教師對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)掌握不深入，很難找到既懂礦業(yè)又懂物聯(lián)網(wǎng)的合格教育人才。

三、礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺設計

現(xiàn)代信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算等一系列新興技術(shù)正在沖擊和改造著傳統(tǒng)礦業(yè)教學的理念、內(nèi)容和方式。北京科技大學采礦工程專業(yè)緊密圍繞國家金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的重大戰(zhàn)略需求，瞄準礦業(yè)與安全工程學科前沿，采用現(xiàn)代高新技術(shù)改造傳統(tǒng)采礦產(chǎn)業(yè)，以解決影響礦山安全高效開采的突出問題為目標，全面開展采礦基礎科學創(chuàng)新及其應用研究。

（一）礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程設置

礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是北京科技大學智能采礦班主干特色專業(yè)課程，共設置32學時，包括20學時的理論講授和12學時的實驗。與之配套開設了大學計算機基礎、微機原理及應用、C語言程序設計等前序通識類課程和智能采礦學概論專業(yè)核心類課程，設置了礦山機械與智能裝備、礦山現(xiàn)代測試技術(shù)、現(xiàn)代礦山智能化管理、數(shù)字軟件建模與應用等學科平臺類課程。

以上特色專業(yè)課程總計劃學時數(shù)達320學時。其中，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)12學時的實驗課要輔助理論課教學，鞏固和加強相關(guān)知識點的學習和實踐，使學生更加深刻地理解物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)、礦山物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點，掌握傳感器、定位、組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與分析的基本技能，為礦山物聯(lián)網(wǎng)的設計、設備（網(wǎng)絡）選型、開發(fā)奠定基礎。

（二）實驗教學平臺設計思路

礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學系統(tǒng)通過教學和實踐、感知體驗與動手開發(fā)、方案設想及實際驗證的結(jié)合，提高學生的系統(tǒng)思維能力，鞏固學生的理論知識，積累實踐經(jīng)驗，從而全面提高實驗教學質(zhì)量水平。

該平臺由硬件設備、軟件資源構(gòu)成。硬件包括物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗箱、視頻采集設備、工業(yè)物位計等。軟件包括系統(tǒng)網(wǎng)絡軟件、通信接口程序、三維可視化編輯及展示軟件等。結(jié)合礦山實際情況，感知層硬件包括氣體濃度、溫濕度、壓力、粉塵濃度等，通信接口包括Wi-Fi、藍牙、工業(yè)串口等，以上設備和接口用于構(gòu)建礦山物聯(lián)網(wǎng)感知層，實現(xiàn)礦山環(huán)境和生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的及時采集。

根據(jù)礦山組網(wǎng)特點，網(wǎng)絡層采用光載無線交換機、網(wǎng)橋，實現(xiàn)無線信號傳輸;光纖、網(wǎng)線、光端機等，用于工業(yè)環(huán)網(wǎng)的搭建;同時配備Wi-Fi、藍牙、ZigBee等無線通信節(jié)點及RFID讀/寫卡器，以快速組建無線傳感器通信網(wǎng)絡。

應用層是本實驗教學平臺設計的重點內(nèi)容。應用層軟件應實現(xiàn)井下生產(chǎn)開拓、人員定位、視頻監(jiān)控、有害氣體監(jiān)測等的三維虛擬仿真?？蓪崿F(xiàn)對傳感器異常數(shù)據(jù)自動識別并進行聲光電的報警提示;對傳感器和監(jiān)控設備進行遠程控制。為方便系統(tǒng)的維護與擴展更新，應用層軟件應支持井下巷道自動三維仿真建模;可以自定義傳感器模型;可以實時接收和顯示傳感器數(shù)據(jù)信息;支持二次開發(fā)。

由于礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用條件“復雜、受限、時變、惡劣”，系統(tǒng)要發(fā)揮作用，在硬件上要防塵、防爆、防水，在軟件上要能和生產(chǎn)系統(tǒng)快速對接，其維護和更新格外重要，為此設計的實驗教學平臺系統(tǒng)總體邏輯如圖2所示。

（三）實驗教學內(nèi)容設計

按照課程大綱，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗部分12課時，每次實驗2課時，共設置6個實驗。基于礦山物聯(lián)網(wǎng)應用體系架構(gòu)，覆蓋傳感層、網(wǎng)絡層、應用層等各個層面的典型技術(shù)，實驗課程從體驗、使用到開發(fā)、設計逐步深入，實驗題目如下。

實驗一：網(wǎng)絡傳輸基礎實驗（實驗內(nèi)容包括有線局域絡、工業(yè)環(huán)網(wǎng)）。

實驗二：短距離無線通信網(wǎng)絡實驗（實驗內(nèi)容包括Zigbee、Wi-Fi）。

實驗三：無線傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)采集實驗（實驗內(nèi)容包括溫濕度、液位計）。

實驗四：礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺搭建（實驗內(nèi)容包括三維場景建立及更新維護、數(shù)據(jù)采集）。

實驗五：井下定位實驗（實驗內(nèi)容包括人員定位、設備定位）。

實驗六：礦山物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析（數(shù)據(jù)展示、存儲策略、關(guān)聯(lián)分析）。

針對以上實驗內(nèi)容，設計具體實驗環(huán)節(jié)，并圍繞實驗所需組織實驗資源。實驗過程緊密圍繞礦山特點，兼顧物聯(lián)網(wǎng)通用知識的培養(yǎng)。其中，實驗一至實驗三屬于基礎實驗，實驗四至實驗六為專業(yè)綜合實驗。

（四）實驗教學平臺的特點

現(xiàn)階段礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚缺乏穩(wěn)定、開放、高效、全覆蓋的感知傳輸網(wǎng)絡，難以實現(xiàn)對災害隱患的自動識別、有效預警、協(xié)同控制。本實驗教學平臺從礦山工程實際出發(fā)，力求全面仿真采礦作業(yè)條件，構(gòu)建具備自我識別、精確定位、全面感知、智能分析、協(xié)同管控的礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學系統(tǒng)。

本平臺具有如下幾個顯著特征。1.豐富多樣的感知類型。以通用物聯(lián)網(wǎng)實驗箱+外接專業(yè)傳感器模式涵蓋了位移、應力、粉塵、氣體濃度等多種感知類型。2.開放靈活的組網(wǎng)方式。有線、Wi-Fi、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、ZigBee等混合組網(wǎng)，學習者親自動手選擇組網(wǎng)形式，網(wǎng)絡搭建清晰明了。3.統(tǒng)一協(xié)調(diào)的三維分析軟件。礦山生產(chǎn)作業(yè)場景建模、地下空間定位、傳感器數(shù)據(jù)采集、三維展示等多功能集成，實現(xiàn)多源異構(gòu)信息的統(tǒng)一處理、系統(tǒng)分析。4.兼容簡便的維護升級模式。全面兼容不同接口形式、支持Python語言二次開發(fā)，軟硬件平臺可擴展性強。

四、結(jié)語

通過對礦山物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理論體系和技術(shù)架構(gòu)的梳理，對其實驗教學中存在的問題及原因分析，結(jié)合實際情況規(guī)劃了礦山物聯(lián)網(wǎng)各層的建設內(nèi)容，得出以下結(jié)論。

1.礦山物聯(lián)網(wǎng)具有感知層、網(wǎng)絡層、應用層架構(gòu)，其在定位、感知、傳輸、應用等核心技術(shù)上都具有礦業(yè)行業(yè)特點。2.礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學還處于摸索階段，在實驗課程體系、實驗教學平臺、實驗教學人才等方面還存在諸多不足，有待加強。3.礦山物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺的設計應結(jié)合高校教學和科研特點，體現(xiàn)專業(yè)技術(shù)特色，力求做到豐富、靈活、開放、兼容。

[責任編輯：陳明]