礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用

（中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京 100039）

在國(guó)家大力推進(jìn)智慧礦山建設(shè)的背景下，國(guó)內(nèi)礦山行業(yè)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山建設(shè)中的應(yīng)用也非常重視。物聯(lián)網(wǎng)是一種基于信息技術(shù)和電子技術(shù)的多學(xué)科技術(shù)，作為智慧礦山建設(shè)的基礎(chǔ)，重點(diǎn)解決系統(tǒng)軟硬件環(huán)境問題，包括設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)、業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)、異構(gòu)通信子網(wǎng)核心技術(shù)以及第三方子系統(tǒng)接入的問題。同時(shí)，在礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了全息數(shù)字化信息顯示和生產(chǎn)安全監(jiān)控等業(yè)務(wù)功能。

1 智慧礦山的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

由于我國(guó)大多數(shù)礦山的地質(zhì)條件惡劣，生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，安全生產(chǎn)條件差，所以在生產(chǎn)過程中引起很多問題，如果不及時(shí)采取有效措施，則可能導(dǎo)致重大事故。在這樣的背景下，大型國(guó)有礦山行業(yè)將積極引進(jìn)先進(jìn)的信息和自動(dòng)化技術(shù)，以信息系統(tǒng)為平臺(tái)，以自動(dòng)化管理為手段來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中自動(dòng)化管理，從而減少了人員，提高了效率。但是，在現(xiàn)階段，中國(guó)大多數(shù)礦山安全管理系統(tǒng)相對(duì)于其他系統(tǒng)是獨(dú)立存在的，導(dǎo)致重復(fù)投資，浪費(fèi)資源，無法實(shí)現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)暢通。

在過去20年中，在國(guó)內(nèi)礦山行業(yè)的信息化建設(shè)過程中大致分為以下四個(gè)階段：第一階段是業(yè)務(wù)信息的電子化階段：?jiǎn)为?dú)的電子設(shè)備用于收集數(shù)據(jù)，并以文本、電子報(bào)告等形式記錄為電子業(yè)務(wù)信息。第二階段是數(shù)字礦山：數(shù)字礦山信息管理系統(tǒng)用于礦山生產(chǎn)進(jìn)度管理、設(shè)備設(shè)施管理、銷售信息管理等各種業(yè)務(wù)，將大量的結(jié)構(gòu)化的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，讓使用人員可以實(shí)時(shí)掌握和管理礦山的運(yùn)營(yíng)。第三階段是虛擬礦山或全息數(shù)字礦山：將整個(gè)礦山的真實(shí)情況以及各方面的相關(guān)數(shù)據(jù)都繼承下來，做到整個(gè)礦山包括井下真實(shí)場(chǎng)景以虛擬現(xiàn)實(shí)的形式再現(xiàn)展示，做到輔助分析決策。第四階段是智慧礦山：在全息數(shù)字礦山的基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使用其中，系統(tǒng)集成，數(shù)據(jù)融通，實(shí)現(xiàn)管理、控制和監(jiān)督的集成，再將人工智能技術(shù)使用其中，實(shí)現(xiàn)科學(xué)和智能的管理決策，再利用自動(dòng)定位和導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)采礦的自動(dòng)化和無人化。由于國(guó)家對(duì)礦山安全、信息化和自動(dòng)化的要求不斷提高，在國(guó)家政策、科學(xué)部署和各礦業(yè)主管人員有效實(shí)施的指導(dǎo)下，基于物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、AI人工智能等技術(shù)的智慧礦山平臺(tái)建設(shè)無疑將帶來巨大的飛躍。

2 礦山物聯(lián)網(wǎng)和智慧礦山

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控的設(shè)備或過程的各種信息，通過網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和過程的智能化感知、識(shí)別和管理?；诘V山物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，將最初孤立的礦山安全和自動(dòng)化等系統(tǒng)集成到一個(gè)綜合平臺(tái)上，真正實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境、人員監(jiān)控、語音、視頻、自動(dòng)控制等多網(wǎng)合一。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)一管理、交換和分析各種信息，最終通過智能系統(tǒng)計(jì)算出決策信息和解決方案。

智慧礦山基于物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)作為支撐，并使用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和現(xiàn)代企業(yè)管理相結(jié)合的多層級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)過程中的信息數(shù)據(jù)集成與智能控制、提高安全生產(chǎn)水平和生產(chǎn)運(yùn)行效率，分步實(shí)現(xiàn)智能決策和管理。

物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)發(fā)展中的新產(chǎn)業(yè)，它融合了各種高新科學(xué)技術(shù)，使人、物和計(jì)算機(jī)做到了互通互聯(lián)、信息同步共享。它是一項(xiàng)將各種傳感器與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相連接、相融合的新技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山的建設(shè)是以信息化和自動(dòng)化為基礎(chǔ)，將礦山的生產(chǎn)、安全、銷售、運(yùn)輸、物資等每個(gè)環(huán)節(jié)融合到一個(gè)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)各類信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理等。將各類的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，最終提供決策信息和解決方案。目前礦山行業(yè)智慧化建設(shè)還處于初級(jí)階段，物聯(lián)網(wǎng)是智慧礦山建設(shè)的基礎(chǔ)，因此，進(jìn)行相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)研究對(duì)智慧礦山建設(shè)有著至關(guān)重要的意義。

3 設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山系統(tǒng)應(yīng)著眼于三個(gè)方面：企業(yè)管理、工業(yè)自動(dòng)化和礦山安全，需要使用物聯(lián)網(wǎng)、信息融合、AI人工智能等技術(shù)，可以使用三維GIS技術(shù)進(jìn)行立體的、可視化的全息展示，整體建設(shè)涉及到多項(xiàng)內(nèi)容和技術(shù)，所以智慧礦山是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此，需要提前做出一個(gè)先進(jìn)、科學(xué)、完整的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，確保建設(shè)有序的進(jìn)行。

（1）總體系統(tǒng)框架：全息數(shù)字化智慧礦山系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)為具有集團(tuán)、二級(jí)公司和基層礦山等多層級(jí)單位的大型集團(tuán)公司構(gòu)建總體的、多層級(jí)的、綜合性的管理、控制和監(jiān)督平臺(tái)。形成用于礦山監(jiān)控、管理的一體化的全息數(shù)字智慧礦山管理平臺(tái)，具有統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一平臺(tái)接口、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)整體礦山的線上管理。

（2）集團(tuán)級(jí)別的平臺(tái)架構(gòu)：可以隨時(shí)查看和監(jiān)視所有下屬生產(chǎn)單位的安全、生產(chǎn)和運(yùn)行狀態(tài)。通過整合、提取和統(tǒng)計(jì)等方法來分析整個(gè)集團(tuán)的所有信息數(shù)據(jù)，可以全面反映各個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況等，為管理層的決策提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也能根據(jù)專家決策系統(tǒng)，利用智能算法，為管理者提供輔助決策支持。

（3）礦山及生產(chǎn)單位平臺(tái)架構(gòu)：在智慧礦山系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)OA和ERP的統(tǒng)一管理，實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，可以對(duì)事故進(jìn)行提前預(yù)判，提前預(yù)警，防止事故發(fā)生。

（4）系統(tǒng)邏輯架構(gòu)：各類礦山業(yè)務(wù)在礦山物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)上傳輸數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)，而無需擔(dān)心異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的通信問題。借助平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合功能，每個(gè)礦山業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)，而無需考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬、延遲等問題，平臺(tái)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸算法會(huì)解決這些問題。底層的智能協(xié)議模塊和標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊對(duì)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將其上傳到數(shù)據(jù)挖掘、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，借助三維GIS系統(tǒng)和WEB頁面進(jìn)行全面展示，在可視的前提，實(shí)現(xiàn)了一體化的生產(chǎn)和安全管理。

4 物聯(lián)網(wǎng)在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用

作為一項(xiàng)不斷發(fā)展的新技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)可以從字面上理解為萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，因此，物聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，可以擴(kuò)展到任何項(xiàng)目的各個(gè)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目之間的信息互聯(lián)互通。在應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的過程中，把需要實(shí)時(shí)管理的任何對(duì)象連接起來，收集各種必要的信息，組成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了物與物，物與人，物與網(wǎng)絡(luò)之間的連接，為管理和控制提供了便利。在礦山建設(shè)過程中存在環(huán)境較差，通訊困難等問題，通過加速礦山的數(shù)字化建設(shè)，可以有效提高生產(chǎn)效率，并確保井下作業(yè)安全。因此，在礦山建設(shè)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以為智慧礦山建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。

4.1 采礦過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

在采礦過程中，由于井下采礦受到多種因素的限制，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)采礦過程中的一些異常情況，因此無法及時(shí)采取有效措施，不僅會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)管理上的滯后，而且會(huì)造成安全事故的發(fā)生。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于礦山，建立一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)了解和監(jiān)控礦山的生產(chǎn)狀況，有效改善這一問題。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要依靠智能數(shù)字傳感器、無線局域網(wǎng)和RFID等技術(shù)，使用射頻、紅外和激光傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下工人、設(shè)備和環(huán)境狀況，以及各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，并使用接口技術(shù)來形成礦山智慧網(wǎng)絡(luò)，為礦山的生產(chǎn)管理提供有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度和指揮決策的智能化。

4.2 安全監(jiān)控系統(tǒng)

在礦山企業(yè)的整個(gè)經(jīng)營(yíng)中，安全生產(chǎn)是一個(gè)從未改變的重要課題。在生產(chǎn)過程中，礦山生產(chǎn)人員、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境存在許多不確定性，經(jīng)常會(huì)發(fā)生緊急情況。因此，在礦山生產(chǎn)期間，必須有效地監(jiān)視和定位生產(chǎn)人員、生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)材料，并及時(shí)收集工作環(huán)境的數(shù)據(jù)。當(dāng)前，大多數(shù)礦山都安裝了安全監(jiān)控和人員定位系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)不能互聯(lián)互通，這使得監(jiān)視系統(tǒng)和定位系統(tǒng)無法發(fā)揮重要作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)中，該系統(tǒng)由身份卡、讀卡器、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件組成，不僅可以對(duì)生產(chǎn)人員和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行定位，還可以收集工作環(huán)境的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析和計(jì)算，對(duì)即將發(fā)生的緊急情況進(jìn)行預(yù)判，及時(shí)將預(yù)警信息發(fā)送到井下。

與其他行業(yè)相比，礦山行業(yè)存在許多危害，因此對(duì)采礦過程中對(duì)主要危害進(jìn)行監(jiān)視、預(yù)警和緊急處理有更高的要求。因此，需要以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同處理，通過有效的災(zāi)害評(píng)估，可以對(duì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)判，實(shí)現(xiàn)礦山危害的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警。通過基于GIS技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)，將每個(gè)獨(dú)立的監(jiān)視對(duì)象連接起來，創(chuàng)建基本的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)危害監(jiān)測(cè)、預(yù)警分析、趨勢(shì)分析、應(yīng)急管理等功能。

4.3 智能物流系統(tǒng)

礦山生產(chǎn)中需要大量爆炸物，許多礦山事故都涉及濫用和處理爆炸物，因此，爆炸物流量控制是極其重要的控制環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的管理方法難以精確控制，物聯(lián)網(wǎng)可以通過二維碼、RFID識(shí)別技術(shù)來管控爆炸物的流量。同時(shí)，它與人員定位系統(tǒng)和車輛管理系統(tǒng)結(jié)合使用，統(tǒng)計(jì)爆炸物的數(shù)量，識(shí)別接收爆炸物的人員和記錄爆炸物的使用情況，從而杜絕因爆炸物管理不善引起的安全事故。

5 結(jié)束語

本文著眼于礦山的現(xiàn)實(shí)情況，基于整合和標(biāo)準(zhǔn)化的思維，結(jié)合礦山的建設(shè)初期投資和未來的發(fā)展需求，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山建設(shè)。它可以充分利用現(xiàn)有的自動(dòng)化設(shè)備整合不同時(shí)期的礦山，通過整合不同自動(dòng)化程度的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和實(shí)施無疑將成為現(xiàn)代智慧礦山建設(shè)的重要技術(shù)之一。