物聯(lián)網(wǎng)在煤礦中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望*

趙 炬，吳佩利，孟 然

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 煤炭與化工產(chǎn)業(yè)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

由于開采深度的增加，地應(yīng)力、瓦斯突出等對煤礦安全生產(chǎn)的影響日益突出[1]，對保證煤礦安全生產(chǎn)，促進煤礦信息化發(fā)展十分重要，物聯(lián)網(wǎng)作為信息時代的產(chǎn)物，雖然在我國出現(xiàn)較晚但受到高度的重視，國家應(yīng)急管理部曾指出加快礦山物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，對提升煤礦安全監(jiān)管和事故防范能力至關(guān)重要[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)在礦區(qū)的投入使用，實現(xiàn)了井下多源信息的采集融合，在一定程度上緩解了井下信息孤島的狀態(tài)，而且物聯(lián)網(wǎng)所具備的信息的實時采集傳輸能力，實現(xiàn)管理人員對煤礦信息更加全面、準(zhǔn)確、實時地了解[3]；對及時發(fā)現(xiàn)排除事故隱患，制定相應(yīng)防災(zāi)減災(zāi)措施等提供強力的保障。

1 物聯(lián)網(wǎng)的概述

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)概念最早于1999年由美國麻省理工學(xué)院提出[4]，早期的物聯(lián)網(wǎng)是指依托射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)和設(shè)備，按約定的通信協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，使物品信息實現(xiàn)智能化識別和管理，實現(xiàn)物品信息互聯(lián)而形成的網(wǎng)絡(luò)[5]。隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)得到了加強和完善，它的定義也出現(xiàn)了許多不同的版本?？傮w來說，物聯(lián)網(wǎng)可以概括為：通過傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或者將生產(chǎn)生活過程中所需要的各類信息進行采集分析，通過各種可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的連接，從而實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)介紹

物聯(lián)網(wǎng)主要包括3個層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[6]。感知層是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、發(fā)展的基礎(chǔ)，主要功能是幫助人們獲取物理世界的各類信息，例如對外界環(huán)境壓強、氣壓、溫度、濕度等信息的采集，并通過對這些信息的采集，實現(xiàn)對物體的識別和與物體相關(guān)的各類物理信息的感知。網(wǎng)絡(luò)層主要用來實現(xiàn)更加廣泛的互聯(lián)功能，它建立于現(xiàn)有的通訊網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之上，它能夠?qū)⒏兄獙邮占降男畔⑦M行無障礙、高可靠性、高安全性的傳輸。隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)能力也越來越強，其穩(wěn)定高速的傳輸能力確保了感知層采集信息的時效性、穩(wěn)定性，對于物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建是不可缺少的一環(huán)。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的核心與發(fā)展?jié)摿Φ年P(guān)鍵，它的作用在于對采集的信息進行處理、分析，然后根據(jù)使用者的需要將這些信息應(yīng)用到不同的方面[7]。

2 物聯(lián)網(wǎng)在煤礦中的研究與應(yīng)用

2.1 物聯(lián)網(wǎng)在礦井設(shè)備管理中的應(yīng)用

礦井設(shè)備在煤礦安全生產(chǎn)中占據(jù)著十分重要的地位，是煤礦生產(chǎn)的重要保障，井下設(shè)備一旦出現(xiàn)問題，輕則停產(chǎn)，重則可能導(dǎo)致嚴重的事故，造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，所以對井下設(shè)備的監(jiān)測監(jiān)控十分重要。傳統(tǒng)的監(jiān)控檢測存在著不全面、實時性差、設(shè)備之間獨立檢測信息不互通等問題，通過物聯(lián)網(wǎng)的使用不僅實現(xiàn)了對設(shè)備的全面監(jiān)控，而且可以將設(shè)備進行統(tǒng)一管理，在加強對設(shè)備監(jiān)測能力的同時，還提高了設(shè)備的管理效率，實現(xiàn)設(shè)備的協(xié)同管理，達到降低能耗和延長設(shè)備使用壽命的效果。設(shè)備信息的及時獲取如圖1所示。

圖1 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of equipment monitoring system

潘文忠[8]針對了人工檢測往往對井下機電設(shè)備發(fā)生故障的部分不能做出精準(zhǔn)的判斷，提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對設(shè)備實行全面監(jiān)測，并指出通過物聯(lián)網(wǎng)的全面監(jiān)測，及時對設(shè)備進行維修，不僅可以降低維修成本，更能減少因設(shè)備故障引起的事故，在一定程度上保證了人員生命安全和提高了礦井的安全程度。劉楊等[9]論述了基于RFID射頻技術(shù)的智能礦車和智能礦燈的研究，提出了利用物聯(lián)網(wǎng)中的RFID射頻技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，使礦方可以精確地了解井下礦車的數(shù)量和所在位置。李敬兆等[10]提出了通過物聯(lián)網(wǎng)對礦山大型機電設(shè)備協(xié)同管理，不僅提高了設(shè)備的使用效率，而且減少了機電設(shè)備在生產(chǎn)過程中的耗電量。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)在礦井人員管理中的應(yīng)用

礦工作為煤礦生產(chǎn)的主要參與者，保障他們的安全不僅是國家以人為本的要求，也是企業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展的保障，所以對人員的管理一直是煤礦企業(yè)的重點工作之一。由于生產(chǎn)工作面遠離地面且工作環(huán)境復(fù)雜，人員管理方面一直存在著考勤困難、違章操作發(fā)現(xiàn)不及時、人員信息獲取難等問題，通過物聯(lián)網(wǎng)的引入，使得人員的身份信息、位置信息、身體狀態(tài)等信息，可進行及時獲取和處理，降低了人員管理的難度，同時加強了管控力度，大大減少違章操作行為的發(fā)生，具體如圖2所示。

圖2 人員信息識別系統(tǒng)Fig.2 Personnel information identification system

王亞琴等[11]結(jié)合國內(nèi)外RFID技術(shù)的研究經(jīng)驗，利用物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術(shù)與CAN總線相結(jié)合設(shè)計了井下人員定位系統(tǒng)，可以實時收集井下人員信息，在一定程度上給井下從業(yè)人員提供了生命安全的保障。韓臻[12]描述了亭南煤業(yè)使用有源和無源的RFID卡來實施人員定位與考勤，從一定程度上減少了代刷的發(fā)生，增加了考勤的準(zhǔn)確度。孫繼平[13]利用物聯(lián)網(wǎng)對特種作業(yè)人員是否持證上崗和是否有權(quán)進行操作進行監(jiān)控，將作業(yè)人員的證件編號與姓名、人臉或虹膜等個人信息綁定，在作業(yè)人員入井時可自動檢查人員是否持證上崗，在其操作設(shè)備時，也可通過設(shè)備識別系統(tǒng)判斷其有無權(quán)限，若無權(quán)限，禁止其進行操作并選擇報警。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)在井下環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用

由于井下的環(huán)境復(fù)雜多變，通常的監(jiān)測手段往往是對單一信息的監(jiān)測，且存在著傳輸?shù)臏笮?，這樣導(dǎo)致得到的環(huán)境信息準(zhǔn)確度不高，且信息無法得到充分的利用，物聯(lián)網(wǎng)的引入實現(xiàn)多元監(jiān)測，全面測得各類環(huán)境信息，及時上傳統(tǒng)一處理，增加了環(huán)境信息的關(guān)聯(lián)性，使得判斷更加準(zhǔn)確，同時及時地獲取處理制定相應(yīng)的政策,使得信息利用率得到極大地提升，工作原理如圖3所示。

圖3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of environmental monitoring system

徐江陵[14]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行井下瓦斯的監(jiān)測與報警，當(dāng)井下布置的瓦斯傳感器檢測出井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)后，將檢測到的信息發(fā)往報警系統(tǒng)，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上進行風(fēng)險判定，一旦得出當(dāng)前瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)達到事故設(shè)定的濃度時，立刻報警提醒井下作業(yè)人員。孫繼平[15]在分析瓦斯爆炸事故的基礎(chǔ)上，提出了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對礦井瓦斯實施多級監(jiān)管，保證在煤礦一些防護措施未能發(fā)揮作用的情況下，上級管理部門可以對井下的信息有所了解，及時發(fā)現(xiàn)礦井中存在的安全隱患，并且針對具體情況制定相應(yīng)的措施。王軍號等[16]針對當(dāng)前煤礦瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)存在著模糊、不精確等問題，提出將物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)應(yīng)用到煤礦瓦斯監(jiān)測中，除了對瓦斯進行數(shù)據(jù)采集外，同時對風(fēng)速、溫度、粉塵濃度等信息實施采集，然后利用信息融合算法，實現(xiàn)信息互補和協(xié)同感知。使得監(jiān)測信息的精準(zhǔn)程度得到了很大的提升，為煤礦的生產(chǎn)安全提供了更好的保障。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)在煤礦綠色發(fā)展中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建可實時監(jiān)控在采煤過程中的各類消耗，同時可以監(jiān)測排出有毒有害物質(zhì)和污染物的量，加以控制達到節(jié)能減排的要求。何新洲等[17]針對環(huán)保問題提出了利用ZigBee技術(shù)與傳感器，對溫度、水質(zhì)、有害氣體等環(huán)境信息進行實時監(jiān)控，并將監(jiān)控數(shù)據(jù)反映到監(jiān)控平臺，實現(xiàn)節(jié)能減排、保護環(huán)境的目的。吳立新等[18]論述了基于數(shù)字礦山和礦山物聯(lián)網(wǎng)的智能采礦技術(shù)，表示該技術(shù)不僅是提高生產(chǎn)能力和礦區(qū)的安全水平的保障，也是實現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展、綠色發(fā)展的基礎(chǔ)。高彬等[19]基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計了物資管理系統(tǒng)，在礦用物資上裝配RFID標(biāo)簽，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)對物資使用壽命、所處位置進行監(jiān)測，從而減少物資的浪費。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)急救援中的應(yīng)用

應(yīng)急救援是煤礦事故的最后一道防線，是保障遇險礦工生命安全的重要工作。礦山事故救援的成功關(guān)鍵因素之一就是對井下災(zāi)區(qū)信息的充分準(zhǔn)確掌握，其次就是信息的快速獲取。傳統(tǒng)手段存在著信息監(jiān)測不全面，信息獲取相對滯后等問題，使得救援過程中災(zāi)情信息存在一定的模糊性和難預(yù)測性。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對井下各類信息實施全面采集、實時上傳，可提高災(zāi)情信息獲取的準(zhǔn)確性、及時性，縮短救援的準(zhǔn)備時間，提高決策的科學(xué)性和及時性，從而大大地提高救援效率。

西安科技大學(xué)鄭學(xué)召等[20]總結(jié)了以往的礦山救援中存在的問題，提出了礦山救援需根據(jù)當(dāng)時情況，靈活地選取并組合各種救援設(shè)備，并分析了RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、UWB技術(shù)在人員定位方面的優(yōu)缺點，為救援方面應(yīng)用提供了指導(dǎo)。最后提出了煤礦探測機器人技術(shù)，不僅可以保證救援人員安全，同時還提高了救援效率。王吉龍等[21]提出在應(yīng)急救援物品上裝RFID的標(biāo)簽，這樣一方面可以增強日常設(shè)備管理的效率，另一方面在發(fā)生事故時能準(zhǔn)確地了解到設(shè)備的位置、狀態(tài)，不僅提高了救援的效率，而且在一定程度上增強了應(yīng)急救援的作用。

3 物聯(lián)網(wǎng)在煤礦應(yīng)用中存在的問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在煤礦上的應(yīng)用越來越普遍，體現(xiàn)出了非常大的優(yōu)越性，但是在煤礦的應(yīng)用中還存在著一些問題，一定程度上制約了物聯(lián)網(wǎng)在煤礦上的發(fā)展。

3.1 多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備對煤礦復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性差

當(dāng)前市面上的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備種類非常多，設(shè)備的功能基本可以滿足礦山的要求。但是很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在細節(jié)上存在著問題，如防爆、防塵等性能，將其應(yīng)用在井下本身就存在著安全隱患，而且部分設(shè)備功能性單一，無法實現(xiàn)多種信息的同時采集，大量鋪設(shè)既不方便，又增加成本。

3.2 礦山物聯(lián)網(wǎng)信息安全性較差

隨著礦山物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，大量的信息需要傳輸，信息泄露很可能對企業(yè)帶來大量的損失。雖然許多商家也開始著眼于信息的保護，但是多數(shù)企業(yè)的逐利性導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)的信息安全不能得到重視[22]，推進緩慢，技術(shù)上的不成熟也是提高信息安全性的一個阻礙。

3.3 礦山物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

礦山物聯(lián)設(shè)備接口、通信協(xié)議等還缺乏一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各系統(tǒng)之間無法形成有效的信息聯(lián)通、交互，“信息孤島”現(xiàn)象無法得到根本上的解決[23]。物聯(lián)網(wǎng)的性能不能充分發(fā)揮，它的優(yōu)越性也不能得到充分體現(xiàn)，使得礦方在使用過程中無法達到預(yù)期的目的，嚴重制約了礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)普及和利用率不高

部分煤礦企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對技術(shù)革新認識不清，缺乏應(yīng)對的手段，更習(xí)慣于傳統(tǒng)的煤礦發(fā)展模式[24]，對物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)積極性不高。另外礦井從業(yè)人員素質(zhì)參差不齊，有的人員對新技術(shù)的學(xué)習(xí)、使用缺乏動力，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)的使用率較低，不能完全發(fā)揮礦山物聯(lián)網(wǎng)的價值。

4 礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用問題的解決對策與研究展望

4.1 礦山物聯(lián)網(wǎng)問題的解決對策

煤礦生產(chǎn)因政策、生產(chǎn)條件、市場需求的變動，其發(fā)展方式也發(fā)生著變革，物聯(lián)網(wǎng)隨著煤礦發(fā)展的改變越來越廣泛地應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)中，物聯(lián)網(wǎng)在煤礦應(yīng)用中呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢。針對當(dāng)前煤礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中存在的問題，應(yīng)加大生產(chǎn)廠商與煤礦企業(yè)的合作力度，使煤礦的技術(shù)人員參與到廠商的設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)過程中，提出煤礦所需物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的要求，讓生產(chǎn)廠商按照要求進行研發(fā)生產(chǎn)，同時需要加強物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)人才隊伍的建設(shè)，提高物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)能力，保證可以按照要求生產(chǎn)出相適應(yīng)的設(shè)備。在法律上進行嚴格要求，打擊竊取信息的犯罪行為。聘用專業(yè)人才對信息進行加密處理，幫助企業(yè)構(gòu)建防火墻，保證信息在傳播過程中的安全性，對關(guān)鍵信息進行備份防止丟失，加強負責(zé)網(wǎng)絡(luò)安全人員的管理，杜絕監(jiān)守自盜。發(fā)揮政府的職能，與高校、科研機構(gòu)、生產(chǎn)廠商進行協(xié)商，對各類標(biāo)準(zhǔn)進行統(tǒng)一規(guī)定，同時也要考慮生產(chǎn)企業(yè)的生存狀況，對物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)廠商加大扶持力度，推進技術(shù)革新，保證物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也是促進標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的重要保障。政府應(yīng)引導(dǎo)企業(yè)，鼓勵企業(yè)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)部門推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，推動礦山物聯(lián)網(wǎng)的智能化，以及相關(guān)設(shè)備操作維護的簡易化，同時企業(yè)開展員工培訓(xùn)，讓員工了解、熟悉物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的操作，做到設(shè)備能用、工人會用。

4.2 礦山物聯(lián)網(wǎng)的研究展望

隨著煤礦物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)、設(shè)備的更新，煤礦也朝著監(jiān)控一體化、救援智能化、生產(chǎn)少人化的方向發(fā)展。

4.2.1 監(jiān)控一體化

利用先進的傳感設(shè)備構(gòu)建人、機、環(huán)境的感知網(wǎng)絡(luò)，保證對人、機、環(huán)境信息的實時采集，統(tǒng)一通信協(xié)議，增加各個監(jiān)測系統(tǒng)間的信息交互，通過當(dāng)前開發(fā)出的5G和光纖等先進的傳輸手段，保證信息的及時上傳。結(jié)合數(shù)據(jù)融合、云計算、風(fēng)險分級、WebGIS和一張圖模式的展示等技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一的監(jiān)控平臺。不僅方便管理人員查看井下的各類信息，時刻了解井下的安全狀況，而且通過平臺建立、通信協(xié)議的統(tǒng)一使之前相互獨立的人員、設(shè)備、環(huán)境信息結(jié)合成有機整體，可以更加科學(xué)精準(zhǔn)地對井下的風(fēng)險等級進行評估，及時發(fā)現(xiàn)隱患，減少事故的發(fā)生。同時可以將平臺和廣播系統(tǒng)、井下各類防災(zāi)裝置相連接，在判斷出可能發(fā)生事故時可以結(jié)合實時上傳的人員、設(shè)備、環(huán)境和巷道信息，規(guī)劃撤離路徑，組織人員撤離，啟動相應(yīng)的防災(zāi)設(shè)備防止事故擴大，如圖4所示。

圖4 監(jiān)控一體化示意Fig.4 Schematic diagram of monitoring integration

4.2.2 救援智能化

事故發(fā)生后迅速開展有效的救援行動對減少人員傷亡和財產(chǎn)損失有著十分重要的作用，井下信息的獲取則是制定救援行動的重要支撐，當(dāng)前關(guān)于救災(zāi)機器人的研究越來越多。可以將救災(zāi)機器人并入礦山物聯(lián)網(wǎng)，將救災(zāi)機器人作為感知工具深入井下，構(gòu)成災(zāi)后的感知層，同時通過便攜式的有線/無線的通信設(shè)備保證信息傳遞和指導(dǎo)機器人的行動。利用統(tǒng)一的救災(zāi)平臺，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計算、輔助決策系統(tǒng)，對采集的信息進行分析處理，并得出相應(yīng)的救援方案，輔助救援工作的開展。在節(jié)省救援時間的同時增加了救援的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，使得救援工作可以發(fā)揮更大的作用。智能救援方案如圖5所示。

4.2.3 生產(chǎn)少人化

當(dāng)前自動化設(shè)備的應(yīng)用越來越普遍，煤礦生產(chǎn)由于生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、工作面隨時移動因而需要各個設(shè)備之間更加緊密的配合，利用煤炭物聯(lián)網(wǎng)，可以使各自動化設(shè)備的位置信息、設(shè)備狀態(tài)等信息進行實時交互。結(jié)合AI智能隨時協(xié)調(diào)各設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)，隨時調(diào)整指令，使各設(shè)備之間配合更加密切，實現(xiàn)井下的自動化開采，從而減少煤礦的從業(yè)人員。

圖5 智能救援Fig.5 Intelligent rescue

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)在煤礦的應(yīng)用，呈現(xiàn)著良好的發(fā)展?fàn)顩r，不僅大大提高了煤礦生產(chǎn)的安全程度，同時為煤礦的智能化發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。雖然當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用還存在著相關(guān)設(shè)備適應(yīng)性差、信息安全、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、人員觀念滯后等問題，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，廠商煤礦合作力度的加大，各類標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)安全的提高以及人工智能的進步，物聯(lián)網(wǎng)在煤礦上的應(yīng)用也越來越普及，越來越完善。希望隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與完善，煤礦生產(chǎn)的安全程度可以得到進一步的提升，煤礦智能化生產(chǎn)可以早日實現(xiàn)。