智能礦山基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)及其發(fā)展趨勢(shì)

余洋， 張申

（1. 河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司 趙家寨煤礦, 河南 新鄭 451184；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)研究中心, 江蘇 徐州 221008）

0 引言

20多年來(lái)，智能礦山建設(shè)經(jīng)歷了數(shù)字礦山、礦山綜合自動(dòng)化、智能礦山的發(fā)展過(guò)程。數(shù)字礦山的概念提出得比較早[1-2]，但長(zhǎng)期停留在理論上，難以實(shí)施。直至2003年柴天佑院士在金礦的流程工業(yè)信息化實(shí)施中提出：金礦綜合自動(dòng)化是應(yīng)用企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）/生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）/過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）3層框架結(jié)構(gòu)[3]。2007年，文獻(xiàn)[4]首次提出了數(shù)字礦山兩大基礎(chǔ)平臺(tái)——網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與數(shù)據(jù)平臺(tái)的概念，比較具體地給出了數(shù)字礦山建設(shè)的模型，有效推進(jìn)了數(shù)字礦山建設(shè)。

但在數(shù)字礦山建設(shè)之初，由于對(duì)礦山數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的需求還不是太迫切，所以，絕大部分礦山均是重視網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)，而輕視數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)，礦山許多子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)是相互獨(dú)立的，不利于數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。在智能礦山的概念逐步為大眾所接受后，情況卻朝相反方向變化，即大家的興趣更多地轉(zhuǎn)向了應(yīng)用平臺(tái)和各種智能化應(yīng)用[5-6]，而有關(guān)智能礦山基礎(chǔ)平臺(tái)的建設(shè)及發(fā)展的討論反而比較少了。

基礎(chǔ)平臺(tái)是智能礦山建設(shè)的重要基礎(chǔ)，是各種智能礦山應(yīng)用的根基。因此，本文結(jié)合智能礦山基礎(chǔ)平臺(tái)升級(jí)改造，討論基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)及其發(fā)展趨勢(shì)，希望能對(duì)從礦山綜合自動(dòng)化向智能礦山過(guò)渡有一定的借鑒作用。

1 智能礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)與發(fā)展趨勢(shì)

從數(shù)字礦山到礦山綜合自動(dòng)化，再到智能礦山的建設(shè)一直沿用基礎(chǔ)平臺(tái)和應(yīng)用平臺(tái)的概念。應(yīng)用平臺(tái)主要是指架構(gòu)在基礎(chǔ)平臺(tái)之上，支撐礦山各種應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái)，典型的如礦山管控一體化平臺(tái)[6-7]、礦山地理信息系統(tǒng)平臺(tái)[8]、云計(jì)算平臺(tái)[6]等。智能礦山基礎(chǔ)平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)與應(yīng)用系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示。可看出不同礦山具有不同的應(yīng)用平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)，但網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和數(shù)據(jù)平臺(tái)都是必須的，所以稱其為基礎(chǔ)平臺(tái)。

圖1 智能礦山基礎(chǔ)平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)與應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)系Fig. 1 The relationship of basic platform, application platform and application system in intelligent mine

1.1 智能礦山主干網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的發(fā)展

1.1.1 工業(yè)總線主干網(wǎng)絡(luò)

2000年左右，神華集團(tuán)大柳塔煤礦首次采用雙ControlNet總線作為主干傳輸網(wǎng)絡(luò)[8]，并將生產(chǎn)與安全子系統(tǒng)分別接入ControlNet總線，如圖2所示。這改變了過(guò)去礦山各個(gè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控子系統(tǒng)相互獨(dú)立的情況，在國(guó)內(nèi)起到了很好的示范作用。2004年，寧煤集團(tuán)羊場(chǎng)灣煤礦的綜合自動(dòng)化建設(shè)中采用了工業(yè)總線Profibus DP環(huán)網(wǎng)，這是第1次將環(huán)網(wǎng)的冗余能力用于礦山綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，提高了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的可靠性。2005年，兗礦集團(tuán)濟(jì)寧三號(hào)煤礦采用了ControlNet環(huán)網(wǎng)作為綜合自動(dòng)化主干網(wǎng)。然而，由于工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)的固有限制，并不適用于作為主干網(wǎng)，究其原因主要有以下2個(gè)方面：① 工業(yè)總線是一種詢問(wèn)應(yīng)答機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)，即由地面主機(jī)輪流向工業(yè)總線中各個(gè)分站查詢數(shù)據(jù)，分站接收到查詢自己分站的指令才會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面主機(jī)。當(dāng)接入的系統(tǒng)增多時(shí)，詢問(wèn)應(yīng)答周期時(shí)間明顯加長(zhǎng)，難以適應(yīng)礦山綜合自動(dòng)化實(shí)時(shí)性的要求。而且這種應(yīng)答機(jī)制也不適用于分站有緊急情況時(shí)的主動(dòng)數(shù)據(jù)上報(bào)。② 工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)接入的都是監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，不能接入語(yǔ)音和視頻信息，不滿足綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的“三網(wǎng)”（視頻網(wǎng)、語(yǔ)音網(wǎng)和監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)）合一的要求。

圖2 神華集團(tuán)大柳塔煤礦ControlNet總線綜合自動(dòng)化系統(tǒng)Fig. 2 The ControlNet bus integrated automation system in Shenhua Daliuta Coal Mine

1） 100 Mbit/s工業(yè)以太主干網(wǎng)。2006年，龍口集團(tuán)百皂煤礦首次將100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)用作礦山綜合自動(dòng)化主干網(wǎng)絡(luò)[9]，如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)采用有冗余能力的環(huán)網(wǎng)，各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)各自的工業(yè)控制總線與以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接入主干網(wǎng)絡(luò)。隨著以太網(wǎng)的使用，礦山綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中首次出現(xiàn)了主干網(wǎng)+接入網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)形式。工業(yè)以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)，各子系統(tǒng)分站大部分仍沿用原來(lái)不同的工業(yè)總線監(jiān)控系統(tǒng)，如井下的膠帶監(jiān)控系統(tǒng)、水泵監(jiān)控系統(tǒng)、變電所監(jiān)控系統(tǒng)等均采用各自原有的工業(yè)總線監(jiān)控方式，再通過(guò)以太網(wǎng)分站接入主干網(wǎng)，以太網(wǎng)分站實(shí)際起到了網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換的作用。除監(jiān)控系統(tǒng)外，百皂煤礦還接入了視頻和音頻信號(hào)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中很快就顯露出100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)的不足之處，當(dāng)僅接入幾路視頻后，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度大受影響，甚至影響到監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[10]。原因分析：① 以太網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。與工業(yè)總線時(shí)間確定的查詢機(jī)制不同，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸使用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路存?。┰L問(wèn)方式，這是一種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。當(dāng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)，先要檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)上是否有數(shù)據(jù)在傳輸，如有數(shù)據(jù)，則等待一段時(shí)間再檢測(cè)，直到檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)上沒(méi)有數(shù)據(jù)才開始將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡(luò)。顯然，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量較大時(shí)，這種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制引起的等待時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)速度。分析表明，當(dāng)單位時(shí)間數(shù)據(jù)量達(dá)到網(wǎng)速的30%左右時(shí)，以太網(wǎng)傳輸速度會(huì)受到明顯的影響。② 礦山的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。與地面的網(wǎng)狀網(wǎng)有多條路由不同，礦山基本采用環(huán)狀網(wǎng)，所有數(shù)據(jù)都沿著環(huán)傳輸，不存在多條路由。因此，井筒網(wǎng)絡(luò)自然成為主干環(huán)網(wǎng)的卡脖子路段，所有的上下行數(shù)據(jù)均需通過(guò)井筒上傳，特別是視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)一步造成網(wǎng)絡(luò)延時(shí)長(zhǎng)。因此，100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)用于礦山“三網(wǎng)”合一受到很大的限制，對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性造成影響。在百皂煤礦試用后，其他礦山再也沒(méi)用過(guò)100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)。

圖3 100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)Fig. 3 100 Mbit/s industrial Ethernet platform

2） 1 000 Mbit/s工業(yè)以太主干網(wǎng)。2007年后，山東新汶礦業(yè)集團(tuán)、山西潞安礦業(yè)集團(tuán)等率先將1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)用作煤礦綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。其后神華集團(tuán)、兗礦集團(tuán)、鄭煤集團(tuán)、寧煤集團(tuán)等也都采用了1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)作為主干傳輸網(wǎng)絡(luò)[10]，如圖4所示。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)與100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)沒(méi)有太大區(qū)別，真正的區(qū)別在接入網(wǎng)方面，1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)可以接入更多的子網(wǎng)絡(luò)，包括各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，因此，能更加體現(xiàn)出異構(gòu)網(wǎng)的特征[11]。至此，1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)成為綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的主流，基本滿足了礦山綜合自動(dòng)化系統(tǒng)“三網(wǎng)”合一的要求。

圖4 1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)Fig. 4 1 000 Mbit/s industrial Ethernet platform

1.1.2 主干網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

隨著礦山綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，接入網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)越來(lái)越多，應(yīng)用也越來(lái)越廣，特別是大量數(shù)字工業(yè)電視信號(hào)的接入，大型礦山1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)也開始出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)速度方面的問(wèn)題。主要從2個(gè)方面來(lái)解決：① 進(jìn)行有效的網(wǎng)絡(luò)管控。靈活配置數(shù)字視頻源，提高數(shù)字視頻的利用率，盡可能減少不常用的數(shù)字視頻；給常用的視頻設(shè)置較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，不常用的視頻設(shè)置較低的數(shù)據(jù)傳輸速率；給重要的監(jiān)控系統(tǒng)劃分專用虛擬網(wǎng)，提高其實(shí)時(shí)性。② 采用更高速的10 Gbit/s主干網(wǎng)絡(luò)。2014年，神華集團(tuán)錦界煤礦在數(shù)字礦山建設(shè)中率先使用了10 Gbit/s工業(yè)以太網(wǎng)作為主干傳輸網(wǎng)絡(luò)[12]，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本與1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)類似，如圖5所示。地面和井下采用多個(gè)冗余以太環(huán)網(wǎng)，各種應(yīng)用系統(tǒng)就近接入環(huán)網(wǎng)中。

圖5 10 Gbit/s工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)平臺(tái)Fig. 5 10 Gbit/s industrial Ethernet basic platform

現(xiàn)在10 Gbit/s以太網(wǎng)仍可使用與以往10 Mbit/s和100 Mbit/s以太網(wǎng)相同的形式，允許直接升級(jí)到高速網(wǎng)絡(luò)，同樣可使用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的幀格式。在半雙工方式下，10 Gbit/s以太網(wǎng)使用基本的CSMA/CD訪問(wèn)方式來(lái)解決共享介質(zhì)的沖突問(wèn)題。也可使用波分全雙工業(yè)務(wù)和流量控制方式，避免CSMA/CD帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，網(wǎng)速利用率大大提高，但帶來(lái)的問(wèn)題是設(shè)備價(jià)格較高，主要適用于大型礦山。

綜上所述，礦山綜合自動(dòng)化的主干網(wǎng)絡(luò)基本已經(jīng)定型，就是1 000 Mbit/s或10 Gbit/s的主干網(wǎng)，主干網(wǎng)與多種不同形式的接入網(wǎng)相融合，這是礦山網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 智能礦山接入網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展

礦山各種監(jiān)控與管理系統(tǒng)均可通過(guò)各自接入網(wǎng)或以太網(wǎng)接入主干網(wǎng)絡(luò)。目前，接入網(wǎng)在礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中發(fā)展較快，接入網(wǎng)有工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN）、漏泄移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（智慧線）、小靈通移動(dòng)通信系統(tǒng)、4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等。由于礦山接入網(wǎng)技術(shù)之間基本是相互獨(dú)立發(fā)展的，不像主干網(wǎng)那樣有較明顯的前后傳承關(guān)系，所以，沒(méi)有必要對(duì)每種礦山接入網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行傳承發(fā)展的討論，本文從礦山接入網(wǎng)需要關(guān)注的重點(diǎn)來(lái)進(jìn)行討論。

對(duì)礦山接入網(wǎng)應(yīng)該關(guān)注的基本要點(diǎn)：① 兼容多種接口協(xié)議。② 多異構(gòu)網(wǎng)融合及多應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。③ 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)可管可控，避免網(wǎng)絡(luò)崩潰。④ 支持人工智能（Artificial Intelligence，AI）與多源大數(shù)據(jù)接入。⑤ 保障工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全。⑥ 礦山安全生產(chǎn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)無(wú)盲區(qū)接入。⑦ 分布式網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力。其中，前5個(gè)要點(diǎn)基本是所有接入網(wǎng)需要共同關(guān)注的問(wèn)題，這里不多作贅述。以下重點(diǎn)分析最具礦山特色的后2個(gè)要點(diǎn)。

1.2.1 礦山安全生產(chǎn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)無(wú)盲區(qū)接入

智能礦山的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是一個(gè)兼具監(jiān)控與傳輸兩大功能的網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控的數(shù)據(jù)類型包括相對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)（如礦壓、溫度、氣體濃度等）和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（如工況、礦震、設(shè)備振動(dòng)、沖擊地壓等）。這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)分布在整個(gè)礦區(qū)，特別是井下一些不易接近的地方。因此，要實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控，真正實(shí)現(xiàn)透明化開采，理想情況就是實(shí)現(xiàn)礦山無(wú)盲區(qū)監(jiān)控，而這只能依靠接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，特別是具有移動(dòng)功能的無(wú)線接入網(wǎng)。

智能礦山多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的特殊性注定了目前還不可能由1種接入網(wǎng)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)礦山的監(jiān)控與傳輸。如利用漏泄電纜作為天線的半無(wú)線傳輸方式，離開漏泄電纜一定距離，就難以可靠傳輸，使用也不靈活。WSN兼具監(jiān)測(cè)與傳輸功能，但數(shù)據(jù)傳輸速率低，在礦山巷道中需要多跳傳輸時(shí)速率會(huì)大幅下降，采樣方式不靈活，難以適應(yīng)智能礦山多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸要求。而最近應(yīng)用廣泛的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的速率靈活可變，比較適應(yīng)異構(gòu)數(shù)據(jù)的傳輸，但5G原則上是一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)，在靈活自組網(wǎng)能力方面不如WSN。鑒于上述原因，目前各種無(wú)線接入網(wǎng)均有應(yīng)用，如WSN、5G、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）、遠(yuǎn)距離無(wú)線電（Long Range Radio，LoRa）、漏泄移動(dòng)通信等。

1） 漏泄移動(dòng)通信系統(tǒng)。漏泄移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)如圖6所示，利用沿巷道布置的漏泄電纜，構(gòu)建通風(fēng)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、煤巖動(dòng)力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全隱患監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全管理及預(yù)警系統(tǒng)等[13]，實(shí)現(xiàn)巷道沿線的移動(dòng)監(jiān)控。從圖6可看出，漏泄移動(dòng)系統(tǒng)主要解決的是巷道沿線的無(wú)線接入問(wèn)題。由于需要布置專用漏泄電纜，漏泄移動(dòng)系統(tǒng)使用的靈活性受到一定限制，且較低的數(shù)據(jù)傳輸速率不適合傳輸移動(dòng)視頻。

2） WSN?；赪SN的無(wú)線接入網(wǎng)如圖7所示，用于實(shí)現(xiàn)井下人員和機(jī)車定位[14]?；赪SN的井下人機(jī)定位系統(tǒng)采用UWB定位技術(shù)，結(jié)合到達(dá)時(shí)間法（Time of Arrival，TOA）和卡爾曼濾波法，實(shí)現(xiàn)了固定基站節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的精確測(cè)距；利用WSN定位模型，獲得井下人員和機(jī)車位置信息，結(jié)合高精度地圖及計(jì)算機(jī)三維展示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員和機(jī)車位置的實(shí)時(shí)感知，并將信息接入高速工業(yè)以太網(wǎng)。該系統(tǒng)功能相對(duì)比較單一，數(shù)據(jù)傳輸速率也不高，主要用于機(jī)車巷相對(duì)固定的場(chǎng)景，計(jì)算依賴于基站位置。

圖7 基于WSN的無(wú)線接入網(wǎng)Fig. 7 Wireless access network based on WSN

3） 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)。5G具有大帶寬、低時(shí)延、廣連接的特性和支持邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片及端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，將5G融入礦山智能化，構(gòu)成5G+智能化礦山技術(shù)體系，是當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)方向。陜煤集團(tuán)張家峁煤礦建設(shè)了礦區(qū)5G接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[15]，采用宏基站加室內(nèi)分基站的模式解決了信號(hào)覆蓋范圍和信號(hào)強(qiáng)度問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了地面廠區(qū)的信號(hào)全覆蓋，地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸速率均為4G的5倍以上。井下采用5G皮基站進(jìn)行組網(wǎng)，完成井下5G數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試的同時(shí)，開展5G+巡檢機(jī)器人巡檢測(cè)試、5G+通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制測(cè)試等5G應(yīng)用場(chǎng)景試驗(yàn)。試驗(yàn)成功破解了5G在煤礦應(yīng)用初期存在的功耗高、傳輸距離短等實(shí)際問(wèn)題，具有重大意義。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)如圖8所示，可看出5G分站仍需要接入礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，因此，5G本質(zhì)上還是屬于接入網(wǎng)技術(shù)。

圖8 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)Fig. 8 5G mobile communication system wireless access network

目前，5G在煤礦智能化建設(shè)中的應(yīng)用和發(fā)展仍面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。由于5G技術(shù)植根于地面手機(jī)移動(dòng)通信技術(shù)，在礦山井下的應(yīng)用還缺乏相關(guān)的基礎(chǔ)研究，如井下基礎(chǔ)電磁環(huán)境的特點(diǎn)，不同頻率電磁信號(hào)在井下特殊電磁環(huán)境下的吸收、反射、傳輸和多徑的特性，高頻引發(fā)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致瓦斯或煤塵爆炸的臨界參數(shù)的確定，以及多天線和多頻段無(wú)線電波引起的能量聚集臨界點(diǎn)確定等問(wèn)題，導(dǎo)致井下5G新裝備的研制和礦用產(chǎn)品安標(biāo)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的制定缺乏依據(jù)，因此安全檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也就一直無(wú)法落地[15]。另外，5G的基本終端是手機(jī)及類似設(shè)備，這些終端設(shè)備并不具備集群自組網(wǎng)與底層計(jì)算的能力。因此，5G仍屬于一種傳輸網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述，研發(fā)適應(yīng)智能礦山應(yīng)用需要的無(wú)線接入網(wǎng)，使其兼具多速率、靈活自組網(wǎng)、監(jiān)控與傳輸一體化等特性是當(dāng)前無(wú)盲區(qū)感知需要解決的問(wèn)題。

1.2.2 接入網(wǎng)的計(jì)算能力

除無(wú)盲區(qū)感知外，接入網(wǎng)的另一個(gè)趨勢(shì)是發(fā)展分布式無(wú)線接入網(wǎng)的計(jì)算能力。比如節(jié)點(diǎn)之間相互聯(lián)系，以決定哪些數(shù)據(jù)需要傳輸，哪些數(shù)據(jù)應(yīng)該丟棄；對(duì)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)數(shù)據(jù)融合后再傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。這種底層網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力也稱作微云計(jì)算或霧計(jì)算，其對(duì)于降低網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量、提高數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的能力及盡早發(fā)現(xiàn)礦山安全隱患都是極其重要的，是智能礦山網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。接入網(wǎng)中WSN具有一定的計(jì)算能力。

某礦山井下利用WSN分簇實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合計(jì)算，如圖9所示[16]。數(shù)據(jù)融合過(guò)程：首先WSN中瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的穩(wěn)定瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控基站，基站根據(jù)所采集的正常數(shù)據(jù)設(shè)定一個(gè)瓦斯?jié)舛茸兓撝?，然后反向傳輸給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。其次各簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在工作面采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，如果本次采集的數(shù)據(jù)與前一次瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)變化不大，節(jié)點(diǎn)處理器判別其為正常數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)，以減少網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸量。而當(dāng)判斷數(shù)據(jù)可能為異常數(shù)據(jù)時(shí)，則將本次采集的數(shù)據(jù)與前一次數(shù)據(jù)都暫時(shí)存放到節(jié)點(diǎn)緩存器中，等待一定周期后再采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)異常頻次計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到一個(gè)設(shè)定值時(shí)，確認(rèn)為數(shù)據(jù)異常，則通知簇頭節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)傳輸通道將異常數(shù)據(jù)快速上傳。上述過(guò)程既能消除數(shù)據(jù)冗余，又能排除誤采樣數(shù)據(jù)的干擾。

圖9 基于WSN分簇的數(shù)據(jù)融合計(jì)算Fig. 9 Data fusion and computing based on WSN clustering

總的來(lái)說(shuō)，接入網(wǎng)技術(shù)是多樣化的，有些應(yīng)用比較單一，如工業(yè)總線接入技術(shù)、漏泄通信系統(tǒng)接入技術(shù)等；有些則可進(jìn)行多用途開發(fā)，如WiFi，WSN，5G等接入技術(shù)。從功能上接入網(wǎng)又可分為傳輸網(wǎng)絡(luò)和具有計(jì)算能力的網(wǎng)絡(luò)。5G，WiFi等無(wú)線接入網(wǎng)主要是傳輸網(wǎng)絡(luò)，基本不具備分布式計(jì)算與數(shù)據(jù)融合的能力，這些工作需要傳輸給上層來(lái)做。礦山監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中需要許多底層計(jì)算，而WSN雖然具有分布式計(jì)算能力，但該能力有限，且耗能嚴(yán)重，實(shí)際應(yīng)用較少。因此，今后需要加大5G等接入網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用，提高接入網(wǎng)的計(jì)算能力，以滿足礦山無(wú)盲區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控和底層計(jì)算的需要。

2 數(shù)據(jù)平臺(tái)發(fā)展及趨勢(shì)——超融合數(shù)據(jù)服務(wù)

從圖4和圖5可看出，在智能礦山建設(shè)的初始階段，數(shù)據(jù)服務(wù)器基本是相對(duì)單獨(dú)設(shè)置的，有的系統(tǒng)是2～3個(gè)應(yīng)用共用1個(gè)服務(wù)器，有些重要的系統(tǒng)更趨向于使用單獨(dú)的服務(wù)器，這種設(shè)置造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)不同的服務(wù)器中，難以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，甚至數(shù)據(jù)格式難以統(tǒng)一進(jìn)行描述，更談不上數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)挖掘，因此，智能礦山的許多數(shù)據(jù)應(yīng)用都難以開展。另外，隨著智能礦山中應(yīng)用系統(tǒng)不斷增加，所需的數(shù)據(jù)服務(wù)器也在不停增加，盡管目前逐步采用了虛擬服務(wù)器技術(shù)，能夠讓更多應(yīng)用共用1個(gè)服務(wù)器，但仍不能適應(yīng)智能礦山對(duì)數(shù)據(jù)平臺(tái)的要求。智能礦山要揭示更高層次的礦山多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系和基于知識(shí)需求模型的信息實(shí)體主動(dòng)匹配與推送策略，構(gòu)建基于開采行為預(yù)測(cè)推理的智慧邏輯模型進(jìn)化機(jī)制，研究智能礦山海量信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，融合各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)逐步成為迫切需要解決的問(wèn)題[6]。

針對(duì)上述問(wèn)題，將智能礦山數(shù)據(jù)服務(wù)器升級(jí)為智能礦山數(shù)據(jù)平臺(tái)的改造要求如下：將原本相對(duì)獨(dú)立的服務(wù)器應(yīng)用軟件遷移至新服務(wù)器，確保原有功能正常使用，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的智能化礦山管控平臺(tái)、綜合自動(dòng)化平臺(tái)與底層子系統(tǒng)數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集服務(wù)器數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)，為智能化管控平臺(tái)提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)支持。數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，主機(jī)接收信息并提供給集控中心值班人員，備機(jī)監(jiān)視主機(jī)的運(yùn)行情況，主機(jī)也同時(shí)監(jiān)視備機(jī)是否正常。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)異常，不能支持?jǐn)?shù)據(jù)采集時(shí)，備機(jī)主動(dòng)接管主機(jī)的工作，在無(wú)需人工干預(yù)的情況下繼續(xù)維持?jǐn)?shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)智能礦山數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)挖掘的目標(biāo)，超融合服務(wù)器是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理的首選。超融合技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化。鄭煤集團(tuán)趙家寨煤礦、中煤平朔集團(tuán)、亳州煤業(yè)信湖煤礦、貴州江銅銀山礦業(yè)、山東黃金礦業(yè)焦家金礦等礦山均實(shí)現(xiàn)了超融合服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)[17]。

2.1 超融合服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)

超融合服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)是一種集成了虛擬計(jì)算資源和存儲(chǔ)設(shè)備的信息基礎(chǔ)架構(gòu)[18]。其以軟件定義為基礎(chǔ)、分布式存儲(chǔ)為核心，在同一套單元設(shè)備中不但具備計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和服務(wù)器虛擬化等資源和技術(shù)，而且多套單元設(shè)備可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聚合起來(lái)，通過(guò)軟件定義形成統(tǒng)一的資源池[19]，提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)維等一體化的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)平臺(tái)，是智能礦山實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心的最佳解決方案，是智能礦山數(shù)據(jù)平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)[20]。超融合服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)如圖10所示，其中VM為虛擬機(jī)，HYPERVISOR為超級(jí)管理，SDS為軟件定義存儲(chǔ)，HCI為超融合架構(gòu)。超融合服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)以VM為核心，采用軟件定義方式來(lái)規(guī)劃與運(yùn)用底層硬件資源，并向終端用戶交付需要的資源[19]。

圖10 超融合服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)Fig. 10 Hyperconverged server platform structure

超融合服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)采用通用硬件服務(wù)器，將多臺(tái)服務(wù)器組成含有跨節(jié)點(diǎn)、跨層次的統(tǒng)一存儲(chǔ)池，通過(guò)增加群集中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，來(lái)擴(kuò)充群集的運(yùn)算效能與存儲(chǔ)空間，并實(shí)現(xiàn)群集中各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的復(fù)制與備份，具備服務(wù)高可用性、擴(kuò)展性及數(shù)據(jù)保護(hù)能力，可靈活地調(diào)配資源。

2.2 超融合服務(wù)的核心技術(shù)

超融合服務(wù)的核心技術(shù)包括三大虛擬化技術(shù)：服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

2.2.1 服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化是整個(gè)超融合服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)的核心組件，虛擬化程序直接運(yùn)行在服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器物理資源的抽象，將CPU、內(nèi)存、硬盤等服務(wù)器物理資源轉(zhuǎn)換為可統(tǒng)一管理、調(diào)度和分配的邏輯資源，并基于這些邏輯資源在單個(gè)物理服務(wù)器上構(gòu)建多個(gè)同時(shí)運(yùn)行、相互隔離的VM運(yùn)行環(huán)境，提高礦山多個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的利用率，降低智能礦山系統(tǒng)及數(shù)據(jù)管理的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山各種子系統(tǒng)服務(wù)需求的快速響應(yīng)，提供高可靠、靈活的應(yīng)用服務(wù)[12]。

2.2.2 存儲(chǔ)虛擬化

存儲(chǔ)虛擬化是將各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)在節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上獨(dú)立的硬盤存儲(chǔ)空間進(jìn)行組織聚合，構(gòu)成一個(gè)共享的存儲(chǔ)資源池，所有的存儲(chǔ)資源在這個(gè)存儲(chǔ)池中統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的自動(dòng)化管理和分配，構(gòu)建高效靈活的存儲(chǔ)架構(gòu)與管理平臺(tái)，提供高可靠、高性能存儲(chǔ)。上述工作均由軟件來(lái)進(jìn)行定義。

存儲(chǔ)虛擬化采用多副本機(jī)制，一份數(shù)據(jù)可同步存儲(chǔ)在多個(gè)不同的物理服務(wù)器硬盤上，提高數(shù)據(jù)可靠性，保障關(guān)鍵子系統(tǒng)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

智能礦山系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)是靈活多變的，需要相對(duì)靈活的網(wǎng)絡(luò)來(lái)適應(yīng)業(yè)務(wù)變化的需求。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)基本采用固定形式，缺乏配置的靈活性，甚至有時(shí)不得不臨時(shí)布置網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化通過(guò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所需的各類網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)（包括路由、交換、安全、負(fù)載均衡等）按需分配及應(yīng)用的靈活調(diào)度，提供了一種新的網(wǎng)絡(luò)連接與運(yùn)維模式，解決了傳統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)的管理和運(yùn)維難題，可滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)快速、靈活、自動(dòng)化部署的需求。因此，超融合服務(wù)器是智能礦山數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)保障。

3 結(jié)語(yǔ)

智能礦山是數(shù)字礦山和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的延續(xù)，因此，相較于數(shù)字礦山和礦山綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，智能礦山對(duì)基礎(chǔ)平臺(tái)提出了更高要求。智能礦山基礎(chǔ)平臺(tái)分為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和數(shù)據(jù)平臺(tái)兩大部分，而網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)又分為主干網(wǎng)和接入網(wǎng)，主干網(wǎng)經(jīng)歷了工業(yè)總線網(wǎng)、100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)、1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)和10 Gbit/s工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的過(guò)程，分析得出：工業(yè)總線網(wǎng)和100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)不適合作為智能礦山主干網(wǎng)的原因是其有效速率太低，無(wú)法適應(yīng)智能礦山大量異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。? 000 Mbit/s和10 Gbit/s工業(yè)以太網(wǎng)目前是智能礦山主干網(wǎng)絡(luò)的首選。由于智能礦山發(fā)展的需要，對(duì)接入網(wǎng)提出了更高的要求，分析表明，智能礦山的接入網(wǎng)應(yīng)具備無(wú)盲區(qū)接入和底層計(jì)算的能力。目前的無(wú)線接入網(wǎng)仍難以具備這樣的能力，如漏泄通信系統(tǒng)屬于半無(wú)線方式，應(yīng)用場(chǎng)合受限，速率不高；5G網(wǎng)絡(luò)主要為無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，有較為靈活的速率適應(yīng)性，適合作為純接入傳輸網(wǎng)絡(luò)，由于不具備自組網(wǎng)和底層計(jì)算能力，在無(wú)盲區(qū)監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面受到一定限制；WSN具備一定自給網(wǎng)及底層計(jì)算能力，但速率較低，特別是礦山井下多跳使用時(shí)速率下降明顯，且功耗上升，從而降低其計(jì)算能力和自組網(wǎng)能力。因此，研發(fā)適用的井下無(wú)盲區(qū)接入技術(shù)是目前網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)展的重要內(nèi)容。智能礦山也對(duì)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用提出了更高的要求。過(guò)去的分立服務(wù)器和簡(jiǎn)單的虛擬服務(wù)器的數(shù)據(jù)平臺(tái)方式己經(jīng)不能適應(yīng)智能礦山對(duì)數(shù)據(jù)平臺(tái)的要求。分析了數(shù)據(jù)平臺(tái)的超融合架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)、超融合服務(wù)的特點(diǎn)及對(duì)智能礦山建設(shè)的適應(yīng)性。分析表明，超融合服務(wù)器是今后智能礦山數(shù)據(jù)平臺(tái)發(fā)展的方向。