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

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-7476

作者簡介：王旭強（1989—），男，本科，工程師，研究方向為智慧礦山自動化。

摘要：現(xiàn)代礦山建設(shè)的重要性突出，從安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率的角度出發(fā)，各地均在嘗試建設(shè)智慧礦山，這為礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用提供了思路和空間。以礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理、構(gòu)成為切入點，在此基礎(chǔ)上分析該技術(shù)在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用方法，就確定關(guān)聯(lián)主體、建立業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)、智慧工作系統(tǒng)作業(yè)邏輯控制等內(nèi)容進行論述，最后結(jié)合AS礦山建設(shè)現(xiàn)狀進行模擬，分析礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用優(yōu)勢，為該技術(shù)的未來運用和礦山建設(shè)、發(fā)展提供少許參考。

關(guān)鍵詞：礦山物聯(lián)網(wǎng) 智慧礦山 邏輯控制?自動化技術(shù)

中圖分類號：TD76

礦山物聯(lián)網(wǎng)（Mining Internet of Things）是物聯(lián)網(wǎng)的一種具體形式，主要強調(diào)將傳感技術(shù)、通信技術(shù)、自動化設(shè)備以及智能化技術(shù)結(jié)合在一起，覆蓋礦山企業(yè)內(nèi)各類設(shè)備、工作人員以及環(huán)境等生產(chǎn)和控制要素，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制、全面感知以及智能作業(yè)。礦山物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢突出，被視作智慧礦山建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。目前來看，一方面智慧礦山的建設(shè)時間較短，各地對礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用尚不完善，另一方面安全生產(chǎn)、高效率生產(chǎn)得到廣泛關(guān)注，是未來礦山企業(yè)建設(shè)的基本目標。在此背景下，分析礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理、構(gòu)成

1.1礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理

從原理上看，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與常規(guī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相似，主要強調(diào)利用傳感技術(shù)、通信技術(shù)、自動化設(shè)備以及智能化技術(shù)，完成對礦山作業(yè)區(qū)域內(nèi)各類設(shè)備和工作人員、作業(yè)環(huán)境等要素的實時關(guān)聯(lián)，并對一些可重復的工作環(huán)節(jié)進行智能控制，減少傳統(tǒng)工作模式下人員工作的精力消耗，也提升作業(yè)質(zhì)量和效率[2]。礦山區(qū)域內(nèi)的各類危險因素，均由智能系統(tǒng)進行一體化感知和分析，如果存在風險由系統(tǒng)發(fā)出警報，并做記錄，由人員進行后續(xù)干預。如風險的情況繼續(xù)進行信息采集，可不做信息記錄。由于智能系統(tǒng)工作可全程無人化或半無人化，工作質(zhì)量和效率均更有保障。

1.2??礦山物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成

礦山物聯(lián)網(wǎng)一般由4個要素構(gòu)成，即終端工作系統(tǒng)、通信模塊、智能模塊以及其他輔助模塊。其中終端工作系統(tǒng)主要為傳感器等現(xiàn)場信息采集設(shè)備，該系統(tǒng)負責實時采集礦山內(nèi)各區(qū)域的基本信息，如作業(yè)區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度、井下空氣質(zhì)量、可燃氣體濃度等來自終端的實時信息，是礦山物聯(lián)網(wǎng)進行工作的基本依據(jù)。通信模塊一般包括有線模塊和無線模塊兩類，有線模塊主要用于設(shè)備之間的互聯(lián)，尤其是井下設(shè)備，在存在通信干擾、通信環(huán)境不佳的情況下，有線通信模式可以保證通信質(zhì)量[3]。地上部分工作、人員信息識別等，則以無線通信技術(shù)提供輔助，以提升通信靈活性。智能模塊是礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心模式，該模塊的主要工作任務(wù)為借助默認程序完成實時信息的分析，以判斷其是否合理、安全、得當，并據(jù)此給出下一步處理意見。其他輔助模塊如警報系統(tǒng)、信息存儲系統(tǒng)等，這一類工作系統(tǒng)不影響礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體運用，但可以提升系統(tǒng)的工作覆蓋效應(yīng)，優(yōu)化智慧礦山建設(shè)水平[4]。

2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用方法

2.1?確定關(guān)聯(lián)主體

智慧礦山建設(shè)中礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用強調(diào)邏輯清晰、設(shè)計簡練、運用和維護便捷，同時也要求建立行之有效的作業(yè)系統(tǒng)，關(guān)注對各類工作主體、工作對象的有效覆蓋。實際工作中，需要首先確定與物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的各類作業(yè)主體，可大致將其分為3個類別：被控制對象、工作人員、中間設(shè)備（如作業(yè)平臺、作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備等）。被控制對象包括礦山內(nèi)的環(huán)境要素、工作系統(tǒng)等，這些要素是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、智慧礦山工作的直接目標，關(guān)乎到礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是否能夠發(fā)揮預期作用。工作人員即智慧礦山工作人員，包括程序設(shè)計者、遠程工作者、現(xiàn)場工作人等，如負責處理礦山物聯(lián)網(wǎng)報警信息的人員、組織數(shù)據(jù)加工處理的人員等。中間設(shè)備的功能定位各有不同，其核心作業(yè)在于維持系統(tǒng)工作的邏輯性和完整性，使礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能與智慧礦山融為一個整體，有效服務(wù)通信、信息采集等一般性工作。

2.2?建立業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)

智慧礦山建設(shè)中礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)聯(lián)主體確定后，應(yīng)為各主體建立明確的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，其關(guān)聯(lián)的重點在于形成有助于智能工作、信息化作業(yè)的綜合模式，也強調(diào)以信息技術(shù)、電子技術(shù)保證關(guān)聯(lián)穩(wěn)定，且具有必要的魯棒性。

以礦井下的抑塵系統(tǒng)為例，業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)工作模式為中心，通過智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)工作中心建立默認工作系統(tǒng)，通過工作人員設(shè)定工作程序，根據(jù)一般研究，礦井下粉塵濃度過高時存在爆炸風險，且增加了吸入性疾病（如塵肺）和皮膚病的發(fā)生率，可根據(jù)礦井工作物特點，設(shè)定抑塵工作最低濃度標準，默認該參數(shù)均值為X%。實際工作中，受到工作強度、時間等因素影響，作業(yè)區(qū)域內(nèi)粉塵濃度一般在X%上下波動，呈現(xiàn)為一個模糊化線性變化特點的數(shù)集：

[X%min；-2X%；-1X%；X%；1X%；2X%；X%max] ??（1）

式（1）中：[X%min；X%max]表達作業(yè)區(qū)域內(nèi)粉塵濃度的最小值和最大允許值，X%min的最小理論值為零，X%max的最小理論值為風險臨界值，最大理論值為爆炸臨界值，由傳感器實時對作業(yè)區(qū)域的粉塵濃度進行收集，當其處于[X%min；X%max]范圍內(nèi)時，抑塵系統(tǒng)可根據(jù)一般要求決定是否作業(yè)，原則上如果X%max達到最小理論值時，即應(yīng)由智能系統(tǒng)完成辨識，進行實時抑塵避免人員患各類疾病，也降低粉塵富集產(chǎn)生爆炸問題的風險。為保證業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)緊密，還可考慮建立備用工作系統(tǒng)，當常規(guī)系統(tǒng)因老化、故障不能完成工作時，啟動備用系統(tǒng)作為替代，以保證智能作業(yè)系統(tǒng)魯棒性。

2.3?礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作業(yè)邏輯控制

智慧礦山建設(shè)中，礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的作業(yè)邏輯應(yīng)保證明確清晰、簡練易用。實際工作中主張采用CAN總線技術(shù)以及PLC邏輯控制系統(tǒng)提供邏輯控制方面的支持[5]。CAN總線系統(tǒng)為復雜的作業(yè)體系提供了可擴展的現(xiàn)場通信支持，各類不同的工作設(shè)備、人員均可通過獨立的信道與智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)工作中心或其直屬部門完成關(guān)聯(lián)，以避免通信干擾、延遲等問題。在此基礎(chǔ)上，以PLC邏輯控制系統(tǒng)為智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)工作中心、各獨立工作系統(tǒng)提供邏輯程序作業(yè)方面的支持，實現(xiàn)對智慧礦山、礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的有序控制。當?shù)V山控制對象數(shù)目增加或物聯(lián)網(wǎng)工作系統(tǒng)面臨優(yōu)化、程序變化需要時，也可以分別借助CAN總線技術(shù)以及PLC邏輯控制系統(tǒng)進行通信對象拓展和程序重新編寫，持續(xù)服務(wù)智慧礦山建設(shè)和智能作業(yè)。

2.4?反饋與優(yōu)化

智慧礦山建設(shè)以提升生產(chǎn)效率和安全工作水平為目標，需要在常規(guī)應(yīng)用礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)以及技術(shù)應(yīng)用情況進行必要的分析、優(yōu)化，使其始終滿足工作需要[6]。例如：礦山井下通風作業(yè)，常規(guī)作業(yè)模式下，通風設(shè)備可能出現(xiàn)老化、工作能力下降等問題，此時礦山物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的傳感器發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)通風能力下降、礦井空氣質(zhì)量不佳的問題，可快速將其反映給遠程端，后者據(jù)此進行通風系統(tǒng)工作參數(shù)調(diào)整，也可以由通風系統(tǒng)借助自適應(yīng)技術(shù)調(diào)整通風參數(shù)，優(yōu)化井下空氣質(zhì)量。當通風系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整越發(fā)頻繁，礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)報警次數(shù)持續(xù)增加時，應(yīng)形成反饋報告，由系統(tǒng)自行整理通風系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整情況、礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)報警情況，提示遠程工作人員系統(tǒng)內(nèi)的異常，工作人員根據(jù)反饋報告，發(fā)現(xiàn)井下通風系統(tǒng)工作參數(shù)變化頻繁，據(jù)此進行調(diào)整，更換、修理老舊部件，以充分保證礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮優(yōu)勢，提升智慧礦山建設(shè)水平。

3 模擬分析

3.1模擬對象

為論證礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧礦山建設(shè)中的優(yōu)勢，選取AS礦山進行模擬分析，采用參數(shù)模擬法，利用計算機建立模擬實驗進行動態(tài)靜態(tài)信息評估。利用AS企業(yè)提供的礦山一般資料形成對比，以評估常規(guī)工作模式下礦山安全問題發(fā)生率、工作效率、故障感知和處理時間。

3.2模擬過程與結(jié)果

模擬實驗共分為兩組，第一組為常規(guī)組，以AS礦山提供的工作信息為依據(jù)進行數(shù)據(jù)加工。第二組為智慧組，利用礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組織智慧礦山建設(shè)，利用計算機產(chǎn)生參數(shù)做技術(shù)模擬，包括靜態(tài)模擬、動態(tài)模擬兩類，靜態(tài)模擬用于分析生產(chǎn)效率，按照固定參數(shù)形成工作模型，判斷其標準工作模式下，以礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持智慧礦山建設(shè)，單日的勞動生產(chǎn)率，隨機搭建100個模型，統(tǒng)計勞動生產(chǎn)率的均值。動態(tài)模擬采用加速形式，默認加速參數(shù)為1∶100 000，每完成一分鐘模擬，相當于系統(tǒng)實際運行100 000 min，在此過程中添加1 000個錯誤參數(shù)，分別模擬粉塵過量、通風不暢等安全問題和風險，判斷系統(tǒng)是否可以敏銳感知和處理。完成模擬后，對兩組實驗結(jié)果進行分析統(tǒng)計。具體如表1所示。

結(jié)合實驗結(jié)果，可知常規(guī)組的礦山安全問題發(fā)生率較高、工作效率和故障感知率較低，處理時間也較長。而借助礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)的智慧礦山，能夠以現(xiàn)代技術(shù)完成安全問題發(fā)生率控制，發(fā)生率為0.2%；同時礦山的個人工作效率和故障感知率提升，分別達到31.2元/h、92.2%；故障處理方面，智慧礦山利用礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠在0.33?h完成故障處置，效率更高。這表明礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧礦山建設(shè)提升了礦山工作和勞動水平。

3.3??智慧礦山建設(shè)應(yīng)用礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的趨勢

結(jié)合當前礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用情況、智慧礦山建設(shè)現(xiàn)狀，未來前者的應(yīng)用可能出現(xiàn)更多變化，重點集中于兩個方面：技術(shù)性突出、系統(tǒng)改進。從模擬實驗層面出現(xiàn)，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧礦山建設(shè)，顯著改善了后者的工作水平，但實驗添加的均為理想?yún)?shù)，并不能完全真實地反映礦山工作情況，包括通信干擾控制、物聯(lián)網(wǎng)老化問題影響、傳感器信息真實性和靈敏性控制等。未來工作中，應(yīng)分別考慮通信質(zhì)量提升、系統(tǒng)感知效率改進，同時兼顧動態(tài)因素控制，以提升礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的總體水平。系統(tǒng)改進以技術(shù)更新為基礎(chǔ)，需要根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)的變化做出調(diào)整，如采用的現(xiàn)場可視化系統(tǒng)的情況下，需要考慮為可視化系統(tǒng)提供信息處理、大數(shù)據(jù)加工、存儲和緩存方面的支持，以保證智慧礦山建設(shè)水平和礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量。

4結(jié)語

綜上所述，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢明顯，應(yīng)用于智慧礦山建設(shè)中，可以改善礦山工作水平，降低能耗、提升安全性和工作效率。其原理在于對實時信息進行收集和分析、交互，作為具體工作的依據(jù)。具體工作中，要求確定智慧礦山建設(shè)的各類主體，確定其關(guān)聯(lián)方式，并建立實時作業(yè)系統(tǒng)，以清晰的工作邏輯提供智能化服務(wù)。結(jié)合模擬分析結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)運用礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的情況下，智慧礦山的工作水平、建設(shè)水平得到提升，未來可在各地智慧礦山建設(shè)工作中加以運用。

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