物联网技术在煤矿物流信息化中的应用

张 锋，顾 伟

(中电广通股份有限公司， 北京 100044)

1 背景和依据

我国煤矿95%以上是井工开采，煤炭赋存条件差、开采深度深、瓦斯、煤尘、水灾、火灾、冲击地压、地热等困扰着煤炭工业的健康发展，煤炭行业既是国家能源的主要支柱，也一直是我国工矿企业中的高危行业。

(1)煤矿井下空间狭窄、巷道复杂、环境恶劣，却集中了供电、运输、通风、排水、采掘、支护等大量的大型机电设备。

(2)煤炭开采面临的是移动的生产环境，大量的设备需要跟随采掘的进度搬迁，煤炭企业的设备管理与运维水平普遍较低，导致效率低下，设备、材料损耗浪费现象严重，设备的定位与管理在煤矿企业目前是个空白。

(3)煤矿在生产中使用大量的机车，我国煤矿机车定位主要以有线通信方式为主。对于有轨机车，目前采用最多的是定位继电器+有线通信的方式的实现，由于技术、成本与现场安装环境的限制，定位继电器无法高密度大量安装，所以只能在道岔、车站等少数关键位置实现定位，机车运行途中的精确定位无法实现；对于矿区井上、井下的汽车，目前还没有成熟可靠的定位与管理系统。

(4)在炸药的管理与使用方面，煤矿企业在日常的持续生产中需要大量使用炸药，许多恶性矿难的发生都与炸药的使用与管理的不当有关。而现有的炸药管理工作，在煤炭企业内部还处于比较初级的登记领用状态，矿区内炸药运载车辆、火工人员下井放炮等均没有相应的管理技术手段。

(5)减员增效是煤炭企业提升安全生产管理水平的一个重要目标与手段，在移动的生产环境中，在人员少、距离长的井下巷道这种环境下实现减员增效，对煤矿井下通信系统的保障提出了更高的要求。

(6)煤矿安全规程里，大量的规程都涉及人、设备、运输工具与作业流程的协同操作，而对于规程的执行目前主要靠制度与人的自觉性，缺乏有效的监控技术手段。

(7)煤矿井下发生事故后，地面与井下人员的信息沟通不及时，地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。因此，井下人数不详、被困人员位置不清、通信不畅是灾后应急救援急需解决的问题。

近年来，随着国家对煤矿安全生产措施的抓紧与落实，许多矿井安装了井下人员定位系统、设备点检系统、无线通信系统等，但普遍存在的问题：一是各系统功能单一、系统间相互隔离，在生产与安全管理上无法实现效能的最大化，系统间的协同作用难以发挥，与企业实际的生产与安全管理的融合度差，系统沦为“孤岛”乃至成为摆设或“参观工程”；二是系统还不够完善或存在空白，如机车定位系统、设备定位系统、矿区内的炸药运输与管理系统等；三是目前的这些系统还不具备冗灾与应急通信功能。

2 “智慧矿山”

“智慧矿山”是指在采矿企业的建设与发展中，在生产经营、安全管理领域，充分应用信息通信技术，智慧的感知、分析、协同以应对企业在安全生产与经营活动中的需求，创造一个安全高效的矿山。

“智慧矿山”由三个核心系统组成：智能生产、智能安全、智能物流。智能生产包括企业生产与经营的自动化与信息化，以自动化技术、计算机信息与网络技术为主；智能安全包括企业的安全监测监控系统与安全治理措施，以传感技术为主；智能物流包括人与物的定位与流向的管理，以定位与识别技术为主。而“智慧”的体现是以这些系统以协同的方式相互衔接，相互促进，互为保障，有效地促进企业执行力与高效性。支撑“智慧矿山”的技术是计算机与信息处理、云计算、物联网、通信与工业自动化技术。

“智慧矿山”不是孤立的某一个点或面。在纵向上，从中央到集团或省再到具体的地市或企业，“智慧矿山”可以构建一个分层的多级系统，实现多级、多业务、多部门的协同工作与监管；在横向上，“智慧矿山”可以与当地的智能城市系统相结合，实现与智能电力、智能交通、智能环境等领域的协同。下文以物联网技术在智能物流中的应用为例，探讨“智慧矿山”理念在采矿企业的实现方案(图1)。

3 物联网技术的应用

物联网是将各种信息传感设备，如二维码、射频识别(RFID)、全球定位系统(GPS)等装置与网络结合起来，从而给物体赋予智能，实现人与物、物与物的相互间的沟通和对话，实现智能管理。物联网技术与理念的推广，对提升我国煤炭企业的物流与安全生产管理水平具有重要的意义。煤炭行业的特殊性，使其不但具备“物联网”的实施条件与需求，还具备人员定位的条件。煤矿井下人员定位系统已成为行业强制标准正在逐步实施，将物的定位与人的定位相结合，辅助以通信系统，与生产系统相协同，应用于煤矿企业的安全生产管理，是物联网技术在煤炭企业安全生产工作中创新应用的核心。

图1 智慧矿山的架构

其中“智能物流”方案基于二维码、RFID射频识别技术，Wi-Fi射频定位、GPS定位技术，网络视频技术等，通过无线以太网与工业以太网，把人员、设备与网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、监控，实现“人与人”、“物与物”、“人与物”之间的协同作业、智能管理的创新应用。

3.1 系统架构

根据煤炭企业生产管理需求与现状，将系统业务分为人员定位与管理、设备定位与管理、车辆/机车的定位与管理、危险品流向与运输监控与管理四个子系统，以物流与安全生产综合管理系统平台为核心，以无线/有线一体化调度通信系统、视频监控系统、应急通信系统为辅助通信系统，与安全监测监控系统、综合自动化等系统相结合(图2)。

图2 智能物流系统示意框图

3.2 技术方案

(1)人员、设备定位与管理系统

人员定位系统由主要标识卡、读卡器、网络传输系统、上位机与系统软件组成，标识卡由个人佩带。目前，国内的煤炭企业大都已经安装了人员定位系统，可以接入到物流信息化系统管理平台。设备定位与管理系统与人员定位与系统相同，共用读卡器、网络传输系统、上位机与系统数据库软件，以标识卡的不同分组来区分人与设备，标识卡悬挂或粘贴在设备上。

(2)机车定位与管理系统

目前，我国煤矿井下机车定位主要以有线通信方式为主，对于有轨机车，目前采用最多的是定位继电器+有线通信的方式的实现。由于技术、成本与现场安装环境的限制，定位继电器无法高密度大量安装，所以只能在道岔、车站等少数关键位置实现定位，机车运行途中的精确定位无法实现；近年来，有些使用WiFi或Zigbee技术进行定位的尝试，但由于这些定位技术的核心为基于对无线信号场强相对强弱的分析来实现定位，由于煤矿井下的特殊性，定位环境为链型的封闭巷道环境，难以象地面一样通过对多基准点的无线信号场强的测量与计算获得精确的定位。被定位物体在一个地点只能探测到1～2个基准点，现场环境中的遮挡、环境中的移动物体与电磁干扰导致定位精度很差，对移动机车的定位精度非常低。

本文介绍的系统将标识卡以1～3m的间隔安装于井下巷道顶壁上，通过安装于矿用机车上的定位分站读取标识卡，定位精度可以达到1～3m。安装于矿用机车上的移动定位分站与固定安装在巷道中的矿用无线通信分站之间，采用无线以太网协议通信，可以支持视频、语音、数据等多业务，可以实时接收调度中心下传的各种指令，支持在机车上安装摄像机，实现移动机车上摄像机视频信号的实时无线上传；通过机车定位通讯分站的串行通信或I/O端口，可将机车本身的运行监测数据实时无线上传。 通过交通信号灯控制系统，地面调度中心可以根据机车位置情况实时控制道口的红绿灯。

(3)炸药流向与运输监控管理系统

炸药流向管理系统采用二维码识别与管理技术，二维码由于成本低廉，同样适用于企业对低值设备或材料的日常管理。炸药流向管理以煤矿企业从公安部门取得炸药为起始点，由煤矿企业为领到的炸药加贴二维码标签，并进行相应后续领用、运输、下井等流程的管理至炸药按规程使用完毕。

炸药的流向管理与人员定位系统可以协同工作，管理炸药的出入库、领用；领用人员的身份鉴别；使用炸药的火工人员的运行轨迹；放炮时间点危险区域内人员、车辆隔离等工作，实现安全生产管理的功能。

矿区内炸药运输车辆管理系统，采用具备GPS定位、Wi-Fi传输功能的车载DVR系统实现，可以实时监控与记录炸药运输车辆的位置、工况、运输物品及驾驶人员的视频，也即通常意义上的“黑匣子”。

(4)无线/有线一体化调度通信系统

通信系统是“智慧矿山”实现的重要保障手段，无线/有线一体化调度通信已经成为今后的发展趋势。本文提出的是一种集井下移动通讯、视频监控、人员定位、应急救援通信、工业以太环网、无线/有线一体化调度通信的六网合一的系统。系统采用模块化设计，方便用户对各子系统的选择与扩展。六网合一使系统的整体造价、设备线缆安装架设工程量、维护量大幅缩减，系统的扩展性大幅增强。基于VoIP通信技术的优势，系统还具备应急通信的功能，系统支持多环多路由网络冗余，系统中任意一点的分站、光缆等设备发生故障或遇灾害损坏时，系统具有即时重构自愈功能，故障不影响系统的正常工作。系统中的手机具有脱网通信功能，即使井下某一段网络与地面的通信完全被中断隔离，井下的手机之间，仍然可以通过脱网通信功能发现在线的手机，并实现内部通话。

(5)物流信息化系统平台

物流信息化系统平台，通过对物流、人流、车流、危险品过程数据的集成、加工处理，在安全生产管理和实时过程控制之间架起一座桥梁，达到两者之间的信息交换和紧密集成。在关系数据库系统基础上，实现各应用系统的集成、管理和信息共享、交互。通过该平台，可以将企业分散的物流、人流、危险品等各子系统实现有机的整合，增加监测监控、告警、存储、分发、业务流程管理、协同作业管理、统计报表、数据分析等附加功能，实现多级、分层、实时以及任意位置的监控与管理。

如图3所示，在平台的客户端中，调度人员在一个界面下，可以查看、记录一个作业点的现场视频、现场人员与设备、地理位置、设备工况等相关信息，实现数据与信息的集成。

协同管理设计是企业级物流与安全生产综合管理系统平台的核心，煤矿安全规程的核心即是对人员、设备、环境、流程等条件与操作规程的约束，而规程的执行监控一直缺乏有效的技术手段，主要依赖人员的素质与自觉性。

图3 协同监控

以设备定位与人员定位的协同为例：通过设备定位系统自身具备的功能，可以实现对设备的位置、设备的维保、设备的数量乃至库存与备件的管理。通过与其人员定位及机车定位系统的协同，可以实现对设备巡检、设备操作、设备的运输等过程合规性的监控。辅助以无线/有线调度通信系统，地面调度人员可以做到实时合理的调度维修、运输、操作等人员，纠正违章操作；辅助以工业自动化系统，可以对设备的实时工况进行监测监控；辅助以视频监控系统，可以查看现场的视频情况。

如图4所示，以井下爆破的安全规程为例，通过本系统可以监控炸药的领用、运输、实施等各环节的合规性，对于爆破操作的现场环境、人员与设备条件进行监控与记录，对于违规或潜在的危险行为给出告警与纠正。

4 结束语

云计算、物联网和智慧地球等颇具前瞻性的概念，在某种程度上打破了我们原来对系统、技术及应用的固有看法。在中国这样一个产煤大国，安全与生产的矛盾一直困扰着行业的健康发展，“智慧矿山”理念的提出，将智能生产、智能安全、智能物流相协同，将人、设备与环境相融合，将上下级主管单位相融合，将矿山与城市相融合，以求创造一个安全、高效、智慧的矿山。也希望通过本文抛砖引玉，引发更多关于“智慧矿山”的探讨。

图4 井下爆破安全规程监控

[1] ITU Internet Report 2005: The Internet of Things

[2] 浅析物联网.中国防伪报道[J].2009(10).

[3] 感知物联网.智能建筑与城市信息,2009(9).

[4] 鲁义轩.物联网真的来了[J].通信世界,2009(36).

[5] 孙继平，苏勇，乜京月. 矿井调度移动通信交换机的研究[J]. 煤炭工程，2002.

[6] 孙继平. 矿井移动通信的特点及现有系统分析[J]. 煤矿自动化,1997.