智慧矿山物联网的构建和应用研究

张胜英，王烟军，宋若臣

(山东行政学院，济南 250014)

一、引言

矿山安全一直是政府和行业管理难题，煤炭安全生产则是重中之重。我国煤炭储存环境复杂，地质条件较差，开采成本高;缺乏及时有效的预警系统;百万吨死亡率依然较高，安全问题十分突出。矿山生产迫切需要提升开采和监管方式。

物联网是物物相联的互联网，以互联网为支撑，以协议为保障，利用多种传感器和自动识别设备，融合全球定位系统、红外感应、无线射频技术，智能地识别和定位关联物品，实现远程监控和管理。物联网打破了原有矿业开采中物理设施和信息基础设施分离的积弊，通过设置各种传感设备，及时感知井下瓦斯、一氧化碳、钢筋混凝土、电气机械设备、电缆等的变化，通过物联网络把各种信息及时传递给地面工作人员，进行信息交换，使人员、机器、设备融为一个整体，为大规模无人化作业和安全生产提供了系统性保障。

建立在物联网技术之上的智慧矿山体系为矿业生产提供了新的管控平台，可以解决以下问题:①保障人员安全;②及时做出灾害预警;③实现智能控制;④形成新的产业标准;⑤井下无人化作业;⑥提高出煤率和作业效率。

二、我国矿山信息化的发展历程和特点

我国一直重视矿山信息化建设研究和应用，希望以此促进矿山企业向无人化、高效率、低成本方向发展。大体上，我国矿山信息化经历了综合自动化(Automatic Control)、数字化(Digital Mine)和智慧化(Intelligent Mine)三个发展阶段，具体见表1。

表1 矿山信息化的发展阶段

通过上表可以看出，智慧矿山综合运用了物联网、云计算等先进的产业技术，融合无线通讯技术，实现了矿山无人化管理，是数字矿山的更高发展阶段。

三、基于物联网的智慧矿山体系的构建

基于物联网的智慧矿山体系结构和物联网的结构体系原理相似，大体分感知层、网络层和应用层三个层次。感知层主要由广泛安置于矿山体系内部的各种传感设备和传感网络组成，具体如温度传感器、湿度传感器、浓度传感器、位置传感器、压力传感器等形成的传感网络，结合自动识别技术中的二维码、无线射频(RFID)技术、摄像头、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)来实现对矿区环境的最初识别、监测和感知。应用层是感知矿山物联网用户和各子系统的接口，主要完成各个子系统平台的搭建、处理、监控和管理。网络层借助移动通信网、互联网和企业的局域网完成感知层和应用层信息的传递和处理。具体逻辑结构如图1 所示:

图1 智慧矿山物联网的逻辑结构

在实践中，基于物联网的智慧矿山体系也对应的设计成应用层、处理层和感知层。

感知层可以细分为三个子系统:环境监测信息采集系统，通过相应的传感设备和传感网络实现对矿山体系内外部环境的实时监测和处理;矿山基础数据采集系统，完成对矿山整体开采前、中、后全过程的基础数据变化监测;生产系统监测信息采集，实现矿山生产过程中的数据监测和感知，为企业进行安全、高效和无人化生产提供必要的数据储备。

应用层可以细化为四个子系统:智慧生产系统，包括采煤工作面和推进工作面的细化和管理;智慧辅助系统，通过多个方面为生产系统提供服务，如运输、提升、供电等多个辅助作业环节;智慧安全生产保障系统，包括环境监测、防灭火、智慧爆破、人员安全等多个功能体系;智慧后勤支持系统，主要侧重于ERP 体系的建设、办公自动化、物流系统、生活保障等方面。

处理层包括数据仓库、信息处理、数据挖掘、信息融合和信息传输等。

以上三个层次以互联网、传感网、局域网和移动通信网络为支撑，实现相互联系、相互配合，最终实现智慧矿山倡导的无人化采掘、无人化运输、无人化管理，最终实现整座矿山的无人化作业和少人化管理，整座矿山处于智慧设备和智慧机器人的操作、运营和管理之下。应用体系模型见图2 所示:

图2 智慧矿山物联网的应用模型

在系统搭建和软件开发上，智慧矿山物联网系统由多个子系统和功能模块组成，大体可以分为井上部分、井下部分和管理应用平台三个部分，主要子系统和功能模块列举如下(见表2):

表2 智慧矿山物联网的主要子系统及功能模块

四、智慧矿山物联网的应用

国家物联网十二五规划明确把建设智慧矿山作为物联网重点示范领域之一。智慧矿山体系的建设，可以应用于矿山的规划设计、勘察勘验、生产调度、监控监测和综合管理等多个领域。通过物联网，可以有效地在井下人员定位、通讯联络、环境监控、自检自救和紧急避险等多个方面，实现无人化监管和自动化控制。

在智能生产方面，可以在生产作业环节对采煤机、掘进机、通风机、输送带等进行实时管理和控制，相关机械设备的性能指标、工作状态、进度完成情况等数据都可以及时上传至物联网控制中心，从而实现对矿山企业的及时调度和管理。

在智能监控方面，通过对安置于井下的各类传感设备和监控设备的综合使用，及时向地面管理人员传递瓦斯、人员、风压、湿度、浓度等数据，自动判断工作环境的安全程度，自发启动应急预案，做到提前预警和预防，自动找寻不安全因素并提出解决方案，有效避免大规模伤亡事故发生。

在智能管理和决策方面，智慧物联网系统通过管理平台如ERP、办公自动化等系统可以实现对人、财、物、产、供、销的全方位管理，把相关部门的信息进行有效收集和整合，对人员、财物进行统计记录，依托庞大的数据仓库和数据挖掘技术，提炼和处理数据，对生产经营状况做出汇总和评估，生成辅助性决策报告，供决策参考。

在智能销售方面，系统可以通过条码系统、RFID、电子监控、自动称重和计费、电子收费等手段，实现无人化销售和管控，实现自动售卖和结算。

五、结语

社会开始进入到“智慧”时代，物联网蕴藏着巨大商机，被称为继互联网技术之后的又一次产业革命，将成为下一个万亿级产业。物联网应用于矿山开采，形成智慧矿山，必将给未来矿业开发带来更大机遇和挑战。智慧矿山物联网建设还处于研究阶段，真正的实践积累还很少。未来的矿山物联网建设要特别重视以下两个方面:一是物联网的“感知”问题，矿山开采复杂多变，能否做到完全及时精确地感知，需要技术的突破;二是智慧矿山如何走出实验室，形成智慧产业，这既依赖于矿企自身，还有待理论、技术的深入和物联网设备制造商、系统集成商、移动运营商、政府等多个产业链环节的通力配合。

［1］孙艳芝，王斌.“智慧矿山”建设与应用研究［EB/OL］.中国经营网，［2012－11－17］.http://www.cb.com.cn/1634427/20120702/391576.html.

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