浅谈煤矿设备状态管理系统的物联网模型

现阶段，煤矿企业设备的状态管理与维修方面还存在着几个比较明显的问题，本文在常见物联网模型的基础上，结合煤矿实际特点进行改进，提出了物联网技术运用到煤矿设备状态管理中的感知模型、实际应用模型。

一、煤矿生产中传统设备状态管理模式

煤矿安全生产是关系煤炭工业健康稳步发展的首要大事，虽然呈现出好转的趋势，但是还存在着许多问题。现阶段，煤矿企业设备的状态管理与维修方面还存在着几个比较明显的问题，比如临时性维修管理太过频繁、时间代价过大、人员资源成本较高等等。一般采用的传统维修方法拘泥于一成不变的维修模式，通常采取人工周期性检修的方式，主要对数据和故障现象进行采集汇总和诊断。另外，目前在我国煤矿中应用的设备监控系统有十余种，但是监控范围都比较小，都不具有开放性、缺乏一致的接口技术和通信协议，异构性等特征较突出。不能实现信息的共享，更不能实现协同操作，而且在传输信号方面，井下各工作面的设备，大多数采用模拟信号进行传输，井下分站与地面检测站之间采用传输效率较低的异步传输方式。虽然工业以太网以及现场总线技术的应用在一定程度上改变了目前煤矿管理技术发展相对落后的情况，但是这样的系统布线难度大，需要较高的维护成本，并且依靠有线网络传输数据信息，由于煤矿井下环境的特殊性，设备数量多，人员复杂，巷道距离长、宽度窄，拓扑结构复杂，地热效果明显，湿度温度较高，一旦矿井发生瓦斯爆炸等，必然会使有线网络受到影响，使数据不能安全有效地传输。为了有效地改善目前设备的维修管理现状，需要逐渐向预知性设备状态管理体制转变，以提高设备运行的可靠性和利用率等。因此，人们将矿山将来的发展方向定为“感知矿山”，而信息化与自动化则是其最现实的基础。

二、系统感知模型的建立

（一）本体模型介绍

本体概念被引入到计算机应用方面之后，人们对于领域知识的共同理解得到了很好地描述，其是实现资源间互操作的基础。本体建模方法侧重于对语义上的统一，和物联网在语义互操作上的要求相一致，利用其概念层次结构，通过将生活中的概念特征等抽象成模型，对情景信息进行有效地描述，加入到信息检索框架中，以实现信息资源的共享，提高检索质量，为系统的互操作和语义集成提供有力保障。本体建模可以利用工具将文件输出格式根据需要定制为XML 、OWL、RDF 等语言，并且可以在一定程度上实现转换；可以提供可扩展的 API 接口，模块划分界限比较明了清晰。本体建模中，抽象出来的模型独立于具体的特定环境，可提高资源重新利用的效率，并且对象属性、相关概念描述方面明确清晰，能够被计算机识别。以上的这些特点成为国内外学者研究设计物联网系统时采用本体建模方法的主要依据。

（二）本体模型创建流程

在创建本体过程中需要满足创建的本体能够表达专业领域资源情况的要求，具有明确的任务要求、意义、目的以及能够反映出用户的需求，并且能够对知识资源等进行有效地映射和整合。在明确本体构建需求、目标等基础之上，对其中涉及到的相关概念汇总分析，这个过程需要领域专家的全程指导。进入本体的使用操作阶段，用户会根据自己的使用情况提出具体的建议，由领域专家和本体创建人员结合这些问题，修改其中的概念联系等等，即所谓的进入了本体最后的维护阶段。本体创建通常需要经过多次的维护修改才能逐渐趋于完善。

（三）本体模型在煤矿设备状态管理系统中的应用

将本体建模技术应用到感知模型建立中，对煤矿井下各个巷道以及工作面设备实时的预报警信号以及设备的工作运行状态等数据信息创建资源管理库、推理规则等，利用Jena 实现本体实例的知识挖掘推理，使应用软件能通过本体直接进行数据访问或者直接对生成的 XML 文件信息进行读取，支持信息推理拓展，符合物联网对大量数据源的信息采集和处理需求，提高了智能化程度和信息查询检索的效率。传统的设备管理系统中预报警模块功能的实现主要是将实时数据与设置好的数值进行比较，超过上下限范围则进行报警。但是采用了本体感知模型对信息采集、分析、推理之后，能够有效地完成某一时刻某一区域范围实时测点信息的互联，进行综合评估，能够反映相对应工作面设备整体运行情况，也能够将同一型号设备在不同工作地点运行情况比较分析生成相关日志，为高层决策提供参考依据。另外在特定场合还能够直接将信号命令反馈到实际生产区域中，提高反馈的及时性，为井下矿难的救援争取宝贵时间。感知模型的建立以及相关推理规则的创建，能够使得本系统设计实现中色梯控件颜色变化不再局限于和具体的固定数值相比较，而是可以由一个参数的变化引起其他参数的变化，充分地利用信息的共享性，提高信息的展示和更新速度；利用信息的近似性，提高信息检索查询速度，从而能够提高系统的工作效率。

三、系统应用模型的建立

（一）设计方法和原则

首先介绍设计主要遵循的原则，接着针对具体煤矿生产特点，对系统的需求进行分析，研究系统应用中的RFID、WiFi 定位算法，在此基础上对煤矿生产中各个场景进行应用实施的模拟分析。基于煤矿企业生产的特点、特殊复杂的环境条件，我们需要创建一个模拟的场景，方便使用者依据个体特征有针对性地解决实际生产过程中遇到的问题。在设计过程中，我们应该遵循的原则主要体现在：第一，界面友好性原则。界面设计时应该尽量统一风格、简单明了，易于将使用者的注意力集中在功能实现方面。第二，适用性原则。煤矿设备状态管理系统涉及的内容很多，目前在功能实现上要考虑其实用性、考虑当前的软件技术、网络技术等能否满足系统的实施等。第三，易扩充性原则。设计系统时，要考虑当前煤矿生产中设备管理对环境的支持和要求标准，各个功能子模块要保留接口，以便功能的增添删除等；另外需要考虑硬件环境是否支持未来系统的扩充以及扩充成本问题等。

（二）设计需求

第一，煤矿自然条件差灾害多。我国所有的煤矿均是瓦斯煤矿，煤层由于自然条件的复杂多变，在开采前不适宜进行瓦斯抽放。但是采掘过程中受到开采规模、集约化程度、瓦斯散放量等因素影响，容易诱发瓦斯突出等现象。因此模型的设计过程中需要考虑各个煤矿实际应用中所处的地质条件，考虑相应硬件设备要求。第二，煤矿数量多差异大。我国煤矿数量比世界上其他采煤国总数还要多，大中小煤矿并存。大型煤矿机械化程度较高、而小型煤矿则普遍偏低，安全技术装备不足。据统计，部分矿井目前还未建立防灭火措施、防尘供水管路等。很大一部分小煤矿中的安全仪器比如甲烷断电仪等设备配备不足，现存设备多为落后需要淘汰的，导致防爆性能差，容易发生事故。因此需要考虑煤矿井下设备产品的使用时间、损耗程度、仪器的准确程度等等，确保数据信息及时有效地反馈。第三，与其他系统连接的接口。设备状态管理系统不仅需要和地面监控中心、人员定位系统等进行数据交换，而且还要与系统本身内部具备的传感器、单片机等进行数据通信。一些设备需要对信息实时处理，一些则需要分析其历史数据。因此设计中还要考虑到接口的设计问题。第四，运输过程的控制。以井下大巷运输过程为例，主要对运输矿车进行记录跟踪定位。要能根据每天采区生产情况和煤仓煤量来配置井下运输矿车数量。另外应该能够监控矿车的位置和运输时间的准确性，对于运送的资源能够进行跟踪并记录其使用情况。运输过程的控制中最为重要的是定位技术的应用，其是进一步对设备、人员等进行智能控制的基础和前提，也是物联网的主要技术之一。

（三）技术应用

第一，系统 RFID 定位技术应用。

煤矿井下的定位属于室内定位，需要确定移动设备、人员等的位置信息。RFID 技术主要通过射频方式实现非接触的双向通信数据交换，具有传输范围大、体积较小、成本较低的优势。RFID技术的基本定位方法有多种，目前较为常用的有接收信号强度法（RSSI）， 此方法在一定程度上消减了室内多径效应带来的影响，更加适合在室内定位中推广应用。

第二，系统 WiFi 定位技术应用。

基于RFID的人员定位技术是目前矿山人员定位的主要技术，经过实际验证，能够满足矿山人员定位的需要。上述改进算法一定程度上提高了RFID近距离定位精度，能够在读卡器解读距离内对设备以及人员实现很好地定位。但其属于区域定位，对于煤矿井下巷道中距离读卡器较远的设备不能很好地实现定位，因此采用WiFi 定位技术和RFID定位技术相结合的方法，实现井下巷道定位信号的全面覆盖，对移动设备及其运动轨迹等进行实时跟踪定位。WiFi 无线信号一般覆盖距离为 100m，其在信号较弱或者有干扰的情况下，能够自动对带宽进行调整，对网络的稳定性有很好的保障。在巷道中远距离移动设备上配置WiFi 标签，当设备移动经过无线局域网覆盖区域时， WiFi 无线基站对标签进行扫描，通过无线网络传输给WiFi 定位服务器，服务器通过对数据进行处理，获得设备当前的移动方位信息。

煤矿井下环境复杂，应尽可能多地铺设WiFi 热点。即使待定目标距离此热点比较远，无法建立连接，但还是可以侦听到热点的存在。热点接收标签中的信号，此信号包含热点的唯一全球 ID 以及待定目标的数据信息。通过 RSSI 定位算法对这些信息进行处理，结合 RSSI 存储数据库中的数据，进行信息优化，得到待定目标的精确位置坐标。

四、场景分析

（一）主井副井

主井副井主要的作用是用来运输煤和矸石、人和材料。我们分别制作相应的标签，配置在主井的箕斗、副井的罐笼、提升机上和钢丝绳周围，通过不同的传感器将标签中存储的代码信息借助网络传输到系统服务器中，方便管理者对设备工作状态以及位置信息等情况管理追踪。

（二）通风井

煤矿井下环境复杂、地面空气进入矿井之后，各种成分、湿度、温度等都会发生相应的改变。必须不停地为井下供给新鲜空气，减少矿尘和有害气体的影响，才能确保矿工的身体健康。我们需要在通风井口等位置配置相应标签，通过风压传感器等监测其空气中各项参数指标。

（三）运输大巷

大巷主要承担着井下通风和运输的任务，装配在矿车上、矿工身上能够实现远距离定位的WiFi 标签，有效地对矿车进行定位，并及时根据相关算法实现车辆避让、车与车之间距离的诊断分析以及矿车调头时机的判断等；对矿工的定位可以有效地监督煤炭皮带运输机上是否有人员违法搭乘、监督人员工作是否规范、人员的位置分布等。此外，井底车场、水泵房等需要利用连接传感器的标签，实现车辆管理和水压预测控制等。

（四）采区采煤工作面

采掘工作面是井下最容易产生爆炸的地方。除了在采煤机、液压支架、刮板运输机、装载机以及采区皮带上配置相应标签外，我们还需要另外对环境参数进行监测的传感器，实时监测工作面的空气成分，瓦斯浓度以及湿度、温度等指标。

（五）采区掘进工作面

掘进工作面主要涉及到掘进机、锚杆机、煤电钻以及刮板输送机等设备，需要在其上配置所需标签，配合相关传感器，以实现井下掘进进度的实时掌握，并及时了解各设备的工作状态是否正常，及时排查故障等。另外安装在巷道中的阅读器接收到的不仅包括相关巷道的信息，还记录着此巷道中采掘面的数量，便于对巷道施工进程的掌握以及人员工作的分配安排。

（六）各个场景信息联网

物联网真正的实质是能够将所有应用系统、场景、物品和人员等融合在一起，形成一个泛在网络，真正地实现信息的传递、共享、交流。比如煤矿应用中，可以通过对井下煤仓煤量信息的感知，和其它场景设备共享储煤量信息，从而通过向标签发送命令，智能控制运输矿车的调度数量和速度。当煤仓中煤量较少时，向采区巷道中矿车发送命令，加快运输速度；向掘进面掘进机发送命令，加快其掘进进度。同时，当巷道中矿车加速行驶时，需要同时和附近矿车、人员共享标签中的控制信息，根据情况进行彼此之间的避让等。另外可以通过采煤工作面瓦斯浓度数据的共享，自动调整通风井进风量，及时地向巷道中供给新鲜空气，冲淡有毒气体等。

（作者单位：神华新疆能源有限责任公司）