智慧矿山物联网技术发展现状研究

申　雪,刘　驰,孔　宁,陈　敏

(1.国土资源部油气资源战略研究中心，北京 100034；2.北京理工大学软件学院，北京 100081)

0　引　言

近年来，随着国家的日益强盛和人民生活的日益富足，“以人为本”“安全第一”的观念深入人心。人民对于社会民生的安全提出了更高的要求。矿山业务的发展与人民日益的需求不匹配导致了一系列的矛盾，矿区工人迫切希望矿业安全生产管理能够更加的规范化、科学化、智能化。

物联网技术应运而生，物联网(internet of things,IOT)最早在美国提出，2009年8月，温家宝总理在无锡视察时提出“感知中国”理念，物联网正式被列入中国五大新兴战略性产业之一[1]。物联网是指利用现有传感器与传统互联网结合形成的网络，通过网络传输和传感器控制，对现有物品进行远程感知、监测和控制是一个智慧的生产体系。近年来，矿山领域大量引入物联网技术，使得矿山更加智慧化，国内矿山方面物联网技术研究取得阶段性进展。

早在2012年，张长江等[2]指出传统的矿山企业的信息化和自动化系统已经不能满足矿业现有的发展和人员的需求，为了有效解决“信息孤岛”问题，物联网与传统信息化、自动化系统的结合是必然趋势，使用物联网技术可以对现有矿井进行感知和控制。随后，李继云[3]、张春辉[4]针对矿山物联网节点和采集终端进行了深入研究和设计，在硬件层面对物联网和矿山采集系统的结合进行了深入剖析，为专家、企业投入传感器的开发和设计提供了参考。2012～2018年，各类“物联网+矿山”的监测系统应运而生。赵安新等[5]设计了基于物联网技术的实时监测和故障诊断平台，将传感器与机动电力设备和矿山企业的需求结合，该平台在企业安全生产中起到了重要作用。陈铎等[6]则针对无人监测矿山系统，设计了一套基于矿山物联网的动态管理系统解决方案，帮助矿山工人实时、有效的了解现有设备的运行情况，有效解决了原始台账系统的信息冗余和不对称问题。宋金玲等[7]、张雷等[8]结合现有企业的具体应用，基于物联网技术构建了通风、排水、应急救援三大系统，实现了现有矿山系统的无人化/少人化作业方式，在挖掘、采煤和运输等多环节，大量减少了人力成本和安全事故的发生率。吴立新等[9]应用精确定位和导航系统，结合物联网技术构建智慧采矿系统，使用集成化的平台，进一步保障矿山安全。张科利等[10]基于物联网技术提出智能生产系统，对现有煤矿的采集过程进行了优化。张申等[11]将物联网技术与传统自动化系统相结合，利用现有物联网技术构建智能化平台，在物理层面对矿山系统进行实时监测、精确管理和智能控制，同时提出矿山物联网平台应该具有开放性、结构性和服务性，是一个开源化平台。解海东等[12]在传统矿山系统的研究上，构建了智慧矿山五层管理体系和应用体系，指导矿山企业在应用层面将物联网与矿山系统结合。通信技术是“物联网+矿山”系统的重中之重。早在2012年，王继水等[13]将传感器与传统机电设备结合，利用Zigbee传输，构建了基于物联网技术的矿山环境实时监测系统。邵国[14]利用物联网技术、Wifi技术与RFID技术结合的方式，构建了矿区无线通信和人员定位管理系统，减少了现有网络的重复布网问题。张杰[15]结合神华宁煤集团矿山业务的具体发展，对物联网在矿山产业中的应用成效进行综述，同时指出了矿山物联网在神话集团的下一步重点发展方向。

1　智慧矿山的研究现状

从山西煤矿事故来看，2009年是矿山事故发生数量分水岭，2009年以前重特大事故多发；2009年以后重特大事故大幅减少，2011年以来杜绝了特别重大事故。其总体情况与物联网技术在我国出现和飞速发展阶段基本契合。可以看出，随着大量的信息化系统和信息化服务的接入，现有矿山系统正在日益趋于信息化、数字化和专业化。

目前，现有企业和机构对矿山系统提供的服务分为以下几类：第一，数据采集，对矿山系统周边数据的采集和整理，包括环境数据、机器运行数据，如瓦斯浓度、风速、压力、人员定位信息等；第二，实时监测和预警，如对设备实时运行数据的检测和人员安全的检测等；第三，关键操作辅助，通过设定相关阈值对关键信息进行提前预判、排查、应急处理和辅助救援等[16]。结合图1，自2010年以来，国内专家学者提出“智慧矿山”概念[17]，智慧矿山包括了地下矿山和地上矿山。

“智慧矿山”系统正是在成熟的物联网技术和大量信息技术的支持下建立的精准信息采集、网络传输和智能化应用系统，需要将物联网技术、自动化技术、采矿技术、通信技术(3S)、软件技术进行全方位集成。从架构上而言，“智慧矿山”可以分为三层——应用层、传输层和感知层[18]。智慧矿山体系结构见图2。应用层为顶层架构，主要面向用户，对各类专业数据进行有机集成、智能分析、三维展现和综合处理，提供定位、监测、预警等多方面服务；传输层是核心架构，直接影响到应用层的实时性和数据有效性，需要大量集成实时传输技术、协议转换技术和动态组网技术等；感知层则是整个系统的基础，主要解决大量数据的采集端处理工作。

2　矿山井下定位研究现状

党的十九大报告指出，我国必须“坚持以人民为中心”“以人民安全为宗旨”，习近平总书记更是在报告中202次提到人民。由于矿山产业的特殊性，井下工作人员时刻面临人身安全威胁，因此，井下工作人员安全问题是“智慧矿山”系统的工作重点。由于矿山系统的实时性、不可控性和高危型，井下工作人员的精确、实时定位是保障人身安全的第一步，确定工作人员的实时位置，在作业过程中，能够做出有效的指令指示，便于安全作业，在危机发生前，能够有效地提供组织管理、危机预警，在事故发生后，能够精确定位受困人员位置，便于实施救援工作。在事故发生时，有效的通信手段至关重要，落后的技术非但不能够提供救援帮助，更会导致决策失误和处置不当，更有可能造成更大的灾难。本文梳理了现有的物联网井下定位技术。

图1　2010～2012年国内智慧矿山物联网发展情况

图2　智慧矿山体系结构

2.1　无线射频识别技术

无线射频识别技术(RFID，radio frequency identification)是一种基于识别芯片的非接触式自动识别技术，即通过无线电信号自动识别和读写数据，不需要物理接触。2012年，Rabaey等[19]在传统RFID技术基础上，提出鲁棒定位算法，算法中引入置信度等参数提高定位的精确，随后，王亚琴等[20]以RFID技术为核心和媒介，将物联网技术与井下人员监测定位系统结合。徐肖肖[21]将RFID技术、无线技术、传感器技术结合，利用多维传输方式，对井下工作人员进行实时监测和精确定位。李华等[22]则提出将RFID技术与煤矿矿车结合，通过对矿车的定位来准确定位井下作业人员位置。邓惠等[23]对系统进行进一步升级，将RFID计算、传感器技术、Zigbee技术、软件技术结合，构建了作业人员定位和实时环境监测系统，实现对工作人员的定位、监测和预警。在“智慧矿山”系统中，要远距离定位，考虑到RFID技术的识别范围，现有矿山系统中一般使用有源RFID技术和半有源RFID技术，识别距离在10～1 000 m范围内。下井工作人员携带433.92 MHz(1 000 m)和2.4 GHz(200 m)远距离卡作业，该识别卡每隔1～3 s向控制台发送作业工作人员的实时地理位置等相关信息。RFID技术具有网络架构简单、成本低的优势，但是定位精度较低，受环境因素影响较大。

2.2　接收信号的强度指示定位技术

接收信号的强度指示(RSSI，received signal strength indicator)是一种通过接收机测量信号平均信号强度来测定信号点与接收点距离的方法。基于接收信号的强度指示的定位技术在现有矿井人员定位上应用广泛。Leu J等[24]2012年提出一种基于RSSI指纹和足迹的定位算法。李蕾[25]针对我国目前的井下定位系统大多采用射频识别技术，而非实际意义上的目标定位追踪系统，提出了一种面向煤矿井下基于RSSI的无线传感网定位技术。李论等[26]针对目前矿井巷道中采用基于接收信号强度指示RSSI的位置指纹定位算法存在定位目标漂移、抖动和定位精度低等问题，提出一种改进的指纹定位匹配算法,该算法将K邻近算法和最短历史路径匹配法联合，并利用速度限定位置估计补偿算法对定位精度进行修正。葛斌等[27]提出了一种RSSI辅助的三维空间坐标四面体质心定位算法，对包含未知节点的四面体进行质心迭代求解，并且对不满足条件的情况运用RSSI均值加权质心定位算法。李论[28]提出了一种基于高斯滤波的分段求解路径损耗因子和环境参量因子的RSSI巷道定位算法，在原始RSSI测距定位算法基础上对设备接收端接收到的RSSI值进行高斯滤波优化处理，采用标准最小均方差迭代估计出被定位节点的位置坐标。RSSI定位技术比RFID技术更为精确，但是缺点是容易受环境(温湿度、遮挡等)影响，数据波动较大。

2.3　到达时间差定位技术

和RSSI技术不同，到达时间差方法(TDOA，time difference of arrival)是指各个接收站搜集信号点发出的信号，进行时间到达(TOA，time of arrival)数据搜集，并汇总到定位处理中心，中心通过TOA数据计算信号点位置，即利用信号点发送的信号到不同接收点的时间差的方法来对信号进行测距和定位的方法。孙继平等[29]提出基于TOA的煤矿井下目标精确定位方法，通过建立双路WiFi信道+单路光纤信道的一维定位方法和信号收发计时方式,在此基础上提出计时误差抑制算法。黄凯等[30]针对井下巷道单基站定位系统中无线信号受多径效应、非视距传播影响导致定位误差较大的问题，提出了一种基于单次反射的到达方向(DOA，direction of arrival)和TOA的联合估计定位方法。马京等[31]设计了基于指纹膜与航迹推算的井下人员定位系统，该系统周期性采集人员的位置信息与运动姿态信息，利用K邻近算法和峰值检测方法求解指纹定位结果和航迹推算结果，并对定位结果进行加权融合得到目标位置。TDOA定位技术比RSSI技术更为精确，但是算法对基站的时间同步要求非常严格。

2.4　基于TD-SCDMA系统的定位技术

基于TD-SCDMA系统的定位技术是指在原有蜂窝小区定位(COO)的基础上，利用信号点时间提前量TA(timing advance)来测量信号点和基站间距离的技术。TA定位方法就是利用现有的参数TA来信号点和接收点间的距离，将距离数据汇总在监测中心后，通过相关算法处理得出终端精确位置。顾义东[32]、冯丁等[33]采用TD-SCDMA技术，在井下铺设TD基站，利用物联网技术完成井下节点的组网建设。Jing L[34]将随机森林模型应用在手机终端上，使用终端定位井下作业人员。基于TD-SCDMA系统的定位技术利用现有的终端定位计算，系统实现成本低，定位精度相对较高。

随着物联网的兴起，现代传感器发展迅速，“智慧矿山”领域的专家学者将无线传感网络(WSN)技术，特别是Zigbee等通信技术广泛应用于矿区人员定位。Zhang Hong等[35]基于Zigbee技术，通过信号点与基站的近邻信号强度对信号点进行初步定位，然后利用动态三角测量定位算法进行精准测算，构建矿山井下定位系统。李睿等[36]基于Zigbee技术提出了一种改进型无线双重质心人员定位算法，能够更加精准节能的定位井下人员。裴新等[37]利用滤波、惯性导航等算法，提出了一种一维环境下基于ZigBee技术的井下人员定位算法。张亚琳[38]提出了一种基于ZigBee中继器的矿山井下人员定位算法，该算法基于ZigBee的接收信号强度模型，使用三角质心定位算法以降低环境因素对定位算法的影响。郑刚[39]提出了一种基于WiFi和ZigBee技术，结合现有矿山物联网技术，实现井下人员的跟踪定位。王飞[40]提出了一种基于ZigBee的TOF技术煤矿井下精确定位系统的设计与实现方案，在分析矿井巷道特征的基础上，使用时、分的信号提取方式，解决无线信号冲突问题，利用信号侦测器和被跟踪器实现矿井工作人员的精准定位。

分析现有的几种常用定位方式，可以看出4种定位方式对信号点和基站对信号的发送和接收能力要求很高，煤矿井下复杂的地理和温湿环境对信号干扰极大，加上人工信号干扰，容易产生信号发送盲区，导致井下作业人员无法定位。针对这种情况，李富贵等[41]提出采用“位置指纹定位”概念，通过基站接收到的多个接入点的信号强度匹配终端位置，构建半盲区线性插值预测算法和基于对井下人员的历史运动的预测构建全盲区定位算法。张伟伟[42]针对井下信号衰弱问题，采用多输入多输出(MIMO)技术减少发射端的能量，同时利用协同通信技术，有效解决了传统传感器节点的能量有限性和信号衰弱率。L.Doherty[43]将节点定位问题转换为凸约束优化问题，构建凸规划定位算法，能够实现对矿山物联网系统中作业人员的精准定位。Smith等[44]首次构建了矿井四维可视化平台，在传统三维空间中引入了数据维度(包括矿井地球物理、地质等数据)，通过虚拟建模构建了矿山的虚拟环境。Panyov A等[45]同样利用MEMS和位置指纹技术，将定位的专用AP和相对AP数据结合，选取适当权重，形成一种新型的井下定位算法。Yu J等[46]使用分层的隐马尔科夫模型和改进的维特比算法来模拟井下作业人员的运动轨迹，实现对井下人员的位置预测，该算法能够有效的解决井下跳跃问题。

3　智慧矿山系统建设展望

智慧矿山在保证人员安全的基础上，另一个重点目标是对矿山生产成本进行有效管理，实现矿山的优化控制、优化运行和优化管理，减少人力成本，提高矿井和支撑部门的运行效率，这是一个系统性的工程，而不仅仅是对矿井人员和设备的简单监控。因此，在构建基于物联网的“智慧矿山”时应做好以下几方面工作。

3.1　在规划和设计统一的基础上进行逐步实施

由于不同类型矿山有着自己本身的特点，这就需要基于物联网的矿井生产智能管理技术根据不同矿山特点，如规模、现代化水品、开采方式等进行灵活的调整。同时，在重视程度上，各级领导和技术人员应当要对数据、网络和应用平台的建设在思想上和行动上高度重视。对于系统中各个子系统的接入方式，可以采取承包方式，把协调各子系统厂商的接入方式问题交给承包商来解决。

3.2　重视矿山建设的同时也要重视应用

物联网的价值在于应用。这里面的含义就是要避免只重视矿山物联网建设而忽略了应用。因为迫于政策而建设物联网，建设完之后没有发挥其价值，这种情况应该避免。应用基于物联网的矿山智能化管理可以实现高效、安全、绿色开采目标，通过物联网动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程，保证矿山经济可持续增长。

3.3　应对标准建设引起重视

统一的标准是规范化实时的首要步骤，作为一个开放性的物联网应用平台，现有的“智慧矿山”系统应构建统一的接入端口，便于第三方和用户增加、删除和接入现有平台。需要针对现有“智慧矿山”的关键技术、协议、接口、应用平台和中间件等方面构建标准，打通产业链上下游。

3.4　物联网系统的运行与管理

如果实施基于物联网的生产型智慧矿山管理技术，那么将从组织向具体运作模式发生重大变化，并将打破目前矿山运营管理模式。各个子系统的操作由最初不同地点的各个团队实施，例如，水泵的运行由机电队处理，胶带的操作由胶带队负责，到基于物联网的生产智能化管理后基本集中在监控中心运行。如何管理属于各地区团队的这些职能和工作，是简单的集中各个区队的人员，成立相对独立的综合自动化科室还是将两种方式综合，这些问题都要提前考虑到，并且召开会议对基于物联网系统的管理运行方式进行讨论和论证。

物联网的矿井生产智能化管理系统是一个系统工程，其中感知层和控制层所连接的底层子系统是系统的关键，为此需要在技术上提前做好准备。技术准备包括进行各个子系统的自动化集成等工作，如胶带控制系统是否具备联网接口、各种供电系统是否具备微机综合保险装置，以有效避免系统改造的重复投资和设备浪费。