矿山物联网技术及其在智慧矿山建设中的应用

（中铁资源集团有限公司，北京 100039）

在国家大力推进智慧矿山建设的背景下，国内矿山行业对于物联网技术在矿山建设中的应用也非常重视。物联网是一种基于信息技术和电子技术的多学科技术，作为智慧矿山建设的基础，重点解决系统软硬件环境问题，包括设计平台架构、业务子系统的接口设计、存储和数据管理设计、异构通信子网核心技术以及第三方子系统接入的问题。同时，在矿山物联网平台的基础上，实现了全息数字化信息显示和生产安全监控等业务功能。

1 智慧矿山的现状与发展趋势

由于我国大多数矿山的地质条件恶劣，生产系统复杂，安全生产条件差，所以在生产过程中引起很多问题，如果不及时采取有效措施，则可能导致重大事故。在这样的背景下，大型国有矿山行业将积极引进先进的信息和自动化技术，以信息系统为平台，以自动化管理为手段来实现远程集中自动化管理，从而减少了人员，提高了效率。但是，在现阶段，中国大多数矿山安全管理系统相对于其他系统是独立存在的，导致重复投资，浪费资源，无法实现信息共享、数据畅通。

在过去20年中，在国内矿山行业的信息化建设过程中大致分为以下四个阶段：第一阶段是业务信息的电子化阶段：单独的电子设备用于收集数据，并以文本、电子报告等形式记录为电子业务信息。第二阶段是数字矿山：数字矿山信息管理系统用于矿山生产进度管理、设备设施管理、销售信息管理等各种业务，将大量的结构化的业务数据存储在数据库中，让使用人员可以实时掌握和管理矿山的运营。第三阶段是虚拟矿山或全息数字矿山：将整个矿山的真实情况以及各方面的相关数据都继承下来，做到整个矿山包括井下真实场景以虚拟现实的形式再现展示，做到辅助分析决策。第四阶段是智慧矿山：在全息数字矿山的基础上，将物联网技术使用其中，系统集成，数据融通，实现管理、控制和监督的集成，再将人工智能技术使用其中，实现科学和智能的管理决策，再利用自动定位和导航技术实现采矿的自动化和无人化。由于国家对矿山安全、信息化和自动化的要求不断提高，在国家政策、科学部署和各矿业主管人员有效实施的指导下，基于物联网、虚拟现实、AI人工智能等技术的智慧矿山平台建设无疑将带来巨大的飞跃。

2 矿山物联网和智慧矿山

物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统等各种装置与技术，实时采集任何需要监控的设备或过程的各种信息，通过网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对设备和过程的智能化感知、识别和管理。基于矿山物联网和互联网的核心技术，将最初孤立的矿山安全和自动化等系统集成到一个综合平台上，真正实现井下环境、人员监控、语音、视频、自动控制等多网合一。在此基础上，统一管理、交换和分析各种信息，最终通过智能系统计算出决策信息和解决方案。

智慧矿山基于物联网、地理信息系统作为支撑，并使用现代计算机技术、网络通信技术、自动化控制技术和现代企业管理相结合的多层级分布式网络，实现矿山安全生产过程中的信息数据集成与智能控制、提高安全生产水平和生产运行效率，分步实现智能决策和管理。

物联网作为一个发展中的新产业，它融合了各种高新科学技术，使人、物和计算机做到了互通互联、信息同步共享。它是一项将各种传感器与现有网络相连接、相融合的新技术，基于物联网的智慧矿山的建设是以信息化和自动化为基础，将矿山的生产、安全、销售、运输、物资等每个环节融合到一个平台上，实现各类信息数据的采集、存储、管理等。将各类的信息数据进行大数据分析和计算，最终提供决策信息和解决方案。目前矿山行业智慧化建设还处于初级阶段，物联网是智慧矿山建设的基础，因此，进行相关物联网研究对智慧矿山建设有着至关重要的意义。

3 设计基于物联网的智慧矿山系统

基于物联网的智慧矿山系统应着眼于三个方面：企业管理、工业自动化和矿山安全，需要使用物联网、信息融合、AI人工智能等技术，可以使用三维GIS技术进行立体的、可视化的全息展示，整体建设涉及到多项内容和技术，所以智慧矿山是一个复杂的系统工程。因此，需要提前做出一个先进、科学、完整的项目设计，确保建设有序的进行。

（1）总体系统框架：全息数字化智慧矿山系统利用物联网、互联网和云计算技术为具有集团、二级公司和基层矿山等多层级单位的大型集团公司构建总体的、多层级的、综合性的管理、控制和监督平台。形成用于矿山监控、管理的一体化的全息数字智慧矿山管理平台，具有统一身份认证、统一平台接口、统一数据管理，实现整体矿山的线上管理。

（2）集团级别的平台架构：可以随时查看和监视所有下属生产单位的安全、生产和运行状态。通过整合、提取和统计等方法来分析整个集团的所有信息数据，可以全面反映各个系统的生产经营状况等，为管理层的决策提供数据支撑，同时也能根据专家决策系统，利用智能算法，为管理者提供辅助决策支持。

（3）矿山及生产单位平台架构：在智慧矿山系统上，实现了企业OA和ERP的统一管理，实时对生产的各个设备进行可视化监测和远程控制，可以对事故进行提前预判，提前预警，防止事故发生。

（4）系统逻辑架构：各类矿山业务在矿山物联网信息平台上传输数据、共享数据，而无需担心异构网络中的通信问题。借助平台的数据融合功能，每个矿山业务传输数据，而无需考虑网络带宽、延迟等问题，平台的异构网络传输算法会解决这些问题。底层的智能协议模块和标准化接口模块对不同系统的数据进行整合，将其上传到数据挖掘、业务系统等模块进行数据分析，借助三维GIS系统和WEB页面进行全面展示，在可视的前提，实现了一体化的生产和安全管理。

4 物联网在智慧矿山建设中的应用

作为一项不断发展的新技术，物联网可以从字面上理解为万物互联的网络，因此，物联网以互联网为基础，可以扩展到任何项目的各个终端设备，实现项目之间的信息互联互通。在应用物联网技术的过程中，把需要实时管理的任何对象连接起来，收集各种必要的信息，组成一个庞大的网络，该网络实现了物与物，物与人，物与网络之间的连接，为管理和控制提供了便利。在矿山建设过程中存在环境较差，通讯困难等问题，通过加速矿山的数字化建设，可以有效提高生产效率，并确保井下作业安全。因此，在矿山建设中引入物联网技术可以为智慧矿山建设奠定良好的基础。

4.1 采矿过程实时监控系统

在采矿过程中，由于井下采矿受到多种因素的限制，无法及时发现采矿过程中的一些异常情况，因此无法及时采取有效措施，不仅会导致生产管理上的滞后，而且会造成安全事故的发生。将物联网技术应用于矿山，建立一个实时监控系统，可实时了解和监控矿山的生产状况，有效改善这一问题。实时监控系统主要依靠智能数字传感器、无线局域网和RFID等技术，使用射频、红外和激光传感器实时监测井下工人、设备和环境状况，以及各种生产环节的运行状态，并使用接口技术来形成矿山智慧网络，为矿山的生产管理提供有效监控，实现生产调度和指挥决策的智能化。

4.2 安全监控系统

在矿山企业的整个经营中，安全生产是一个从未改变的重要课题。在生产过程中，矿山生产人员、生产设备、生产环境存在许多不确定性，经常会发生紧急情况。因此，在矿山生产期间，必须有效地监视和定位生产人员、生产设备和生产材料，并及时收集工作环境的数据。当前，大多数矿山都安装了安全监控和人员定位系统，但是该系统与其他系统不能互联互通，这使得监视系统和定位系统无法发挥重要作用。物联网技术用于矿山安全监控系统中，该系统由身份卡、读卡器、网络通讯系统、安全生产管理系统软件组成，不仅可以对生产人员和生产设备进行定位，还可以收集工作环境的数据并实时进行数据传输，安全生产管理系统软件对数据进行科学的分析和计算，对即将发生的紧急情况进行预判，及时将预警信息发送到井下。

与其他行业相比，矿山行业存在许多危害，因此对采矿过程中对主要危害进行监视、预警和紧急处理有更高的要求。因此，需要以地理信息系统为基础平台，与物联网协同处理，通过有效的灾害评估，可以对灾害进行预判，实现矿山危害的动态监控和现场预警。通过基于GIS技术的物联网，将每个独立的监视对象连接起来，创建基本的空间数据库，实现危害监测、预警分析、趋势分析、应急管理等功能。

4.3 智能物流系统

矿山生产中需要大量爆炸物，许多矿山事故都涉及滥用和处理爆炸物，因此，爆炸物流量控制是极其重要的控制环节。传统的管理方法难以精确控制，物联网可以通过二维码、RFID识别技术来管控爆炸物的流量。同时，它与人员定位系统和车辆管理系统结合使用，统计爆炸物的数量，识别接收爆炸物的人员和记录爆炸物的使用情况，从而杜绝因爆炸物管理不善引起的安全事故。

5 结束语

本文着眼于矿山的现实情况，基于整合和标准化的思维，结合矿山的建设初期投资和未来的发展需求，介绍了基于物联网的智慧矿山建设。它可以充分利用现有的自动化设备整合不同时期的矿山，通过整合不同自动化程度的设备，实现统一管理。物联网技术的推广和实施无疑将成为现代智慧矿山建设的重要技术之一。