數(shù)字煤礦中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究

引 言

煤礦綜合自動化信息系統(tǒng)是煤礦調(diào)度中心的核心，多種網(wǎng)絡(luò)平臺已在一些礦井得到成功應(yīng)用，但各個網(wǎng)絡(luò)平臺之間存在數(shù)字鴻溝[1]。近年來，隨著無線通信技術(shù)、分布式計算技術(shù)、傳感器技術(shù)以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展與融合，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入綜合自動化信息系統(tǒng)建設(shè)，建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺的煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已成為煤礦信息化建設(shè)的重要內(nèi)容[2]。以煤礦物聯(lián)網(wǎng)為核心的數(shù)字化煤礦是煤礦未來的發(fā)展方向，煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用必將在建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、安全高效型的煤礦中發(fā)揮極其重要的作用。本文提出了煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案，實現(xiàn)了數(shù)字化煤礦物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系。

1 煤炭生產(chǎn)信息化中的問題

煤炭行業(yè)既是國家能源的主要支柱，也一直是工礦企業(yè)中的高危行業(yè)。但由于我國煤炭儲存條件復(fù)雜，煤礦自動化水平低，井下用人多，生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術(shù)比較落后， 功能單一，再加上管理等因素，使得生產(chǎn)成本高，安全形勢不容樂觀。煤礦事故死亡人數(shù)居高不下，嚴重影響了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和社會的穩(wěn)定。如果沒有現(xiàn)代化信息技術(shù)的支持， 要保證安全、高效的生產(chǎn)是十分困難的。因此，如何加強煤礦安全生產(chǎn)管理模式，實現(xiàn)管理的現(xiàn)代化、信息化成為煤礦企業(yè)關(guān)心的問題 [3,4]。

目前，由于資金、觀念等的制約，煤炭行業(yè)數(shù)字化進程緩慢，管理手段落后，安全問題尤為突出。為了改善能源工業(yè)這種落后的安全監(jiān)測及管理手段，必須引入新的技術(shù)進行改造。其中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前大家公認的首選技術(shù)[5-7]。傳統(tǒng)煤礦管理信息系統(tǒng)一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施分開，物聯(lián)網(wǎng)概念的引入打破了傳統(tǒng)的思維模式。對煤礦安全生產(chǎn)而言，在物聯(lián)網(wǎng)時代，人員、設(shè)備、礦井基礎(chǔ)設(shè)施等將借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成一個互相通信互相協(xié)同的整體，從而實現(xiàn)智能高效的煤礦安全生產(chǎn)管理。物聯(lián)網(wǎng)概念為建立煤礦安全生產(chǎn)與預(yù)警救援新體系提出了新的思路和方法。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入，將對改善能源工業(yè)的作業(yè)環(huán)境、安全監(jiān)測、管理水平等方面起到極大地促進作用，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的管理信息化將為能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供良好的條件 ；能源行業(yè)的管理信息形式標(biāo)準(zhǔn)化、信息傳遞規(guī)范化以及信息內(nèi)容系統(tǒng)化、安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控自動化，是能源行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的必然趨勢。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是典型的以應(yīng)用為驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此，智能煤礦系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型應(yīng)當(dāng)基于應(yīng)用目的設(shè)計。由于綜合自動化及數(shù)字煤礦模型在煤礦企業(yè)己經(jīng)有眾多的實際應(yīng)用，智能煤礦物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)該建立在這些己有工作的基礎(chǔ)上，充分借鑒已有的經(jīng)驗和系統(tǒng)，而不是全盤推翻。因此，智能煤礦物聯(lián)網(wǎng)的模型勢必與數(shù)字煤礦、煤礦綜合自動化的模型有很緊密的聯(lián)系。本文設(shè)計的智能煤礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型如圖1所示， 這是一個包含了感知層、網(wǎng)絡(luò)層、存儲層和應(yīng)用層四個層次的結(jié)構(gòu)模型。

在智能煤礦系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型中：感知層由各種傳感器設(shè)備、圖像采集設(shè)備和執(zhí)行器構(gòu)成，負責(zé)完成煤礦人員、設(shè)備和環(huán)境的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和控制數(shù)據(jù)的反饋 ；網(wǎng)絡(luò)層由鋪設(shè)在地面、井下的防爆 1 000 M 工業(yè)以太網(wǎng)和用來實現(xiàn)無線覆蓋的無線WiFi 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括用于無線通信的礦用本安防爆無線基站和礦用光纖耦合器箱，以及用于有線網(wǎng)絡(luò)交換和安全的路由器、交換機，防火墻等設(shè)備，共同構(gòu)建了覆蓋整個礦區(qū)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) ；存儲層由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、語音通訊服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器和Web 服務(wù)器等設(shè)備構(gòu)成，用于存儲和集成不同傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的信息，為應(yīng)用層的管理和控制提供數(shù)據(jù)信息支持 ；應(yīng)用層是煤礦生產(chǎn)安全管理和決策支持的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用層在 3D GIS 系統(tǒng)可視化展示的基礎(chǔ)上，集成了煤礦實時監(jiān)控、自動化管理、智能調(diào)度和智能決策支持的功能，應(yīng)用層為第三方軟件開發(fā)者提供良好的軟件接口，可以方便地在該平臺上進行二次開發(fā)， 以滿足煤礦企業(yè)不斷變化的新需求。

控制中心是智能煤礦系統(tǒng)中各種信息的集散地，因而它又是一個信息中心。對于智能煤礦來說，它就是一個“管控一體化”中心。智能煤礦系統(tǒng)平臺工程建設(shè)中，控制中心的功能與原來生產(chǎn)方式下的單純的調(diào)度室相比得到了加強與擴大，各種系統(tǒng)的信息均通過綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)送到控制中心，是智能煤礦的上層集成平臺。通過示范工程集成平臺建設(shè)，解決原煤礦各系統(tǒng)相對獨立、信息孤島問題 ；解決異構(gòu)系統(tǒng)接口問題，形成統(tǒng)一的煤礦集成平臺標(biāo)準(zhǔn)。集成平臺建設(shè)除了上述介紹的硬件平臺建設(shè)外，還有軟件平臺建設(shè)。

軟件平臺確保煤礦所有安全生產(chǎn)、人員、設(shè)備、管理信息等復(fù)雜異構(gòu)信息在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺上運行，在異構(gòu)條件下進行聯(lián)通與共享，能夠使不同功能的應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)系起來，協(xié)調(diào)有序的運行，使各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)信息實現(xiàn)共享。軟件平臺實現(xiàn)的主要功能有：異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入接口、控制命令輸出接口、數(shù)據(jù)的實時處理與存儲、通信狀態(tài)監(jiān)控與報警、實時報警與預(yù)警、數(shù)據(jù)報表與曲線。具體功能接口如圖 2 所示。

3 新型煤礦物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的技術(shù)優(yōu)勢

智能煤礦系統(tǒng)解決方案集成和完善了現(xiàn)有的煤礦信息系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)煤礦中人與人、人與物、物與物相聯(lián)的一體化信息系統(tǒng)；實現(xiàn)對煤礦人員、設(shè)備和環(huán)境的實時監(jiān)控， 實現(xiàn)井下電力、通風(fēng)、排水、提升、運輸系統(tǒng)的遠程自動化控制，實現(xiàn)煤礦井下生產(chǎn)的無人化或少人化作業(yè) ；實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)智能化調(diào)度，實現(xiàn)煤礦安全隱患的預(yù)警和智能化預(yù)防，實現(xiàn)煤礦的安全質(zhì)量評估和安全漏洞智能分析；保證系統(tǒng)硬件和軟件的可擴展性。本文的智能煤礦系統(tǒng)解決方案的特色與創(chuàng)新之處歸納為四個方面的先進特性：

(1) 一體化

信息系統(tǒng)實現(xiàn)一體化是煤礦安全生產(chǎn)的實際需求。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將煤礦生產(chǎn)中復(fù)雜的人與物抽象連接到互聯(lián)網(wǎng)中， 實現(xiàn)信息管理的一體化控制。

(2) 自動化

煤礦工作環(huán)境惡劣，迫切要求生產(chǎn)設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)控和遠程自動化控制，智能煤礦系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的電力、通風(fēng)、排水、提升和運輸系統(tǒng)無人值守的目標(biāo)。

(3) 智能化

智能化是煤礦信息化建設(shè)未來的發(fā)展趨勢。針對煤礦生產(chǎn)錯綜復(fù)雜的現(xiàn)狀，依靠現(xiàn)有的管理經(jīng)驗不能做到有效的生產(chǎn)調(diào)度，安全煤礦生產(chǎn)難以保證。智能煤礦系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制煤礦生產(chǎn)設(shè)備、優(yōu)化調(diào)度煤礦生產(chǎn)流程和智能保護煤礦安全生產(chǎn)。

(4) 可視化

利用三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)建立煤礦空間數(shù)據(jù)庫，將煤礦生產(chǎn)設(shè)備信息、現(xiàn)場視頻監(jiān)控信息、自動化控制管理系統(tǒng)集成到三維可視化的環(huán)境中，實現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的全景化和動態(tài)化顯示。

結(jié) 語

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字化已成為現(xiàn)代煤礦企業(yè)發(fā)展的必然趨勢，智能化、管控一體化也成為煤炭企業(yè)發(fā)展的必然之路。本文將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能煤礦系統(tǒng)解決方案中， 實現(xiàn)了煤礦一體化的信息管理、自動化的遠程控制、智能化的安全生產(chǎn)、可視化的動態(tài)顯示以及可擴展的應(yīng)用平臺，構(gòu)建數(shù)字化煤礦物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系。