多維度感知礦山系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用設(shè)計(jì)

引言

作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，“感知礦山”就是通過各種感知、信息傳輸與處理技術(shù)，來對(duì)真實(shí)礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行可視化、數(shù)字化及智能化感知和管理。

“感知礦山”的目標(biāo)是將礦山地理、地質(zhì)、礦山建設(shè)、礦山生產(chǎn)、安全管理、產(chǎn)品加工與運(yùn)銷、礦山生態(tài)等綜合信息全面數(shù)字化。該系統(tǒng)將感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理、智能計(jì)算、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代信息管理等與現(xiàn)代采礦及礦物加工技術(shù)緊密結(jié)合，從而構(gòu)成礦山人與人、人與物、物與物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)詳盡地描述并控制礦山安全生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)的全過程。以高效、安全、綠色開釆為目標(biāo)，保證礦山經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)增長(zhǎng),同時(shí)保證礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定。

1  多維度感知礦山系統(tǒng)概述

1.1  “感知礦山”之事件機(jī)制

所謂“多維度”就是將礦山中的各種信息通過信息集成與MES的方式，匯集至礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控支撐平臺(tái)，建立起事前預(yù)防、事中救援、事后分析的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)“預(yù)防為主”的管理模式。圖1所示是感知礦山系統(tǒng)的事件分析機(jī)制示意圖。

所謂事前預(yù)防，主要是對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和安全預(yù)警。實(shí)現(xiàn)時(shí)可以釆用各種監(jiān)控形式（例如全局監(jiān)控模式、局部建立模式、數(shù)據(jù)監(jiān)控模式，包括圖形、圖表、數(shù)字等）對(duì)礦山安全生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，圖2所示是一個(gè)事前預(yù)防的示例圖。

事中救援就是及時(shí)有效地調(diào)動(dòng)一切資源進(jìn)行事中處理和應(yīng)急救援，也就是以事件驅(qū)動(dòng)為中心，以事件定義和事件分級(jí)來響應(yīng)預(yù)案定義和預(yù)案分級(jí)，真正做到在監(jiān)控機(jī)房實(shí)時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)救援，同時(shí)通過資源合理配置，建立以資源調(diào)用計(jì)劃、資源組合調(diào)用為基礎(chǔ)的事中處理機(jī)制，最終建立以事件定義、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急培訓(xùn)、應(yīng)急演練、應(yīng)急實(shí)施為一體的一整套救援體系，圖3所示是一種事中應(yīng)急救援方案.

事后分析包括査找事故原因，分析救援效果等;對(duì)事故的分析主要是通過事故回放來分析原因，以改進(jìn)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)；

而救援分析則是對(duì)過程進(jìn)行回放，以分析過程效果，然后改進(jìn)，再持續(xù)改進(jìn)，以使之趨于完善，圖4所示是其事后分析持續(xù)改進(jìn)循環(huán)圖。

1.2  “感知礦山”系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

感知礦山系統(tǒng)是在煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)之上,以工業(yè)以太網(wǎng)及無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？梢圆捎酶兄刂啤⒍嗑S數(shù)據(jù)感知及信息融合、管理決策三層支撐體系。在感知層，可采用MEMS傳感及分布式傳感技術(shù)、無線傳輸與自組網(wǎng)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)供電、安全、生產(chǎn)等子系統(tǒng)進(jìn)行感知，并對(duì)包括人員、設(shè)備、礦層結(jié)構(gòu)、通信等井上井下安全生產(chǎn)要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;然后將感知層數(shù)據(jù)通過多維感知數(shù)據(jù)及信息融合技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)描述，再將數(shù)據(jù)融合成為整體，為安全生產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)用支撐平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐;在上層管理決策層,安全與生產(chǎn)相互制約、相互支撐，可為煤礦企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理、設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)調(diào)度、預(yù)警、應(yīng)急救援等提供災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以利制定實(shí)時(shí)避災(zāi)方案。圖5所示是感知礦山系統(tǒng)的安全生產(chǎn)監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)圖。

2  “感知礦山”應(yīng)用模型

我國煤礦數(shù)量多，生產(chǎn)規(guī)模小，高瓦斯礦井多，水害狀況存在重大隱患，開采方式多釆用倉儲(chǔ)式、巷采、壁式開采等形式。礦井采煤工作面為木支護(hù)、大多數(shù)煤礦提升系統(tǒng)及其保護(hù)系統(tǒng)不符合設(shè)計(jì)要求、多數(shù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)混亂、通風(fēng)設(shè)施設(shè)備簡(jiǎn)陋，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性差。由于煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，工作場(chǎng)所黑暗狹窄，人員集中,釆掘工作面隨時(shí)移動(dòng)，地質(zhì)條件的變化會(huì)使移動(dòng)的采掘工作面不斷出現(xiàn)新情況和新問題，如不及時(shí)采取相應(yīng)的有效措施，很可能會(huì)導(dǎo)致重大事故,這就給安全工作帶來困難。如何加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)管理的現(xiàn)代化、信息化、數(shù)字化、智能化,已成為煤礦企業(yè)重點(diǎn)關(guān)心的問題。

2.1  “感知礦山”系統(tǒng)建設(shè)的核心問題

在煤礦綜合自動(dòng)化建設(shè)的基礎(chǔ)上,感知礦山系統(tǒng)建設(shè)的核心問題是三個(gè)感知：一是感知礦山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害事故的預(yù)警預(yù)報(bào);二是感知礦工周圍安全環(huán)境，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式安全保障；三是感知礦山設(shè)備工作狀況，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修。

三個(gè)感知的目標(biāo)都是減災(zāi)保安全。為了實(shí)現(xiàn)三個(gè)感知，需要研究開發(fā)礦山特有的感知與測(cè)量技術(shù)。許多地質(zhì)參數(shù)與巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律是影響礦山安全的關(guān)鍵因素，如地下水賦存情況、瓦斯與煤突出、巖層受力與沖擊地壓、采空區(qū)發(fā)火等。通過先進(jìn)智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可對(duì)煤礦有關(guān)環(huán)境與地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)釆集，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與理論分析來建立模型，研究煤炭資源開采，尤其是深部資源開采中重大災(zāi)害的成因、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論以及防治對(duì)策等關(guān)鍵問題。

目前,基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下釆煤裝備的遠(yuǎn)程定位、煤巖識(shí)別、井下安全環(huán)境監(jiān)測(cè)、大型設(shè)備姿態(tài)控制等技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)（人員、設(shè)備）的精確定位與管理;而基于無線覆蓋的移動(dòng)雙向數(shù)據(jù)信息終端，則綜合了人員定位、雙向數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警及信息顯示等功能,也可實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的精密跟蹤與信息聯(lián)絡(luò)，并可建立集調(diào)度、監(jiān)控與管理于一體的煤礦安全生產(chǎn)信息中心。該信息中心可實(shí)現(xiàn)對(duì)安全生產(chǎn)各種系統(tǒng)的監(jiān)控、語音通話和視頻監(jiān)控（即煤礦的MES層），從而開發(fā)出煤礦井下人員安全管理和救災(zāi)應(yīng)急系統(tǒng)平臺(tái)。

2.2  感知礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)用支撐平臺(tái)

基于應(yīng)用目的的感知礦山模型，可將物聯(lián)網(wǎng)及其作用盡早落實(shí)到礦山建設(shè)與生產(chǎn)中去?；谏鲜鲈?，礦山的信息化模型勢(shì)必與數(shù)字化、智能化緊密聯(lián)系。由于數(shù)字礦山及礦山綜合自動(dòng)化模型在我國煤礦企業(yè)已經(jīng)有眾多的實(shí)際應(yīng)用，因此，感知礦山的建設(shè)應(yīng)該建立在這些已有工作的基礎(chǔ)上，充分借鑒已有的經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)。有關(guān)感知礦山的系統(tǒng)主要有三層結(jié)構(gòu)：

（1） 感知與控制層

感知與控制層可由2層網(wǎng)絡(luò)組成，即骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)和感知層網(wǎng)絡(luò)。感知與控制層主要實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)與安全過程中各種傳感與控制信息的采集與使用。各生產(chǎn)安全子系統(tǒng)在該層以相對(duì)集中的方式或全分布方式接入物聯(lián)網(wǎng)。要構(gòu)成物與物相聯(lián)，具有自主網(wǎng)功能的無線網(wǎng)絡(luò)（如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）在這一層起著不可或缺的作用。感知礦山在感知層更多的是分布式感知與控制。

（2） 信息集成層

信息集成層通過千兆工業(yè)以太網(wǎng)骨干將信息集成到控制中心進(jìn)行各種信息處理（如信息融合、信息挖掘等），以用于安全生產(chǎn)監(jiān)控的終端,它們可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)中各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制功能。

（3）管理決策與應(yīng)用層

在管理決策與應(yīng)用層，礦山各個(gè)職能部分通過網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)更高層次的應(yīng)用，如礦山安全生產(chǎn)評(píng)價(jià)與監(jiān)管、煤礦災(zāi)害預(yù)警與防治、煤礦供應(yīng)鏈管理、大型設(shè)備故障診斷、礦山資源環(huán)境控制及評(píng)價(jià)以及地理信息處理等。感知礦山的開放性模型能適用于各種不同類型的礦井，并且基于統(tǒng)一設(shè)計(jì)、分步實(shí)施、逐步完善的原則。感知礦山理所當(dāng)然是三網(wǎng)合一的系統(tǒng)，除可接入各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)外，還可將有線IP電話、無線移動(dòng)電話、人員定位系統(tǒng)、數(shù)字視頻系統(tǒng)都接入網(wǎng)絡(luò)。與基于千兆工業(yè)以太網(wǎng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)相比，感知礦山系統(tǒng)主要是突出了其物與物相聯(lián)的特征以及移動(dòng)視頻及管理層應(yīng)用特點(diǎn)，圖6所示是“感知礦山”系統(tǒng)的應(yīng)用模型架構(gòu)。

3  感知礦山系統(tǒng)的應(yīng)用

感知礦山作為物聯(lián)網(wǎng)在煤礦上的應(yīng)用，其特點(diǎn)是先感后知。它通過對(duì)井下井上感知數(shù)據(jù)（人員、環(huán)境、設(shè)備、產(chǎn)量、地形地貌）的匯集，來為安全生產(chǎn)、安全救援等提供數(shù)據(jù)決策。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)礦井概貌、煤炭計(jì)量、人員定位、環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、報(bào)警聯(lián)動(dòng)監(jiān)控、預(yù)警預(yù)案、預(yù)警救援、綜合統(tǒng)計(jì)調(diào)度等功能。

其中礦井概貌用于實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦安全、生產(chǎn)狀況進(jìn)行綜合監(jiān)控;煤炭計(jì)量可對(duì)煤礦的本日煤產(chǎn)量、本月煤產(chǎn)量、本年煤產(chǎn)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；人員定位用于對(duì)煤礦目前下井總?cè)藬?shù)、特殊人員下井情況以違章事件進(jìn)行綜合和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；環(huán)境監(jiān)測(cè)主要是通過煤礦各傳感器對(duì)束管實(shí)時(shí)值及分布情況進(jìn)行總體監(jiān)測(cè);設(shè)備監(jiān)視用于對(duì)煤礦各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和分布情況進(jìn)行總體監(jiān)測(cè),并根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和故障率等信息提出檢修提醒;報(bào)警信息功能用于對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史査詢;聯(lián)動(dòng)監(jiān)控用于根據(jù)井下各安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，其中包括聯(lián)動(dòng)規(guī)則定義、聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)和聯(lián)動(dòng)控制三個(gè)部分；應(yīng)急預(yù)案可在接收到報(bào)警信息或發(fā)生事故的危急情況下,為各級(jí)管理人員提供指導(dǎo)性和建議性的應(yīng)急措施;綜合統(tǒng)計(jì)就是利用先進(jìn)的OLAP技術(shù)對(duì)煤產(chǎn)量、耗電量、報(bào)警次數(shù)等指標(biāo)參數(shù)根據(jù)不同的時(shí)間粒度進(jìn)行多維統(tǒng)計(jì)和分析;調(diào)度記錄功能用于對(duì)常規(guī)調(diào)度進(jìn)行定時(shí)提醒。

4  結(jié)論

本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)在煤礦企業(yè)的基本應(yīng)用，通過煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控支撐平臺(tái)指揮中心可集中監(jiān)測(cè)井上井下的生產(chǎn)安全信息，控制井上井下的機(jī)電設(shè)備,并對(duì)人員進(jìn)行精準(zhǔn)定位、產(chǎn)量實(shí)時(shí)上報(bào)、礦井煤層感知等，以達(dá)到感知礦山、減人提效的目的；其次，可實(shí)現(xiàn)井上井下所有控制、監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)在一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上運(yùn)行，從而消除信息“孤島氣同時(shí)，也可和企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)連接進(jìn)行信息共享;第三，能夠?qū)收线M(jìn)行診斷，以預(yù)知維修，從而提高設(shè)備使用的可靠性，保證煤礦生產(chǎn)的安全。