基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能體系設(shè)計(jì)

引言

煤礦安全生產(chǎn)水平的提升，能夠改善勞動環(huán)境，減少煤礦安全生產(chǎn)中的各種不安全因素，預(yù)防傷亡事故發(fā)生，從而確保煤礦生產(chǎn)運(yùn)作的順利進(jìn)行。智能化運(yùn)作作為煤礦安全技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)，已經(jīng)逐步被應(yīng)用到煤礦的安全生產(chǎn)管理中。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)隨著信息化建設(shè)的深入，已成為世界各國經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一，同樣也是我國信息技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)突破方向。物聯(lián)網(wǎng)是利用感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能及自動化技術(shù)，并集成應(yīng)用，建立起一個(gè)人與物對話的智慧世界。

煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)是繼數(shù)字煤礦、自動化煤礦等概念后的升華，本文基于煤礦安全生產(chǎn)實(shí)際情況，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能煤礦應(yīng)用模型，然后對模型中的系統(tǒng)關(guān)系進(jìn)行分析，最后給出了智能煤礦的完整架構(gòu)圖，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)的監(jiān)視并控制煤礦安全運(yùn)作的全過程。

1我國煤礦企業(yè)智能化建設(shè)中存在的問題

雖然我國煤礦安全生產(chǎn)已取得了很大的進(jìn)步，但是與國外比較，總體水平還比較低，煤礦先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用還有較大差距，特別是信息化產(chǎn)品的應(yīng)用，仍需要進(jìn)一步的提高。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國已經(jīng)逐步得到應(yīng)用，但是經(jīng)過對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)其中存在著很多的問題。主要問題如下：

缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和接口?，F(xiàn)有的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)各成體系，并沒有統(tǒng)一的接口及標(biāo)準(zhǔn)，從而使得系統(tǒng)之間沒法正常通信，數(shù)據(jù)漏報(bào)。

缺少共享平臺。不能夠?yàn)榈谌教峁┙y(tǒng)一的接入平臺。

學(xué)科交叉研究不夠。地質(zhì)、水文、災(zāi)害機(jī)理、系統(tǒng)集成等多學(xué)科的研究融合深度不夠。

應(yīng)用層面的信息融合缺失。各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息融合及聯(lián)動、決策融合缺失。

缺乏泛在的感知網(wǎng)絡(luò)。缺乏統(tǒng)一的地下無線覆蓋感知網(wǎng)絡(luò)，地下存在著很大部分的感知盲區(qū)。

設(shè)備落后及老化。感知元件單一，設(shè)備落后，不能適應(yīng)復(fù)雜的井下環(huán)境。

聯(lián)動效率低下。在煤礦事故發(fā)生以后，省及地方聯(lián)合應(yīng)急效率低下，搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)及捜救效果差。

2煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系模型設(shè)計(jì)

針對上述問題，本文提出了一種煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)共分為四個(gè)層次，分別是感知與控制層、數(shù)據(jù)集成層、管理決策應(yīng)用層、信息展示層，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

感知與控制層作為傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)研究的熱點(diǎn)，相對其他層次已經(jīng)比較成熟。感知與控制層一共設(shè)計(jì)了四個(gè)系統(tǒng)，分別是安全系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。安全系統(tǒng)包括安全監(jiān)測、井下排水、通風(fēng)、防滅火、束管監(jiān)測、瓦斯抽放、人員考勤和人員監(jiān)控；生產(chǎn)系統(tǒng)包括工作面、提升系統(tǒng)、皮帶系統(tǒng)、供壓系統(tǒng)、水處理、選煤廠鍋爐房、井下降溫及給水系統(tǒng);供電系統(tǒng)包括地面與地下供電；生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)包括無線通信系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、信息監(jiān)控系統(tǒng)和大屏幕顯示系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)集成層是新型煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化集成中心,主要由工業(yè)級實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫組成。工業(yè)級實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫包含了數(shù)據(jù)分析、聯(lián)動控制策略庫、故障診斷庫和專家?guī)?；關(guān)系型數(shù)據(jù)庫主要包含管理基礎(chǔ)庫、組織機(jī)構(gòu)庫、業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)庫和專家知識庫。

管理決策層作為企業(yè)的智能管理層，分為生產(chǎn)智能分析和商務(wù)智能分析兩部分。生產(chǎn)智能分析中心主要運(yùn)作包括計(jì)劃目標(biāo)管理、物資管理、運(yùn)銷管理、工程項(xiàng)目管理、能源管理、機(jī)電設(shè)備管理、通風(fēng)設(shè)計(jì)分析和安全管理；商務(wù)智能分析中心主要運(yùn)作包括全面預(yù)算管理、財(cái)務(wù)管理、人力資源管理、固定資產(chǎn)管理、煤質(zhì)管理、精細(xì)化管理、生產(chǎn)調(diào)度管理和三維數(shù)字開采管理。

企業(yè)展示層主要是通過企業(yè)展示網(wǎng)絡(luò)來展示企業(yè)的相關(guān)信息。

煤礦物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的自上而下的四個(gè)層級分工明細(xì)又相互協(xié)作，各個(gè)層級間共用同一的數(shù)據(jù)倉庫，并通過工業(yè)以太網(wǎng)和企業(yè)管理網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)通。

3煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對煤礦物聯(lián)網(wǎng)體系模型的研究，已經(jīng)構(gòu)建了比較完整的物聯(lián)網(wǎng)智能體系。結(jié)合煤礦實(shí)際情況，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的信息采集、識別與協(xié)同、信息融合、預(yù)警、傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),設(shè)計(jì)出了一個(gè)比較完整的煤礦物聯(lián)網(wǎng)信息架構(gòu)體系，其完整的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2所示的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架圖在集成礦山“三個(gè)感知”核心（即感知環(huán)境、感知人員、感知設(shè)備）的基礎(chǔ)上，融入了生產(chǎn)監(jiān)控與管理決策系統(tǒng)，并在云服務(wù)平臺的基礎(chǔ)上，將安全智能分析（包括物資管理、生產(chǎn)管理、工程項(xiàng)目管理等）和商務(wù)智能分析（包括人力資源管理、財(cái)務(wù)管理等）完美地結(jié)合在一起，在很大程度上提高了礦山整體的智能化運(yùn)作。

在此煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系架構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求：煤礦系統(tǒng)各類信息都能夠融入骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；針對各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)建立虛擬的專用網(wǎng)，從而保障各個(gè)子系統(tǒng)能夠相對獨(dú)立的運(yùn)作；建立一個(gè)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的多子系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸各科室及局部中心數(shù)據(jù)；可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的有效控制；系統(tǒng)具有熱插拔結(jié)構(gòu)、模塊化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤礦的不間斷生產(chǎn)、維修、維護(hù)；系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的編程組態(tài)，降低煤礦用戶對專業(yè)知識的要求，提高系統(tǒng)應(yīng)用效率;建立豐富的網(wǎng)絡(luò)診斷和管理功能,以便于對故障進(jìn)行分類和設(shè)備維修等。

4煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系建設(shè)的主要內(nèi)容

通過以上對煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系模型及架構(gòu)的研究，可以確定煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系主要建設(shè)內(nèi)容包括井下傳感器感知系統(tǒng)、設(shè)備健康感知系統(tǒng)、災(zāi)害感知系統(tǒng)、感知網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、感知礦山信息聯(lián)動系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控指揮系統(tǒng)、運(yùn)銷管理系統(tǒng)、人力資源系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等。在系統(tǒng)結(jié)果圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，分析研究得各主要建設(shè)子系統(tǒng)關(guān)系如圖3所示。

5煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系技術(shù)研究的新方向

在最新的信息技術(shù)發(fā)展政策及措施的指引下，通過研究構(gòu)建起來的煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系在感知、傳輸、共享、處理、應(yīng)用等領(lǐng)域都取得了一定的創(chuàng)新型研究成果，為提高煤礦物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)的創(chuàng)新能力鞏固了基礎(chǔ)。

在本文的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在日后的實(shí)際應(yīng)用中，需注意四個(gè)方面的研究。

首先要提升感知技術(shù)水平，加強(qiáng)人工智能技術(shù)的應(yīng)用，通過把模式識別等智能技術(shù)與傳感器技術(shù)的結(jié)合，提高礦山感知的可靠性、準(zhǔn)確性及合理性。

其次要推進(jìn)傳感技術(shù)的突破，從而實(shí)現(xiàn)高并發(fā)、大容量、多元化信息的傳輸，以提高傳輸網(wǎng)絡(luò)的承載能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤礦物聯(lián)網(wǎng)在礦山各系統(tǒng)中的真正應(yīng)用。

然后要加強(qiáng)處理技術(shù)的研究，以解決復(fù)雜、異構(gòu)物體間的連接方式和信息的交互處理難題，在智能工業(yè)、智能商務(wù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。

最后就是需鞏固共性基礎(chǔ)研究，使物聯(lián)網(wǎng)更好地應(yīng)用到企業(yè)的安全生產(chǎn)、精細(xì)及動態(tài)的管理中去，提高生產(chǎn)與業(yè)務(wù)的創(chuàng)新,以實(shí)現(xiàn)礦山各系統(tǒng)的智慧。

6結(jié)語

本文通過對煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系模型設(shè)計(jì)，清晰地展示煤礦物聯(lián)網(wǎng)智能體系的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)煤礦物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的構(gòu)建。本方案將系統(tǒng)工程技術(shù)、信息技術(shù)、感知技術(shù)、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論技術(shù)等融合到物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，從而為智慧礦山的建設(shè)奠定了豐富的理論技術(shù)基礎(chǔ)，最終提高了礦山智能化建設(shè)的科學(xué)性、安全性及先進(jìn)性，加快我國新型智慧礦山建設(shè)的進(jìn)度和步伐。

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