基于物联网的智慧矿山建设研究

来源:用户上传      作者:

　　[摘 要]本文总结了智慧矿山与物联网技术的关系，在此基础上构建了智慧矿山物联网的理论架构和应用体系，指出当前智慧矿山建设过程中注意的问题，最后通过应用说明建立智慧矿山物联网的重要性。
　　[关键词]物联网；智慧矿山；建设
　　中图分类号：TD67 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0104-02
　　矿山安全一直是政府和行业管理难题，煤炭安全生产则是重中之重。我国煤炭储存环境复杂，地质条件较差，开采成本高；缺乏及时有效的预警系统；百万吨死亡率依然较高，安全问题十分突出，矿山生产迫切需要提升开采和监管方式。物联网是物物相联的互联网，以互联网为支撑，以协议为保障，利用多种传感器和自动识别设备，融合全球定位系统、红外感应、无线射频技术，智能地识别和定位关联物品，实现远程监控和管理。物联网打破了原有矿业开采中物理设施和信息基础设施分离的积弊，通过设置各种传感设备，及时感知井下瓦斯、一氧化碳、钢筋混凝土、电气机械设备、电缆等的变化，通过物联网络把各种信息及时传递给地面工作人员，进行信息交换，使人员、机器、设备融为一个整体，为大规模无人化作业和安全生产提供了系统性保障。
　　建立在物联网技术之上的智慧矿山体系为矿业生产提供了新的管控平台，可以解决以下问题：①保障人员安全；②及时做出灾害预警；③实现智能控制；④形成新的产业标准；⑤井下无人化作业；⑥提高出煤率和作业效率。
　　1 矿山发展现状及形势
　　在我国绝大多数的矿业企业表现为地理条件较差，生产过程复杂，工作场地黑暗艰苦，开采地面随时会发生移动，由于地质条件的不断变化，开采过程中会发生新的情况和问题，若不能及时采取合理的措施，就可能会导致重大事故，为了改善这一问题，许多大型的国有矿业企业不断加大技术改革，利用先进的信息化和自动化代替原有的传统落后的技术，全面改变煤炭生产面貌，塑造现代化、集成化、精细化的煤炭企业新形象。
　　在过去的几十年里，我国矿业企业的信息建设逐渐转变为初步自动化，从过去到未来的发展趋势大致可以分为下面4 种阶段：①信息电子化。利用单一的电子部件进行收集数据资料，通常以文本、电子表格等样式记录统计，使生产信息迈向电子化阶段。②矿山数字化。将矿井的日常安排、生产设备的管理、运营等信息通过矿山数字化信息系统进行入库统计，利用数据库储存大批量的业务数据资料，形成生产信息的数据库化，以系统的方式呈现和掌握整个矿山的生产和发展状况。③虚拟矿山。把整个真实矿山和和它有关的东西都联合起来，连接视频监控系统、安全生产监测系统等达到井下真实场景虚拟重现和视频可见，与模拟仿真的矿区场景结合在一起，完成辅助分析功能。④智慧矿山。在虚拟矿山的基础上，通过物联网技术手段系统地融合信息形成管理、监测、监控三者的一体化，使用人工智能实现科学的和智能的决策，并采用跟踪和导航定位技术实现生产的远程操控和无人化。近年来，我国对于矿业企业安全生产和信息自动程度的要求不断提高，矿业企业自身对安全生产、生产效率及管理標准的需求也越来越高，已有的落后的发展模式很难前进，一定会被先进科学的矿山物联网技术所代替，基于物联网的数字化智慧矿山建设会去的巨大的成功，确保安全、可靠、智能、的煤炭生产管理
　　2 物联网技术与“智慧矿山”
　　物联网也是传感网，它通过多种信息传感设备，按照约定的协议，完成人与人、人与物、物与物互联的感知网络。其将信息传感器收集的各种信息，通过互联网等进行信息的传达与交换，利用智能计算机进行分析处理数据，从而提升对物质资料的感知能力，从而实现识别、跟踪、控制、管理和决策的一种网络含义。
　　“智慧矿山”以物联网为基础，以地理信息系统为支柱，实现矿山数字化，是多种技术相结合的多级分布式计算机网络，利用该技术对矿山企业所需要的数据资料进行采集、传输、可视化展现和自动化操作的一种数字智能系统，完成矿山安全生产中的信息整合以及自动化控制，降低煤炭生产成本，提升生产过程中的工作效率和安全生产的标准，逐步达成智能生产和管理。
　　基于物联网技术的“智慧矿山”建设是在信息化、自动化基础之上，将煤炭产业的开采、安全、输送、销售、雇佣、人力、采购等所有的子系统集成为一个整体，完成各种各样信息的管理和传达，存储和分析该矿山的各种信息资料，提出决策信息和解决方法，并自动地反馈到相应的自动化设备。进行矿山物联网的研究对于煤炭行业的信息管理、安全生产和矿业企业的竞争能力具有较高的价值意义。
　　3 基于物联网的数字化“智慧矿山”建设的必要性
　　（1）健全井下避险系统
　　我国国家安全监管总局明确要求矿业企业必须完成安全避险系统，日前已经有多数矿业矿井实现了该建设任务，避险系统建成后是否能够正常工作和灾后是否能够有效发挥作用，这对于井下作业人员的人身安全相当重要。利用物联网系统可以随时掌握井下工作人员的工作情况，灾后及时传达准确的避灾路线，完成安全逃脱，同时还可以为井上工作人员创造良好的救援条件。
　　（2）监测、预警矿井灾害
　　由于井下情况随时都在变化，危机重重且很难掌握其规律，为了保证井下工作人员的安全，需要提高井下危险区域的监测力度，及时预见灾害发生并告知工作人员迅速避险。目前矿业矿山已建成的监测系统功能较为单一，数据形式不统一，监测效果不理想。通过物联网系统将所有的监测数据进行集成，综合考虑，分析比较，则井下的预测效果会明显提高。
　　（3）矿业领导决策合理
　　由于井下灾害突发性很强，当井下发生灾害时，井下领导及时掌握现场情况，能够做出迅速、正确的撤人及一系列救援决策，领导迅速做出正确的决策就要具备快捷的通讯设备和指挥手段，全方面的了解井下情况，这需要不断加强井下工作人员的定位、无线通讯以及各种检测预警系统，及时掌握灾害情况，与井下工作人员沟通，指挥井下工作人员快速撤离。 　　4 基于物联网的智慧矿山体系的构建
　　基于物联网的智慧矿山体系结构和物联网的结构体系原理相似，大体分感知层、网络层和应用层三个层次。感知层主要由广泛安置于矿山体系内部的各种传感设备和传感网络组成，具体如温度传感器、湿度传感器、浓度传感器、位置传感器、压力传感器等形成的传感网络，结合自动识别技术中的二维码、无线射频（RFID） 技术、摄像头、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS） 来实现对矿区环境的最初识别、监测和感知。
　　应用层是感知矿山物联网用户和各子系统的接口，主要完成各个子系统平台的搭建、处理、监控和管理。网络层借助移动通信网、互联网和企业的局域网完成感知层和应用层信息的传递和处理在实践中，基于物联网的智慧矿山体系也对应的设计成应用层、处理层和感知层。感知层可以细分为三个子系统：环境监测信息采集系统，通过相应的传感设备和传感网络实现对矿山体系内外部环境的实时监测和处理； 矿山基础数据采集系统，完成对矿山整体开采前、中、后全过程的基础数据变化监测；生产系统监测信息采集，实现矿山生产过程中的数据监测和感知，为企业进行安全、高效和无人化生产提供必要的数据储备。
　　应用层可以细化为四个子系统： 智慧生产系统，包括采煤工作面和推进工作面的细化和管理； 智慧辅助系统，通过多个方面为生产系统提供服务，如运输、提升、供电等多个辅助作业环节； 智慧安全生产保障系统，包括环境监测、防灭火、智慧爆破、人员安全等多个功能体系；智慧后勤支持系统，主要侧重于ERP体系的建设、办公自动化、物流系统、生活保障等方面。处理层包括数据仓库、信息处理、数据挖掘、信息融合和信息传输等。以上三个层次以互联网、传感网、局域网和移动通信网络为支撑，实现相互联系、相互配合，最终实现智慧矿山倡导的无人化采掘、无人化运输、无人化管理，最终实现整座矿山的无人化作业和少人化管理，整座矿山处于智慧设备和智慧机器人的操作、运营和管理之下。
　　5基于物联网煤矿智能生产系统建设需注意的问题
　　煤炭行业应充分认识到物联网矿井生产智能化管理建设的目的，是将煤矿生产成本控制与管理、物料控制与管理、设备监控与管理、生产调度与生产数据统计分析等技术，应用于煤矿经营与生产管理过程， 通过 MES 承上启下作用和计算机网络与数据库支撑系统，将 PCS、MES、ERP 和企业网服务系统集成， 实现煤矿的优化控制、优化运行和优化管理，提高企业的运行效率和竞争力，而不是仅为了实现煤矿生产设备的监测与控制。因此， 煤矿在建设基于物联网的煤矿智能生产系统建设中，应做好几个方面的工作和研究。
　　5.1 统一规划设计，逐步实施
　　物联网的矿井生产智能化管理技术最主要的特点是根据矿山规模、现代化水平、开采方式等进行灵活的调整，以适应各种不同类型矿山的需要。各级领导和技术人员要重视网络平台、 数据平台和应用平台的建设，进行主要子系统建设或接入；对于系统中各子系统接入方式，采用招承包商方式，由承包商来协调各子系统厂商的接入方式问题。
　　5.2 运行与管理
　　基于物联网的生产智能化管理技术的实施，将打破煤矿现有的运行与管理方式， 从组织机构到具体操作模式均会有较大的变化。各个独立子系统的操作，原来由各个区队在各个不同的地点实现， 如皮带的操作由皮带队负责， 水泵的运行由机电队负责等，实施基于物联网的生产智能化管理后，这些子系统基本上都集中到监控中心来操作。如何管理这些原属于各个区队的职能与工作， 是成立相对独立的综合自动化科室还是简单的集中各个区队的人员， 这些都需要提前做好准备，对新的运行方式进行论证和讨论。物联网的矿井生产智能化管理系统是一个系统工程， 其中感知层与控制层所连接的底层子系统是关键， 需要提前做好技术上的准备。为此，需要进行各种子系统的自动化集成的准备工作， 如各种供电系统均应具备微机综保装置， 皮带控制系统具备联网接口， 其它泵房系统等也均用 PLC 进行控制，以有效避免系统改造的重复投资和设备浪费。
　　5.3 重视标准建设
　　物联网的矿井生产智能化管理系统，应该是一个开放式应用体系， 可为任意服务提供商及第三方提供标准化的应用服务供给， 给用户提供方便的服务添加与服务删除， 为设备供应商提供方便的接口。因此，加强矿山物联网关键技术协议与规范，统一应用平台与中间件等标准是重要的。
　　5.4 重建设更要重应用
　　物联网是典型的以应用为驱动而迅速发展的，只有应用才能体现其价值。要避免重建设、轻应用，为面子迫于政策而建设的情况，使感知矿山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，实现高效、安全、绿色开采的目标，保证矿山经济可持续增长。
　　6 智慧矿山物联网的应用
　　国家物联网十三五规划明确把建设智慧矿山作为物联网重点示范领域之一。智慧矿山体系的建设，可以应用于矿山的规划设计、勘察勘验、生产调度、监控监测和综合管理等多个领域。通过物聯网，可以有效地在井下人员定位、通讯联络、环境监控、自检自救和紧急避险等多个方面，实现无人化监管和自动化控制。
　　在智能生产方面，可以在生产作业环节对采煤机、掘进机、通风机、输送带等进行实时管理和控制，相关机械设备的性能指标、工作状态、进度完成情况等数据都可以及时上传至物联网控制中心，从而实现对矿山企业的及时调度和管理。
　　在智能监控方面，通过对安置于井下的各类传感设备和监控设备的综合使用，及时向地面管理人员传递瓦斯、人员、风压、湿度、浓度等数据，自动判断工作环境的安全程度，自发启动应急预案，做到提前预警和预防，自动找寻不安全因素并提出解决方案，有效避免大规模伤亡事故发生。
　　在智能管理和决策方面，智慧物联网系统通过管理平台如 ERP、办公自动化等系统可以实现对人、财、物、产、供、销的全方位管理，把相关部门的信息进行有效收集和整合，对人员、财物进行统计记录，依托庞大的数据仓库和数据挖掘技术，提炼和处理数据，对生产经营状况做出汇总和评估，生成辅助性决策报告，供决策参考。
　　在智能销售方面，系统可以通过条码系统、RFID、电子监控、自动称重和计费、电子收费等手段，实现无人化销售和管控，实现自动售卖和结算。
　　7 结语
　　矿山物联网是智慧矿山的必由之路，在矿山物联网上提供各种各样矿山所需要的智慧化服务是智慧矿山建设的内涵。矿山物联网要具备承载服务的能力，其服务建设是至关重要的。指出矿山物联网技术会给矿山带来的技术和运行模式的革命性变化，相关的标准建设是智慧矿山建设的助力。
　　参考文献：
　　[1]丁恩杰，施卫祖，张申等.矿山物联网顶层设计[J].工矿自动化.2017，43（9）：1-11.
　　[2]张杰.物联网技术在神华宁煤集团数字化矿山建设中的应用研究[J].煤矿现代化，2012，5.
　　[3]姚建铨.丁恩杰.张申等.感知矿山物联网愿景与发展趋势[J].工矿自动化，2016，42（9）：1-5.
　　作者简介：田骞（1979-），陕西周至人，2002年毕业于西安科技学院计算机应用与维护专业，2015年本科毕业于西安科技大学机械电子工程专业，现供职于陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪二号井通讯信息部，现在主要从事管理智慧化矿山方面工作。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15334138.htm