張 鋒，顧 偉

(中電廣通股份有限公司， 北京 100044)

1 背景和依據(jù)

我國煤礦95%以上是井工開采，煤炭賦存條件差、開采深度深、瓦斯、煤塵、水災(zāi)、火災(zāi)、沖擊地壓、地熱等困擾著煤炭工業(yè)的健康發(fā)展，煤炭行業(yè)既是國家能源的主要支柱，也一直是我國工礦企業(yè)中的高危行業(yè)。

(1)煤礦井下空間狹窄、巷道復(fù)雜、環(huán)境惡劣，卻集中了供電、運輸、通風、排水、采掘、支護等大量的大型機電設(shè)備。

(2)煤炭開采面臨的是移動的生產(chǎn)環(huán)境，大量的設(shè)備需要跟隨采掘的進度搬遷，煤炭企業(yè)的設(shè)備管理與運維水平普遍較低，導(dǎo)致效率低下，設(shè)備、材料損耗浪費現(xiàn)象嚴重，設(shè)備的定位與管理在煤礦企業(yè)目前是個空白。

(3)煤礦在生產(chǎn)中使用大量的機車，我國煤礦機車定位主要以有線通信方式為主。對于有軌機車，目前采用最多的是定位繼電器+有線通信的方式的實現(xiàn)，由于技術(shù)、成本與現(xiàn)場安裝環(huán)境的限制，定位繼電器無法高密度大量安裝，所以只能在道岔、車站等少數(shù)關(guān)鍵位置實現(xiàn)定位，機車運行途中的精確定位無法實現(xiàn)；對于礦區(qū)井上、井下的汽車，目前還沒有成熟可靠的定位與管理系統(tǒng)。

(4)在炸藥的管理與使用方面，煤礦企業(yè)在日常的持續(xù)生產(chǎn)中需要大量使用炸藥，許多惡性礦難的發(fā)生都與炸藥的使用與管理的不當有關(guān)。而現(xiàn)有的炸藥管理工作，在煤炭企業(yè)內(nèi)部還處于比較初級的登記領(lǐng)用狀態(tài)，礦區(qū)內(nèi)炸藥運載車輛、火工人員下井放炮等均沒有相應(yīng)的管理技術(shù)手段。

(5)減員增效是煤炭企業(yè)提升安全生產(chǎn)管理水平的一個重要目標與手段，在移動的生產(chǎn)環(huán)境中，在人員少、距離長的井下巷道這種環(huán)境下實現(xiàn)減員增效，對煤礦井下通信系統(tǒng)的保障提出了更高的要求。

(6)煤礦安全規(guī)程里，大量的規(guī)程都涉及人、設(shè)備、運輸工具與作業(yè)流程的協(xié)同操作，而對于規(guī)程的執(zhí)行目前主要靠制度與人的自覺性，缺乏有效的監(jiān)控技術(shù)手段。

(7)煤礦井下發(fā)生事故后，地面與井下人員的信息溝通不及時，地面人員難以及時動態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，一旦煤礦事故發(fā)生，搶險救災(zāi)、安全救護的效率低，搜救效果差。因此，井下人數(shù)不詳、被困人員位置不清、通信不暢是災(zāi)后應(yīng)急救援急需解決的問題。

近年來，隨著國家對煤礦安全生產(chǎn)措施的抓緊與落實，許多礦井安裝了井下人員定位系統(tǒng)、設(shè)備點檢系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)等，但普遍存在的問題：一是各系統(tǒng)功能單一、系統(tǒng)間相互隔離，在生產(chǎn)與安全管理上無法實現(xiàn)效能的最大化，系統(tǒng)間的協(xié)同作用難以發(fā)揮，與企業(yè)實際的生產(chǎn)與安全管理的融合度差，系統(tǒng)淪為“孤島”乃至成為擺設(shè)或“參觀工程”；二是系統(tǒng)還不夠完善或存在空白，如機車定位系統(tǒng)、設(shè)備定位系統(tǒng)、礦區(qū)內(nèi)的炸藥運輸與管理系統(tǒng)等；三是目前的這些系統(tǒng)還不具備冗災(zāi)與應(yīng)急通信功能。

2 “智慧礦山”

“智慧礦山”是指在采礦企業(yè)的建設(shè)與發(fā)展中，在生產(chǎn)經(jīng)營、安全管理領(lǐng)域，充分應(yīng)用信息通信技術(shù)，智慧的感知、分析、協(xié)同以應(yīng)對企業(yè)在安全生產(chǎn)與經(jīng)營活動中的需求，創(chuàng)造一個安全高效的礦山。

“智慧礦山”由三個核心系統(tǒng)組成：智能生產(chǎn)、智能安全、智能物流。智能生產(chǎn)包括企業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營的自動化與信息化，以自動化技術(shù)、計算機信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主；智能安全包括企業(yè)的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)與安全治理措施，以傳感技術(shù)為主；智能物流包括人與物的定位與流向的管理，以定位與識別技術(shù)為主。而“智慧”的體現(xiàn)是以這些系統(tǒng)以協(xié)同的方式相互銜接，相互促進，互為保障，有效地促進企業(yè)執(zhí)行力與高效性。支撐“智慧礦山”的技術(shù)是計算機與信息處理、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、通信與工業(yè)自動化技術(shù)。

“智慧礦山”不是孤立的某一個點或面。在縱向上，從中央到集團或省再到具體的地市或企業(yè)，“智慧礦山”可以構(gòu)建一個分層的多級系統(tǒng)，實現(xiàn)多級、多業(yè)務(wù)、多部門的協(xié)同工作與監(jiān)管；在橫向上，“智慧礦山”可以與當?shù)氐闹悄艹鞘邢到y(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)與智能電力、智能交通、智能環(huán)境等領(lǐng)域的協(xié)同。下文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能物流中的應(yīng)用為例，探討“智慧礦山”理念在采礦企業(yè)的實現(xiàn)方案(圖1)。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備，如二維碼、射頻識別(RFID)、全球定位系統(tǒng)(GPS)等裝置與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，從而給物體賦予智能，實現(xiàn)人與物、物與物的相互間的溝通和對話，實現(xiàn)智能管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與理念的推廣，對提升我國煤炭企業(yè)的物流與安全生產(chǎn)管理水平具有重要的意義。煤炭行業(yè)的特殊性，使其不但具備“物聯(lián)網(wǎng)”的實施條件與需求，還具備人員定位的條件。煤礦井下人員定位系統(tǒng)已成為行業(yè)強制標準正在逐步實施，將物的定位與人的定位相結(jié)合，輔助以通信系統(tǒng)，與生產(chǎn)系統(tǒng)相協(xié)同，應(yīng)用于煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)管理，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)工作中創(chuàng)新應(yīng)用的核心。

圖1 智慧礦山的架構(gòu)

其中“智能物流”方案基于二維碼、RFID射頻識別技術(shù)，Wi-Fi射頻定位、GPS定位技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)等，通過無線以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)，把人員、設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控，實現(xiàn)“人與人”、“物與物”、“人與物”之間的協(xié)同作業(yè)、智能管理的創(chuàng)新應(yīng)用。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)煤炭企業(yè)生產(chǎn)管理需求與現(xiàn)狀，將系統(tǒng)業(yè)務(wù)分為人員定位與管理、設(shè)備定位與管理、車輛/機車的定位與管理、危險品流向與運輸監(jiān)控與管理四個子系統(tǒng)，以物流與安全生產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)平臺為核心，以無線/有線一體化調(diào)度通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急通信系統(tǒng)為輔助通信系統(tǒng)，與安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、綜合自動化等系統(tǒng)相結(jié)合(圖2)。

圖2 智能物流系統(tǒng)示意框圖

3.2 技術(shù)方案

(1)人員、設(shè)備定位與管理系統(tǒng)

人員定位系統(tǒng)由主要標識卡、讀卡器、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、上位機與系統(tǒng)軟件組成，標識卡由個人佩帶。目前，國內(nèi)的煤炭企業(yè)大都已經(jīng)安裝了人員定位系統(tǒng)，可以接入到物流信息化系統(tǒng)管理平臺。設(shè)備定位與管理系統(tǒng)與人員定位與系統(tǒng)相同，共用讀卡器、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、上位機與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件，以標識卡的不同分組來區(qū)分人與設(shè)備，標識卡懸掛或粘貼在設(shè)備上。

(2)機車定位與管理系統(tǒng)

目前，我國煤礦井下機車定位主要以有線通信方式為主，對于有軌機車，目前采用最多的是定位繼電器+有線通信的方式的實現(xiàn)。由于技術(shù)、成本與現(xiàn)場安裝環(huán)境的限制，定位繼電器無法高密度大量安裝，所以只能在道岔、車站等少數(shù)關(guān)鍵位置實現(xiàn)定位，機車運行途中的精確定位無法實現(xiàn)；近年來，有些使用WiFi或Zigbee技術(shù)進行定位的嘗試，但由于這些定位技術(shù)的核心為基于對無線信號場強相對強弱的分析來實現(xiàn)定位，由于煤礦井下的特殊性，定位環(huán)境為鏈型的封閉巷道環(huán)境，難以象地面一樣通過對多基準點的無線信號場強的測量與計算獲得精確的定位。被定位物體在一個地點只能探測到1～2個基準點，現(xiàn)場環(huán)境中的遮擋、環(huán)境中的移動物體與電磁干擾導(dǎo)致定位精度很差，對移動機車的定位精度非常低。

本文介紹的系統(tǒng)將標識卡以1～3m的間隔安裝于井下巷道頂壁上，通過安裝于礦用機車上的定位分站讀取標識卡，定位精度可以達到1～3m。安裝于礦用機車上的移動定位分站與固定安裝在巷道中的礦用無線通信分站之間，采用無線以太網(wǎng)協(xié)議通信，可以支持視頻、語音、數(shù)據(jù)等多業(yè)務(wù)，可以實時接收調(diào)度中心下傳的各種指令，支持在機車上安裝攝像機，實現(xiàn)移動機車上攝像機視頻信號的實時無線上傳；通過機車定位通訊分站的串行通信或I/O端口，可將機車本身的運行監(jiān)測數(shù)據(jù)實時無線上傳。 通過交通信號燈控制系統(tǒng)，地面調(diào)度中心可以根據(jù)機車位置情況實時控制道口的紅綠燈。

(3)炸藥流向與運輸監(jiān)控管理系統(tǒng)

炸藥流向管理系統(tǒng)采用二維碼識別與管理技術(shù)，二維碼由于成本低廉，同樣適用于企業(yè)對低值設(shè)備或材料的日常管理。炸藥流向管理以煤礦企業(yè)從公安部門取得炸藥為起始點，由煤礦企業(yè)為領(lǐng)到的炸藥加貼二維碼標簽，并進行相應(yīng)后續(xù)領(lǐng)用、運輸、下井等流程的管理至炸藥按規(guī)程使用完畢。

炸藥的流向管理與人員定位系統(tǒng)可以協(xié)同工作，管理炸藥的出入庫、領(lǐng)用；領(lǐng)用人員的身份鑒別；使用炸藥的火工人員的運行軌跡；放炮時間點危險區(qū)域內(nèi)人員、車輛隔離等工作，實現(xiàn)安全生產(chǎn)管理的功能。

礦區(qū)內(nèi)炸藥運輸車輛管理系統(tǒng)，采用具備GPS定位、Wi-Fi傳輸功能的車載DVR系統(tǒng)實現(xiàn)，可以實時監(jiān)控與記錄炸藥運輸車輛的位置、工況、運輸物品及駕駛?cè)藛T的視頻，也即通常意義上的“黑匣子”。

(4)無線/有線一體化調(diào)度通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是“智慧礦山”實現(xiàn)的重要保障手段，無線/有線一體化調(diào)度通信已經(jīng)成為今后的發(fā)展趨勢。本文提出的是一種集井下移動通訊、視頻監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急救援通信、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、無線/有線一體化調(diào)度通信的六網(wǎng)合一的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，方便用戶對各子系統(tǒng)的選擇與擴展。六網(wǎng)合一使系統(tǒng)的整體造價、設(shè)備線纜安裝架設(shè)工程量、維護量大幅縮減，系統(tǒng)的擴展性大幅增強?；赩oIP通信技術(shù)的優(yōu)勢，系統(tǒng)還具備應(yīng)急通信的功能，系統(tǒng)支持多環(huán)多路由網(wǎng)絡(luò)冗余，系統(tǒng)中任意一點的分站、光纜等設(shè)備發(fā)生故障或遇災(zāi)害損壞時，系統(tǒng)具有即時重構(gòu)自愈功能，故障不影響系統(tǒng)的正常工作。系統(tǒng)中的手機具有脫網(wǎng)通信功能，即使井下某一段網(wǎng)絡(luò)與地面的通信完全被中斷隔離，井下的手機之間，仍然可以通過脫網(wǎng)通信功能發(fā)現(xiàn)在線的手機，并實現(xiàn)內(nèi)部通話。

(5)物流信息化系統(tǒng)平臺

物流信息化系統(tǒng)平臺，通過對物流、人流、車流、危險品過程數(shù)據(jù)的集成、加工處理，在安全生產(chǎn)管理和實時過程控制之間架起一座橋梁，達到兩者之間的信息交換和緊密集成。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)的集成、管理和信息共享、交互。通過該平臺，可以將企業(yè)分散的物流、人流、危險品等各子系統(tǒng)實現(xiàn)有機的整合，增加監(jiān)測監(jiān)控、告警、存儲、分發(fā)、業(yè)務(wù)流程管理、協(xié)同作業(yè)管理、統(tǒng)計報表、數(shù)據(jù)分析等附加功能，實現(xiàn)多級、分層、實時以及任意位置的監(jiān)控與管理。

如圖3所示，在平臺的客戶端中，調(diào)度人員在一個界面下，可以查看、記錄一個作業(yè)點的現(xiàn)場視頻、現(xiàn)場人員與設(shè)備、地理位置、設(shè)備工況等相關(guān)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的集成。

協(xié)同管理設(shè)計是企業(yè)級物流與安全生產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)平臺的核心，煤礦安全規(guī)程的核心即是對人員、設(shè)備、環(huán)境、流程等條件與操作規(guī)程的約束，而規(guī)程的執(zhí)行監(jiān)控一直缺乏有效的技術(shù)手段，主要依賴人員的素質(zhì)與自覺性。

圖3 協(xié)同監(jiān)控

以設(shè)備定位與人員定位的協(xié)同為例：通過設(shè)備定位系統(tǒng)自身具備的功能，可以實現(xiàn)對設(shè)備的位置、設(shè)備的維保、設(shè)備的數(shù)量乃至庫存與備件的管理。通過與其人員定位及機車定位系統(tǒng)的協(xié)同，可以實現(xiàn)對設(shè)備巡檢、設(shè)備操作、設(shè)備的運輸?shù)冗^程合規(guī)性的監(jiān)控。輔助以無線/有線調(diào)度通信系統(tǒng)，地面調(diào)度人員可以做到實時合理的調(diào)度維修、運輸、操作等人員，糾正違章操作；輔助以工業(yè)自動化系統(tǒng)，可以對設(shè)備的實時工況進行監(jiān)測監(jiān)控；輔助以視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以查看現(xiàn)場的視頻情況。

如圖4所示，以井下爆破的安全規(guī)程為例，通過本系統(tǒng)可以監(jiān)控炸藥的領(lǐng)用、運輸、實施等各環(huán)節(jié)的合規(guī)性，對于爆破操作的現(xiàn)場環(huán)境、人員與設(shè)備條件進行監(jiān)控與記錄，對于違規(guī)或潛在的危險行為給出告警與糾正。

4 結(jié)束語

云計算、物聯(lián)網(wǎng)和智慧地球等頗具前瞻性的概念，在某種程度上打破了我們原來對系統(tǒng)、技術(shù)及應(yīng)用的固有看法。在中國這樣一個產(chǎn)煤大國，安全與生產(chǎn)的矛盾一直困擾著行業(yè)的健康發(fā)展，“智慧礦山”理念的提出，將智能生產(chǎn)、智能安全、智能物流相協(xié)同，將人、設(shè)備與環(huán)境相融合，將上下級主管單位相融合，將礦山與城市相融合，以求創(chuàng)造一個安全、高效、智慧的礦山。也希望通過本文拋磚引玉，引發(fā)更多關(guān)于“智慧礦山”的探討。

圖4 井下爆破安全規(guī)程監(jiān)控

[1] ITU Internet Report 2005: The Internet of Things

[2] 淺析物聯(lián)網(wǎng).中國防偽報道[J].2009(10).

[3] 感知物聯(lián)網(wǎng).智能建筑與城市信息,2009(9).

[4] 魯義軒.物聯(lián)網(wǎng)真的來了[J].通信世界,2009(36).

[5] 孫繼平，蘇勇，乜京月. 礦井調(diào)度移動通信交換機的研究[J]. 煤炭工程，2002.

[6] 孫繼平. 礦井移動通信的特點及現(xiàn)有系統(tǒng)分析[J]. 煤礦自動化,1997.