王吳宜

（開灤集團(tuán)信息與控制中心，河北省唐山市，063018）

基于煤礦企業(yè)的礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究

王吳宜

（開灤集團(tuán)信息與控制中心，河北省唐山市，063018）

闡述了礦山物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、軟硬件系統(tǒng)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，分析了礦山物聯(lián)網(wǎng)的主要子系統(tǒng)。通過對(duì)礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究，為我國(guó)礦山物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在概念界定、體系架構(gòu)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、示范礦井建設(shè)等方面起到引領(lǐng)性的作用。

煤礦 物聯(lián)網(wǎng) 體系架構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn) 子系統(tǒng)

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)是生產(chǎn)社會(huì)化、智能化發(fā)展的必然產(chǎn)物，是現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)有機(jī)結(jié)合的一種創(chuàng)造。這不僅可以極大地促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展，而且能夠改變企業(yè)生產(chǎn)管理方式，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)煤炭企業(yè)生產(chǎn)方式也將產(chǎn)生深刻影響。2012年是我國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的政策全面啟動(dòng)和推進(jìn)年，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布的《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)規(guī)劃（2011－2015年）》已經(jīng)將培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之中。因此，非常有必要對(duì)煤礦企業(yè)進(jìn)行礦山物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)研究。將煤礦企業(yè)涉及到的生產(chǎn)、安全、運(yùn)輸、銷售、機(jī)電、物資、供應(yīng)、統(tǒng)計(jì)、人力等各個(gè)分支環(huán)節(jié)集成為一體，實(shí)現(xiàn)各類信息的統(tǒng)一管理和使用，通過對(duì)整體礦山環(huán)節(jié)的各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，最終實(shí)現(xiàn)提供決策信息和解決方案并自動(dòng)反饋給相應(yīng)的系統(tǒng)和設(shè)備。系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過信息化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，通過云計(jì)算功能進(jìn)行數(shù)據(jù)集中處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)和和空間框架下，將礦山信息資源進(jìn)行全面、高效、有序地管理和整合，完成礦山企業(yè)所有信息的精準(zhǔn)化采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成、可視化展現(xiàn)和自動(dòng)化操作。

2 礦山物聯(lián)網(wǎng)定義

礦山物聯(lián)網(wǎng)就是將全面化的傳感技術(shù)、多樣化的通信技術(shù)、智能化的計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化的控制設(shè)備相結(jié)合，通過全覆蓋的高速網(wǎng)絡(luò)將人、設(shè)備、環(huán)境等要素相連結(jié)，實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)全面感知、自動(dòng)控制和智能管理的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為感知層、控制層和管理層3個(gè)層級(jí)，感知層與控制層相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的全面感知，控制層和管理層相結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能化的自動(dòng)控制，整體則實(shí)現(xiàn)全面化的智能管理，構(gòu)建形成“感知礦山、控制礦山、管理礦山”和基于局域網(wǎng)的礦山企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化綜合管理“共有云”平臺(tái)。

2.1 全面感知

在感知層，通過感知礦工自身實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位與主動(dòng)式的安全保障，通過感知礦山設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制與預(yù)知管理，通過感知礦山環(huán)境實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警與應(yīng)急救援。其特點(diǎn)是一切“人、物、環(huán)境”要素均可尋址，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、可視化監(jiān)控和智能化感知，全面提升礦井安全管理水平。

（1）感知內(nèi)容。感知層感知內(nèi)容應(yīng)包括人員位置及動(dòng)作、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景、全部礦山設(shè)備及其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、瓦斯氣體、煤塵粉塵、水情、火情、巖體外形及形變、溫濕度、電磁及射線、可見光、災(zāi)害動(dòng)態(tài)等。

（2）核心技術(shù)。感知層核心技術(shù)應(yīng)包括生命探測(cè)技術(shù)、人員實(shí)時(shí)定位技術(shù)、雙向信息傳輸技術(shù)、多參數(shù)智能傳感技術(shù)、RFID電子標(biāo)簽技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、移動(dòng)計(jì)算技術(shù)、三維數(shù)字化實(shí)景模擬技術(shù)、智能診斷技術(shù)、重大危險(xiǎn)源智能監(jiān)控與處置技術(shù)、科學(xué)調(diào)度管理技術(shù)、各種有線及無線通信技術(shù)、設(shè)備安全穩(wěn)定技術(shù)、紅外激光燈感知技術(shù)、智能芯片技術(shù)等。

（3）子系統(tǒng)平臺(tái)。感知層子系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)包括采掘（采煤機(jī)、綜掘機(jī)、單體支柱、液壓支架）、提升、運(yùn)輸（絞車、電機(jī)車、礦車）、通風(fēng)（通風(fēng)機(jī)、局扇）、排水（水泵）、供電（變壓器、開關(guān)）、人員、調(diào)度、災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急救援、廣播等。

2.2 自動(dòng)控制

在控制層，依托遍布地上地下的光纖網(wǎng)絡(luò)、電力線網(wǎng)絡(luò)及無線網(wǎng)絡(luò)，利用智能算法及控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山設(shè)備和感知層終端的自動(dòng)化控制。

（1）控制內(nèi)容。控制層控制內(nèi)容應(yīng)包括全部礦山設(shè)備及其運(yùn)行操作、通信信號(hào)與數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析糾錯(cuò)等。

（2）核心技術(shù)。控制層核心技術(shù)應(yīng)包括工控自動(dòng)化技術(shù)、有線及無線通信技術(shù)及相關(guān)協(xié)議、自組網(wǎng)技術(shù)、設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)、智能計(jì)算及算法技術(shù)、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、容錯(cuò)糾錯(cuò)技術(shù)、IP傳輸技術(shù)等。

（3）子系統(tǒng)平臺(tái)?？刂茖幼酉到y(tǒng)平臺(tái)應(yīng)包括地上環(huán)網(wǎng)、地下環(huán)網(wǎng)、安全生產(chǎn)管理子系統(tǒng)自動(dòng)化平臺(tái)、智能計(jì)算系統(tǒng)、有線無線通信節(jié)點(diǎn)、多源異構(gòu)平臺(tái)、接口兼容設(shè)備系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)及容錯(cuò)糾錯(cuò)系統(tǒng)等。

2.3 智能管理

在管理層，通過云計(jì)算技術(shù)及面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序、顯示設(shè)備、控制設(shè)備等實(shí)現(xiàn)智能顯示、智能分析、智能決策，從而實(shí)現(xiàn)智能管理。

（1）管理內(nèi)容。管理層管理內(nèi)容應(yīng)包括人員管理、設(shè)備控制及診斷維修管理、生產(chǎn)運(yùn)輸管理、安全管理、重大危險(xiǎn)源管控監(jiān)、災(zāi)害預(yù)警及應(yīng)急救援管理、工業(yè)視頻監(jiān)控、決策管理、ERP管理、數(shù)據(jù)信息管理、實(shí)景仿真模擬等。

（2）核心技術(shù)。管理層核心技術(shù)應(yīng)包括云計(jì)算技術(shù)、智能控制技術(shù)、診斷分析技術(shù)、三維模擬技術(shù)、視景仿真技術(shù)、移動(dòng)智能管理終端技術(shù)、表單信息處理技術(shù)、面向?qū)ο蟮墓芾碥浖夹g(shù)、工業(yè)視頻技術(shù)、智能決策分析技術(shù)、數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)處理技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)等。

（3）子系統(tǒng)平臺(tái)。管理層子系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)包括多源異構(gòu)管理平臺(tái)、煤礦標(biāo)準(zhǔn)化綜合平臺(tái)、綜采提升運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)管理平臺(tái)、重大危險(xiǎn)源管控監(jiān)平臺(tái)、災(zāi)害預(yù)警與應(yīng)急救援平臺(tái)、人員管理平臺(tái)、財(cái)務(wù)管理平臺(tái)、決策管理平臺(tái)、實(shí)景監(jiān)控平臺(tái)、設(shè)備診斷與維修管理平臺(tái)、機(jī)電設(shè)備控制平臺(tái)等。

2.4 “共有云”平臺(tái)

以云計(jì)算技術(shù)搭建的礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)基于局域網(wǎng)的開放式“共有云”平臺(tái)，可以將礦山企業(yè)全部的人員、設(shè)備、環(huán)境及現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等接入平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)信息共享，實(shí)現(xiàn)人機(jī)、人人、機(jī)機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)智能感知、智能控制和智能管理。

3 礦山物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)適合礦山企業(yè)生產(chǎn)、安全、決策以及管理實(shí)際需要的平臺(tái)，是基于礦山企業(yè)局域網(wǎng)上的“共有云”平臺(tái)，是對(duì)礦山企業(yè)現(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)、礦山設(shè)備以及管理平臺(tái)的全面整合，是礦山企業(yè)減員提效、節(jié)約成本、防止災(zāi)害的最佳整體解決方案。系統(tǒng)可以適應(yīng)各種不同類型礦山的需要，可以將礦山全部人員、設(shè)備和環(huán)境信息納入，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部子系統(tǒng)平臺(tái)的控制以及礦山的全面感知、控制和管理，其三層架構(gòu)體系示意圖如圖1所示。

4 礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、軟硬件及標(biāo)準(zhǔn)接口

（1）在平臺(tái)方面，形成礦山物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化綜合平臺(tái)，礦山物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化綜合平臺(tái)總體架構(gòu)示意圖如圖2所示。

（2）在系統(tǒng)分類方面主要包括生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)保障系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)及其他配套系統(tǒng)4個(gè)大類30多個(gè)細(xì)分系統(tǒng)，可以延伸出上百個(gè)不同子系統(tǒng)。

（3）在軟件方面，礦山物聯(lián)網(wǎng)以基礎(chǔ)系統(tǒng)軟件、嵌入式軟件、應(yīng)用軟件進(jìn)行搭建，涵蓋當(dāng)前主流軟件平臺(tái)。

（4）在硬件方面，礦山物聯(lián)網(wǎng)以超級(jí)計(jì)算機(jī)、工控機(jī)、交換機(jī)、路由設(shè)備、無線通信設(shè)備、光纖通信設(shè)備、電力線通信設(shè)備、PC機(jī)、礦山設(shè)備、控制設(shè)備等為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)全面兼容。

（5）在標(biāo)準(zhǔn)體系方面，礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用IPV6等互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、（WPAN）IEEE 802.15.4、（WLAN）IEEE 802.11等無線通信標(biāo)準(zhǔn)、射頻識(shí)別技術(shù)、EPC產(chǎn)品電子編碼標(biāo)準(zhǔn)、MAC傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)等為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)有線無線兩類通信技術(shù)搭配應(yīng)用。

（6）在傳感器方面，礦山物聯(lián)網(wǎng)以有線傳感器、無線智能傳感器、多參數(shù)傳感器、物流紅外激光等多種模式傳感器等為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)全面感知。

（7）在接口方面，礦山物聯(lián)網(wǎng)以高速互聯(lián)網(wǎng)接口技術(shù)、無線通信接口技術(shù)、光纖及電力線通信接口技術(shù)、局域網(wǎng)與個(gè)域網(wǎng)接口技術(shù)以及傳感網(wǎng)接口技術(shù)為基礎(chǔ)，兼容各種機(jī)電設(shè)備、顯示終端、控制器及計(jì)算機(jī)設(shè)備。

5 礦山物聯(lián)網(wǎng)功能特點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定及主要子系統(tǒng)

5.1 礦山物聯(lián)網(wǎng)功能特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定

礦山物聯(lián)網(wǎng)是在物聯(lián)網(wǎng)通用核心技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山企業(yè)實(shí)際特點(diǎn)做到：以云計(jì)算技術(shù)輔以小規(guī)模的超級(jí)計(jì)算（CPU＋GPU）中心來實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)的“共有云”平臺(tái)；電力線通信、光纖通信與無線通信技術(shù)相結(jié)合，且以有線通信為主；應(yīng)用IPV6等新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決IP地址容量問題；地上、地下高速通信網(wǎng)絡(luò)全覆蓋；感知智能化、多參數(shù)集成傳感；全部設(shè)備加裝工控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化；應(yīng)用軟件平臺(tái)面向?qū)ο罂梢暬头治鎏幚頉Q策智能化；標(biāo)準(zhǔn)化綜合平臺(tái)與各個(gè)子系統(tǒng)平臺(tái)模塊化接入；全部設(shè)備具備安全、穩(wěn)定、防爆、防潮等特點(diǎn)；全面兼容各類技術(shù)及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具有滿足各類設(shè)備接入的接口；實(shí)現(xiàn)管理層與感知層雙向?qū)崟r(shí)通信；平臺(tái)建設(shè)及子系統(tǒng)接入實(shí)現(xiàn)模塊化。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)及礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表1、表2。

5.2 礦山物聯(lián)網(wǎng)主要子系統(tǒng)

分別應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)保障系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)以及其他配套系統(tǒng)的礦山物聯(lián)網(wǎng)主要子系統(tǒng)見表3。

表1 物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)

表2 礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

表3 礦山物聯(lián)網(wǎng)主要子系統(tǒng)

續(xù)表

6 結(jié)語(yǔ)

礦山物聯(lián)網(wǎng)把信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等應(yīng)用于煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)，組成一個(gè)龐大網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化、精確化管理與操作，從而提高煤炭生產(chǎn)效率和安全水平。通過礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，煤炭生產(chǎn)將更加高效、更加安全，真正實(shí)現(xiàn)智能礦業(yè)、數(shù)字礦山。

通過對(duì)礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的研究，為我國(guó)礦山物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在概念界定、體系架構(gòu)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、示范礦井建設(shè)等方面起到引領(lǐng)性的作用。項(xiàng)目實(shí)施既能夠獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也能夠?yàn)槠髽I(yè)信息化建設(shè)節(jié)約投資，對(duì)礦山企業(yè)的信息化建設(shè)方向更具有指導(dǎo)意義。該項(xiàng)目建設(shè)將帶動(dòng)形成礦山物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模市場(chǎng)效應(yīng)，直接推進(jìn)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

［1］ 張建平，柴洪靜.數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)研究［J］.中國(guó)煤炭，2011（10）

［2］ 張春紅，裘曉峰，夏海輪等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2011

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［5］ 王相林.IPv6核心技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009

［6］ 朱愷，吉逸，方寧生.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

Study and application of internet of things for coal mining enterprises

Wang Wuyi
（Information and Control Center of Kailuan Group，Tangshan，Hebei 063018，China）

The architecture，network platforms，hardware and software systems and technical standards of internet of things for coal mines were described.Aimed at the actual situation of production，the subsystems were also analyzed.The results showed that the application of internet of things to the coal mining enterprises will be a guide to the conceptual definition，system architecture，technical standards，demonstration of mine construction，and so on.

coal mine，internet of things，system architecture，standard，subsystem

TD76

A

王吳宜（1967－），女，河北唐山人。2006年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，工程碩士?，F(xiàn)任開灤集團(tuán)公司信控中心高級(jí)工程師，主要從事煤礦自動(dòng)化科研和管理工作，發(fā)表論文十多篇。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）