黃成玉，張全柱，鄧永紅

(華北科技學院信息與控制技術研究所，河北 三河 065201)

物聯網技術被譽為全球一個新的經濟增長點，目前世界各國和政府都非常重視物聯網產業(yè)的發(fā)展，都相繼出臺了與物聯網相關的信息化政策,我國也已將物聯網列為重點培育和發(fā)展的新興產業(yè),無錫物聯網研究所與北京郵電大學聯合成立了感知中國研究中心,中國礦業(yè)大學也成立了感知煤炭研究所。目前對物聯網技術的研究已經初具規(guī)模，但對于其在煤炭行業(yè)的應用研究尚處于起步階段[1-3]。近年來我國煤礦安全生產形勢逐年好轉，但和國外的差距仍很大。究其原因除了國內煤礦的地質條件不好，高瓦斯、高地下水等原因外，更主要的原因就是煤礦生產信息化自動化的程度不高。隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，急需提高煤礦安全生產、監(jiān)控的自動化程度和企業(yè)管理的信息化、數字化水平，物聯網技術為煤礦信息化建設提供了新的思路與理想的解決方案。

1 物聯網基礎

1.1 射頻技術

射頻技術(RFID)是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID系統(tǒng)由RFID電子標簽、RFID閱讀器、RFID數據管理系統(tǒng)組成。電子標簽是射頻識別系統(tǒng)的數據載體，電子標簽由標簽天線和標簽專用芯片組成。依據電子標簽供電方式的不同，電子標簽可以分為有源電子標簽、無源電子標簽和半無源電子標簽。有源電子標簽內裝有電池，無源射頻標簽沒有內裝電池，半無源電子標簽部分依靠電池工作。RFID閱讀器(讀寫器)通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及閱讀器天線。在物聯網系統(tǒng)中，電子標簽用來存儲規(guī)范而具有互用性的數據信息，通過無線通信網采集這些數據，并傳輸到信息中心，實現對物品的識別，同時通過互聯網實現信息交換和共享，實現對物品的感知。

1.2 無線傳感器網路

無線傳感器網絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的靜止或移動的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡。傳感器網絡中的所有傳感器節(jié)點均具有對數據進行采集、處理、融合、轉發(fā)和存儲的功能。能協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內感知對象的監(jiān)測信息，并將這些信息通過網關節(jié)點經其它網絡發(fā)送給了用戶，實現對指定范圍內的目標進行檢測與跟蹤。傳感器網絡實現了數據采集、處理和傳輸的三種功能，而這正對應著現代信息技術的三大基礎技術，即傳感器技術、計算機技術和通信技術。傳感器網絡具有大規(guī)模性、自組織性、動態(tài)可重構性、軟硬件的魯棒性和容錯性等特點。

1.3 互聯網技術

互聯網技術的普遍應用，是進入信息社會的標志。傳感技術是人的感覺器官的延伸與拓展；通信技術人的神經系統(tǒng)的延伸與拓展，承擔傳遞信息的功能；計算機技術人的大腦功能延伸與拓展，承擔對信息進行處理的功能。傳感器通過互聯網技術實現所感知信息的傳遞和協(xié)同。傳感器網絡技術包括廣域網絡通信和近距離通信兩類。廣域網路通信是利用IP互聯網、2G/3G移動通信、衛(wèi)星通信技術等實現信息的遠程傳輸。近距離通信典型的技術標準有藍牙、ZigBee、Wi-Fi等。其中以IEEE 802.15.4為代表的通信技術是目前近距離通信的主流技術,具有低功耗、低速率、短距離傳輸等特點,應用于支持計算和存儲能力有限的簡單器件。

2 煤礦信息化建設現狀及物聯網在煤礦上的應用現狀

2.1 煤礦信息化建設現狀

煤炭行業(yè)信息化是用信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)和實現信息化帶動工業(yè)化的突破口。煤炭企業(yè)利用物聯網技術與工程技術和現代管理科學有機地結合，通過生產、管理全過程的信息化，可提升企業(yè)的核心競爭力。目前煤炭企業(yè)建成了滿足業(yè)務信息化需要的通訊、數據、視頻網絡及其基礎設施設備，基本上建立了產運銷管理、財務管理、采購管理、人力資源管理、工程項目管理、企業(yè)資產管理、辦公自動化系統(tǒng)等數字化管理系統(tǒng)。有的企業(yè)還建立了商務、物流等信息平臺，煤礦企業(yè)基本上建立了煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、調度通訊系統(tǒng)、井下通訊系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)(采掘、運輸、供電、水泵等)。有的企業(yè)還建立了應急管理、隱患排查等系統(tǒng)。

2.2 物聯網在煤礦的應用現狀

1) 人員定位系統(tǒng)應用。在礦井出入口、重點區(qū)域和限制區(qū)域等地點設置讀卡器分站，每名員工都隨身攜帶有人員定位卡，當員工攜帶人員定位卡經過讀卡器分站時，分站的接收天線接收到定位卡發(fā)來的信號，經分站接收處理后，提取出目標識別碼通過以太網傳輸到地面監(jiān)控服務器。

2) 礦井無線通信應用。在井下布置礦用無線基站，用于接收由基站控制器傳來的信號，信號通過基站的射頻調制波發(fā)射，與定位手機和定位器之間構成無線鏈路，實現井下的無線通信。

3) 設備點檢管理應用。應用物聯網技術在礦井每臺設備上安裝射頻識別卡，系統(tǒng)接收天線接收從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經天線調節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理，進而取得設備正?；虍惓５葼顟B(tài)信息。

3 煤礦物聯系統(tǒng)的體系結構

3.1 煤礦信息化建設目標

煤炭企業(yè)信息化建設目標是自動化基礎上的信息化，通過推進礦井生產過程綜合自動化，促進企業(yè)綜合信息化，最終實現生產過程自動化、安全監(jiān)控數字化、企業(yè)管理信息化和信息管理集約化,最終構建煤礦信息化的“三個統(tǒng)一平臺”：①以礦井工業(yè)以太環(huán)網為基礎的“統(tǒng)一的高速信息傳輸平臺”；②以海量監(jiān)測監(jiān)控數據挖掘和信息融合為基礎的“統(tǒng)一的軟件集成平臺”；③以智能數據處理和聯動為基礎的“統(tǒng)一的技術管理平臺”。

3.2 綜合信息集成架構

煤礦綜合自動化信息化就是建立全集成的、開放的、全礦綜合自動化的信息平臺，把企業(yè)的橫向通信(同一層不同節(jié)點的通信)和縱向通信(上、下層之間的通信)緊密聯系在一起，通過對經營決策、管理、計劃、調度、過程優(yōu)化、故障診斷、現場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)。綜合自動化和信息化建設內容包括礦井生產自動化監(jiān)控系統(tǒng)，礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，礦井調度一體化管理系統(tǒng)；信息集成處理系統(tǒng)；企業(yè)經營管理與決策分析系統(tǒng)建設三個層次，如圖1所示。綜合信息化系統(tǒng)平臺的建立，不僅能實現全礦所有數據的集中，更重要的是有機的整合了所有系統(tǒng)的數據，通過聯動控制功能模塊可以實現各個子系統(tǒng)之間信息共享及聯動，從而使原來各個獨立的系統(tǒng)變成了一個整體無縫連接的大型系統(tǒng)。通過該綜合信息化平臺，可實現礦井安全生產遠程集中監(jiān)測監(jiān)控、統(tǒng)一調度管理和高效、現代化的經營決策管理。

3.3 綜合信息化物聯系統(tǒng)架構

在煤礦現有的以太網的基礎上，利用物聯網技術構建了“以太網+無線傳感網”的有線/無線的煤礦物聯網系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)綜合利用了自動控制技術、通信技術、計算機技術、信息技術等，將企業(yè)的生產、運行、管理作為一個整體進行控制與管理，可真正實現礦井采、掘、運、風、水、電、安全等生產環(huán)節(jié)的信息化和自動化。煤礦的所有要素都是物聯系統(tǒng)的連接對象,都是物聯系統(tǒng)的基本結構和功能單位,如井下的掘進機、輸送機、各種感應器、交換機等設備和人員等，應用感知技術使其具有數據信息采集功能。

4 硬件平臺

為了實現礦井綜合信息化系統(tǒng)建設目標，需在調度控制指揮中心配置數據采集服務器、數據庫服務器、WEB服務器和操作員站工業(yè)控制計算機等設備。可參考如下方法進行配置：數據管控服務器配置2臺，構成冗余結構系統(tǒng)實現對各子系統(tǒng)進行數據采集；數據庫服務器配置1臺，實現各個監(jiān)控子系統(tǒng)的采集數據的備份，生成歷史數據庫，以備調用和生成歷史報表；實現設備數學模型的建立；Web服務器配置1臺，實現把綜合自動化所有子系統(tǒng)的實時數據，如設備運行狀況、運行參數等以網頁的形式對外發(fā)布，這樣各個領導可實時在線了解煤礦各個環(huán)節(jié)的設備生產情況；PC操作員站配置4臺，其中一臺兼做為工程師站。正常時，4臺監(jiān)控和通訊終端(SCADA)實現礦井生產調度監(jiān)控。其中1臺作報警通訊機，實現故障實時報警、打印，兼做正常打印。當有操作監(jiān)控站故障時，其它任意1臺監(jiān)控計算機均能完成其功能。網絡管理終端配置1臺，用于對工業(yè)以太網進行管理；A4網絡激光打印機配置1臺，用于打印文件；136列高速針式打印機配置1臺，用于打印報表。按照上述所方法配置的硬件平臺如圖3所示。

5 軟件平臺

綜合自動化信息化軟件系統(tǒng)是集數據通信、處理、采集、控制、綜合職能判斷、圖文顯示為一體的綜合數據應用軟件系統(tǒng)，能在各種情況下準確、可靠、迅速地做出反應，及時處理，協(xié)調系統(tǒng)工作，達到實時、合理監(jiān)控的目的。軟件平臺將采用數據庫技術、網絡技術和工業(yè)控制自動化技術等先進手段，將分布于廣域范圍的多個礦井現場的安全監(jiān)測信息進行集中采集和監(jiān)視，通過監(jiān)控數據網絡，統(tǒng)一存儲于工業(yè)數據庫中，并及時為集團公司調度室、各專業(yè)部門提供各自所需的實時監(jiān)測信息。這些實時監(jiān)測可通過組態(tài)圖和表格方式進行圖文并茂的展示。系統(tǒng)監(jiān)測信息采用WEB發(fā)布，供用戶通過瀏覽器訪問。同時將實時數據存儲至歷史數據庫中供數據分析和其它專家系統(tǒng)調用。地面調度指揮控制中心可實現實時地對各生產子系統(tǒng)進行集中統(tǒng)一監(jiān)控。為使所設計系統(tǒng)具有良好的擴展性和可實施性，采用pSpace6.0，調度指揮控制中心設置兩臺互為冗余的pSpace IOServer和兩臺實時/歷史數據庫pSpace Server。pSpace IOServer實時采集現場物理I/O點的數據，并存入歷史數據庫。并在集控中心設置一臺WEB發(fā)布服務器pSpace Webserver，工礦圖和實時/歷史數據通過pSpace Webserver發(fā)布給不同的部門使用、瀏覽。

礦井綜合信息化軟件平臺可采集全礦井生產工藝、安全環(huán)境參數、顯示參數實時曲線、歷史曲線、報警信息顯示，對礦井上、井下各設備控制層子系統(tǒng)發(fā)出控制命令，遠程啟/停設備，并能在控制中心計算機網絡系統(tǒng)監(jiān)視井上井下各子系統(tǒng)設備運行狀態(tài)。通過數據庫接口與信息中心數據庫連接，并能夠將此礦級信息系統(tǒng)連接到上級管理信息網，實現煤礦與上級管理部門之間的生產與管理信息交換。通過Web 服務器向Internet 網發(fā)布各子系統(tǒng)畫面檢測信息數據顯示,礦各科室、礦領導通過瀏覽器Web 方式可以看到與控制中心各子系統(tǒng)相同的畫面，便于礦領導層及時查詢了解煤礦生產情況。

本文所設計的軟件平臺具有以下特點：①軟件系統(tǒng)采用全中文平臺界面，窗體框架結構，界面直觀易學易用，多線程技術，能實現多任務穩(wěn)定可靠運行；②具備工程管理功能，統(tǒng)一的管理環(huán)境，可創(chuàng)建、刪除、修改，數據詞典的導入和導出，支持實裝點數應達到65535；③具備瀏覽器功能，支持WEB發(fā)布，具備程序語言的設計、變量定義管理、連接設備的配置、開放式接口配置、系統(tǒng)參數的配置、第三方數據庫的管理等功能；④具備畫面設計功能，系統(tǒng)具備畫面設計、動畫連接、程序編寫等功能，還具備對變量的報警、趨勢曲線、過程記錄、安全防范等重要功能；⑤具備運行環(huán)境功能，支持工控行業(yè)中測量控制設備，遵循工控行業(yè)的標準，采用開放接口提供第三方軟件的連接，支持HMI；⑥具備編程語言嵌套功能，支持VB，VBA，C語言嵌入式編程；⑦具備軟件歸檔能力，每秒歸檔數據量應達到10000點，并可自動采集到現場I/O的故障報警，無需通過OPC。

6 網絡平臺

綜合信息化網絡平臺把各個自動化子系統(tǒng)有機地整合在一起，所有的監(jiān)測監(jiān)控管理操作都在一個平臺中運行，提高了礦井綜合自動化水平，實現了減員增效和礦井機電設備的安全運行，提高了煤礦的生產效率。采用基于工業(yè)以太網的集成式全分布控制系統(tǒng)，具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性的特點。該礦井綜合自動化信息化網絡平臺的主干網絡結構采用1000M工業(yè)以太環(huán)網，傳輸介質為單模光纖，采用工業(yè)以太網交換機進行數據交換。通過工業(yè)以太網連接井上、井下各個子系統(tǒng)，把所有系統(tǒng)設備控制和監(jiān)控信息傳輸到集中控制室，通過服務器的數據采集，使工程師完成各個子系統(tǒng)的組態(tài)，達到監(jiān)測和控制的目的。

目前采用以太網技術構建的大型控制系統(tǒng)大多為分布式控制系統(tǒng)[4]。因此多采用總線結構或星型結構設計，為了將綜合自動化信息化網絡系統(tǒng)設計得更可靠，在此采用雙星型、環(huán)型、雙環(huán)形等組網技術。各骨干網絡均采用單環(huán)網絡的方式組網，保證整個自動化內網的可靠性及在突發(fā)情況下的生存能力。如果環(huán)網中某個交換設備或連接鏈路發(fā)生意外中斷的情況，環(huán)網傳輸路徑將選擇反方向正常傳輸，傳輸路徑倒換時間小于50ms。在此采用工業(yè)以太環(huán)網和環(huán)間耦合技術，將地面各子系統(tǒng)、井下各子系統(tǒng)、集控中心網絡設備等連接到1000M光纖環(huán)形網絡上，在調度指揮控制中心布置兩臺支持三層動態(tài)路由功能的核心交換機。兩臺核心交換機啟用VRRP協(xié)議實現冗余配置，為終端設備提供無縫隙的路由交換服務，兩臺交換機互為備份。在交換機正常時，兩臺交換機各自分擔一部分數據流量；當其中一臺交換機出現故障時,另一臺交換機就會自動分擔起所有數據流量,數據的傳輸不會受到任何的影響。這樣，既達到了負載均衡，又實現了相互備份的目的。

7 結語

目前大多數煤礦處在某個環(huán)節(jié)的信息化方面，但人們越來越多的意識到分開、獨立的安全信息化系統(tǒng)對于煤礦整體安全的作用有限。信息化從單一事項到集成是一個大的發(fā)展趨勢[5]。集中控制、集成信息平臺、自動預警已成為煤炭安全管理信息化的重要發(fā)展方向。物聯網技術在作為信息獲取、傳輸、處理的新興技術必然能夠在煤礦綜合信息化建設中發(fā)揮獨特的作用，促進我國煤礦信息化、現代化的建設。煤礦物聯網能真正實現煤炭企業(yè)生產和管理的全過程信息化、自動化和智能化。需要指出的是煤礦信息化真正的難點在于生產裝備的信息化。

[1]孫繼平.基于物聯網的煤礦瓦斯爆炸事故防范措施及典型事故分析[J].煤炭學報，2011,36(7):1172-1175.

[2]趙文濤,董軍.物聯網技術在煤礦中的應用[J].微計算機信息，2011,27(2)：121-122.

[3]林曙光，鐘軍，王建成.物聯網在煤礦安全生產中的應用[J].移動通信，2010,7(24)：46-50.

[4]白蛟，全春來，郭鎮(zhèn).基于物聯網的公共安全云計算平臺[J].計算機工程與設計,2011,32(11)：3696-3700.

[5]葛茂，楊清娜，趙進.網絡儀器技術與物聯網的發(fā)展[J].物聯網技術，2011,6(2)：77-79.