路海華 ，肖 云

(1．武漢工程大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，湖北 武漢 430074；2．武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是在融合現(xiàn)有計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信、電子和控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過進一步的研究、開發(fā)和應(yīng)用，形成自身的技術(shù)架構(gòu).

物聯(lián)網(wǎng)概念自1999年提出以來，世界范圍內(nèi)都十分關(guān)注和重視其理論體系研究、應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研發(fā).2008年11月，美國IBM總裁兼首席執(zhí)行官彭明盛提出“智慧地球(SmarterPlanet)”的理念：讓社會更智慧地進步，讓人類更智慧地生存，讓地球更智慧地運轉(zhuǎn).奧巴馬就任美國總統(tǒng)后，將智慧地球提升為國家層級的發(fā)展戰(zhàn)略，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究應(yīng)用作為發(fā)展經(jīng)濟的手段.2009年10月，歐盟委員會對外發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，大力支持物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的項目建設(shè)，并制定了12項保障措施.新加坡提出了智慧國2015計劃：“利用無所不在的信息通信技術(shù)將新加坡打造成一個智慧的國家、全球化的城市”.日本和韓國都推出了下一步國家信息化戰(zhàn)略，2009年韓國將物聯(lián)網(wǎng)市場確定為新增長動力，日本則著力發(fā)展Ubiquitous Network和相關(guān)產(chǎn)業(yè)，希望由此催生新一代信息科技革命[1-2].

物聯(lián)網(wǎng)在多個領(lǐng)域用途廣泛，在國外，物聯(lián)網(wǎng)最早應(yīng)用于戰(zhàn)場監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，目前在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用，比較典型的應(yīng)用有智能交通、醫(yī)院監(jiān)測、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控等.在采礦工序和人-機-環(huán)境更加復(fù)雜的礦業(yè)開發(fā)領(lǐng)域，很少見到基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺的應(yīng)用.在國內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于礦井安全監(jiān)測與應(yīng)急系統(tǒng)、礦井安全監(jiān)控救援系統(tǒng)、基于ZIGBEE和RFID的礦井安全無線定位及布施系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田復(fù)合數(shù)據(jù)測控終端等.

1999年MIT Auto-ID 中心的Ashton 教授首先提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念[3].物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of things)意為“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,是指通過裝置在物體上的各種信息傳感設(shè)備，如RFID裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等等，賦予物體智能，并通過接口與互聯(lián)網(wǎng)相連而形成一個物與物、物與人相連的巨大的分布式協(xié)同網(wǎng)絡(luò).物聯(lián)網(wǎng)的基本特征是全面感知、可靠傳送、智能處理.

1 礦山安全管控體系現(xiàn)狀

我國礦產(chǎn)資源開發(fā)總體上表現(xiàn)為礦床地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、技術(shù)裝備相對落后、安全事故頻繁發(fā)生.采礦行業(yè)危險源種類繁多，現(xiàn)場條件復(fù)雜，干擾源多，被感知的信息多種多樣，精度要求高(如邊坡變形、尾礦壩變形、有害氣體監(jiān)測等)，因此對礦山安全生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)和重大危險源數(shù)據(jù)實時采集的傳感技術(shù)裝備有一定要求.災(zāi)變危害因其安全監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)采集方式、傳輸手段不同而出現(xiàn)了數(shù)據(jù)不兼容性.與安全生產(chǎn)相關(guān)的各類信息的不能及時處理，生產(chǎn)管理相對滯后，現(xiàn)階段礦山安全生產(chǎn)經(jīng)營管理水平低下，災(zāi)害事故頻發(fā)，帶來人員和財產(chǎn)損失.

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山安全管控體系

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立礦山安全管控系統(tǒng)平臺，將礦山采礦過程動態(tài)數(shù)據(jù)及礦山重大危險源信息進行采集、共享、傳輸、分析[4]，然后將采集到的環(huán)境、人與設(shè)備的信息及時處理，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)、安全信息的實時監(jiān)控與管理，從而到達(dá)礦山安全管控智能化目的.對生產(chǎn)過程中設(shè)備、人員的監(jiān)控、安全事故預(yù)警與應(yīng)急救援等方面的智能控制，實現(xiàn)生產(chǎn)、安全信息的全面感知和科學(xué)決策，可提高礦山資源的利用率，杜絕重大人員傷亡，提升安全生產(chǎn)水平.

2.1 體系的構(gòu)建

礦山安全管控物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本架構(gòu)主要分為三層：即感知層、傳輸層和應(yīng)用層[5].

a.感知層：采用射頻、紅外感應(yīng)、GPS、激光掃描等傳感器實時監(jiān)測礦山安全生產(chǎn)信息.

b.傳輸層：通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng)等傳輸信息.

c.應(yīng)用層：主要是礦山企業(yè)的管理層和決策層，及其他使用對象層.

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山安全管控體系，首先利用射頻、紅外感應(yīng)、GPS、激光掃描等傳感器實時監(jiān)測礦山安全生產(chǎn)信息，包括采礦生產(chǎn)過程狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和礦山重大危險源的安全監(jiān)測；其次采用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)將現(xiàn)場各種傳感器自動監(jiān)測數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng)等傳輸至監(jiān)管中心，進行統(tǒng)一的分析、查詢和智能處理；最后采用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字信息化技術(shù)建立重大危險源安全管理-過程自動監(jiān)控-應(yīng)急預(yù)警一體化系統(tǒng)(如圖1).

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山安全生產(chǎn)管控一體化系統(tǒng)構(gòu)建Fig.1 Mine safety production management and control integration system construction based on Internet of Things technology

2.2 安全管控體系的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的實現(xiàn)主要依托礦山采礦生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)、重大危險源安全監(jiān)測-應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)、高效安全生產(chǎn)管控一體化平臺體系等幾個平臺，從而達(dá)到礦山生產(chǎn)監(jiān)控、管理和決策均智能化的應(yīng)用目的.

2.2.1 礦山采礦生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng) 礦山地下開采受條件限制，一般在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中無法及時發(fā)現(xiàn)異常情況并采取有效的措施，因而導(dǎo)致生產(chǎn)指揮滯后、資源利用率下降、嚴(yán)重時甚至引發(fā)重大事故的問題.建立實時監(jiān)控系統(tǒng)，采用WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，Wireless sensor network的簡稱)、WIFI(一種局域網(wǎng)內(nèi)的無線傳輸協(xié)議)、RFID(無線射頻識別，Radio Frequency Identification的簡稱)等技術(shù)，構(gòu)建礦山智能感知網(wǎng)絡(luò)體系；利用射頻、紅外、激光等傳感器，實時感知人員、設(shè)備、環(huán)境狀況，以及爆破、出礦和運輸三個關(guān)鍵工序中的生產(chǎn)狀態(tài)；應(yīng)用IIC、SPI和USB、RS485、3G/GPRS或嵌入式以太網(wǎng)等接口技術(shù)形成礦山智能感知網(wǎng)絡(luò)，通過多信息源數(shù)據(jù)融合共享，實現(xiàn)礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)，解決采礦安全生產(chǎn)過程的可視化，生產(chǎn)作業(yè)計劃的最優(yōu)化和調(diào)度指揮決策的智能化問題.

2.2.2 重大危險源安全監(jiān)測-應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng) 礦山開采過程中存在的高陡邊坡、尾礦庫、排土場、地面塌陷、地壓等重大危險源，以重大危險源監(jiān)測、預(yù)警、應(yīng)急處理為目的，以《國家突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案》為依據(jù)，以地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)為基礎(chǔ)平臺，通過GIS強大的綜合信息處理和分析功能結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在災(zāi)變危害評價的基礎(chǔ)上，提供礦山重大危險源的動態(tài)監(jiān)測、預(yù)警，以及對作業(yè)場安全模擬分析和變化趨勢分析.

通過物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將各個獨立的監(jiān)測對象進行聯(lián)接，基于GIS技術(shù)，采用B/S與C/S的混合結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分析手段，實現(xiàn)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫、重大危險源管理、危險品管理、危險源監(jiān)測、危險源綜合信息查詢、預(yù)警分析、變化趨勢分析、應(yīng)急指揮、等功能；并利用數(shù)字化信息化技術(shù)建立重大危險源安全管理-過程自動監(jiān)控-應(yīng)急預(yù)警一體化系統(tǒng).

2.2.3 高效安全生產(chǎn)管控一體化平臺體系 圍繞高效、安全、綠色生產(chǎn)目標(biāo)，以采礦工藝為主線，集成采礦地質(zhì)、生產(chǎn)計劃、調(diào)度日志、生產(chǎn)調(diào)度、安全管理、質(zhì)量管理、材料消耗、設(shè)備等各類相關(guān)信息，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮模式，為各部門的協(xié)同工作搭建平臺，支撐業(yè)務(wù)信息在各管理部門之間的高效流轉(zhuǎn)處理.同時，為各級管理層提供多角度生產(chǎn)綜合信息統(tǒng)計分析，輔助管理者發(fā)現(xiàn)問題、跟蹤落實、優(yōu)化管理，最終實現(xiàn)安全生產(chǎn)管理的科學(xué)化、規(guī)范化[6].目前本技術(shù)已在南京梅山鐵礦、云南磷化集團有限公司、武鋼礦業(yè)公司大冶鐵礦得到應(yīng)用，部分系統(tǒng)平臺已建成，開發(fā)出的復(fù)雜礦山環(huán)境下高效安全生產(chǎn)管控一體化關(guān)鍵性集成技術(shù)，能推動礦山企業(yè)向著安全、高效、綠色開發(fā)方向發(fā)展.

2.3 礦山安全管控物聯(lián)網(wǎng)功能特點

通過安全管控一體化平臺物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，能實現(xiàn)智能礦業(yè)、數(shù)字礦山.本技術(shù)具有如下特點：

a.實時性：礦山安全管控物聯(lián)網(wǎng)能實現(xiàn)基層采礦生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、生產(chǎn)安全信息(設(shè)備、人員、環(huán)境)、管理層與決策層的實時控制與管理.

b.可視化：通過管控體系一體化平臺，將生產(chǎn)安全管理有效數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn).

c.標(biāo)準(zhǔn)化：將信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等集成一體，標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口.

d.精準(zhǔn)化：中層管理者和上層決策者通過對實時生產(chǎn)、安全信息數(shù)據(jù)的判斷，實現(xiàn)精確化管理[7].

e.自動化：通過物聯(lián)網(wǎng)功能，實現(xiàn)管理和決策的自動反饋與實施，從而提高礦山生產(chǎn)效率.

3 結(jié) 語

礦山安全管控物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本架構(gòu)主要分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個層面.

基于礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托礦山采礦生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)、重大危險源安全監(jiān)測-應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)、高效安全生產(chǎn)管控一體化平臺體系等平臺，達(dá)到礦山生產(chǎn)監(jiān)控、管理和決策均智能化的應(yīng)用目的.

在計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信、電子和控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合礦山具體環(huán)境，通過進一步研究、開發(fā)和應(yīng)用，形成了具有自身特色的礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu).具有實時性、可視化、標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)化、自動化等特點.

礦山環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)過程監(jiān)控、安全事故預(yù)警與應(yīng)急救援、安全管理等方面的應(yīng)用，可豐富互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系和應(yīng)用范圍.通過生產(chǎn)、安全信息的全面感知和科學(xué)決策，可提高礦山資源的利用率，有效杜絕重大人員傷亡，提升安全生產(chǎn)水平.

致 謝

感謝武漢工程大學(xué)和湖北省科技廳的資金資助！

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