丁恩杰 劉亞峰 呂雅潔

1 中國礦業(yè)大學物聯(lián)網(wǎng)研究中心 徐州 221008

2 江蘇省物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心感知礦山分中心 徐州 221008

3 礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家與地方聯(lián)合工程實驗室 徐州 221008

引言

國際電信聯(lián)盟和歐洲物聯(lián)網(wǎng)研究小組將物聯(lián)網(wǎng)定義為一個全球性的基礎(chǔ)架構(gòu)，采用標準互操作通信協(xié)議并具有自組態(tài)能力；物聯(lián)網(wǎng)[1-9]中的物理“物”和虛擬“物”具有身份和虛擬個性，使用智能接口無縫地連接到信息網(wǎng)絡(luò)之中。我國電信研究院認為物聯(lián)網(wǎng)的目標就是要實現(xiàn)對物理世界的實時控制、精確管理和智能決策。經(jīng)過幾年的努力，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從過去新潮的愿景或希望走向了市場化應(yīng)用。從谷歌32億美元收購Nest labs公司、三星gear和健康有關(guān)的可穿戴產(chǎn)品及開發(fā)的智能家居進入IOS，2014年市場額度已達1.9萬億，為人們展示了物聯(lián)網(wǎng)的無限商機。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，歐洲、亞洲和美洲的大多數(shù)國家政府將物聯(lián)網(wǎng)看作為新的經(jīng)濟增長點。雖然在某些領(lǐng)域一些大的企業(yè)還沒有認識到物聯(lián)網(wǎng)的巨大潛力，還未曾給物聯(lián)網(wǎng)附加新的屬性，但是個人和商務(wù)領(lǐng)域的終端用戶已經(jīng)掌握一定的操作智能裝置和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，預計新的突破會發(fā)生在與相關(guān)技術(shù)的結(jié)合領(lǐng)域，如物聯(lián)網(wǎng)與云計算[10-14]、未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[15-16]、大數(shù)據(jù)[17-20]、機器人技術(shù)[21-22]和語義技術(shù)[23]。當然該觀點并不是最新提出的。

目前，煤炭行業(yè)和其他行業(yè)一樣，發(fā)展的下行壓力大，而能源技術(shù)革命對煤炭行業(yè)也提出了新要求，因而利用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)改造煤炭行業(yè)的生產(chǎn)及安全運營狀態(tài)得到了行業(yè)的認同，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局對利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算來改變礦山安全生產(chǎn)狀態(tài)的工作進行了積極推動和支持，先后組建了5個專業(yè)研究團隊從頂層設(shè)計、標準、感知層、傳輸層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層5個方面推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用。各大企業(yè)集團積極響應(yīng)，神華集團和中煤集團在礦山物聯(lián)網(wǎng)示范工程方面也做了很多工作。還有許多國內(nèi)外知名自動化企業(yè)加入到了礦山物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展行列。

2 煤礦信息技術(shù)發(fā)展階段及其與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

如圖1所示，煤礦信息化技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了單機自動化、礦山綜合自動化以及現(xiàn)在的感知礦山物聯(lián)網(wǎng)階段。在煤礦信息化技術(shù)的發(fā)展過程中還出現(xiàn)幾個概念，即數(shù)字礦山、物理礦山、虛擬礦山、感知礦山、智能礦山和智慧礦山，這幾個概念是通過實現(xiàn)的功能、結(jié)構(gòu)形式來劃分的，存在相互涵蓋、交叉，概念上容易混淆。單機自動化和綜合自動化體現(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式和控制范圍不同，單機自動化實現(xiàn)了工業(yè)過程中某一個子流程自動化；而綜合自動化克服了信息孤島或自動化孤島的現(xiàn)象，實現(xiàn)了全礦井的整體自動化，包括生產(chǎn)、安全和管理的各個方面。從這個意義上講綜合自動化實現(xiàn)了機器的智能化，我們也可以將其稱之為智能礦山。數(shù)字礦山從其實現(xiàn)的功能而言，是礦山全面數(shù)字化的結(jié)果形式，我們可以通過數(shù)字化和集成技術(shù)逐步實現(xiàn)，從目前的技術(shù)水平來看，距離實現(xiàn)礦山全面數(shù)字化達到數(shù)字礦山的目標還有很長的路要走。虛擬礦山與數(shù)字礦山類似，我們目前只能實現(xiàn)礦山部分的虛擬化，虛擬礦山是利用物理礦山的數(shù)字化結(jié)果知識的重構(gòu)，在信息空間或網(wǎng)絡(luò)平臺上再現(xiàn)的物理礦山，它是礦山的虛擬形式。物理礦山、數(shù)字礦山與虛擬礦山聚合發(fā)展最終就形成智慧礦山，也就是我們所說的礦山物聯(lián)網(wǎng)的樣例。從這個意義上講，礦山物聯(lián)網(wǎng)是礦山信息化技術(shù)在現(xiàn)階段的表現(xiàn)形式。感知礦山的概念是2010年由中國礦業(yè)大學提出，是感知中國概念在礦山的具體體現(xiàn)，感知兩個字分成兩部分理解，“感”是傳感、數(shù)據(jù)采集與處理及對環(huán)境的把握；“知”體現(xiàn)認知能力與知識的重構(gòu)，將二者結(jié)合，感知礦山與智慧礦山是相同的概念。圖2給出了礦山信息化的發(fā)展歷程。

圖1 煤礦信息化概念的相互關(guān)系

圖2 礦山信息化技術(shù)發(fā)展歷程

3 礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展存在的主要問題

煤礦生產(chǎn)涉及的系統(tǒng)多，戰(zhàn)線長，其包括綜掘設(shè)備、綜采設(shè)備、膠帶運輸、提升機、輔助運輸系統(tǒng)等(如圖3所示)；為保障煤礦安全生產(chǎn)，還有排水、通風、供電、供壓、安全監(jiān)測等輔助系統(tǒng)；煤礦生產(chǎn)還要面對復雜的地質(zhì)條件、礦山壓力、瓦斯、一氧化碳、地下水及煤塵等。人員、設(shè)備、車輛等都集中在巷道中，特別是在工作面巷道中，刮板運輸機、采煤機、支架、裝載機、破碎機及供電供液等金屬設(shè)備與煤、巖一起構(gòu)成復雜的空間。以上這些復雜的因素給礦山井下安全信息感知與傳輸帶來極大困難，特別是影響礦山安全的諸多因素具有很大的隨機性和不可控性，就監(jiān)測角度而言，目前礦山基本是一個不透明礦山。

圖3 煤礦生產(chǎn)流程框圖

我國煤礦綜合自動化起步大約在本世紀初，大部分煤礦采用1000M工業(yè)以太網(wǎng)為主干的網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)煤礦井下的三網(wǎng)合一，各種子系統(tǒng)均進入主干網(wǎng)絡(luò)傳輸。經(jīng)過十多年推廣應(yīng)用，目前幾乎所有礦井都按這種綜合自動化模式進行設(shè)計與建設(shè)。

煤礦綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)有系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成，這為實現(xiàn)礦山物聯(lián)網(wǎng)打下了良好基礎(chǔ)。綜合自動化系統(tǒng)基本是礦山原來各種系統(tǒng)的簡單集成，雖然比較好地做到了減人提效，但也只是實現(xiàn)了功能的疊加，效率并沒有實質(zhì)的提升。礦山集成網(wǎng)絡(luò)的價值沒得到應(yīng)有的提升，也沒有給礦山安全帶來明顯的改善。在礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控及災害風險預警中仍存在諸多問題。

3.1 感知手段傳統(tǒng)單一

目前瓦斯傳感器還是以傳統(tǒng)高功耗的催化元件為主，基本沒有MEMS等新型傳感器技術(shù)。紅外和光纖瓦斯傳感器也在推廣使用，但總體而言，各種新型傳感器缺乏是礦山數(shù)字化和虛擬化發(fā)展的瓶頸，沒有較為完備的數(shù)據(jù)，礦山的透明化及智慧化無從談起；因此，發(fā)展各種探測技術(shù)，使探測器探測朝向更加準確、體積更小、機載更加便捷的方向發(fā)展，可以進行更深層次的探測，獲取更為完備的數(shù)據(jù)。同時，通過雷達、天線、太赫茲技術(shù)等，運用各種非接觸式探測手段，使得數(shù)據(jù)獲取更加快捷，也使探測設(shè)備更加安全與準確。

3.2 缺乏泛在感知網(wǎng)絡(luò)

目前，幾乎沒有統(tǒng)一的地下無線覆蓋感知層網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有的一些傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)基本是基于有線網(wǎng)絡(luò)的，能監(jiān)測固定設(shè)備和環(huán)境的狀態(tài)。不能適用于煤礦流動作業(yè)，危險源位置、分布及其流動規(guī)律均不確定的場合，存在很大的感知盲區(qū)，不能做到無處不在，不能保證安全感知的全覆蓋。因此，發(fā)展鋪設(shè)地下無線路由技術(shù)是當務(wù)之急，使得無線路由信號強、范圍大、盡可能遠離危險源，使其不會受到災害的破壞，在災害發(fā)生時能夠正常工作，為救援工作提供有力的保障。

3.3 缺乏應(yīng)用層面的信息融合

煤礦綜合自動化實現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成，但是應(yīng)用系統(tǒng)之間的聯(lián)動與信息融合、決策融合還沒有開展，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用尚未展開。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將發(fā)展各種接口技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)多信息的數(shù)據(jù)交融。從而提取有效信息，給決策層提供正確的數(shù)據(jù)指導。

3.4 多學科交叉研究不夠

礦山是采礦、安全、機械和自動化各個學科的研究對象，到目前為止，各個學科均是從學科劃分的不同側(cè)面對礦山進行研究，重大災害產(chǎn)生的機理，煤礦設(shè)備故障診斷，地質(zhì)、測量、水文、監(jiān)測監(jiān)控、智能信息處理技術(shù)等多學科研究融合不夠；因此，需要組織多方面專家參與問題的研討，將本領(lǐng)域的所存在的問題提到臺面上，共享數(shù)據(jù)資源、共享研究方法，找到切實可行的結(jié)合點和突破口，使得各領(lǐng)域?qū)W科無縫隙結(jié)合。

3.5 缺乏多學科、多專業(yè)協(xié)同工作的平臺

現(xiàn)階段無論是自動化技術(shù)還是計算機技術(shù)，都是相對獨立地應(yīng)用于礦山物聯(lián)網(wǎng)中，缺少將提取信息、分析信息和應(yīng)用信息有效地結(jié)合在一起的一個平臺；因此，要完全脫離人力實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能礦山，多學科、多專業(yè)協(xié)同工作，不能靠行政手段，必須有一個完善的協(xié)同工作平臺，使得各專業(yè)能將他們的服務(wù)提供到這個平臺里面來，而綜合自動化系統(tǒng)未能形成這樣一個平臺。

3.6 缺乏標準建設(shè)

在礦山綜合自動化建設(shè)中沒有強調(diào)標準建設(shè)，服務(wù)提供商難以將其特色服務(wù)提供到網(wǎng)絡(luò)里來，很大程度上限制了系統(tǒng)的開放性，難以成為一個多學科共用的平臺。而物聯(lián)網(wǎng)是全球性的基礎(chǔ)架構(gòu)，沒有標準化就沒有物聯(lián)網(wǎng)。因此需要開發(fā)各種標準協(xié)議，使得各種軟硬件可以實現(xiàn)即插即用，通過各種協(xié)議技術(shù)，將更容易開發(fā)出新的功能，也使得數(shù)據(jù)獲取更加容易。

4 感知礦山未來發(fā)展需要關(guān)注幾項技術(shù)

由圖4所示，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，綜合自動化系統(tǒng)中的三個層次結(jié)構(gòu)模型為設(shè)備層、控制層和應(yīng)用層，層次分明，與現(xiàn)存的行程管理架構(gòu)相匹配，每個層次任務(wù)明確，各個系統(tǒng)條塊分明。感知礦山是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山領(lǐng)域的具體體現(xiàn)，物物相聯(lián)是物聯(lián)網(wǎng)的基本要求，所以，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將朝著扁平化發(fā)展，沒有明確的層次化，因此傳輸網(wǎng)絡(luò)和覆蓋網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)也會發(fā)生變化。這是技術(shù)層面的發(fā)展趨勢，而管理層面也會隨技術(shù)需求的變化而變化，在此不再詳述。

4.1 微型化低功耗智能傳感器、裝置及能量相關(guān)技術(shù)

信息源與物聯(lián)網(wǎng)密不可分，物聯(lián)網(wǎng)中的信息種類繁多、來源廣泛、獲取方式不一，廣義的感知礦山信息源主要包括采集煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，生產(chǎn)與安全的各類物理量、標識、音視頻數(shù)據(jù)等[24-25]。由于礦山災害發(fā)生的區(qū)域和時間均具有未知性，并且礦山處于動態(tài)開采過程中，要感知這些災害產(chǎn)生的前兆信息，只能采用符合礦山生產(chǎn)特點的分布式、可移動、自組網(wǎng)的信息源獲取方式。為此，需重點研究以下方面。

圖4 工業(yè)自動化互連、協(xié)作物聯(lián)網(wǎng)模型

1）通過對傳感器原理、檢測方法、煤礦瓦斯重大災害發(fā)生機理等多方面研究，解決煤礦特殊環(huán)境條件下的安全信息感知和采集方法的問題，解決煤礦復雜環(huán)境條件下的傳感技術(shù)抗干擾和災害源定位的問題。

2）通過研究適合移動信息采集平臺的新型傳感器、多傳感器陣列、多天線多方向電磁波信號分析方法，解決災害準確預警與災害源定位的問題。

為了既滿足物聯(lián)網(wǎng)物物相聯(lián)的要求，又考慮能量的限制，低功耗是物聯(lián)網(wǎng)的根本挑戰(zhàn)之一。而通信是智能裝置的最大消耗組件，國內(nèi)外對低功耗通信組件的研究10年前就已經(jīng)展開。目前，采用的低功耗通信協(xié)議包括IEEE802.15.4、BLE、UWB、ISO18000-7 DASH7、RFID/NFC、ISO 14443(近距離卡)等。極低功耗監(jiān)聽喚醒前端低于5mw或1mw的收發(fā)器可以使用能量收集電路。

能量收集技術(shù)?？墒占瘷C械能、熱能、電磁輻射和化學能；能量收集模塊包括能量變換、存儲和管理三部分。目前，主要的無線通信技術(shù)的能量指標為：3G-384kb/s-2W、GPRS(24kb/s)-1W、Wi-Fi(10Mb/s)-32至200mW、Bluetooth(1Mb/s)-2.5至100mW、Zigbee(250kb/s)-1mW。從上述數(shù)據(jù)來看，超低功耗藍牙及Zigbee技術(shù)等有可能在具有能量捕獲功能的智能裝置中使用。

4.2 云計算技術(shù)是未來互聯(lián)網(wǎng)的核心支撐技術(shù)

各個層面虛擬化技術(shù)已經(jīng)催生“應(yīng)用即是服務(wù)”、“基礎(chǔ)架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)即是服務(wù)”的虛擬化范例。各種“物”的虛擬化是下一步主要任務(wù)，云計算與物聯(lián)網(wǎng)的聚合發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開辟了前所未有的舞臺。不健全的安全措施是阻礙IoT應(yīng)用大范圍推廣的最大障礙?；谠频陌踩?wù)，能夠提高資源的有效利用，推動“物”與云的互動發(fā)展。隨著IoT的發(fā)展，我們將進入“虛擬-物理”應(yīng)用發(fā)展階段。

礦山物聯(lián)網(wǎng)的許多應(yīng)用都需要移動性、地域上的分布性、定位和低延時，同時，數(shù)據(jù)要在“微云”或“霧”中實時處理。“微云”或“霧”與“云”類似，但處于網(wǎng)絡(luò)末端。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 感知礦山云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4.3 礦山應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)拓撲重構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

煤礦井下工作環(huán)境屬于流動作業(yè)，煤礦井下采煤機、液壓支架、刮板運輸機、礦車等金屬設(shè)備與煤壁、巷道等復雜環(huán)境，使得礦山井下成為一種“受限異質(zhì)時變”的通信空間。巷道中需要長距離、多跳、寬帶、低功耗、能災后重構(gòu)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)[26-28]?，F(xiàn)有無線組網(wǎng)技術(shù)并不能真正適合煤礦的這種需求。圖6是一個設(shè)想的應(yīng)急通信救援系統(tǒng)示意圖，要實現(xiàn)它需要研究以下幾個方面。

1) 研究無線電波在巷道中的傳輸理論，包括無線多徑衰落的規(guī)律、適合礦井無線傳輸?shù)念l率、調(diào)制方式、帶寬等優(yōu)化參數(shù)。

2) 研究與改進Wi-Fi和WSN技術(shù)、認知無線電技術(shù)、MIMO技術(shù)、M2M技術(shù)、礦山6LowPAN(M6LowPAN)技術(shù)、UWB技術(shù)在礦井的應(yīng)用。

3) 研究寬帶無線接入技術(shù)和大規(guī)模異構(gòu)協(xié)同組網(wǎng)技術(shù)。

4) 研究局部地區(qū)發(fā)生災害后的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題，這包括無線節(jié)點的抗毀能力、不同介質(zhì)下自適應(yīng)組網(wǎng)協(xié)議、傳輸速率自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)、不同速率組網(wǎng)技術(shù)等等。

圖6 應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的一種設(shè)想

5 結(jié)論

礦山物聯(lián)網(wǎng)是一種云霧密切結(jié)合的服務(wù)模式，其基本架構(gòu)表明礦山物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是一種開放式的應(yīng)用(應(yīng)防止碎片化發(fā)展)，它有利于將各種不同的應(yīng)用服務(wù)集成到公共平臺里，便于礦山安全服務(wù)更為專業(yè)化發(fā)展。而且有利于各個專業(yè)在同一個公共平臺上為礦山安全協(xié)同工作?？偠灾V山物聯(lián)網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)是如何將現(xiàn)在的礦山物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜討B(tài)組態(tài)的平臺網(wǎng)絡(luò)(Web of Platforms)，用以連接智能裝置、目標、智能環(huán)境、服務(wù)和人員。

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