付青青+劉明輝

摘要：礦井機(jī)電設(shè)備是煤礦企業(yè)的重要組成部分，是煤礦企業(yè)能夠正常運(yùn)行的核心，礦井機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)好壞將直接影響企業(yè)的利益，而其中的關(guān)鍵技術(shù)也是提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。在物聯(lián)網(wǎng)信息化的背景下，礦井機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)將依靠這種新型的載體實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，并從中取得一定的效果。本文就從物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)去研究礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)取得的成果，并從中汲取經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)實(shí)踐的更好運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：煤礦井下；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)挖掘；機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

我國(guó)煤礦的開采大多為地下開采，地質(zhì)復(fù)雜，工作環(huán)境十分惡劣，井下工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全難以得到有效保障，煤礦安全面臨著重大的威脅。亟需加強(qiáng)煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控，減少煤礦災(zāi)害事故發(fā)生，更好地應(yīng)對(duì)事故發(fā)生后進(jìn)行及時(shí)搶救被困井下工作人員，最大程度降低國(guó)家和煤礦企業(yè)的財(cái)產(chǎn)損失。然而現(xiàn)有的井下環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)區(qū)域不全面、不能及時(shí)進(jìn)行定位、擴(kuò)展性差等不足。近年來，隨著計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展已經(jīng)不能滿足人與人之間正常溝通的需求，物與物之間通過網(wǎng)絡(luò)的信息交互成為人們追求的方向。物物相連的互聯(lián)網(wǎng)即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將大大推進(jìn)社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，將大大提高煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

一、礦山物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)代表著信息技術(shù)發(fā)展的方向，是基于互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展起來的，被稱為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革命史上的第三次革命，為促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和社會(huì)的向前發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用，引起世界的廣泛關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)連接世界上成萬上億的物體。物體之間能夠進(jìn)行相互“交流”，不必受到人為的操控。本質(zhì)就是物聯(lián)網(wǎng)采用了RFID、無線通信技術(shù)等科學(xué)技術(shù)，完成事物間的通信、識(shí)別，但是物聯(lián)網(wǎng)的概念還沒有得到世界各界的統(tǒng)一。

（一）礦山物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上礦山物聯(lián)網(wǎng)自底向上分為3層，感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（如圖1）

（二）關(guān)鍵技術(shù)

感知層。作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，類似物聯(lián)網(wǎng)的眼睛、手和皮膚，識(shí)別物體，獲取包括環(huán)境狀態(tài)、物體屬性等信息，是聯(lián)系信息世界和物理世界的紐帶。感知層的組成包括各種硬件：RFID、GPS、條碼掃描器等各種傳感器。感知層的關(guān)鍵技術(shù)有無線通信技術(shù)、RFID技術(shù)等。

網(wǎng)絡(luò)層。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層類似生物體的中樞神經(jīng)，進(jìn)行消息的控制與傳輸，負(fù)責(zé)接受感知層的信息，進(jìn)行相應(yīng)的處理，并及時(shí)傳送到應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，包括應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)等。網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)有網(wǎng)絡(luò)傳送和融合技術(shù)、IP承載技術(shù)等。

應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層與目標(biāo)需求結(jié)合，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示、轉(zhuǎn)換等，是物聯(lián)網(wǎng)中的“實(shí)現(xiàn)者”，滿足行業(yè)的各種需求。應(yīng)用層分為兩個(gè)子層，分別是：應(yīng)用服務(wù)子層和支撐平臺(tái)。前者是在后者的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的具體應(yīng)用，包括運(yùn)輸車輛、電力、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。后者提供包括數(shù)據(jù)處理在內(nèi)的基礎(chǔ)服務(wù)和各種接口服務(wù)，為資源的合理調(diào)度提供便利，實(shí)現(xiàn)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、挖掘時(shí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)。

二、設(shè)備監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)

（一）礦山設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)建需要遵循特定的原則，主要包括以下幾點(diǎn)：多樣性、互聯(lián)性、時(shí)空性、堅(jiān)固性和安全性。其中，多樣性原則指物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)類型不同，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)也不同；互聯(lián)性原則指物聯(lián)網(wǎng)體系中各個(gè)目標(biāo)對(duì)象能夠達(dá)到無縫連接；時(shí)空性原則指物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足對(duì)時(shí)間、空間的需求；堅(jiān)固性原則指體系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性；安全性原則指體系結(jié)構(gòu)能正常運(yùn)行，可抵御各種攻擊。按照設(shè)計(jì)原則，物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)建需經(jīng)歷以下步驟：識(shí)別物體，創(chuàng)建被識(shí)別物體聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)用平臺(tái)的搭建及應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

（二）礦井提升機(jī)傳感器網(wǎng)絡(luò)組織

物聯(lián)網(wǎng)涉及到對(duì)現(xiàn)實(shí)世界物體的感知，信息的獲取、處理和顯示，物聯(lián)網(wǎng)是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，技術(shù)領(lǐng)域包括計(jì)算機(jī)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)與通信等。關(guān)鍵技術(shù)非常多，國(guó)際電信聯(lián)盟物聯(lián)網(wǎng)報(bào)告中，物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)概括起來主要包括以下幾個(gè)方面：RFID，傳感器技術(shù)，智能技術(shù)和嵌入式技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注，是一項(xiàng)新的數(shù)據(jù)獲取、處理技術(shù)，已經(jīng)在電力、交通、醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。而煤礦井下地形十分復(fù)雜，煤礦開采過程中會(huì)遇到各種危險(xiǎn)，進(jìn)行礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)意義重大。井下工作人員在開采區(qū)域工作一旦遇到緊急情況，井上救援人員需及時(shí)了解井下員工的位置軌跡信息，幫助救援工作的有效開展。鑒于此，研究并實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為支撐，將監(jiān)測(cè)到的多種環(huán)境狀態(tài)參數(shù)、工作人員位置等信息，匯聚后實(shí)時(shí)傳送到地面監(jiān)控中心，進(jìn)行分析處理，為管理者提供數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)完成了煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理與傳輸、人員定位、環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警、信息共享等功能，提高煤礦生產(chǎn)的安全性。

（三）系統(tǒng)整合

物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括4部分，數(shù)據(jù)采集前端、設(shè)備接入層、廣域網(wǎng)和上層應(yīng)用平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成，（如圖2）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供有效的監(jiān)測(cè)手段。在礦井下開采環(huán)境中，運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下機(jī)電設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)，監(jiān)控端實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)到的基礎(chǔ)信息，為煤礦井下機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的作業(yè)信息提供可靠的數(shù)據(jù)支持。我國(guó)煤礦眾多，開采環(huán)境惡劣，迫切需要提高煤礦生產(chǎn)安全性。開發(fā)煤礦物聯(lián)網(wǎng)井下機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下各種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、井下工作人員的定位和跟蹤等功能，利于煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)的監(jiān)管力度，提高煤礦發(fā)生事故后的救援效率，減少煤礦事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)保障煤礦井下工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全和煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)具有重大意義。

三、結(jié)語

（一）展望

我國(guó)煤礦存在生產(chǎn)人員密集、設(shè)備所處環(huán)境復(fù)雜、調(diào)度中心離生產(chǎn)部門距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，礦山設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況與工作人員的生命安全和企業(yè)效率息息相關(guān)，因此，對(duì)這些大型設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。隨著分布式計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)和無線傳感器技術(shù)等迅速發(fā)展，使物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)成為可能?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山設(shè)備監(jiān)測(cè)，有利于全而感知設(shè)備健康狀態(tài)，能為煤礦企業(yè)做出恰當(dāng)?shù)木S修方案提供指導(dǎo)，為設(shè)備故障處理提供依據(jù)。不僅提高了企業(yè)的總體效率，更重要的是降低煤礦災(zāi)害發(fā)生率，促進(jìn)我國(guó)煤礦信息化的建設(shè)，也是煤礦安全開采，綠色開采的重要保障。

（二）努力方向

由于時(shí)間原因，本論文還存在不足，有待完善和改進(jìn)。

1.煤礦井下礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)挖掘算法有待進(jìn)一步優(yōu)化，提高算法運(yùn)行效率，本文的數(shù)據(jù)分析在實(shí)際工作中的應(yīng)用做得還不豐富，還處于試驗(yàn)階段，需要進(jìn)一步根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境做出改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下開采區(qū)域環(huán)境參數(shù)的預(yù)測(cè)功能，為煤礦安全生產(chǎn)提供決策支持；

2.本文開發(fā)的煤礦井下礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，還需要進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，比如健全GIS、SMS短信功能；

3.系統(tǒng)與實(shí)際煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境還有一定的差距，實(shí)際井下生產(chǎn)環(huán)境會(huì)更加復(fù)雜，需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善和改進(jìn)。

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