郝躍

（國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源公司烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830000）

生產(chǎn)安全一直是煤炭工業(yè)發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)煤礦事故及傷亡數(shù)穩(wěn)步下降，安全生產(chǎn)狀況逐年改善，但與國(guó)外主要產(chǎn)煤國(guó)相比仍存在一定差距。煤炭開(kāi)采過(guò)程通常受到瓦斯、煤塵、頂板、水、火的影響，信息化程度低也是制約生產(chǎn)安全的主要因素。當(dāng)前，煤礦信息化主要存在以下問(wèn)題：整體發(fā)展不平衡；缺乏以信息和數(shù)據(jù)共享為導(dǎo)向的發(fā)展規(guī)劃；創(chuàng)新能力不足，大數(shù)據(jù)和云智能被忽視；這些問(wèn)題直接制約了整個(gè)煤礦信息化的發(fā)展。為了提高采礦安全和采礦效率，實(shí)現(xiàn)礦山一體化管控，需建立一個(gè)現(xiàn)代化的煤礦自動(dòng)化管控平臺(tái)。

1 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)將傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)，已被應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，如智能家居、互聯(lián)汽車等場(chǎng)合。隨著更多的傳感器被部署在礦井中，一氧化碳濃度、甲烷濃度、氣流、溫度和皮帶運(yùn)行條件等重要的環(huán)境參數(shù)得以全面監(jiān)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將使采礦業(yè)更加智能化和自動(dòng)化。

本文提出通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、光纖網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，使礦山企業(yè)在地面可以實(shí)時(shí)掌握井下情況并做出快速?zèng)Q策。先進(jìn)傳感技術(shù)在采礦業(yè)中發(fā)揮著重要作用,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可有效地將這些地下傳感器生成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，通過(guò)云計(jì)算來(lái)處理和分析數(shù)據(jù)，從而來(lái)控制井下的各個(gè)子系統(tǒng)，如設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，泵房監(jiān)控系統(tǒng)等，以下是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在采礦業(yè)的優(yōu)勢(shì)。

（1）數(shù)據(jù)融合分析：提高決策的整體效率，快速處理緊急事件。

（2）預(yù)測(cè)性維護(hù)：物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收集的大量數(shù)據(jù)可檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)（如溫度、壓力、振動(dòng)、速度），以預(yù)測(cè)設(shè)備故障和方便維護(hù)。

（3）事故預(yù)測(cè)與告警：物聯(lián)網(wǎng)有助于預(yù)測(cè)地下礦井設(shè)施的故障，通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，預(yù)警系統(tǒng)將變得更加有效。

（4）設(shè)備遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)化運(yùn)行：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可用于輔助完成各種遠(yuǎn)控任務(wù)，減員增效。

（5）能源和成本效益：物聯(lián)網(wǎng)提供了優(yōu)化流程和操作的機(jī)會(huì)，從而達(dá)到節(jié)能和降低成本的目的。

2 自動(dòng)化管控平臺(tái)架構(gòu)

煤礦自動(dòng)化管控平臺(tái)主要結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析和輸出。該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要分為感知層、通信層、處理層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)

2.1 感知層

感知層主要用于實(shí)時(shí)收集地下煤礦的數(shù)據(jù)，應(yīng)分別使用環(huán)境監(jiān)視傳感器和設(shè)備監(jiān)視傳感器來(lái)收集環(huán)境和設(shè)備參數(shù)。采礦環(huán)境參數(shù)包括一些氣體濃度、壓力、煤塵、風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、濕度等。設(shè)備狀態(tài)參數(shù)主要表示與采礦作業(yè)相關(guān)的設(shè)備的運(yùn)行狀況，這些動(dòng)態(tài)參數(shù)通常使用電流和電壓傳感器進(jìn)行監(jiān)視和記錄。此外，地下煤礦還散布著另一種用于定位的傳感器，用于收集移動(dòng)目標(biāo)的信息。

2.2 通信層

通信層的主要功能是傳輸感知層收采的數(shù)據(jù)并最終到達(dá)服務(wù)層。地下采礦作業(yè)需要高效的通信，通信在礦業(yè)中是保證井下工作環(huán)境安全的關(guān)鍵因素。通信層的網(wǎng)絡(luò)主要由無(wú)線和有線模式組成。光纖和電纜可以方便地安裝在井巷中，但在某些地點(diǎn)，高溫、高濕、振動(dòng)及其它因素嚴(yán)重影響了環(huán)境，無(wú)法進(jìn)行有線網(wǎng)絡(luò)的布置，無(wú)線網(wǎng)成為首選。目前，井下廣泛使用諸如ZigBee、WSN、WIFI和藍(lán)牙等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。

2.3 處理層

對(duì)于采集的大量傳感器數(shù)據(jù)，平臺(tái)首先會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗加工，按照自定義的處理方式對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并記錄在系統(tǒng)日志中，被清洗的數(shù)據(jù)主要包括殘缺數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤和重復(fù)數(shù)據(jù)。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，采用合適的查詢分析工具，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘工具對(duì)其進(jìn)行處理和分析，生成有用的信息，預(yù)測(cè)對(duì)象的行為，為用戶決策提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 應(yīng)用層

該平臺(tái)的應(yīng)用層主要包含4個(gè)系統(tǒng)：安全監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)和應(yīng)急救援系統(tǒng)。

2.4.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)

由于井下環(huán)境復(fù)雜，危險(xiǎn)難以被發(fā)現(xiàn)，通過(guò)大量傳感器組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境，采用組態(tài)軟件將井下環(huán)境數(shù)據(jù)可視化，避免人員前往一些危險(xiǎn)區(qū)域，減少不必要的危險(xiǎn)。同時(shí)還可以通過(guò)一些可穿戴設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)人員的位置、身體狀況等。

2.4.2 設(shè)備控制系統(tǒng)

通過(guò)集控系統(tǒng)將自動(dòng)化采礦應(yīng)用于綜采工作面中，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化煤礦的采集工作以及遠(yuǎn)程操作。還能對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包括電機(jī)電壓、電流、以及主軸轉(zhuǎn)速等情況，確保裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)安裝有攝像頭用于采掘畫(huà)面的實(shí)時(shí)傳輸。

2.4.3 災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

通過(guò)全礦的人員、設(shè)備、環(huán)境進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)礦山安全管理?？蓱?yīng)用高級(jí)數(shù)據(jù)分析，以確定礦山安全系統(tǒng)可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，并根據(jù)基于數(shù)據(jù)的專家?guī)祛A(yù)測(cè)潛在災(zāi)害。該系統(tǒng)提供聲音和視頻警告，在發(fā)現(xiàn)或預(yù)測(cè)危險(xiǎn)時(shí)輸出報(bào)警，以便采取適當(dāng)行動(dòng)消除危險(xiǎn)和減少損害。

2.4.4 應(yīng)急救援系統(tǒng)

災(zāi)難發(fā)生時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以為救援協(xié)調(diào)和事故調(diào)查提供中心位置。該系統(tǒng)存儲(chǔ)井下人員和情況關(guān)鍵信息，并使授權(quán)的工作人員能夠輕松獲取這些信息。通過(guò)井下人員定位系統(tǒng)，平臺(tái)可以提供被困井下人員的姓名以及最后的定位。被困人員可用手持設(shè)備查看全礦監(jiān)控系統(tǒng)提供的安全狀況，并選擇最佳疏散路線。

3 平臺(tái)應(yīng)用與討論

烏東煤礦結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、大數(shù)據(jù)，通過(guò)信息化的手段，建立了一套自動(dòng)化的管控平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)接入各生產(chǎn)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的高度集中與控制，如圖2所示。完成變電所自動(dòng)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，遠(yuǎn)程控制。建立井下環(huán)網(wǎng)，整合井下傳感數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)人員和設(shè)備位置狀況。通過(guò)大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，監(jiān)測(cè)通風(fēng)及排水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)通風(fēng)及排水系統(tǒng)進(jìn)行智能優(yōu)化，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

3.1 變電所無(wú)人值守和遠(yuǎn)程控制

烏東煤礦通過(guò)安裝礦用保護(hù)器來(lái)采集井下電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)井下的光纖環(huán)網(wǎng)將井下變電所的四遙信息傳至地面調(diào)度中心，能可靠地實(shí)現(xiàn)故障定位、防越級(jí)跳閘、漏電保護(hù)等功能，同時(shí)還能接受調(diào)度中心的控制指令，對(duì)井下開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。完成了供電系統(tǒng)的自動(dòng)化和信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了變電所的無(wú)人值守和遠(yuǎn)程集中控制。

3.2 人員和設(shè)備監(jiān)測(cè)

烏東煤礦通過(guò)采用人員定位系統(tǒng)，對(duì)井下人員進(jìn)行定位，實(shí)時(shí)位置將被上傳至調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著井下設(shè)備中所使用的采礦設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備的增加，通常需要提供一個(gè)方便、高效、安全的資源管理平臺(tái)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以跟蹤這些重要設(shè)備的位置，同時(shí)還可以通過(guò)相關(guān)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀況，使用收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和及時(shí)維護(hù)，以避免在使用過(guò)程中發(fā)生意外。

3.3 通風(fēng)機(jī)房、排水泵房智能優(yōu)化

烏東煤礦在煤礦安全的各子系統(tǒng)都進(jìn)行了改造建設(shè)，包括通風(fēng)機(jī)房和排水泵房。通過(guò)對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用云計(jì)算技術(shù)分析礦井中通風(fēng)量是否充足，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)房功率，使得井下通風(fēng)量維持恒定。通過(guò)液位傳感器對(duì)井下水位監(jiān)測(cè)，根據(jù)水位、管道壓力等因素自動(dòng)調(diào)整排水泵的功率及投入量，實(shí)現(xiàn)排水泵房的智能運(yùn)行。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的智能優(yōu)化，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

圖2 烏東煤礦自動(dòng)化管控平臺(tái)架構(gòu)

3.4 煤礦安全管理和事故預(yù)警

烏東煤礦的區(qū)域數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)大量傳感器數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以有效地對(duì)煤礦災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。煤與瓦斯突出事故發(fā)生前，瓦斯?jié)舛?、地壓、環(huán)境溫度都會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)還會(huì)伴有聲音、電磁輻射等。因此，通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度、壓力、瓦斯?jié)舛?、聲音等?shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，建立預(yù)警模型，進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)警。同樣對(duì)于火災(zāi)、水害等事故也能預(yù)警。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)建立了一套煤礦自動(dòng)化管控平臺(tái)。該平臺(tái)主要分為感知層、通信層、處理層和應(yīng)用層。感知層和通信層主要用于采集和傳輸數(shù)據(jù)，處理層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理、整合和分析，應(yīng)用層分為安全監(jiān)控、設(shè)備控制、災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急救援四個(gè)系統(tǒng)，并分別對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。以烏東煤礦為例，主要應(yīng)用在4個(gè)方面：變電所無(wú)人值守和遠(yuǎn)程控制，人員和設(shè)備監(jiān)測(cè)，通風(fēng)機(jī)房、排水泵房智能優(yōu)化，煤礦安全管理和事故預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦的自動(dòng)化控制和信息化管理，提升了監(jiān)管效率，減少了安全事故的發(fā)生。