吳季洪，袁欣鵬，王浩盛，趙 凱

(山西大同大學 煤炭工程學院，山西 大同 037003)

0 引言

社會的高速發(fā)展使得中國對礦物資源的需求日益增多，對礦山施工人員的生命安全、礦井的開采速度和效率等都提出了更高標準的要求。新的時代背景下，傳統(tǒng)礦山開采技術面臨著革新，將其與物聯(lián)網(wǎng)技術深入結合才能緊跟時代發(fā)展步伐，為行業(yè)改革轉(zhuǎn)型提供支持，使其在新世紀繼續(xù)為國家發(fā)展提供能源保障。物聯(lián)網(wǎng)技術是目前應用非常廣泛的一類智能技術，物聯(lián)網(wǎng)這一概念于1999年由美國Auto-ID首次提出，即：通過射頻識別等傳感設備將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。經(jīng)過20多年的發(fā)展，國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術逐漸趨于成熟，被廣泛應用于各行各業(yè)。多個研究團隊從頂層設計、感知、礦山應用等方面進行研究，神華和中煤集團也建立了礦山物聯(lián)網(wǎng)示范基地，國內(nèi)外許多礦山企業(yè)紛紛加入研究礦山物聯(lián)網(wǎng)技術的行列。在國家能源安全宏觀框架和能源革命的新形勢下，將物聯(lián)網(wǎng)技術納入礦山自動化、信息化、智能化建設當中，將有效提高礦山生產(chǎn)效率、保障安全生產(chǎn)，對礦山智能化進程有促進作用。目前，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術雖然具有良好的發(fā)展勢頭，但也存在一些技術問題需要重點研究，例如缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準，感知能力單一以及時效性差等問題。因此，為了更好地應用礦山物聯(lián)網(wǎng)技術，需要對這些問題加以探討并梳理分析當前礦山物聯(lián)網(wǎng)技術現(xiàn)狀與發(fā)展進程，更好地為礦山的智能化發(fā)展貢獻力量。

1 礦山物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)采礦技術生產(chǎn)效率低，安全系數(shù)差，逐漸落后于社會發(fā)展腳步。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在礦山廣泛地應用，使開采效率逐年提高，安全事故逐漸減少。更多學者和采礦工作者紛紛投入到礦山物聯(lián)網(wǎng)技術的研究當中，現(xiàn)階段主要從礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)“三層”基本架構和物聯(lián)網(wǎng)技術在礦山建設當中的具體應用等方面進行探討和研究。

1.1 礦山物聯(lián)網(wǎng)基礎架構

李鳳賢[1]以感知數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、分析與決策3個層面作為礦山物聯(lián)網(wǎng)基礎構架，如圖1所示，建設統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺與應用平臺降低礦山物聯(lián)網(wǎng)信息運維成本，提高整個礦山信息化運行效率。程武祥等[2]分析物聯(lián)網(wǎng)技術在礦山中的應用，探討基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山系統(tǒng)構建思路。袁亮等[3]提出礦山“人—機—環(huán)”信息統(tǒng)一描述方法，構建了礦山物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)高效接入與深度分析應用服務體系，實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)狀態(tài)信息的全面精準感知、實時高效交互與智能分析應用。姚建銓等[4]從感知礦山的角度簡述礦山物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；張申等[5]梳理礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程，指出其與自動化系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別并分析了各層的關鍵技術。各研究團隊進行了大量理論研究并在礦山廣泛應用，表明礦山物聯(lián)網(wǎng)有廣闊的應用前景。但在當前發(fā)展階段仍有諸多不足的地方，感知手段單一、傳輸功耗大等問題普遍存在，下面從感知層、傳輸層、應用與決策層、智能化礦井建設情況以及井下定位技術等方面分析礦山物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展現(xiàn)狀。

圖1 礦山物聯(lián)網(wǎng)技術基礎架構

感知層：感知層是整個架構體系的基礎，負責感知和采集各項數(shù)據(jù)，再將其通過傳輸層傳到?jīng)Q策層，從而構成一個采集—傳輸—決策的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對礦山的實時狀態(tài)進行監(jiān)控、存在的隱患進行預防和對發(fā)生的問題快速高效地處理。感知層的核心在于傳感器，目前的礦用傳感器受限于特定子系統(tǒng)，缺乏分布式和網(wǎng)絡化礦山感應技術，不能實現(xiàn)物物互聯(lián)，數(shù)據(jù)可信度也低。如瓦斯傳感器采用紅外線技術、催化燃燒等，受到井下粉塵、水霧等環(huán)境因素影響較大。因此，研究和推廣新型傳感器是有必要的，如礦用光纖傳感技術，通過該技術研制的礦用光纖傳感器應用于井下溫度檢測、設備震動檢測、瓦斯檢測等場合。

傳輸層：傳輸層是架構的核心，需要將各類不同的數(shù)據(jù)實時、高效地傳輸至應用與決策層，涉及實時傳輸、協(xié)議轉(zhuǎn)換等技術。傳輸網(wǎng)絡缺乏整體時間同步能力，無法對全礦井發(fā)生的事進行實時跟蹤管理，因此，需要對傳輸網(wǎng)絡層面的整體時間進行協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。礦井的泛在感知也是實現(xiàn)實時感知的重要技術，泛在感知網(wǎng)絡主要采用WiFi、WSN、智慧線等技術，這些技術在礦山復雜環(huán)境下具有局限性，難以適應遠距離傳輸、災后重構等需求，需要研發(fā)新型泛在網(wǎng)絡通信技術。

應用與決策層：應用與決策層是架構的頂層，將收到的數(shù)據(jù)智能分析和處理，可提供監(jiān)測、定位、預警等服務。應用平臺主要采用組態(tài)軟件集成信息，對機器與機器之間的信息交互研究少，缺乏礦用的支撐平臺；應用功能的集成只實現(xiàn)了部分信息間的聯(lián)動，缺乏多系統(tǒng)的信息挖掘與融合，孤立的管理應用與礦山實時數(shù)據(jù)聯(lián)系不緊密。

1.2 智能化煤礦建設情況

2021年6月5日，國家礦山安全監(jiān)察局與國家能源局制定了《煤礦智能化建設指南》[6]，該指南指出煤礦應建立統(tǒng)一的標準，基于感知層、傳輸層和應用與決策層的架構，形成以大數(shù)據(jù)應用為中心的按需服務。近年來，煤礦智能化發(fā)展迅速，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧礦山建設更加完善。如圖2所示，2017年以來我國煤礦智能化采掘工作面數(shù)量穩(wěn)定增長。

圖2 我國煤礦智能化采掘工作面數(shù)量

2017年，中國煤礦智能化采掘工作面僅47個，到2021年已發(fā)展至813個，據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會預計，“十四五”規(guī)劃之后我國煤礦智能工作面將超過1 000處，各種采煤、巡檢等方面的機器人也將逐步被應用于礦山領域。

1.3 井下定位技術

目前常用的定位技術有RFID定位技術、WiFi定位技術、ZigBee定位技術以及超寬帶定位技術，其中，ZigBee定位技術和超寬帶定位技術在精度和時間分辨率方面較另外幾種定位技術更有優(yōu)勢[7]。礦山的井下定位技術對施工人員的安全保障起著關鍵性的作用。每一個井下施工人員的位置都能通過定位系統(tǒng)準確及時地反映到管理人員面前，以便更好地宏觀調(diào)控。事故發(fā)生前進行危機預警，預防事故的發(fā)生；事故發(fā)生后也能及時發(fā)現(xiàn)被困人員，更好地進行搜救。物聯(lián)網(wǎng)技術在井下定位中也有著廣泛的運用，如RFID技術、接受信號強度的指示定位技術、到達時間差定位技術、基于TD-SCDMA的系統(tǒng)定位等技術在井下定位的應用。RFID技術通過無線電信號對數(shù)據(jù)進行識別和讀寫，可用于井下人員定位，短距離無線傳輸?shù)取９と松砩虾蜋C器設備貼上傳感器能識別的唯一標簽，當施工人員和設備靠近傳感器時，就能通過RFID技術將位置信息和機器運行情況傳輸?shù)焦芾碓O備上，從而保障施工人員人身安全和提高礦山生產(chǎn)效率。張書建等[8]提出關于RFID技術定位的改進算法，該算法的定位精度高，能滿足井下目標定位的需求。當下，RFID技術已經(jīng)廣泛用于礦山定位系統(tǒng)中，成為井下定位系統(tǒng)不可或缺的一部分。接受信號強度的指示定位技術通過接收器接收到的信號強度來判斷信號傳輸?shù)木嚯x，以此來獲取井下工人的位置，比RFID技術定位更精確，但該技術也易受環(huán)境影響，配合巷道定位算法能使得定位更加準確[9]。到達時間差定位技術是指利用信號到達傳感器時間的不同計算信號發(fā)出的距離，以此進行定位判斷。黃凱等[10]對井下單基站定位中多徑效應導致的定位誤差問題提出了一種根據(jù)單次反射的方向和時間的聯(lián)合定位方法，較大地提高了定位精度?；赥D-SCDMA的系統(tǒng)定位技術在蜂窩定位的基礎上，利用信號時間的提前量測定信號發(fā)出位置距基站位置。信號時間提前量是以現(xiàn)有參數(shù)為基礎，將信號發(fā)射與接收距離匯總并用相關算法計算出更精確的位置。該技術系統(tǒng)建設成本低，定位精度較高。

隨著傳感無線技術的發(fā)展，更多學者將無線傳感技術融合到井下定位技術當中。李睿等[11]提出了改進型的無線雙重質(zhì)心人員定位算法，能更精準地定位井下人員；王飛[12]提出了一種基于TOF技術煤礦井下精確定位系統(tǒng)的設計方案，采用主、輔讀卡器實現(xiàn)精確定位和方向判斷，極大提高了系統(tǒng)容量和定位精度。以上幾種井下定位方法對基站接受和發(fā)送信號的能力有較高的要求，井下環(huán)境復雜，溫濕度、煤柱、機器設備等都會對信號傳輸和接收產(chǎn)生一定的影響，從而影響定位效果和準確度。因此，加強物聯(lián)網(wǎng)技術井下定位的算法研究，構筑成熟穩(wěn)定的井下預測模型對保證井下工人的安全起著重要作用[13]。

2 礦山物聯(lián)網(wǎng)技術面臨的難題

2.1 缺乏統(tǒng)一的礦山物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)標準

隨著礦山智能化程度不斷加深，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術應用也更加廣泛，越來越多的智能應用將被接入礦山物聯(lián)網(wǎng)的平臺，要實現(xiàn)物物互聯(lián)和信息共享，需建立礦山物聯(lián)網(wǎng)信息編碼和交互標準[14]。部分科研院校和科研團隊進行了相關標準研究，但目前還沒有正式發(fā)布的行業(yè)標準。缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準導致設備之間信息難以互通共享，無法實現(xiàn)各類設備之間的數(shù)據(jù)交互，不同廠家生產(chǎn)的傳感器、傳輸設備等物聯(lián)網(wǎng)設備兼容性差。因此，制定和完善當前礦山物聯(lián)網(wǎng)技術標準體系有助于解決這些問題。

2.2 井下感知能力不足

礦山現(xiàn)有傳感器以有線供電、傳輸為主，體積及功耗大，移動和維護困難，設備成本高，煤礦作業(yè)現(xiàn)場必須按照煤礦安全要求安裝有限的傳感器，因此無法實現(xiàn)對礦井安全生產(chǎn)的全面深度感知。而要實現(xiàn)全面深度感知能力，需要安裝大量傳感設備并進行大樣本數(shù)據(jù)采集，因此必須降低傳感及數(shù)據(jù)傳輸設備的成本，并保證穩(wěn)定的供電能力。所以，需要研究具備無線傳輸能力的超低功耗感知技術和為感知單元提供穩(wěn)定電力的能量捕獲技術，使低成本礦用無線感知設備可在煤礦井下大量部署，進一步提升礦山的感知能力、完善“智能”體系。

2.3 井下精準定位能力不足

智能化礦井的所有智能單元都需要進行協(xié)同作業(yè)、互聯(lián)互通，因此，井下受限空間內(nèi)的所有固有、靜態(tài)、移動的對象都必須具有一致的精確位置信息。目前，移動目標定位、工作面協(xié)同控制、快速掘進等系統(tǒng)雖具有定位功能，但均局限于各自系統(tǒng)，且定位精度不高，無法共享位置信息。安全分析預警系統(tǒng)雖可建立算法模型，但由于缺乏精確的位置信息，計算結果也會有偏差。故而應逐步建立起井下各單元的精準定位系統(tǒng)。

3 礦山物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展趨勢

智慧礦山的發(fā)展離不開物聯(lián)網(wǎng)技術的支持，近年來物聯(lián)網(wǎng)平臺在智慧礦山中承擔著大量數(shù)據(jù)傳輸、及時上傳下達、精確定位等任務[15]。因此，未來礦山建設中，礦山物聯(lián)網(wǎng)應從技術層面和應用層面推進發(fā)展創(chuàng)新。技術上應該朝著數(shù)據(jù)采集和傳輸更快、數(shù)據(jù)儲存和處理能力更強、物聯(lián)網(wǎng)管理平臺協(xié)同性高、精準定位等方面發(fā)展。應用層面則應加強礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺體系的建設；加強礦山安全預警及災后應急能力；與政府、高校等機構建立合作關系，健康持續(xù)地發(fā)展礦山物聯(lián)網(wǎng)技術，逐步建立現(xiàn)代化智能礦山。

3.1 礦山物聯(lián)網(wǎng)在技術方面的發(fā)展

數(shù)據(jù)容量存儲能力：隨著礦山智能化建設進程加快，更多物聯(lián)網(wǎng)設備將陸續(xù)投入使用，數(shù)據(jù)采集與傳輸將更加頻繁，礦山物聯(lián)網(wǎng)設備所面臨的采集與傳輸數(shù)據(jù)也將越來越龐大。因此，增大物聯(lián)網(wǎng)設備之間的數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)存儲能力是非常必要的。

物聯(lián)網(wǎng)設備的布置與管理：井下環(huán)境和地面不同，隨著采礦的不斷加深，環(huán)境更是復雜多變。因此，在考慮智能設備運行的穩(wěn)定性和準確度時，應考慮實際井下環(huán)境問題，從設備分布的密度、礦井的深度、巷道以及采空區(qū)等的不同綜合考量設備的設置與管理，通過整個物聯(lián)網(wǎng)平臺最大限度地利用好每一個智能設備，更快地向智能礦山前進。

實效性與準確性：在整個采礦過程中，無論是工作面生產(chǎn)過程，還是發(fā)生安全和生產(chǎn)事故時，數(shù)據(jù)信號的時效性與準確性都是必須要保證的。當工作面生產(chǎn)發(fā)生異常時，智能設備傳輸數(shù)據(jù)的及時和準確能有效避免更大的生產(chǎn)事故的發(fā)生，及時處理所發(fā)生的問題；當發(fā)生安全事故時，也能通過物聯(lián)網(wǎng)智能設備對被困人員進行施救，保障施工人員的生命安全。因此，在建設智慧礦山時，應從物聯(lián)網(wǎng)架構中的感知層、傳輸層、決策與應用層等多個方面研究和考慮，提高數(shù)據(jù)信息的時效性與準確性。

3.2 礦山物聯(lián)網(wǎng)在應用方面的發(fā)展

動態(tài)接入與安全識別能力：當網(wǎng)絡接入點越來越多時，物聯(lián)網(wǎng)設備與網(wǎng)絡系統(tǒng)的耦合度將降低，數(shù)據(jù)共享度更高[11]。采礦過程中，物聯(lián)網(wǎng)接入設備和終端都會隨著開采進度而移動，礦山復雜多變的環(huán)境也對設備數(shù)據(jù)的接入和準確性產(chǎn)生影響，不同的時間和環(huán)境下所重點關注的情況不同，故需要更加可靠的動態(tài)接入技術和安全識別能力保證礦山網(wǎng)絡安全。當接入設備所采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)問題時，終端應能自動識別數(shù)據(jù)是否異常，從而及時對物聯(lián)網(wǎng)智能設備進行檢測，保證作業(yè)的順利進行。

災后應急能力：礦山井下事故頻發(fā)，嚴重影響工作人員生命安全，特別是在開挖巷道和工作面生產(chǎn)時所面臨的危險因素多，容易發(fā)生災害事故?；谖锫?lián)網(wǎng)的井下定位技術在礦山的運用已經(jīng)使重大災害事故減少，但當事故發(fā)生時，惡劣的井下環(huán)境對等待救援的人員也是致命的，因此建立災后應急處理系統(tǒng)能更好地保障災害當中幸存人員的生命安全。災后應急可從應急網(wǎng)絡通信、供氧供水系統(tǒng)以及支護等方面保障被困人員的安全。

3.3 政府與企業(yè)共促礦山物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開大數(shù)據(jù)的挖掘和獲取，而政府部門、高校企業(yè)等相關機構掌握著大量數(shù)據(jù)和公共資源。與相關部門緊密聯(lián)系才能有效利用這些資源，并逐步形成由政府主導，企業(yè)和高校等機構聯(lián)合制定和規(guī)范的行業(yè)標準，促進礦山物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

4 結語

隨著礦山物聯(lián)網(wǎng)技術不斷深入發(fā)展，中國礦山建設發(fā)展進程更加趨于自動化和智能化，礦山開采效率和施工人員生命安全的保障也都有了很大的提升。當前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術與采礦技術深入結合，從感知層、傳輸層、應用與決策層等方面建立基本的礦山物聯(lián)網(wǎng)架構，逐漸形成并完善了礦山物聯(lián)網(wǎng)體系；在井下定位技術方面的應用也不斷進行優(yōu)化，使得定位的速率和精度都有較大提升。礦山智能化進程還很漫長，礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展依然面臨許多難題，缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準、精準感知和定位能力不足，礦山環(huán)境對數(shù)據(jù)傳輸影響大、數(shù)據(jù)存儲能力不足等問題。在未來礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中應對其重點研究，不斷從礦山物聯(lián)網(wǎng)的技術層面和應用層面加以突破。