感知矿山一一物联网在煤炭行业的应用

煤矿安全生产关系到人民群众的生命和财产安全，各级政府一贯重视煤矿安全生产问题，并采取一系列措施来不断加强安全生产工作。通过不懈努力，煤矿安全生产总体呈现稳定好转趋势，但是，因为煤矿生产是地下作业，受自然条件影响约束很大，不同的地质构造和煤层的赋存条件决定了必须采取不同的开拓和开采方法，并且带来了许多自然灾害，如瓦斯、煤尘爆炸、矿井火灾、顶板冒落、矿井透水等等，这些都是煤炭生产特有的不安全隐患，人们稍有不慎,就可能造成巨大的不幸。

而且煤炭生产系统复杂、工作场所黑暗狭窄，人员集中，采掘工作面又随时移动，由于地质条件的变化会使移动的釆掘工作面不断出现新情况和新问题,如不及时采取相应的有效措施,就可能会导致重大灾害事故，这就给安全工作带来了困难。

目前，煤矿安全生产状况不容乐观。如何加强目前煤矿企业、集团公司、安全部门对煤矿安全生产管理,实现管理的现代化和信息化，已成为煤矿企业关心的问题。因此,应建立能够全面掌握煤矿安全生产信息的“感知矿山”系统，以便全面掌握矿区地面、井下环境信息、水文地理信息、煤层信息、巷道信息、机电设备信息及工作状态、井下人员分布及工作状态、每班产量，甚至有关灾害预防、事故救助、应急预案、安全培训等等情况。

为此，本文介绍了基于矿区信息化和智能化的“感知矿山”的命题，该项目就是物联网技术成功应用在煤炭行业的很好例证。

1  感知矿山系统简介

我们知道，所谓物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息;二是可靠传递，通过各种网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理,即利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。

基于物联网技术，并针对目前煤矿的实际需求，对感知矿山项目的技术设计如下：

感知层设备由大量可以感知环境、机电、人员等传感器构成，如：风速、风量、温度、转速、振动、电压、电流、功率传感器，以及甲烷、CO、CO₂、O₂、锚杆压力、钻孔应力、顶板离层环境传感器、跑偏、堆煤、烟雾、皮带打滑等传感器、同时还包括煤仓料位计、水位计等传感器以及摄像机、RFID人员标识卡等等。这些传感器分布在矿区的地面和井下，从而构建了一个庞大的传感网络层，为全面感知提供保证。

网络层设备主要由铺设在地面、井下的千兆光环网及网络交换机设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器，以及用来无线覆盖的TD-SCDMA网络。这些构建了覆盖整个矿区的数据网络，以完成可靠传输功能。

应用层是矿区综合信息平台，包含了矿区3DGIS系统、综合自动化系统、人员管理系统、视频监控系统、短信管理平台、矿区应急指挥系统、调度系统等，可对矿区大量的安全数据、生成数据和信息进行分析和处理，通过系统平台对矿区实施智能化的控制和监测。

应用层平台软件应提供各种通用的数据接口，在此之上，就可以方便地对提升机监控系统、安全监控系统、矿井通信系统、应急救援通信系统、视频监控系统、井下调度无线通信系统、大巷运输系统、选煤厂计算机控制系统、主通风机监控系统、压风机监控系统、水泵房监控系统、工业电视系统等进行无缝链接，最后经过网络平台统一传输到应用层上进行统一管理，图1所示是其系统的层次结构图。

利用该结构就可以真正地实现矿井“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节上的信息化和自动化，从而达到优化生产、优化管理之目的。

2  感知矿山系统构成

感知矿山是基于物联网技术，并融合了先进的自动控制、通讯、计算机技术、信息技术和现代管理技术，将企业的生产过程控制、运行与管理作为一个整体进行控制与管理，以提供整体解决方案，实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，从而提高企业的核心竞争力。事实上，“感知矿山”是煤矿实现高产高效的有效手段，对于提高煤矿的生产运行状况、安全水平、事故灾害预测预报以及生产业务管理水平具有重要的作用。

3  技术特点

本文介绍的“感知矿山”系统主要依托矿井工业以太环网的高速光环网络和3G无线通信网络，并通过推进煤矿矿井生产过程控制,来促进企业综合信息化。从而实现数据采集的自动化、业务信息集成化、信息管理网络化,最终实现煤矿管理决策的科学化、现代化和智能化。系统建设特点如下：

首先，各生产过程可全面实现自动化，并在信息中心分别对各生产环节进行监控，以达到高产高效的目的；

其次，应遵循先进、可靠、实用的原则，尽量减少投资，节约成本。还应加强自动化系统、信息管理系统在煤炭行业的通用性。

第三就是要能实现生产控制的实时数据库和信息管理的关系数据库的接口，能够实现信息系统对生产数据的无障碍存取。

再就是应用平台系统软件、网络管理软件等均基于WEB浏览器模式开发，可支持远程监测、远程维护。

最后是可提供智能的网络管理和系统监控、调试、诊断功能，应保证系统维护管理简明、方便、有效,并应保证在设备发生故障时能够方便及时的发现故障和排除故障。

4  案例介绍

汝箕沟煤矿位于贺兰山腹地汝箕沟井田南翼，是神华宁煤集团主力生产矿井之一,煤炭生产能力150万吨/年。汝箕沟煤矿迄今已有一百八十多年的历史,煤矿资源丰富，品质优良，出产的太西煤以其“三低六高"的特点被誉为“煤中之王.

针对宁煤汝箕沟矿的实际情况，本着信息网络通盘考虑，兼顾煤矿原有建设投资和未来发展需求，在宁煤汝箕沟矿建立了一套完整的感知矿山系统。该系统的建设将逐步实现全矿信息化管理，最终全面提升矿安全生产和运营管理水平。

该系统纳入集中监控的主要生产环节覆盖着煤矿生产、安全的整个过程，同时包括主煤流运输、井下供排水、35kV变电所、地面变电所、井下变电所、矿井通风、压风系统、给排水、水处理、主井提升等。需要纳入集中监测的主要生产环节有矿井环境监测、火灾束管监测预报、综掘工作面、注氮、注浆等。

网络层通信网络平台为1000MB工业以太网，分地面1000MB光纤环网和井下1000MB光纤环网,地面和井下的环网以太网交换机分别挂接在环网上，并为监控分站接入提供10MB/100MB下联接口。每个环网中的两个逻辑独立的单环的传输方向相反，且可配置成自动切换的自愈环。图2所示是其网络结构图。

感知矿山智能平台可将矿井各生产环节的设备监控融为一体，与工业电视监视系统协作，利用工业以太网，在地面中央信息中心控制室实现对全矿井各生产环境和设备的监视和控制。同时可将信息通过网络传送给矿级领导，使矿级领导在办公室通过计算机即可随时了解矿山安全、生产、财务、人事、运销等各种信息，实现全矿井的统一调度和统一管理。

汝矿数据中心服务器可以通过专线和宁煤集团信息中心联网，本地中心服务器作为集团中心网络的数据分站，实现煤矿数据采集和初步分析。经过处理的数据可以发送给信息中心，由信息中心服务器做统一处理或存储，图3所示是该系统的综合自动化系统管理网页图。

该方案的技术起点高、针对性强。该系统一方面充分利用了煤矿现有自动化设备，可将不同时期、不同厂家、不同自动化水平的设备综合一起，实现统一管理;另一方面，也可实现煤矿综合自动化、综合信息化的目标，以期达到国内先进技术水平。该方案的实施必将为神宁其他老矿的综合信息化、自动化改造提供具有示范和借鉴意义的应用依据。

5  结语

“感知矿山”通过全面感知，可对矿区的人（人员定位、无线通信）、设备（综合自动化）、环境（安全监控、矿压监控等）进行全面感知。并通过高速网络、全面覆盖:矿区地面井下用1000MB高速光网络和无线信号覆盖；同时还具有直观形象的应用，可通过3DGIS矿区全息展示来全面感知矿山。

感知矿山系统可用于煤矿（地面、井下）安全生产、煤炭行业综合信息化、税务局、煤炭局、县区煤炭产量监控、林业系统监控，也可用于电力系统高压开关监视和控制等多个场景。“感知矿山”实施的难点是如何将所有与矿区安全、生产相关的感知层不同系统接入统一的网络平台,实现数据共享及应用平台集中展示;感知矿山技术的价值是发挥其智能化实际应用。

感知矿山不仅可提高矿山的安全管理水平，更多的是涉及到生产，如利用信息技术、网络技术以及传感网络对矿区煤运皮带、煤仓、洗煤厂、水仓、变电站等各个生产相关设备系统的感知和控制，故可很大程度提升矿区的自动化生产能力。该技术不但是物联网在煤炭行业的应用典范，同时也体现了先进信息技术与煤炭工业的深度融合，可实现“两化融合”。