数字煤矿中的物联网技术应用研究

引 言

煤矿综合自动化信息系统是煤矿调度中心的核心，多种网络平台已在一些矿井得到成功应用，但各个网络平台之间存在数字鸿沟[1]。近年来，随着无线通信技术、分布式计算技术、传感器技术以及无线网络技术的飞速发展与融合，将物联网技术引入综合自动化信息系统建设，建立统一网络平台的煤矿物联网系统已成为煤矿信息化建设的重要内容[2]。以煤矿物联网为核心的数字化煤矿是煤矿未来的发展方向，煤矿物联网系统的应用必将在建设资源节约型、环境友好型、安全高效型的煤矿中发挥极其重要的作用。本文提出了煤矿生产系统的物联网应用解决方案，实现了数字化煤矿物联网架构体系。

1 煤炭生产信息化中的问题

煤炭行业既是国家能源的主要支柱，也一直是工矿企业中的高危行业。但由于我国煤炭储存条件复杂，煤矿自动化水平低，井下用人多，生产安全监控系统采用的技术比较落后， 功能单一，再加上管理等因素，使得生产成本高，安全形势不容乐观。煤矿事故死亡人数居高不下，严重影响了煤炭工业的可持续发展和社会的稳定。如果没有现代化信息技术的支持， 要保证安全、高效的生产是十分困难的。因此，如何加强煤矿安全生产管理模式，实现管理的现代化、信息化成为煤矿企业关心的问题 [3,4]。

目前，由于资金、观念等的制约，煤炭行业数字化进程缓慢，管理手段落后，安全问题尤为突出。为了改善能源工业这种落后的安全监测及管理手段，必须引入新的技术进行改造。其中，物联网技术是当前大家公认的首选技术[5-7]。传统煤矿管理信息系统一直是将物理基础设施和信息基础设施分开，物联网概念的引入打破了传统的思维模式。对煤矿安全生产而言，在物联网时代，人员、设备、矿井基础设施等将借助物联网技术形成一个互相通信互相协同的整体，从而实现智能高效的煤矿安全生产管理。物联网概念为建立煤矿安全生产与预警救援新体系提出了新的思路和方法。

物联网技术的引入，将对改善能源工业的作业环境、安全监测、管理水平等方面起到极大地促进作用，基于物联网技术的管理信息化将为能源工业的可持续发展提供良好的条件 ；能源行业的管理信息形式标准化、信息传递规范化以及信息内容系统化、安全生产监测监控自动化，是能源行业应用系统的必然趋势。

2 物联网技术的应用

物联网是典型的以应用为驱动的网络技术，因此，智能煤矿系统的总体结构模型应当基于应用目的设计。由于综合自动化及数字煤矿模型在煤矿企业己经有众多的实际应用，智能煤矿物联网的建设应该建立在这些己有工作的基础上，充分借鉴已有的经验和系统，而不是全盘推翻。因此，智能煤矿物联网的模型势必与数字煤矿、煤矿综合自动化的模型有很紧密的联系。本文设计的智能煤矿物联网应用模型如图1所示， 这是一个包含了感知层、网络层、存储层和应用层四个层次的结构模型。

在智能煤矿系统的总体结构模型中：感知层由各种传感器设备、图像采集设备和执行器构成，负责完成煤矿人员、设备和环境的实时状态数据的采集和控制数据的反馈 ；网络层由铺设在地面、井下的防爆 1 000 M 工业以太网和用来实现无线覆盖的无线WiFi 网络构成，核心网络设备包括用于无线通信的矿用本安防爆无线基站和矿用光纤耦合器箱，以及用于有线网络交换和安全的路由器、交换机，防火墙等设备，共同构建了覆盖整个矿区的数据网络 ；存储层由数据采集服务器、流媒体服务器、语音通讯服务器、应用程序服务器和Web 服务器等设备构成，用于存储和集成不同传感器网络获取的信息，为应用层的管理和控制提供数据信息支持 ；应用层是煤矿生产安全管理和决策支持的应用系统，应用层在 3D GIS 系统可视化展示的基础上，集成了煤矿实时监控、自动化管理、智能调度和智能决策支持的功能，应用层为第三方软件开发者提供良好的软件接口，可以方便地在该平台上进行二次开发， 以满足煤矿企业不断变化的新需求。

控制中心是智能煤矿系统中各种信息的集散地，因而它又是一个信息中心。对于智能煤矿来说，它就是一个“管控一体化”中心。智能煤矿系统平台工程建设中，控制中心的功能与原来生产方式下的单纯的调度室相比得到了加强与扩大，各种系统的信息均通过综合传输网络送到控制中心，是智能煤矿的上层集成平台。通过示范工程集成平台建设，解决原煤矿各系统相对独立、信息孤岛问题 ；解决异构系统接口问题，形成统一的煤矿集成平台标准。集成平台建设除了上述介绍的硬件平台建设外，还有软件平台建设。

软件平台确保煤矿所有安全生产、人员、设备、管理信息等复杂异构信息在统一的网络平台上运行，在异构条件下进行联通与共享，能够使不同功能的应用系统联系起来，协调有序的运行，使各自独立的监控系统信息实现共享。软件平台实现的主要功能有：异构数据的统一接入接口、控制命令输出接口、数据的实时处理与存储、通信状态监控与报警、实时报警与预警、数据报表与曲线。具体功能接口如图 2 所示。

3 新型煤矿物联网设计的技术优势

智能煤矿系统解决方案集成和完善了现有的煤矿信息系统，利用物联网技术建设煤矿中人与人、人与物、物与物相联的一体化信息系统；实现对煤矿人员、设备和环境的实时监控， 实现井下电力、通风、排水、提升、运输系统的远程自动化控制，实现煤矿井下生产的无人化或少人化作业 ；实现煤矿生产智能化调度，实现煤矿安全隐患的预警和智能化预防，实现煤矿的安全质量评估和安全漏洞智能分析；保证系统硬件和软件的可扩展性。本文的智能煤矿系统解决方案的特色与创新之处归纳为四个方面的先进特性：

(1) 一体化

信息系统实现一体化是煤矿安全生产的实际需求。通过物联网技术将煤矿生产中复杂的人与物抽象连接到互联网中， 实现信息管理的一体化控制。

(2) 自动化

煤矿工作环境恶劣，迫切要求生产设备能够实时监控和远程自动化控制，智能煤矿系统通过物联网实现煤矿生产的电力、通风、排水、提升和运输系统无人值守的目标。

(3) 智能化

智能化是煤矿信息化建设未来的发展趋势。针对煤矿生产错综复杂的现状，依靠现有的管理经验不能做到有效的生产调度，安全煤矿生产难以保证。智能煤矿系统能够实现智能化控制煤矿生产设备、优化调度煤矿生产流程和智能保护煤矿安全生产。

(4) 可视化

利用三维地理信息系统技术建立煤矿空间数据库，将煤矿生产设备信息、现场视频监控信息、自动化控制管理系统集成到三维可视化的环境中，实现对煤矿生产系统的全景化和动态化显示。

结 语

煤矿生产系统的数字化已成为现代煤矿企业发展的必然趋势，智能化、管控一体化也成为煤炭企业发展的必然之路。本文将先进的物联网技术应用到智能煤矿系统解决方案中， 实现了煤矿一体化的信息管理、自动化的远程控制、智能化的安全生产、可视化的动态显示以及可扩展的应用平台，构建数字化煤矿物联网架构体系。