多维度感知矿山系统的结构及应用设计

引言

作为物联网应用的一个重要领域，“感知矿山”就是通过各种感知、信息传输与处理技术，来对真实矿山整体及相关现象进行可视化、数字化及智能化感知和管理。

“感知矿山”的目标是将矿山地理、地质、矿山建设、矿山生产、安全管理、产品加工与运销、矿山生态等综合信息全面数字化。该系统将感知技术、传输技术、信息处理、智能计算、现代控制技术、现代信息管理等与现代采矿及矿物加工技术紧密结合，从而构成矿山人与人、人与物、物与物相联的网络，动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程。以高效、安全、绿色开釆为目标，保证矿山经济的可持续增长,同时保证矿山自然环境的生态稳定。

1  多维度感知矿山系统概述

1.1  “感知矿山”之事件机制

所谓“多维度”就是将矿山中的各种信息通过信息集成与MES的方式，汇集至矿山安全生产监控支撑平台，建立起事前预防、事中救援、事后分析的机制，实现“预防为主”的管理模式。图1所示是感知矿山系统的事件分析机制示意图。

所谓事前预防，主要是对生产过程的监控和安全预警。实现时可以釆用各种监控形式（例如全局监控模式、局部建立模式、数据监控模式，包括图形、图表、数字等）对矿山安全生产进行实时监控，图2所示是一个事前预防的示例图。

事中救援就是及时有效地调动一切资源进行事中处理和应急救援，也就是以事件驱动为中心，以事件定义和事件分级来响应预案定义和预案分级，真正做到在监控机房实时控制现场救援，同时通过资源合理配置，建立以资源调用计划、资源组合调用为基础的事中处理机制，最终建立以事件定义、应急预案、应急培训、应急演练、应急实施为一体的一整套救援体系，图3所示是一种事中应急救援方案.

事后分析包括査找事故原因，分析救援效果等;对事故的分析主要是通过事故回放来分析原因，以改进监控与预警系统；

而救援分析则是对过程进行回放，以分析过程效果，然后改进，再持续改进，以使之趋于完善，图4所示是其事后分析持续改进循环图。

1.2  “感知矿山”系统的体系结构

感知矿山系统是在煤矿安全生产管理系统之上,以工业以太网及无线网络为基础的网络结构。可以采用感知控制、多维数据感知及信息融合、管理决策三层支撑体系。在感知层，可采用MEMS传感及分布式传感技术、无线传输与自组网技术对系统供电、安全、生产等子系统进行感知，并对包括人员、设备、矿层结构、通信等井上井下安全生产要素进行实时监控;然后将感知层数据通过多维感知数据及信息融合技术进行统一数据描述，再将数据融合成为整体，为安全生产监控应用支撑平台提供数据支撑;在上层管理决策层,安全与生产相互制约、相互支撑，可为煤矿企业的经营管理、设备运行、生产调度、预警、应急救援等提供灾害风险评价，以利制定实时避灾方案。图5所示是感知矿山系统的安全生产监控体系结构图。

2  “感知矿山”应用模型

我国煤矿数量多，生产规模小，高瓦斯矿井多，水害状况存在重大隐患，开采方式多釆用仓储式、巷采、壁式开采等形式。矿井采煤工作面为木支护、大多数煤矿提升系统及其保护系统不符合设计要求、多数矿井通风系统混乱、通风设施设备简陋，系统稳定性、可靠性差。由于煤炭生产系统复杂，工作场所黑暗狭窄，人员集中,釆掘工作面随时移动，地质条件的变化会使移动的采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，很可能会导致重大事故,这就给安全工作带来困难。如何加强煤矿安全生产管理，实现管理的现代化、信息化、数字化、智能化,已成为煤矿企业重点关心的问题。

2.1  “感知矿山”系统建设的核心问题

在煤矿综合自动化建设的基础上,感知矿山系统建设的核心问题是三个感知：一是感知矿山灾害风险，实现各种灾害事故的预警预报;二是感知矿工周围安全环境，实现主动式安全保障；三是感知矿山设备工作状况，实现预知维修。

三个感知的目标都是减灾保安全。为了实现三个感知，需要研究开发矿山特有的感知与测量技术。许多地质参数与岩层运动规律是影响矿山安全的关键因素，如地下水赋存情况、瓦斯与煤突出、岩层受力与冲击地压、采空区发火等。通过先进智能传感器与物联网技术可对煤矿有关环境与地质参数进行实时釆集，根据采集的数据与理论分析来建立模型，研究煤炭资源开采，尤其是深部资源开采中重大灾害的成因、预测预报理论以及防治对策等关键问题。

目前,基于传感器网络的煤矿井下釆煤装备的远程定位、煤岩识别、井下安全环境监测、大型设备姿态控制等技术的应用，可以实现移动目标（人员、设备）的精确定位与管理;而基于无线覆盖的移动双向数据信息终端，则综合了人员定位、双向数据传输、报警及信息显示等功能,也可实现对人员的精密跟踪与信息联络，并可建立集调度、监控与管理于一体的煤矿安全生产信息中心。该信息中心可实现对安全生产各种系统的监控、语音通话和视频监控（即煤矿的MES层），从而开发出煤矿井下人员安全管理和救灾应急系统平台。

2.2  感知矿山安全生产监控应用支撑平台

基于应用目的的感知矿山模型，可将物联网及其作用尽早落实到矿山建设与生产中去。基于上述原因，矿山的信息化模型势必与数字化、智能化紧密联系。由于数字矿山及矿山综合自动化模型在我国煤矿企业已经有众多的实际应用，因此，感知矿山的建设应该建立在这些已有工作的基础上，充分借鉴已有的经验和系统。有关感知矿山的系统主要有三层结构：

（1） 感知与控制层

感知与控制层可由2层网络组成，即骨干传输网络和感知层网络。感知与控制层主要实现矿山生产与安全过程中各种传感与控制信息的采集与使用。各生产安全子系统在该层以相对集中的方式或全分布方式接入物联网。要构成物与物相联，具有自主网功能的无线网络（如无线传感器网络）在这一层起着不可或缺的作用。感知矿山在感知层更多的是分布式感知与控制。

（2） 信息集成层

信息集成层通过千兆工业以太网骨干将信息集成到控制中心进行各种信息处理（如信息融合、信息挖掘等），以用于安全生产监控的终端,它们可实现对煤矿安全生产中各个子系统的监测与控制功能。

（3）管理决策与应用层

在管理决策与应用层，矿山各个职能部分通过网络可实现更高层次的应用，如矿山安全生产评价与监管、煤矿灾害预警与防治、煤矿供应链管理、大型设备故障诊断、矿山资源环境控制及评价以及地理信息处理等。感知矿山的开放性模型能适用于各种不同类型的矿井，并且基于统一设计、分步实施、逐步完善的原则。感知矿山理所当然是三网合一的系统，除可接入各种监测监控系统外，还可将有线IP电话、无线移动电话、人员定位系统、数字视频系统都接入网络。与基于千兆工业以太网的综合自动化系统相比，感知矿山系统主要是突出了其物与物相联的特征以及移动视频及管理层应用特点，图6所示是“感知矿山”系统的应用模型架构。

3  感知矿山系统的应用

感知矿山作为物联网在煤矿上的应用，其特点是先感后知。它通过对井下井上感知数据（人员、环境、设备、产量、地形地貌）的汇集，来为安全生产、安全救援等提供数据决策。系统主要实现矿井概貌、煤炭计量、人员定位、环境监控、设备监控、报警联动监控、预警预案、预警救援、综合统计调度等功能。

其中矿井概貌用于实现对煤矿安全、生产状况进行综合监控;煤炭计量可对煤矿的本日煤产量、本月煤产量、本年煤产量进行实时监测；人员定位用于对煤矿目前下井总人数、特殊人员下井情况以违章事件进行综合和实时监测；环境监测主要是通过煤矿各传感器对束管实时值及分布情况进行总体监测;设备监视用于对煤矿各种设备的运行状态和分布情况进行总体监测,并根据设备运行时间和故障率等信息提出检修提醒;报警信息功能用于对报警信息进行实时监测和历史査询;联动监控用于根据井下各安全生产监控系统状态实现联动控制，其中包括联动规则定义、联动监测和联动控制三个部分；应急预案可在接收到报警信息或发生事故的危急情况下,为各级管理人员提供指导性和建议性的应急措施;综合统计就是利用先进的OLAP技术对煤产量、耗电量、报警次数等指标参数根据不同的时间粒度进行多维统计和分析;调度记录功能用于对常规调度进行定时提醒。

4  结论

本文介绍了物联网在煤矿企业的基本应用，通过煤矿安全生产监控支撑平台指挥中心可集中监测井上井下的生产安全信息，控制井上井下的机电设备,并对人员进行精准定位、产量实时上报、矿井煤层感知等，以达到感知矿山、减人提效的目的；其次，可实现井上井下所有控制、监测子系统在一个统一的网络平台上运行，从而消除信息“孤岛气同时，也可和企业内部局域网连接进行信息共享;第三，能够对故障进行诊断，以预知维修，从而提高设备使用的可靠性，保证煤矿生产的安全。