引言

作為物聯(lián)網應用的一個重要領域，“感知礦山”就是通過各種感知、信息傳輸與處理技術，來對真實礦山整體及相關現(xiàn)象進行可視化、數(shù)字化及智能化感知和管理。

“感知礦山”的目標是將礦山地理、地質、礦山建設、礦山生產、安全管理、產品加工與運銷、礦山生態(tài)等綜合信息全面數(shù)字化。該系統(tǒng)將感知技術、傳輸技術、信息處理、智能計算、現(xiàn)代控制技術、現(xiàn)代信息管理等與現(xiàn)代采礦及礦物加工技術緊密結合，從而構成礦山人與人、人與物、物與物相聯(lián)的網絡，動態(tài)詳盡地描述并控制礦山安全生產與運營的全過程。以高效、安全、綠色開釆為目標，保證礦山經濟的可持續(xù)增長,同時保證礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定。

1  多維度感知礦山系統(tǒng)概述

1.1  “感知礦山”之事件機制

所謂“多維度”就是將礦山中的各種信息通過信息集成與MES的方式，匯集至礦山安全生產監(jiān)控支撐平臺，建立起事前預防、事中救援、事后分析的機制，實現(xiàn)“預防為主”的管理模式。圖1所示是感知礦山系統(tǒng)的事件分析機制示意圖。

所謂事前預防，主要是對生產過程的監(jiān)控和安全預警。實現(xiàn)時可以釆用各種監(jiān)控形式（例如全局監(jiān)控模式、局部建立模式、數(shù)據(jù)監(jiān)控模式，包括圖形、圖表、數(shù)字等）對礦山安全生產進行實時監(jiān)控，圖2所示是一個事前預防的示例圖。

事中救援就是及時有效地調動一切資源進行事中處理和應急救援，也就是以事件驅動為中心，以事件定義和事件分級來響應預案定義和預案分級，真正做到在監(jiān)控機房實時控制現(xiàn)場救援，同時通過資源合理配置，建立以資源調用計劃、資源組合調用為基礎的事中處理機制，最終建立以事件定義、應急預案、應急培訓、應急演練、應急實施為一體的一整套救援體系，圖3所示是一種事中應急救援方案.

事后分析包括査找事故原因，分析救援效果等;對事故的分析主要是通過事故回放來分析原因，以改進監(jiān)控與預警系統(tǒng)；

而救援分析則是對過程進行回放，以分析過程效果，然后改進，再持續(xù)改進，以使之趨于完善，圖4所示是其事后分析持續(xù)改進循環(huán)圖。

1.2  “感知礦山”系統(tǒng)的體系結構

感知礦山系統(tǒng)是在煤礦安全生產管理系統(tǒng)之上,以工業(yè)以太網及無線網絡為基礎的網絡結構?？梢圆捎酶兄刂啤⒍嗑S數(shù)據(jù)感知及信息融合、管理決策三層支撐體系。在感知層，可采用MEMS傳感及分布式傳感技術、無線傳輸與自組網技術對系統(tǒng)供電、安全、生產等子系統(tǒng)進行感知，并對包括人員、設備、礦層結構、通信等井上井下安全生產要素進行實時監(jiān)控;然后將感知層數(shù)據(jù)通過多維感知數(shù)據(jù)及信息融合技術進行統(tǒng)一數(shù)據(jù)描述，再將數(shù)據(jù)融合成為整體，為安全生產監(jiān)控應用支撐平臺提供數(shù)據(jù)支撐;在上層管理決策層,安全與生產相互制約、相互支撐，可為煤礦企業(yè)的經營管理、設備運行、生產調度、預警、應急救援等提供災害風險評價，以利制定實時避災方案。圖5所示是感知礦山系統(tǒng)的安全生產監(jiān)控體系結構圖。

2  “感知礦山”應用模型

我國煤礦數(shù)量多，生產規(guī)模小，高瓦斯礦井多，水害狀況存在重大隱患，開采方式多釆用倉儲式、巷采、壁式開采等形式。礦井采煤工作面為木支護、大多數(shù)煤礦提升系統(tǒng)及其保護系統(tǒng)不符合設計要求、多數(shù)礦井通風系統(tǒng)混亂、通風設施設備簡陋，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性差。由于煤炭生產系統(tǒng)復雜，工作場所黑暗狹窄，人員集中,釆掘工作面隨時移動，地質條件的變化會使移動的采掘工作面不斷出現(xiàn)新情況和新問題，如不及時采取相應的有效措施，很可能會導致重大事故,這就給安全工作帶來困難。如何加強煤礦安全生產管理，實現(xiàn)管理的現(xiàn)代化、信息化、數(shù)字化、智能化,已成為煤礦企業(yè)重點關心的問題。

2.1  “感知礦山”系統(tǒng)建設的核心問題

在煤礦綜合自動化建設的基礎上,感知礦山系統(tǒng)建設的核心問題是三個感知：一是感知礦山災害風險，實現(xiàn)各種災害事故的預警預報;二是感知礦工周圍安全環(huán)境，實現(xiàn)主動式安全保障；三是感知礦山設備工作狀況，實現(xiàn)預知維修。

三個感知的目標都是減災保安全。為了實現(xiàn)三個感知，需要研究開發(fā)礦山特有的感知與測量技術。許多地質參數(shù)與巖層運動規(guī)律是影響礦山安全的關鍵因素，如地下水賦存情況、瓦斯與煤突出、巖層受力與沖擊地壓、采空區(qū)發(fā)火等。通過先進智能傳感器與物聯(lián)網技術可對煤礦有關環(huán)境與地質參數(shù)進行實時釆集，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與理論分析來建立模型，研究煤炭資源開采，尤其是深部資源開采中重大災害的成因、預測預報理論以及防治對策等關鍵問題。

目前,基于傳感器網絡的煤礦井下釆煤裝備的遠程定位、煤巖識別、井下安全環(huán)境監(jiān)測、大型設備姿態(tài)控制等技術的應用，可以實現(xiàn)移動目標（人員、設備）的精確定位與管理;而基于無線覆蓋的移動雙向數(shù)據(jù)信息終端，則綜合了人員定位、雙向數(shù)據(jù)傳輸、報警及信息顯示等功能,也可實現(xiàn)對人員的精密跟蹤與信息聯(lián)絡，并可建立集調度、監(jiān)控與管理于一體的煤礦安全生產信息中心。該信息中心可實現(xiàn)對安全生產各種系統(tǒng)的監(jiān)控、語音通話和視頻監(jiān)控（即煤礦的MES層），從而開發(fā)出煤礦井下人員安全管理和救災應急系統(tǒng)平臺。

2.2  感知礦山安全生產監(jiān)控應用支撐平臺

基于應用目的的感知礦山模型，可將物聯(lián)網及其作用盡早落實到礦山建設與生產中去?；谏鲜鲈?，礦山的信息化模型勢必與數(shù)字化、智能化緊密聯(lián)系。由于數(shù)字礦山及礦山綜合自動化模型在我國煤礦企業(yè)已經有眾多的實際應用，因此，感知礦山的建設應該建立在這些已有工作的基礎上，充分借鑒已有的經驗和系統(tǒng)。有關感知礦山的系統(tǒng)主要有三層結構：

（1） 感知與控制層

感知與控制層可由2層網絡組成，即骨干傳輸網絡和感知層網絡。感知與控制層主要實現(xiàn)礦山生產與安全過程中各種傳感與控制信息的采集與使用。各生產安全子系統(tǒng)在該層以相對集中的方式或全分布方式接入物聯(lián)網。要構成物與物相聯(lián)，具有自主網功能的無線網絡（如無線傳感器網絡）在這一層起著不可或缺的作用。感知礦山在感知層更多的是分布式感知與控制。

（2） 信息集成層

信息集成層通過千兆工業(yè)以太網骨干將信息集成到控制中心進行各種信息處理（如信息融合、信息挖掘等），以用于安全生產監(jiān)控的終端,它們可實現(xiàn)對煤礦安全生產中各個子系統(tǒng)的監(jiān)測與控制功能。

（3）管理決策與應用層

在管理決策與應用層，礦山各個職能部分通過網絡可實現(xiàn)更高層次的應用，如礦山安全生產評價與監(jiān)管、煤礦災害預警與防治、煤礦供應鏈管理、大型設備故障診斷、礦山資源環(huán)境控制及評價以及地理信息處理等。感知礦山的開放性模型能適用于各種不同類型的礦井，并且基于統(tǒng)一設計、分步實施、逐步完善的原則。感知礦山理所當然是三網合一的系統(tǒng)，除可接入各種監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)外，還可將有線IP電話、無線移動電話、人員定位系統(tǒng)、數(shù)字視頻系統(tǒng)都接入網絡。與基于千兆工業(yè)以太網的綜合自動化系統(tǒng)相比，感知礦山系統(tǒng)主要是突出了其物與物相聯(lián)的特征以及移動視頻及管理層應用特點，圖6所示是“感知礦山”系統(tǒng)的應用模型架構。

3  感知礦山系統(tǒng)的應用

感知礦山作為物聯(lián)網在煤礦上的應用，其特點是先感后知。它通過對井下井上感知數(shù)據(jù)（人員、環(huán)境、設備、產量、地形地貌）的匯集，來為安全生產、安全救援等提供數(shù)據(jù)決策。系統(tǒng)主要實現(xiàn)礦井概貌、煤炭計量、人員定位、環(huán)境監(jiān)控、設備監(jiān)控、報警聯(lián)動監(jiān)控、預警預案、預警救援、綜合統(tǒng)計調度等功能。

其中礦井概貌用于實現(xiàn)對煤礦安全、生產狀況進行綜合監(jiān)控;煤炭計量可對煤礦的本日煤產量、本月煤產量、本年煤產量進行實時監(jiān)測；人員定位用于對煤礦目前下井總人數(shù)、特殊人員下井情況以違章事件進行綜合和實時監(jiān)測；環(huán)境監(jiān)測主要是通過煤礦各傳感器對束管實時值及分布情況進行總體監(jiān)測;設備監(jiān)視用于對煤礦各種設備的運行狀態(tài)和分布情況進行總體監(jiān)測,并根據(jù)設備運行時間和故障率等信息提出檢修提醒;報警信息功能用于對報警信息進行實時監(jiān)測和歷史査詢;聯(lián)動監(jiān)控用于根據(jù)井下各安全生產監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)實現(xiàn)聯(lián)動控制，其中包括聯(lián)動規(guī)則定義、聯(lián)動監(jiān)測和聯(lián)動控制三個部分；應急預案可在接收到報警信息或發(fā)生事故的危急情況下,為各級管理人員提供指導性和建議性的應急措施;綜合統(tǒng)計就是利用先進的OLAP技術對煤產量、耗電量、報警次數(shù)等指標參數(shù)根據(jù)不同的時間粒度進行多維統(tǒng)計和分析;調度記錄功能用于對常規(guī)調度進行定時提醒。

4  結論

本文介紹了物聯(lián)網在煤礦企業(yè)的基本應用，通過煤礦安全生產監(jiān)控支撐平臺指揮中心可集中監(jiān)測井上井下的生產安全信息，控制井上井下的機電設備,并對人員進行精準定位、產量實時上報、礦井煤層感知等，以達到感知礦山、減人提效的目的；其次，可實現(xiàn)井上井下所有控制、監(jiān)測子系統(tǒng)在一個統(tǒng)一的網絡平臺上運行，從而消除信息“孤島氣同時，也可和企業(yè)內部局域網連接進行信息共享;第三，能夠對故障進行診斷，以預知維修，從而提高設備使用的可靠性，保證煤礦生產的安全。