基于设备安全感知的矿山本安物联网建设研究

摘 要：煤矿安全生产是当前全社会关注的焦点问题，利用物联网技术实现矿用设备“物物相连”的综合智能感知，是一种全新的矿山安全生产管理模式。本文探讨了基于设备安全感知的矿山本安物联网的设计与实现方法。

关键词：物联网 RFID 矿山本质安全 智能监控 智慧矿山

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0035-04

Abstract：Mine safety production is the current focus of the whole society. Realization of mining equipment comperhensive IntelliSense by using “The Internet of Things” technology to achieve “pbjects connected with each other’s”is a creative modle in mine safety production management.This paper discusses the design and implementation of Mine Intrinsic Safety Web of Things which based on equipment safety Aesthesia.

Key Words：Internet of Things；RFID；Mine Intrinsic Safety；Intelligent monitoring；Intelligent mine

1 概述

1.1 背景

人们普遍认为煤炭属于高危险行业，发生事故是必然的，但是如果从业人员在工作中处处按照标准、规程作业，把事故发生率降到最低、甚至实现零事故，那么矿山发生事故就是偶然的，而不发生事故是必然的，这就是一般意义上的“矿山本质安全”。矿山本质安全的实现不仅要靠管理，还需要依靠先进的科学技术手段，科技手段和管理手段已并列成为支撑矿山企业安全水平的两大基础。

随着我国科技兴安战略的逐步深入，对矿山安全生产工作和安全信息化水平提出了新的、更高的要求，目前我国安监部门正以科技兴安战略为牵引，以大力发展物联网技术为契机，全面推进矿山安全生产信息化建设，充分发挥物联网技术在源头防范、事故预防等方面的技术支撑作用，通过各种感知、信息传输与智能处理等先进的物联网技术，实现矿山安全生产管理的可视化、数字化及智能化，实现从监测监控向“超前感知”方向发展，从被动式安全向主动式安全转变。

目前基于设备安全感知开展矿山本安物联网建设已具备了较好基础。自1990年起我国对矿用设备就实施了安全标志管理制度，矿用产品安全标志管理已成为贯彻国家安全生产法律法规、标准规范的有力手段，强化安全生产源头管理和过程控制的有力措施。矿山企业也具有相当的设备管理意识，大型矿山企业均制定了一系列的规章制度，这些都为基于设备安全感知的矿山本安物联网的建设奠定了良好的基础条件。

1.2 基于设备安全感知的矿山本安物联网的概念

1.2.1 基于设备安全感知的矿山本安物联网的概念

在矿山本质安全中，物指的就是设备、设施等硬件，是矿山生产力的重要组成部分，是矿山企业进行生产的物质基础。设备、设施等硬件状况的好坏，将直接影响矿山企业的安全生产。我国因设备原因导致的矿山安全生产事故的比例一直居高不下，这就要求国家监管部门、矿山企业需要从源头管控上将物的不安全状态消灭在萌芽阶段。物的不安全状态包括设计、制造和使用三个阶段，消除物的不安全状态就要从以上三个方面着手解决。

因此，基于设备安全感知的矿山本安物联网是充分借助RFID技术、自动控制、通讯、计算机技术、信息技术和现代管理技术，把矿用设备的生产、采购、使用、维修、报废等环节集成在一起作为一个整体进行监控与管理，利用前端多途径设备感知和后台大规模信息智能处理的方式，基于网络传输平台将矿用设备“物物相连”的综合智能感知系统，是一种新的矿用设备管理模式。基于设备安全感知的矿山本安物联网的提出，是从强调以技术为核心到强调以技术为安全生产服务为核心的一种转变。

1.2.2 基于设备安全感知的矿山本安物联网的特征

基于设备安全感知的矿山本安物联网应该具备三个特征：一是全面感知，即利用RFID、传感器等技术随时随地获取矿用产品的信息；二是可靠传递，通过各种网络与互联网的融合，将矿用产品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，对矿用产品实施智能化的管理。基于物联网技术，可以真正地实现矿用安标设备“产、运、发、用、修、废”全生命周期环节上的信息化和自动化，建立矿用产品使用安全隐患排查、整治、监测、预防、监控一体化的管理模式，从而达到矿用设备管理精细化、使用安全合理的目的。（见图1）

2 矿用设备管理的基础及现状及管理需求

2.1 我国矿用产品执行安全标志管理制度的情况

为彻底改变我国煤矿矿用产品的安全管理状况，我国自1990年起对煤矿用设备、材料、仪器仪表执行安全标志管理制度，为保障这一制度的实施，原能源部、原煤炭部、原国家经贸委、国家煤矿安全监察局制定了一系列的管理规定。自1990年煤矿矿用产品执行安全标志管理制度以来，安全标志已成为鉴别合格产品和使用安全产品的重要依据。煤矿矿用产品执行安全标志管理制度，为煤矿安全生产起到了十分重要的作用，自1992年以来煤矿的多起重特大恶性事故中，未发现一例是由已获安全标志的产品造成的，安全标志管理制度在煤矿用产品生产企业和煤矿用户中有很高的权威地位。

2.2 矿用设备管理中遇到的问题

2.2.1 矿用设备未实现全生命周期管理，无法为监管监察提供全流程数据支撑

近年来全国各地、各矿山相继建设本省、本市、本地区、本行业的物联网示范工程，这些示范工程容易出现建设范围较小、建设内容不统一、信息交互较少或没有信息交互等问题，这不仅不一定能满足生产管理的需要，同时也不利于监管部门统一监管。

矿用设备全生命周期的环节包括设备生产、设备采购、设备运输、设备仓储、设备使用、设备维护、设备报废等环节。虽然目前各方资料、文献和改建工程中都提到矿用设备全生命周期管理，但因没有牵头部门监管，各部门只关注自身管理的数据，没有形成真正的矿用设备全生命周期环节数据闭环，不能有效的监管部分提供监管及决策数据。

2.2.2 矿用设备安全管理标志的真伪难辨

目前矿用设备安全管理标志，均为铜质金属标牌，易被复制造假，矿山企业采购、检验部门难以有效判断安标设备的真实性，可能导致假冒安标产品投入到矿山使用中，埋下安全隐患。

2.2.3 矿用设备生产环节，设备质量监管信息非闭环管理

目前在矿用设备生产环节中设备质量监管，信息获取非闭环管理，有些取得安全标志的生产单位，擅自降低产品生产标准、降低生产条件或修改产品设计，不按安全标志管理规定从事煤矿矿用设备的生产，监察部门无法及时在生产环节获取这类不合格产品信息，使得不合格矿用设备流入市场，造成不安全隐患，极易导致事故发生。

2.2.4 对矿山企业使用非标设备缺乏技术手段监管

个别矿山企业对某些安标设备识别度不够，或使用国家明令淘汰和禁用的矿用设备，不重视安标产品与普通产品差异，采购无安全标志的产品，导致使用不合格产品引发重大事故。而监管部门没有技术手段及时有效获取矿山企业采购、生产数据，难以发现个别矿山企业使用非标设备进行生产。

2.2.5 矿山企业安标设备老旧，未按要求定期检测、校验

目前我国部分矿山企业所使用的安标设备是在20世纪八九十年入使用的。虽然已经有部分国有大中型煤矿对这些设备进行了升级改造，安装了新一代数字化的矿用设备，但大多数煤矿还在使用老式的设备和机器，如果不定期、按时进行设备的检查和维护就容易造成安全事故。

2.2.6 无法全面掌握矿用设备维护信息和状态信息，难以做到有效监督

随着煤矿开采机械化程度的提高，设备种类、型号增多，规格加大，对设备使用情况日常维护和修理提出了更高的要求，目前设备使用情况主要存在以下问题。

（1）设备状况信息获取不及时：矿山企业对老旧设备状态信息隐报、瞒报，监管部门不能及时获取上述信息不及时，不能及时处理，是发生事故隐患。

（2）设备检修不到位：设备陈旧再加上煤矿职工整体素质不高，没有按规定时间进行检查、检修，日常维护保养，所以对设备的检查维修只能是哪坏修哪。

2.2.7 缺少矿山设备故障预知手段

因为缺少有效的预知手段，又由于煤矿井下环境复杂，造成设备的故障率都比较高，而设备一旦发生故障，再去维修或者是定期去维修，都会造成巨大的经济损失和人员伤亡。目前矿山所采用的机械设备管理的好坏、安全设施配备是否齐全、设备维护及设备运行情况好坏等都没有较先进技术手段进行提前预知，不能在事故没发生时就发现并处理。

2.3 矿用设备安全管理的需求

2.3.1 源头管理，隐患排查

通过基于设备安全感知的矿山本安物联网的建设，加强对矿用产品安全许可标志的有效防伪和深度管理，防止可能给煤矿安全带来隐患的产品进入煤矿生产过程，从矿用设备的源头上防止煤矿灾害的发生。

依托矿用设备安全标志，利用先进传感设备、网络传输技术获取设备生产信息和运行状态信息，以人工隐患排查为主，系统自动排查为辅的方式，为矿山企业和政府部门提供综合检查、专业检查、季节性检查、节假日检查、日常检查等多种隐患排查手段。对排查出来的事故隐患，根据隐患等级、类别登记、建档，详实分析，并采取有针对性的措施及时处置，保障煤矿工人的生命安全与健康，促进煤矿安全生产。

2.3.2 有效跟踪，掌握流向

矿用设备从生产、采购、运输、使用、维修、报废所经历的全部过程都应纳入监管流程，对设备由生产开始直到设备报废的整个过程开展管理，形成矿用设备的全生命周期有效跟踪和管理。从设备生产环节开始采集生产基础信息，约束生产企业严格按照标准生产，避免企业降低生产条件或修改产品设计，不按安全标志管理规定从事煤矿矿用产品的生产。通过安全标志RFID标签控制安标设备生产总量，确保每台设备全生命周期都在安监局监管范围内。

2.3.3 超前感知，防患未然

由于矿山环境复杂，造成设备的故障率比较高，而设备一旦发生故障再去维修会造成较大的经济损失，同时还可能造成人员伤亡使矿山蒙受巨大损失。为切实加强矿山企业的设备事故管理，必须通过对设备状态的监测和诊断，及早了解设备故障症兆，实行预防维修，做到防患于未然，最大限度地减少设备事故，提高设备的运转周期和可靠性，以期实现设备全生命周期最经济、最高效的目标。在提高安全程度的基础上做到“预测、预知、预警、预报、预防”，实现设备的超前感知。

2.3.4 科学查处，完善标准

基于设备安全感知的矿山本安物联网的建立，加强技术装备、人力升级，实现事故排查、发现、处理、查处的科学化、自动化、及时化。确保在事故发生后使用科学手段快速发现事故原因，并快速响应处理。对事故相关信息（发生原因、发生地点、发生时间、处理方式、事故印象等）进行有效整合、处理记录到数据库中。系统根据大量的事故数据，对事故进行分类处理。针对不同类型的事故总结相应教训、处理方式。对于因管理漏洞的产生的事故，管理部门可通过系统提供的数据、信息等资料完善现有法律、法规及标准，为预防事故、事故处理提供法律依据。

3 国内外现状

3.1 徐州“感知矿山”物联网示范工程

2011年9月，徐州夹河矿成功建设我国首个“感知矿山”物联网示范工程，工程的主要建设内容包括矿井信息化改造和矿山物联网建设，利用无线传感器网络建立覆盖煤矿井下，并与千兆工业英特网相结合的无线自组网系统，通过设备工况监测监控、灾害环境信息监测、人员定位、机车管理、语音通信、工业电视等，形成完善的无线感知平台。

3.2 南非采矿业利用RFID技术管理矿用设备

作为南非最大的电子公司之一Allied Electronics公司的分公司，Willard Batteries公司，通过为矿灯配备RFID标签，可以对矿灯的使用以及维护情况进行跟踪。该技术也能够跟踪使用者以及他们的进出矿井情况（见图2）。

3.3 澳大利亚利用RFID提高采矿业安全水平

“NL科技”（NL Technologies）是加拿大一家专业矿业地下照明与数字通信设计制造商，它准备利用433 MHz主动式RFID标签追踪和管理地下作业的矿工和车辆。NL科技采用的主动式RFID标签利用矿工戴着的用于矿帽顶灯供电的电池供电，每个标签的唯一识别码在NT科技开发的“北部数字照明软件套装”（Northern Light Digital Software Suite）中与各自的矿帽灯关联。这种标签也可以安装在矿井内的运输车辆上，用以监控车辆的位置。

3.4 ACT申请美国产品煤安认证欲在采矿业大展拳脚

Active Control Technology Inc；ACT）正向美国煤矿安全和健康工作组（MSHA）申请ActiveMine产品的煤安认证。ActiveMine是一套完全无线化（Wi-Fi）网络的煤矿双向通讯和定位系统。ACT已正式向MSHA申请他们有源RFID Wi-Fi标签的煤安认证。RFID Wi-Fi标签是ActiveMine系统组成部分，ActiveMine系统用于精确、实进追踪人员或资产。

4 系统设计

4.1 系统总体设计

总体架构的设计思想遵循平台化、组件化设计理念，通过在底层软硬件环境上搭建构件化软件平台，系统平台向应用系统提供基础服务和通用的应用服务，可实现安监部门的信息系统横向联动，系统管理与业务应用的无缝集成，提高基础设施的标准化，消除信息沟通的空间障碍，以统一的门户平台为用户提供服务，实现安全生产信息化服务的集中式协调调度和分布式管理运作的目的（见图3）。

4.2 业务信息流设计（见图4）

安标设备生产企业向安标中心申请安标授权，安标中心向生产企业提供授权及电子芯片。生产企业完成授权标签制作和RFID信息关联，并把管理信息传输至数据中心。同时安装安标标签的设备生产、采购、运输、仓储、发放、报废全生命周期管理信息传输数据中心并与安标标签上的RFID进行信息关联，关联完成信息传输至巡检系统作为手动巡检及智能巡检的基础数据。巡检后数据传输至数据中心，以备信息统计、查询，决策支持。数据中心通过将采集的数据进行上传同步，完成一次采集多部门共享。

4.3 系统部署设计（见图5）

4.4 安标设备传感网设计

传感器是各种信息系统获取信息的重要途径。通过RFID，感知查询设备的基本信息；如设备的使用寿命、使用环境指标等）；通过一系列专业感知设备；如温度传感器等）监测设备的运行环境；通过摄像头、相机等视图工具实时查看设备的运行状况。通过全方位建立感知系统，为监管人员做出合理决策提供依据。

由矿区内网、互联网、安监专网、安监局内网组成安标设备监管数据传输网络，实现安标设备在生产、运输、使用、存储、报废的全生命周期中产生的设备基础信息、设备采购信息、物流仓储信息、运行状态信息、运行环境信息、设备报废信息的共享和传递。为矿区安全保障系统和安标设备监管系统等提供网络支撑。当发生矿难或因其它原因导致灾区网络无法联通时，通过卫星通讯等技术进行信息传输，保障安监工作及应急救援工作的顺利进行（见图6）。

4.5 应用支撑服务平台设计

安标设备物联网应用支撑服务平台主要包括安标设备信息基础库和基础运行支撑平台。应用支撑服务平台主要基于以下几点建立：

（1）安全保障体系和标准规范体系的建立；

（2）数字化和物联网等最新技术，“云存储+云计算”模式；

（3）与已建应用系统的业务协同。

4.6 应用方案设计

基于设备安全感知的矿山本安物联网利用矿用设备安全标志管理制度，以矿用设备安全标志为技术纽带，对获得安全标志的矿用产品加上RFID电子标签，并将安全标志信息与产品进行关联，从而形成矿用产品的唯一电子标识。通过此电子标识打通安标设备生产、采购、仓储、使用、维修、报废的全生命周期管理，通过RFID、视频、多媒体传感等物联网技术实现对重要矿用安标设备的有效巡检和智能监测，实现对设备运行状态、维修和保养的掌控。利用数据挖掘、三维GIS等信息技术实现多种模式的安标设备状态展示及数据分析，实现矿用产品使用事故的隐患排查、整治、监测、预警的综合性管理，为监管部门、中介机构、矿山企业等用户提供有效服务。

5 结论

物联网技术是当前我国大力推广的智能监控技术，其应用范围越来越广泛，该项技术在矿用设备安全管理中的广泛应用将能够有效地解决我国煤矿安全生产中的问题，实现对矿用设备安全从监测监控向“超前感知”的转变，实现矿山安全生产从被动式安全向主动式安全的转变，全面提高我国煤矿安全生产的信息化管理水平。

参考文献

[1] 基于物联网的智慧矿山安全生产模型研究[J].信息工程，2012（10）.

[2] 基于物联网技术的煤矿智能安全管理系统研究[J].价值工程，2012（5）.