从感知矿山到智慧矿山

【摘　要】阐述了感知矿山的系统结构，探讨了伴随着IT技术、通信技术的发展而出现的物联网这一新的基础设施，并展望从感知矿山的发展到智慧矿山的趋势和美好前景。

【关键词】感知矿山；物联网；智慧矿山

0.前言

随着实时矿山测量、GPS实时导航与遥控、GIS管理与辅助决策、3DGM的应用,一些国际大型露天矿山已可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划,并与采场设备相联系,形成动态管理与遥控指挥系统;专家系统、神经网络、模糊逻辑、自适应模式识别、遗传算法等人工智能技术、GPS技术、并行计算技术、射频识别技术、面向岩石力学问题的全局优化方法、遥感技术等已在矿山地质勘探调查与测量、矿山设计、矿山开采、矿山灾害遥感预报等领域得到应用。随着人类的不断努力和科技的飞速发展,矿山已从原始矿山、人力矿山、机械矿山发展到信息矿山、感知矿山、数字矿山,并将迈向绿色矿山、智能矿山、智慧矿山。

1.感知矿山概述

感知矿山是物联网技术在煤炭行业的成功应用。感知矿山建设相当于将原本各自运行的系统体系通过信息化的神经网络连为一体，并通过云计算机技术集中处理大量数据，从而为矿山装上一个数字化的大脑。感知矿山通过全面感知，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）全面感知，并通过高速网络实现全面覆盖，同时还具有直观形象的应用，通过3D GIS矿区全息展示，来全面感知矿山[1]。作为物联网应用的一个重要领域，感知矿山是通过各种感知手段，实现对真实矿山整体及相关现象的可视化、数字化及智能化，即将矿山地理、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，将感知技术、传输技术、智能技术、信息技术、现代控制技术、现代信息管理技术等现代采矿机矿物加工技术紧密结合，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、绿色开采为目标，保证矿山经济的可持续增长，保证矿山自然环境的生态稳定。

2.感知矿山系统结构

煤矿矿区综合信息化系统是将先进的自动控制、通信、计算机、信息和现代管理等技术相结合，将企业生产过程的控制、运行与管理作为一个整体，提供整体解决方案，以实现企业的优化运行、控制和管理，从而提高企业核心竞争力。综合自动化是煤矿实现高产、高效的有效手段，对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具有重要作用。针对目前煤矿的需求，推出高效、可靠、安全的自动化网络系统。以矿井综合自动化信息平台为主体，采用矿用光纤工业以太网和工业现场总线等技术共同构建综合数字化信息传输平台[2]。

2.1感知层

感知层设备由大量感知环境、机电、人员等的传感器构成，例如：风速、风压、温度、转速、振动、电压、电流、功率等传感器，甲烷、CO、CO2、O2、锚杆压力、钻孔应力、顶板离层环境等传感器，跑偏、堆煤、烟雾、皮带打滑等传感器，煤仓料位计、水位计等传感器以及摄像机、RFID人员定位等。这些传感器在矿区地面、井下构建了一个庞大的传感网络层。

2.2网络层

网络层设备主要有铺设在地面、井下的吉比特光环网及网络交换机设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器等，以及用来实现无线覆盖的PHS网络或Wi-Fi网络，共同构建了覆盖整个矿区的数据网络。

2.3应用层

应用层是矿区综合信息化系统，包含矿区3D GIS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。应用层软件提供各种通用数据接口，在此之上，可以方便地将提升机监控系统、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、中央泵房监控系统、工业电视系统等进行无缝链接，最后经过工业以太网平台统一传输到应用层上进行统一管理。真正实现矿井“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节的信息化和自动化，从而优化生产和管理[3]。

3.智慧矿山

“智慧矿山”信息化解决方案，是基于3G移动互联网、光纤网络、物联网、云计算机技术、以保障安全生产为核心，以助力矿山企业管理为目标，通过整合矿山企业现有信息化系统，实现信息资源共享、工作流程化，适用于煤矿企业的移动信息化解决方案。

感知矿山到智慧矿山所取得的成就，主要成就是实现了从二维到三维、实现了基于图形和基于空天地一体化实景、基于web service的空间信息共享与智能服务等。如资源三号卫星、迪拜的三维建模、敦煌莫高窟的三维增强现实技术、武汉城市的数字城市建设、天地图的建设与应用及在军事、防灾减灾方面的应用等，智慧矿山是数字矿山的必然发展结果。

智慧矿山的主要结构：

（1）建立安全生产数据中心。建立统一、集中的实时数据平台，根据客观现实条件，采用多种通讯手段对井下不同的硬件平台、软件环境的自动化装置实现实时数据的采集和存储，为事故分析提供可靠的依据。

（2）实现数据的分级共享和监测。通过完善的用户管理机制，实现数据的分级共享和监测。煤炭安全生产监控中心可以监测辖区内任何纳入系统管理矿井的生产实时情况，二级及以下监控中心成监控点，则只能监测到管理职权范围内矿井的安全生产情况。

（3）建立安全报警防范机制。系统将提供对生产的安全数据的超限报警功能，以闪烁、声音等形式实时提醒，并充分利用短消息机制，及时传递给相关领导和人员。安全生产报警机制可以大大提高对生产现场问题的响应速度，有利于对安全生产的指挥和调度，提高各级管理者的管理效率，形成与救护、公安、医疗等部门一体化的灾害处理应急联动机制。

（4）高效数据分析能力。通过数据分析工具，采用多样化的数据展示方式对煤矿安全生产实时数据进行分析和智能化应用，实现生产数据及设备状态的自动统计、分析，为政府、企业领导和相关领导人员进行科学的生产经营决策提供及时可靠的支持。

4.结语

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。但面对感知矿山实施的难点，即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，提出了智慧矿山，非常完美的解决了这一问题，为煤炭行业的发展起到了极大地促进作用。相信，随着科学技术的不断发展，智慧矿山会朝着更先进的层次飞跃。

【参考文献】

［１］高莉.信息融合在煤矿监测监控系统中的应用研究[D].徐州:中国矿业大学,2006.

［２］吴立新，殷作如.再论数字矿山:特征、框架与关键技术[J].煤炭学报,2003,28(1):1-6.

［３］国脉物联网，物联网的未来发展[J].现代技术,2010,33(22):45.