基于物聯網技術的感知礦山應用研究

劉相鋒,張飛舟,肖文軍,楊澤民,范詩玥

(北京大學地球與空間科學學院，北京 100871)

基于物聯網技術的感知礦山應用研究

劉相鋒,張飛舟,肖文軍,楊澤民,范詩玥

(北京大學地球與空間科學學院，北京 100871)

礦山安全生產自動化面臨著感知手段單一、缺乏泛在感知網絡等問題，在已有感知礦山理論的基礎上，將物聯網技術全面引入到礦山應用當中；通過系統闡述感知礦山特征、平臺框架、關鍵技術以及邏輯結構，利用物聯網感知手段多樣，實現泛在感知的特點；提出人員監測及內壁巷道位移監測的應用模型；對物聯網技術目前面臨的發展困境及在礦山當中推廣面臨的問題進行了探討，以期物聯網技術在礦山領域能夠得到良好應用。

物聯網；體系框架；感知礦山

1 引言

煤炭生產系統復雜，工作場所黑暗狹窄，人員集中，采掘工作面又隨時移動，由于地質條件的變化會使移動的采掘工作面不斷出現新情況和新問題，如不及時采取相應的有效措施，就可能會導致重大災害事故，給安全工作帶來困難[1,2]。因此，需要建立能夠全面掌握煤礦安全生產信息的“感知礦山”系統，以便全面掌握礦區地面、井下環境、巷道和機電設備的信息及工作狀態、井下人員分布及工作狀態，甚至有關災害預防、事故救助、應急預案以及安全培訓等情況。本文將物聯網技術應用于感知礦山，探討研究感知礦山的物聯網平臺架構、邏輯接入、關鍵技術以及應用分析。

感知礦山就是通過各種感知手段，實現對真實礦山整體及相關現象的可視化、數字化及智能化，即將礦山地理、地質、礦山建設、礦山生產、安全管理、產品加工與運銷、礦山生態等綜合信息全面數字化，將感知技術、傳輸技術、智能技術、信息技術、現代控制技術、現代信息管理技術等與現代采礦及礦物加工技術緊密相結合，構成礦山人與人、人與物、物與物相聯的網絡，動態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、綠色開采為目標，保證礦山經濟的可持續增長，保證礦山自然環境的生態穩定。

煤礦生產與安全保障除骨干傳輸網和調度室設備外，還包括生產與監控多個子系統。感知礦山總體設計應將所有這些子系統均作為礦山物聯網的內容，納入統一網絡進行監測、控制與管理，實現全面的物聯網感知礦山。感知礦山物聯網應用具有如下特征[3,4]：

(1)感知層綜合業務服務：無線覆蓋網絡必須能為井下所有移動物體提供感知服務，包括各種設備、人員、環境及工況監測等。

(2)移動代理與服務發現：隨著感知層應用的擴大，多個系統共同組成物與物相聯的WSN 網絡，這些系統可能是由多個廠商來實現的。因此，需要解決如標準化、服務發現、移動代理等問題，使感知礦山從開始就向著標準化的方向發展，有利于M2M 設備層的移動。

(3)動態與靜態兼容：礦山生產與安全數據從每天只需幾個的靜態數據發展到對動態要求很高的振動、語音、視頻數據。

(4)統一的數據描述方法：采用元數據技術為上述對象及數據提供統一的數據描述方法，制定統一的數據結構。

(5)統一的數據倉庫平臺：根據元數據信息共享系統的結構、模塊和特點，實現分布式數據組織與管理、分布式數據共享、分布式數據快速索引機制以及跨平臺數據訪問功能，為信息融合、信息挖掘提供良好的數據平臺。

2 感知礦山物聯網平臺架構及感知內容

由于數字礦山及礦山綜合自動化模型在我國煤礦企業已經有眾多的實際應用，從目前來說，感知礦山物聯網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，而不是全盤推翻。感知礦山平臺架構如圖1所示，它是在物聯網的基礎上搭建而成，有三層結構[5,6]。

Figure 1 Structure of sensor mine platform圖1 感知礦山平臺架構

感知與控制層由二層網絡組成，即骨干傳輸網絡和感知層網絡。骨干傳輸網絡通常由千兆工業以太網構成，感知層網絡是無線覆蓋網絡，如WSN、WiFi、Zigbee等。地面廣泛應用的感知層網絡，如無線3G網絡、GPRS等還不能在井下使用。這層主要實現礦山生產與安全過程中各種傳感與控制信息的采集。各生產安全子系統在該層以相對集中方式或全分布方式接入物聯網。要構成物物相聯，具有自主網功能的無線傳感器網絡(WSN)在這一層起著不可或缺的作用。

信息集成與MES(Manufacturing Execution System)層通過千兆工業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；同時實現MES功能，即圖1中用于安全生產監控的終端，它們實現對煤礦安全生產中各個子系統的監測與控制功能。

管理決策與應用層是礦山各個職能部門通過企業Intranet網絡實現更高層次的應用，如礦山安全生產評價與監管、煤礦災害預警與防治、煤礦供應鏈管理、大型設備故障診斷及礦山資源環境控制等。

基于此平臺的感知內容：

基于物聯網技術的感知礦山的三個核心感知內容是：人員感知、設備感知以及災害感知。人員感知主要是集成現有安全監測、人員定位系統，研發新型基于無線覆蓋的移動雙向數據信息終端，圖5中描述了人員感知模型；設備感知是對井上、井下各生產及輔助系統的遠程監控，減少井下操作人員并同時感知礦山設備工作健康狀況，實現預知維修；災害感知主要是除常規的安全監測系統外，特別是對危害礦山安全的如沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水、火災等災害預兆信息進行感知。

感知礦山物聯網架構各層的要求及之間的信息融合：

感知礦山物聯網的感知層應該避免分批引進各個系統，如人員定位系統、移動通信系統、無線視頻系統等，而缺少對物聯網的統一規劃，做到讓其他服務所需的無線傳感器和執行器方便地接入，實現真正的物與物相連，同時感知層要做到開放，統一規劃，各種服務所需的底層設備能方便地接入到感知層網絡里來。感知層設備由大量可以感知環境、機電、人員等傳感器構成這些傳感器分布在礦區的地面和井下，從而構建了一個龐大的傳感網絡層，為全面感知提供保證。

網絡層需要將傳統的1 000 MB工業以太網在原有的基礎之上增加兩個功能，即將IPv4向IPv6轉變，增加IP地址的數量，同時也能夠滿足無線與有線混合網絡對于IPv6低功耗的要求。網絡層設備主要鋪設在地面，構建覆蓋整個礦區的數據網絡，以完成可靠傳輸功能。

應用層解決的是各種應用中公共的信息處理，包含了礦區3DGIS系統、綜合自動化系統、人員管理系統、視頻監控系統、短信管理平臺、礦區應急指揮系統、調度系統等，可對礦區大量的安全數據、生成數據和信息進行分析和處理，通過系統平臺對礦區實施智能化的控制和監測。

感知層中的閱讀器與定位標簽進行數據交換，完成定位與安全監測，監測信息通過骨干傳輸網絡傳遞進入到網絡層，觸發信息處理平臺，將最終信息傳遞到應用層，應用層進行應急響應，并產生預警信號，將信息逆向傳遞到底層終端設備，實現實時感知以及物物感知。

3 感知礦山物聯網關鍵技術及存在問題

感知礦山物聯網關鍵技術框架如圖2所示[4]，包括了感知層技術、網絡層技術、應用層技術和公共技術。

Figure 2 Key technologies圖2 感知礦山物聯網關鍵技術框架

感知層包括數據采集技術與接入技術兩個子層。要實現上述的三個感知，技術上就要采用符合礦山生產特點的基于無線傳感網絡的分布式、可移動、自組網的信息采集方式。同時，應從傳感器原理、檢測方法、礦山災害發生機理等多方面進行研究，以解決礦山特殊環境條件下的傳感技術抗干擾和災害源定位的問題，研究環境的動態、網絡化監測問題。為了滿足礦山的特殊條件，需要研究開發礦山特有的感知與測量技術。許多地質參數與巖層運動規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、采空區發火等。目前，對這些影響煤礦安全的重要因素的感知技術還不成熟，需要加強傳感器研究。感知層的接入技術主要是為各種分布式、移動式傳感器、RFID及其它生產與安全設備提供接入主干網的環境。煤礦井下目前無法通過有移動通信的WiFi網絡、PHS網絡、WSN網絡、人員定位的RFID網絡等，但這些網絡存在著覆蓋區域有限、信道容量低以及種類單一等主要不足。此外，采煤機、礦車等金屬設備與煤壁、巷道等復雜環境使得礦山井下成為一種“受限異質時變”的通信空間。構建真正符合井下需求的無線覆蓋網絡需要開發新型的無線系統，現有的短距離無線組網方式均不能適應煤礦井下長距離、多跳、寬帶、自組網、低功耗的要求。

網絡層分為網絡傳輸平臺和應用平臺二個子層。網絡傳輸平臺是感知礦山物聯網的主干網，利用工業以太網技術、煤礦移動通信技術、M2M技術以及礦山6LowPAN技術，把感知到的信息實時、無障礙、高可靠性、高安全性地進行傳送。應用平臺主要實現各種數據信息集成，包括統一數據描述、統一數據倉庫、數據中間件技術、虛擬邏輯系統構建等。在此基礎上，構成服務支撐平臺，為應用層各種服務提供開放的接口。

應用層關鍵技術主要包括礦山各生產安全子系統的實時監控和管理決策與應用兩方面內容。對礦山各生產安全子系統的實時監控，保障礦山的正常運行。當某個實時事件發生時，能夠及時做出反應，并用當前的數據進行指導和處理，減少煤礦企業內部沒有附加值的活動，有效地指導生產動作過程。而管理決策與應用主要是各種軟件應用模塊，可應用于礦山安全生產形勢評估、煤礦資源環境控制及評價、煤礦安全隱患排查等。

公共技術不屬于某個特定層，與物聯網技術架構的三層都有關系，包括公共中間件技術、標識與解析技術、安全技術以及各層的規范和標準等。其中標準的制定在感知礦山中尤為重要。感知礦山物聯網標準包括M2M接口標準和數據描述標準。由于無線覆蓋網絡要為井下各種設備、人員、環境及工況監測，需要各層之間實現M2M標準，以適應設備層的移動。而感知礦山物聯網是一個開放服務應用的網絡，因此要重點加強感知礦山元描述語言規范的研究，利用元數據技術提供統一的數據描述方法，制定統一的數據結構。同時加強礦山物聯網關鍵技術協議與規范、平臺軟件開發環境、核心框架與中間件構造及標準化等關鍵技術的研發。

4 應用分析

4.1 感知礦山物聯網邏輯接入結構

在煤礦綜合自動化中各種子系統需接入總體網絡進行數據傳輸，如圖3所示。感知礦山物聯網是在綜合自動化子系統接入的基礎上，增加分布式傳感器和分布式執行器的接入。煤礦綜合自動化子系統的接入方式特點：結構明確，子系統中使用的各種傳感器、執行器等不直接接入主干網絡，而是通過網絡化控制器接入主干網絡。子系統中的工業總線固定布置，通常適合移動，不能構成邏輯化系統。因此，該接入方式比較適用于相對固定、監測控制量相對集中的場合，如主煤流膠帶運輸、變電所監控、水泵房監控等。

Figure 3 Access method of automation subsystem圖3 煤礦綜合自動化子系統的接入方式

分布式傳感器與執行器的接入方式特點：傳感器和執行器以有線或者無線的方式直接接入主干傳輸網絡，而不需要通過子系統控制器，如圖4所示。這樣，傳感器與執行器布置靈活，適合快速布置、移動應用場合。分布在網絡上的傳感器、執行器、控制器之間可根據應用需求，組成邏輯上的應用系統。邏輯系統中的傳感器、執行器、控制器等在地理位置上可能分布很遠。煤礦通風系統優化、能源計量管理、透水監測、煤與瓦斯突出監測、礦壓分布監測等應用往往需要這樣的邏輯系統。

Figure 4 Access method of distributed sensors and actuators圖4 分布式傳感器與執行器的接入方式

感知礦山物聯網子系統建設應該是這兩種接入方式的組合，正是由于感知層的存在，為分布式接入提供了可能，使得感知礦山物聯網具備了方便快捷部署和構建邏輯子系統的能力，使網絡應用更適應煤礦動態部署、流動作業的需求，也為服務與數據協議及網絡元素的解耦提供了可能，提高了系統的互操作性和可移植性及專業化服務水平。

4.2 應用實例

物聯網在礦山中的應用是將傳感器布設在巷道內壁，通過利用RFID技術，將井下人員的信息以及巷道位移信息傳輸到地面終端，RFID的主要功能是目標的識別與定位、信號傳輸，利用此技術實現位置信息的實時監測。

(1)井下人員安全監測及預警：在工作面、巷道等人員通過的地方布設適量的閱讀器，當攜帶有唯一識別號定位標簽的礦工進入傳感器的識別范圍后，閱讀器與定位標簽進行數據交換，從而完成定位與安全監測。系統可以對危險的廢氣巷道實行門禁，當有人員非法進入時，通過隨身攜帶的標簽向工作人員發送警報。同時通過系統數據庫，查詢井下施工人員的分布情況，根據工作需要對井下人員進行調配，實現人力資源的優化配置，提高井下工作效率。

國際上有包括南非、美國和澳大利亞等在內的許多國家安裝了基于RFID的井下人員定位和搜救系統。井下發生緊急情況時，系統傳送警報和緊急指示信號給作業人員，引導人員疏散。事故發生后，可以及時準確地了解井下人員的分布情況和準確位置，利用GIS系統分析被困人員的最佳逃生路線，為決策層提供救援依據。

(2)巷道內壁位移實時監測：巷道內壁位移實時監測系統就是綜合應用激光技術、計算機技術、單片機技術和現代通信技術而開發的應用于實時監視巷道內壁位移發展情況的系統。

巷道位移實時監測系統的組成從硬件角度看，可由基準激光器、位移監測儀、調制解調器、信號線路和監控計算機等五個部分組成。

傳感器監測巷道位移變化，通過激光束實時地將位移信息傳輸到監測儀，最后由監測儀傳到智能終端設備，如圖5所示。

Figure 5 Monitoring of tunnel displacement圖5 巷道內壁位移監測

5 結束語

當前物聯網還處在早期應用階段，感知礦山物聯網一定要打破物聯網應用初期那種功能單一、網絡獨立、數據私有、缺乏標準的現狀，真正按物聯網所要求的開放、標準、物與物互聯的方式進行發展。按照統一規劃、整體設計、分步實施的原則進行。對于物聯網應用于礦山，由于其井下作業的特殊性，目前仍有許多研發工作需要去做，特別是感知層的建設。隨著技術的成熟應用，感知礦山必將會給我國煤礦業帶來革命性的變化，成為既能保證井下作業安全性，又能得到高收益且實現可持續發展的產業。本文對于感知礦山物聯網的研究僅從平臺架構、關鍵技術、傳感器與執行器的接入以及應用案例四方面進行了討論，由于礦山的特殊環境和現有條件的限制，后續實驗的進行還需進一步的努力和改進，實驗數據的獲得和分析將在下一步的研究工作中進行加強。

[1] Zhang Fei-zhou, Yang Dong-kai, Chen Zhi. The introduction of Internet of Things[J]. Beijing:Publish House of Electronic Industry,2010.(in Chinese)

[2] Wang Ya-wei. The review of Internet of Things’ development[J]. Science &Technology Information,2010(3):37-38.(in Chinese)

[3] Zhang Shen, Ding En-jie, Xu Zhao, et al. Part 1 of lecture of Internet of Things and sensor mine——basic concept of things and its typical application[J]. Industry and Mine Automation,2010(10):104-108.(in Chinese)

[4] Zhang Shen, Ding En-jie, Xu Zhao, et al. Part 2 of lecture of Internet of Things and sensor mine——sensor mine, digital mine and integrated automation of mine[J]. Industry and Mine Automation,2010(11):129-132.(in Chinese)

[5] Zhang Shen, Ding En-jie, Xu Zhao, et al. Part 3 of lecture of Internet of Things and sensor mine——characteristics and key technology of sensor mine Internet of Things[J]. Industry and Mine Automation,2010(12):117-121.(in Chinese)

[6] Zhang Shen, Ding En-jie, Zhao Xiao-hu, et al. Digital mine and constructing of its two basic platforms[J]. Journal of China Coal Society,2007,32(29):998-1001.(in Chinese)

[7] Zhang Feng-guo,Wang Hong-yue.Sensor mine——application of IOT technology in coal mining[J]. Internet of Things Technology, 2011(5):43-46.(in Chinese)

[8] Zhang Shu-jian, Wang Yun-jia, Fan Xin. Key issues of location system based on RFID in Internet of Things and its simulation[J]. Metal Mine,2011,40(5):113-114.(in Chinese)

附中文參考文獻：

[1] 張飛舟，楊東凱,陳智．物聯網技術導論[M]．北京：電子工業出版社，2010．

[2] 王亞維．物聯網發展綜述[J]．科技信息，2010(3)：37-38．

[3] 張申，丁恩杰，徐釗,等．物聯網與感知礦山專題講座之一——物聯網基本概念及典型應用[J]．工礦自動化，2010(10)：104-108．

[4] 張申，丁恩杰，徐釗,等．物聯網與感知礦山專題講座之二——感知礦山與數字礦山、礦山綜合自動化[J]．工礦自動化，2010(11)：129-132．

[5] 張申，丁恩杰，徐釗,等．物聯網與感知礦山專題講座之三——感知礦山物聯網的特征與關鍵技術[J]．工礦自動化，2010(12)：117-121．

[6] 張申，丁恩杰，趙小虎,等．數字礦山及其兩大基礎平臺建設[J]．煤炭學報，2007,32(9)：997-1001．

[7] 張鋒國，王宏岳.感知礦山——物聯網在煤炭行業的應用[J].物聯網技術，2011(5):43-46.

[8] 張書建，汪云甲，范忻.基于RFID技術的礦山物聯網關鍵問題及其仿真[J].金屬礦山，2011，40(5):113-116.

LIU Xiang-feng,born in 1987,MS candidate,his research interests include IOT，and satellite navigation.

The application research of sensor mine based on Internet of Things

LIU Xiang-feng,ZHANG Fei-zhou,XIAO Wen-jun,YANG Ze-min,FAN Shi-yue
(School of Earth and Space Sciences,Peking University，Beijing 100871，China)

The automation of mine safety production is facing the problems such as the single means of perception, lack of ubiquitous perception network, etc. Based on the previous theory of sensor mine, the internet of things is applied to mine application completely. Through systematically discussing the characteristics of sensor mine, the structure of platform, the key technique and the logic structure, the application analysis on personnel monitoring and the displacement monitoring of inner wall are proposed by using the various means and ubiquitous perception of the internet of things. We hope that the internet of things can be well applied in mine by discussing the problem of the development and application about the internet of things in sensor mine.

Internet of Things;hierarchy structure;sensor mine

2012-09-11;

2013-01-03

1007-130X(2014)03-0566-05

TD67

A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.03.033

劉相鋒(1987-),男,山東莒縣人，碩士生，研究方向為物聯網和衛星導航。E-mail:Liuxiangfeng0601@163.com

通信地址：100871 北京市海淀區頤和園路5號北京大學地球與空間科學學院

Address:School of Earth and Space Science，Peking University,5 Yiheyuan Rd,Haidian District,Beijing 100871,P.R.China