感知礦山物聯網發展現狀及展望

丁恩杰 劉亞峰 呂雅潔

1 中國礦業大學物聯網研究中心 徐州 221008

2 江蘇省物聯網應用技術協同創新中心感知礦山分中心 徐州 221008

3 礦山互聯網應用技術國家與地方聯合工程實驗室 徐州 221008

引言

國際電信聯盟和歐洲物聯網研究小組將物聯網定義為一個全球性的基礎架構，采用標準互操作通信協議并具有自組態能力；物聯網[1-9]中的物理“物”和虛擬“物”具有身份和虛擬個性，使用智能接口無縫地連接到信息網絡之中。我國電信研究院認為物聯網的目標就是要實現對物理世界的實時控制、精確管理和智能決策。經過幾年的努力，物聯網已經從過去新潮的愿景或希望走向了市場化應用。從谷歌32億美元收購Nest labs公司、三星gear和健康有關的可穿戴產品及開發的智能家居進入IOS，2014年市場額度已達1.9萬億，為人們展示了物聯網的無限商機。

隨著物聯網技術的發展，歐洲、亞洲和美洲的大多數國家政府將物聯網看作為新的經濟增長點。雖然在某些領域一些大的企業還沒有認識到物聯網的巨大潛力，還未曾給物聯網附加新的屬性，但是個人和商務領域的終端用戶已經掌握一定的操作智能裝置和網絡應用軟件的能力。隨著物聯網技術的發展，預計新的突破會發生在與相關技術的結合領域，如物聯網與云計算[10-14]、未來互聯網技術[15-16]、大數據[17-20]、機器人技術[21-22]和語義技術[23]。當然該觀點并不是最新提出的。

目前，煤炭行業和其他行業一樣，發展的下行壓力大，而能源技術革命對煤炭行業也提出了新要求，因而利用物聯網等信息技術改造煤炭行業的生產及安全運營狀態得到了行業的認同，國家安全生產監督總局對利用物聯網、大數據和云計算來改變礦山安全生產狀態的工作進行了積極推動和支持，先后組建了5個專業研究團隊從頂層設計、標準、感知層、傳輸層和數據應用層5個方面推動物聯網技術在礦山領域的應用。各大企業集團積極響應，神華集團和中煤集團在礦山物聯網示范工程方面也做了很多工作。還有許多國內外知名自動化企業加入到了礦山物聯網產業發展行列。

2 煤礦信息技術發展階段及其與物聯網的關系

如圖1所示，煤礦信息化技術的發展經歷了單機自動化、礦山綜合自動化以及現在的感知礦山物聯網階段。在煤礦信息化技術的發展過程中還出現幾個概念，即數字礦山、物理礦山、虛擬礦山、感知礦山、智能礦山和智慧礦山，這幾個概念是通過實現的功能、結構形式來劃分的，存在相互涵蓋、交叉，概念上容易混淆。單機自動化和綜合自動化體現了控制網絡結構形式和控制范圍不同，單機自動化實現了工業過程中某一個子流程自動化；而綜合自動化克服了信息孤島或自動化孤島的現象，實現了全礦井的整體自動化，包括生產、安全和管理的各個方面。從這個意義上講綜合自動化實現了機器的智能化，我們也可以將其稱之為智能礦山。數字礦山從其實現的功能而言，是礦山全面數字化的結果形式，我們可以通過數字化和集成技術逐步實現，從目前的技術水平來看，距離實現礦山全面數字化達到數字礦山的目標還有很長的路要走。虛擬礦山與數字礦山類似，我們目前只能實現礦山部分的虛擬化，虛擬礦山是利用物理礦山的數字化結果知識的重構，在信息空間或網絡平臺上再現的物理礦山，它是礦山的虛擬形式。物理礦山、數字礦山與虛擬礦山聚合發展最終就形成智慧礦山，也就是我們所說的礦山物聯網的樣例。從這個意義上講，礦山物聯網是礦山信息化技術在現階段的表現形式。感知礦山的概念是2010年由中國礦業大學提出，是感知中國概念在礦山的具體體現，感知兩個字分成兩部分理解，“感”是傳感、數據采集與處理及對環境的把握；“知”體現認知能力與知識的重構，將二者結合，感知礦山與智慧礦山是相同的概念。圖2給出了礦山信息化的發展歷程。

圖1 煤礦信息化概念的相互關系

圖2 礦山信息化技術發展歷程

3 礦山物聯網技術發展存在的主要問題

煤礦生產涉及的系統多，戰線長，其包括綜掘設備、綜采設備、膠帶運輸、提升機、輔助運輸系統等(如圖3所示)；為保障煤礦安全生產，還有排水、通風、供電、供壓、安全監測等輔助系統；煤礦生產還要面對復雜的地質條件、礦山壓力、瓦斯、一氧化碳、地下水及煤塵等。人員、設備、車輛等都集中在巷道中，特別是在工作面巷道中，刮板運輸機、采煤機、支架、裝載機、破碎機及供電供液等金屬設備與煤、巖一起構成復雜的空間。以上這些復雜的因素給礦山井下安全信息感知與傳輸帶來極大困難，特別是影響礦山安全的諸多因素具有很大的隨機性和不可控性，就監測角度而言，目前礦山基本是一個不透明礦山。

圖3 煤礦生產流程框圖

我國煤礦綜合自動化起步大約在本世紀初，大部分煤礦采用1000M工業以太網為主干的網絡平臺，實現煤礦井下的三網合一，各種子系統均進入主干網絡傳輸。經過十多年推廣應用，目前幾乎所有礦井都按這種綜合自動化模式進行設計與建設。

煤礦綜合自動化系統實現了現有系統的網絡化集成，這為實現礦山物聯網打下了良好基礎。綜合自動化系統基本是礦山原來各種系統的簡單集成，雖然比較好地做到了減人提效，但也只是實現了功能的疊加，效率并沒有實質的提升。礦山集成網絡的價值沒得到應有的提升，也沒有給礦山安全帶來明顯的改善。在礦山安全生產監控及災害風險預警中仍存在諸多問題。

3.1 感知手段傳統單一

目前瓦斯傳感器還是以傳統高功耗的催化元件為主，基本沒有MEMS等新型傳感器技術。紅外和光纖瓦斯傳感器也在推廣使用，但總體而言，各種新型傳感器缺乏是礦山數字化和虛擬化發展的瓶頸，沒有較為完備的數據，礦山的透明化及智慧化無從談起；因此，發展各種探測技術，使探測器探測朝向更加準確、體積更小、機載更加便捷的方向發展，可以進行更深層次的探測，獲取更為完備的數據。同時，通過雷達、天線、太赫茲技術等，運用各種非接觸式探測手段，使得數據獲取更加快捷，也使探測設備更加安全與準確。

3.2 缺乏泛在感知網絡

目前，幾乎沒有統一的地下無線覆蓋感知層網絡，現有的一些傳感器和監測系統基本是基于有線網絡的，能監測固定設備和環境的狀態。不能適用于煤礦流動作業，危險源位置、分布及其流動規律均不確定的場合，存在很大的感知盲區，不能做到無處不在，不能保證安全感知的全覆蓋。因此，發展鋪設地下無線路由技術是當務之急，使得無線路由信號強、范圍大、盡可能遠離危險源，使其不會受到災害的破壞，在災害發生時能夠正常工作，為救援工作提供有力的保障。

3.3 缺乏應用層面的信息融合

煤礦綜合自動化實現了應用系統的網絡化集成，但是應用系統之間的聯動與信息融合、決策融合還沒有開展，大數據的應用尚未展開。隨著信息技術的發展，將發展各種接口技術，通過大數據處理技術，實現多信息的數據交融。從而提取有效信息，給決策層提供正確的數據指導。

3.4 多學科交叉研究不夠

礦山是采礦、安全、機械和自動化各個學科的研究對象，到目前為止，各個學科均是從學科劃分的不同側面對礦山進行研究，重大災害產生的機理，煤礦設備故障診斷，地質、測量、水文、監測監控、智能信息處理技術等多學科研究融合不夠；因此，需要組織多方面專家參與問題的研討，將本領域的所存在的問題提到臺面上，共享數據資源、共享研究方法，找到切實可行的結合點和突破口，使得各領域學科無縫隙結合。

3.5 缺乏多學科、多專業協同工作的平臺

現階段無論是自動化技術還是計算機技術，都是相對獨立地應用于礦山物聯網中，缺少將提取信息、分析信息和應用信息有效地結合在一起的一個平臺；因此，要完全脫離人力實現物聯網智能礦山，多學科、多專業協同工作，不能靠行政手段，必須有一個完善的協同工作平臺，使得各專業能將他們的服務提供到這個平臺里面來，而綜合自動化系統未能形成這樣一個平臺。

3.6 缺乏標準建設

在礦山綜合自動化建設中沒有強調標準建設，服務提供商難以將其特色服務提供到網絡里來，很大程度上限制了系統的開放性，難以成為一個多學科共用的平臺。而物聯網是全球性的基礎架構，沒有標準化就沒有物聯網。因此需要開發各種標準協議，使得各種軟硬件可以實現即插即用，通過各種協議技術，將更容易開發出新的功能，也使得數據獲取更加容易。

4 感知礦山未來發展需要關注幾項技術

由圖4所示，隨著物聯網技術的發展，綜合自動化系統中的三個層次結構模型為設備層、控制層和應用層，層次分明，與現存的行程管理架構相匹配，每個層次任務明確，各個系統條塊分明。感知礦山是物聯網技術在礦山領域的具體體現，物物相聯是物聯網的基本要求，所以，網絡結構將朝著扁平化發展，沒有明確的層次化，因此傳輸網絡和覆蓋網絡的架構也會發生變化。這是技術層面的發展趨勢，而管理層面也會隨技術需求的變化而變化，在此不再詳述。

4.1 微型化低功耗智能傳感器、裝置及能量相關技術

信息源與物聯網密不可分，物聯網中的信息種類繁多、來源廣泛、獲取方式不一，廣義的感知礦山信息源主要包括采集煤礦生產過程中發生的物理事件和數據，生產與安全的各類物理量、標識、音視頻數據等[24-25]。由于礦山災害發生的區域和時間均具有未知性，并且礦山處于動態開采過程中，要感知這些災害產生的前兆信息，只能采用符合礦山生產特點的分布式、可移動、自組網的信息源獲取方式。為此，需重點研究以下方面。

圖4 工業自動化互連、協作物聯網模型

1）通過對傳感器原理、檢測方法、煤礦瓦斯重大災害發生機理等多方面研究，解決煤礦特殊環境條件下的安全信息感知和采集方法的問題，解決煤礦復雜環境條件下的傳感技術抗干擾和災害源定位的問題。

2）通過研究適合移動信息采集平臺的新型傳感器、多傳感器陣列、多天線多方向電磁波信號分析方法，解決災害準確預警與災害源定位的問題。

為了既滿足物聯網物物相聯的要求，又考慮能量的限制，低功耗是物聯網的根本挑戰之一。而通信是智能裝置的最大消耗組件，國內外對低功耗通信組件的研究10年前就已經展開。目前，采用的低功耗通信協議包括IEEE802.15.4、BLE、UWB、ISO18000-7 DASH7、RFID/NFC、ISO 14443(近距離卡)等。極低功耗監聽喚醒前端低于5mw或1mw的收發器可以使用能量收集電路。

能量收集技術?？墒占瘷C械能、熱能、電磁輻射和化學能；能量收集模塊包括能量變換、存儲和管理三部分。目前，主要的無線通信技術的能量指標為：3G-384kb/s-2W、GPRS(24kb/s)-1W、Wi-Fi(10Mb/s)-32至200mW、Bluetooth(1Mb/s)-2.5至100mW、Zigbee(250kb/s)-1mW。從上述數據來看，超低功耗藍牙及Zigbee技術等有可能在具有能量捕獲功能的智能裝置中使用。

4.2 云計算技術是未來互聯網的核心支撐技術

各個層面虛擬化技術已經催生“應用即是服務”、“基礎架構與網絡即是服務”的虛擬化范例。各種“物”的虛擬化是下一步主要任務，云計算與物聯網的聚合發展為物聯網的應用開辟了前所未有的舞臺。不健全的安全措施是阻礙IoT應用大范圍推廣的最大障礙?；谠频陌踩?，能夠提高資源的有效利用，推動“物”與云的互動發展。隨著IoT的發展，我們將進入“虛擬-物理”應用發展階段。

礦山物聯網的許多應用都需要移動性、地域上的分布性、定位和低延時，同時，數據要在“微云”或“霧”中實時處理?！拔⒃啤被颉办F”與“云”類似，但處于網絡末端。其網絡架構如圖5所示。

圖5 感知礦山云服務網絡架構

4.3 礦山應急通信網絡拓撲重構和數據傳輸技術

煤礦井下工作環境屬于流動作業，煤礦井下采煤機、液壓支架、刮板運輸機、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。巷道中需要長距離、多跳、寬帶、低功耗、能災后重構的無線傳輸網絡[26-28]?，F有無線組網技術并不能真正適合煤礦的這種需求。圖6是一個設想的應急通信救援系統示意圖，要實現它需要研究以下幾個方面。

1) 研究無線電波在巷道中的傳輸理論，包括無線多徑衰落的規律、適合礦井無線傳輸的頻率、調制方式、帶寬等優化參數。

2) 研究與改進Wi-Fi和WSN技術、認知無線電技術、MIMO技術、M2M技術、礦山6LowPAN(M6LowPAN)技術、UWB技術在礦井的應用。

3) 研究寬帶無線接入技術和大規模異構協同組網技術。

4) 研究局部地區發生災害后的網絡重構問題，這包括無線節點的抗毀能力、不同介質下自適應組網協議、傳輸速率自適應調整技術、不同速率組網技術等等。

圖6 應急救援通信系統的一種設想

5 結論

礦山物聯網是一種云霧密切結合的服務模式，其基本架構表明礦山物聯網的應用是一種開放式的應用(應防止碎片化發展)，它有利于將各種不同的應用服務集成到公共平臺里，便于礦山安全服務更為專業化發展。而且有利于各個專業在同一個公共平臺上為礦山安全協同工作?？偠灾?，礦山物聯網的主要挑戰是如何將現在的礦山物聯網轉變為可動態組態的平臺網絡(Web of Platforms)，用以連接智能裝置、目標、智能環境、服務和人員。

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