工業物聯網背景下智慧礦山建設現狀及關鍵技術探討

樊 榮，徐青云

(山西大同大學 煤炭工程學院， 山西 大同 037003)

在信息領域，經歷了互聯網和移動通信網信息革命之后，人類又迎來了“物物相連”的物聯網信息浪潮[1]。物聯網是一個通過感知設備獲取信息，采用標準互操作通信協議，把各種物品與互聯網連接起來，進行信息交互和數據處理，實現一系列如“識別”、“定位”、“監控”等特定功能的網絡。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[2]。近年來，由于物聯網技術及相關產業發展迅速，許多國家都將物聯網產業作為新的經濟增長點，并制定國策予以扶持。

目前,許多其他領域的大型企業還沒有意識到物聯網與該產業領域相結合的重要性，依然采用傳統的生產經營方式，而我國煤炭領域的許多企業敏銳地抓住了物聯網信息浪潮這一契機，把智慧礦山的建設作為其產業轉型發展的方向，如中煤集團、晉能控股集團、華陽集團、陜煤集團等紛紛加入到智慧礦山的建設行列中來。當前在工業物聯網的大背景下，利用物聯網、大數據等信息技術對煤炭行業的生產、安全監測等方方面面進行改造升級，已成為行業的普遍共識[3]。而礦山作為工業物聯網一個重要的應用場景，國內許多機構已經開始“抱團”研究礦山物聯網的建設，希望通過協同合作來促進礦山智能化的發展，建立了如“中國礦業聯合會智能礦山工作委員會”、“煤礦智能化開采技術創新中心”、“中國智慧礦山協同創新聯盟”等單位[4]。截至2021年底，我國已建成687個智能化采掘工作面，其中，智能化采煤工作面431個，智能化掘進工作面256個，煤礦生產智能化程度不斷提高，這些都為物聯網智慧礦山的建設開了一個好頭。

1 礦山信息化發展與物聯網的關系

煤礦信息化技術的發展經歷了單機設備自動化、礦山綜合自動化以及現在的工業物聯網背景下的智慧礦山建設階段(如圖1所示)。其中，單機自動化可以實現采礦作業過程中一個子流程的自動化，礦山綜合自動化可實現各監控系統的聯網集成，實現三網合一的數據、音視頻傳輸，并使用統一的數據庫存儲各子系統的數據，進而實現了全礦井的整體信息化。這些都為智慧礦井的建設奠定了基礎。智慧礦山的建設代表煤礦工業先進生產力的發展方向，是破解煤炭行業發展難題的重要手段，也是實現能源技術革命的必由之路，這些已經成為采礦業界的廣泛共識。利用工業物聯網中的感知系統，可以實現對煤炭生產過程中的人員、設備和地質環境的有效監控，對可能發生的事故起到超前預防的效果。從而使煤礦監控體系由過去的“間斷性檢查”轉變為“連續實時監控”，使得監控效果更加及時有效，分析過程更加智能化，應急救援也由“事后反應”向“自動響應”的方向轉變，進而使煤礦更好地滿足安全高效生產的要求。

圖1 礦山信息化發展示意

2 智慧礦山建設過程中存在的主要問題

煤礦生產由多個子系統組成，其中包括采掘系統(含采煤系統與掘進系統)、運輸系統(含膠帶運輸系統與絞車運輸系統)、人員定位及管理系統(含人員定位系統、設備定位系統、考勤管理系統)、各種監測系統(含瓦斯、水文、礦壓、供電等監測系統)等(如圖2所示)。

圖2 煤礦生產系統組成示意

同時煤礦生產面臨著復雜的地質條件、礦山壓力、瓦斯、一氧化碳、地下水及煤塵等，這些條件以及井下各種設備與煤、巖一起構成了一個復雜的系統[5]。在多種復雜的因素影響下，井下信息數據的傳輸及處理存在很大的困難，煤礦生產的許多數據不能被準確采集，及時傳輸，完善處理，極大地制約了煤礦安全、高效、清潔、綠色生產目標的實現。因此就監控監測方面而言，現階段的礦山還不是一個清晰透明的礦山。

隨著現代科技的進步，礦山建設逐步向智能化的方向邁進，智慧礦山的建設已經成為煤礦行業發展的一個必然趨勢。然而智慧礦山的建設面臨著以下的幾種問題。

2.1 傳統且單一的感知手段

目前，煤礦使用的專用傳感器在自身性能和對礦井環境的適應性方面均有待提高，當前礦用傳感器主要存在精度不足、可靠性較差、價格昂貴、能耗大等問題，缺少性能強大且能夠適用于礦井復雜環境的智能傳感器。雖然目前光纖光柵傳感器已經開始推廣，但總體來看適用于煤礦井下復雜條件的新型傳感器仍然比較缺乏。由于缺乏有效的感知設備，無法收集到實時完整的數據，使得智慧礦山的建設無從談起。因此研發一些具有感知準確，體積小，便于機載等特點的礦用傳感設備，對于礦山智慧化建設具有重要的意義。

2.2 缺乏無處不在的感知網絡

目前，地下工程作業環境仍未能形成一個統一的、無處不在的網絡，現有的網絡對井下人員設備的定位存在很大的盲區，無法做到對井下作業區域的全覆蓋，難以實現對井下安全信息的完全感知。為使煤礦的監測水平擺脫“機載監測、離線分析”的階段，需要研究多種技術，最終形成一套覆蓋范圍廣、信號強、適用于井下特殊環境的無線感知網絡。

2.3 缺乏應用層面的信息融合

礦山綜合自動化階段雖然實現了各個子系統的網絡化集成，但是各個應用系統之間無法實現信息互操作，軟硬件之間缺乏共同的技術標準，因而無法實現有效的信息融合。在礦山物聯網的建設中，需要大力發展接口技術、大數據技術，以此來打破信息交互存在的阻隔，大大提高信息融合處理效率。

2.4 智能化設備缺乏故障時自判斷與自處理能力

實現煤炭開采的數字化、連續、自動穩定運行是智慧礦山建設的必然要求，而目前井下智能設備故障率較高，且缺乏故障發生時進行自判斷和自動化處理的能力，嚴重制約了煤礦智能化的發展。從當前發展水平來看，設備發生故障后仍需進行離線分析來處理，如果生產中某一重要裝備發生故障，就會嚴重影響井下作業的進度。

2.5 跨學科交叉研究不足

礦山可以作為采礦、地質、安全和自動化等多個學科的研究對象。從目前的研究情況來看，各學科的人才均是從本學科的角度出發來研究礦山，不能實現有效的學科融合，比如在研究煤礦重大災害機理研究，礦用設備故障分析及處理等煤礦生產中重點難點問題時，采礦、水文地質、機械、監測監控、智能信息處理技術等多學科研究融合不夠，無法有機地結合多學科層面的知識，去形成一套行之有效的解決方案。

2.6 缺乏多學科、多專業的協同工作平臺

目前智慧礦山建設中所用的軟硬件技術，都是各自獨立地在礦山物聯網中進行應用，缺少將信息獲取、信息分析和信息應用有機結合的一個平臺;要完成物聯網智慧礦山的建設，同時滿足多學科、多專業協同工作的要求，就必須建設一個具有公共標準的智慧煤礦數據統一共享平臺，實現信息資源共享，使得多學科專家能夠在一個共同的平臺下進行協同工作。而煤礦行業在礦山綜合自動化階段還沒有形成一個共同標準的平臺。

2.7 缺乏礦山信息化標準建設

煤礦信息化發展到現有的階段依然缺乏標準的建設，由于缺乏統一的標準，煤礦的各種礦山網絡系統很難由服務商進行標準化供應，另外缺乏統一的數據規范和通信接口，也制約了煤礦智能化系統的信息安全性、系統靈活性以及可擴展性的提升。上述情況的存在大大制約了智慧礦山的標準化建設。

3 智慧礦山建設關鍵技術探討

3.1 礦用低功耗微型智能傳感器相關技術

信息的準確獲取對物聯網技術的實現有著非常重要的意義，同時物聯網技術的應用涵蓋來自于各種渠道的，多種多樣的信息數據。其中，礦山物聯網中所需的信息主要為煤礦生產過程中人員設備的定位信息，礦壓、瓦斯含量等相關數據的監測信息，以及災害來臨前預警等信息，總結概括為煤礦生產過程中發生的物理事件和數據(含各種井下物理量、音視頻數據等)[6-7]。要獲取準確豐富的數據，首先需要傳感設備具有穩定的連接性，如果連接性差的話會出現諸如部署儀器后失去訪問權限、無法定期獲取讀數等問題，嚴重影響煤礦生產的安全性以及生產效率。由于煤礦生產屬于井下流動作業，因此礦用感知設備需要滿足連接性好、可移動、集成程度高、感知信號強、穩定性強、功耗低等特點[8]。為此，需重點研究以下方面。

1) 通過對傳感器原理、感知方式、煤礦各種重大災害機理進行多方面研究，將傳感器數字化并賦予其可靠、負擔得起的通信能力，解決好傳感設備的連接性、穩定性問題，進而解決煤礦特殊環境條件下的信息感知采集的問題。

2) 通過研究滿足可移動需求的新型傳感設備、無線通信信號分析方法等，來解決礦井災害發生前的及時預警問題和礦井災害發生區域準確定位問題[9]。

3) 礦山物聯網的建設需要考慮設備消耗能量的問題，低功耗組件是礦山物聯網建設的要求之一。目前，主要采用低功耗通信協議包括藍牙低能耗技術、超帶寬、ISO18000-7 DASH7、IEEE802.15.4、射頻識別技術等來解決通信裝置耗能較大的問題。

通過對傳感器相關技術的研究，再結合雷達、天線等非接觸手段，可以更加完整準確地獲取數據。同時加強對生產系統健康評估模型、生產系統壽命預測、以及結合生產調度條件下維修預知決策模型的研究，可以增強傳感設備故障時的自判斷和自處理的能力，從而有效解決相關設備故障率高的問題，提高設備的可靠性。

3.2 霧計算與云計算技術

霧計算是一種由許多較為分散的獨立節點完成的網絡化計算。霧計算具有實時性強、低延時、移動性好的特點。以粉塵濃度超限為例，我們收到粉塵濃度超限的信號，卻無法判斷粉塵超限的原因、發生區域超限消息是否為誤判。利用霧計算，可以將相鄰的幾個粉塵濃度傳感器和一些其他相關傳感器搜集來的信息進行整合，從而判斷粉塵濃度超限信息的準確性、發生區域、以及是否啟動除塵裝置等問題。

在煤礦生產過程中，像這樣的底層節點計算將會有廣泛的應用。霧計算強調獨立節點之間的局部實時交互，強調節點具有數據分析和反饋的計算功能。與云計算相比，霧計算所采用的架構是分布式的，更注重網絡邊緣底層節點的數據處理和交互能力。霧計算通過將大量的應用程序，數據處理等集中在靠近應用端的網絡邊緣節點，可以更好地提高其對煤礦生產過程中不同應用和服務類型的適應性。如圖3所示，明確給出了霧計算和云計算的區域劃分?；旧?，分布在底層設備上的數據處理屬于霧計算范疇，向上屬于云計算范疇。

圖3 云計算與霧計算架構示意

礦山物聯網的建設需要大量云計算的應用已成為業界的共識[10]。以下是礦山云計算應用的兩個特點:

1) 礦山云計算與霧計算密不可分。霧計算平臺增強了各個底層節點獨立分析處理數據的能力，更好地滿足了煤礦作業實時性的需求，同時完成了底層的數據搜集與信息融合，為礦山云計算的實施奠定了必要的基礎。與一般的云計算平臺不同，礦山云計算不需要功能十分強大的服務器，許多礦山云應用現場只需一臺聯網計算機就能滿足要求[9]。一般來說，普通云更加強調網絡中心集中計算能力，而礦山云則更加強調網絡邊緣底層節點的計算能力[11]。通過礦山云計算和霧計算的應用，煤礦生產環境中布置大量的底層節點結合無線通信技術可以有效地克服井下感知盲區的問題。

2) 礦山云計算的應用將涉及到多個學科如采礦、機電、安全、地質等，需要各個領域的專家人才提供專業化的服務?，F如今實現礦山云計算的關鍵在于將各個領域專家提出的模型、方案、技術等成果，有機地整合到礦山云平臺上，這樣可以有效進行學科交叉研究，實現優勢互補，大大提高信息融合處理的效率。

3.3 礦山應急通信網絡拓撲重構和數據傳輸技術

煤礦生產作業處于一種流動的工作環境，煤礦生產作業中“三機”等生產工作設備與巷道、工作面等井下環境，共同構成一種特殊條件下的通信環境。在這種通信環境中實現數據傳輸的無線通信網絡需要具備長距離、多跳、寬帶較寬、覆蓋范圍廣、功耗較低、災后易重構等特點[12-13]。然而現有的組網技術要想實現這種特定環境下的數據傳輸仍需很大的改進，因此需要進行以下幾個方面的研究。

1) 研究在巷道這種特殊環境中無線通信技術的傳輸理論，分析適合礦井無線傳輸的信號頻率、調制解調方式、帶寬等參數并進行優化。

2) 研究改進無線傳感器網絡技術、Wi-Fi技術、超帶寬等技術在礦井的應用。以無線傳感器網絡技術為例，首先應該研究其測量節點在礦井中的分布(解決無線感知網絡全覆蓋問題)，然后研究網關選擇的問題，以及為所選網關適配合適的控制器，以此來實現數據的采集、加工、分析和顯示。

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。同時，研究災害發生時，不易被破壞區域的位置，并在這些位置進行設備安裝，便于災害后的網絡重構。

3.4 人工智能與大數據技術的礦山應用

隨著人工智能和大數據技術的發展及其在采礦系統中的應用，煤礦生產系統就可以處理更大規模如涉及TB級的數據，有益于煤礦生產。例如，對于圍巖應力應變監測，基于人工智能技術研發的礦用機器人可以進入巷道搜集巷道變形前、后的應力應變相關數據，并結合大數據技術進行分析，這樣就可以更加準確地了解圍巖的受力情況和變形特征，進而進一步推測所監測圍巖可能發生的破壞方式。類似的，在分析圍巖的破碎程度時，大數據技術進行分析后，就可以準確、明了地將有效的數據傳遞給鉆爆建模/計劃周期，可以最大程度地減少超挖或控制采場和掘進方向的爆破碎片。

結合大數據與人工智能技術對傳統的礦山開采進行改造升級，是煤礦行業發展的一大契機。在傳統的采礦過程中，現場儀器搜集到的大量數據并未得到充分的利用[14]。通過運用大數據技術并在工業物聯網背景下建立傳感網絡，可以實現對礦山海量數據的有效利用，隨著井下巡檢、搜救機器人的運用，結合邊緣計算實時警報系統的建立，井下作業也會變得越來越安全。隨著這些技術的進步，智慧礦山建設所獲得的經濟效益和社會效益將遠遠大于建設時所投入的成本。

人工智能可以將物聯網的優勢提升到一個新的水平，從而確保礦山可以利用大規模數據集中實現真正的價值。而遠程運營中心的進步，也在推進著礦山信息數據實時化的建設，將人工智能、機器學習等技術運用到遠程運營中心，可以更好地實現對井下作業情況的把控，以及更好地完成煤礦生產重大事件的決策。利用大數據技術可以對整個采礦系統的大量數據進行分析，有助于逐步解決煤礦生產中存在的問題，實現對煤礦生產業務長期、可持續的改進。

4 工業物聯網背景下智慧礦山建設展望

隨著智慧礦山的發展，一方面在工業物聯網的大背景下煤礦生產設備逐步趨于智能化，顯著提高了煤礦企業的生產效率;另一方面，智能感知礦山信息能夠更好地滿足井下動態作業人員設備實時定位的需求，準確獲取位置信息，使得井下人員的生命安全得到更好的保證，同時實現了設備運行狀態的實時監測，從而有效解決了煤礦生產的安全問題。

工業物聯網涵蓋了許多現代信息技術，而智慧礦山的建設就是在這種大背景下，運用多種智能技術，實現煤礦生產監測等多個方面的智能化，更好地實現煤礦“減人提效”的需求，促使煤礦向安全、高效、綠色、智能方向邁進。礦山物聯網的建設是一個漫長的過程，雖然智能化建設目前已經取得了一定的成效，然而建設過程中存在許多尚待解決的問題，智慧礦山建設所需的多項關鍵技術仍需進一步研究發展，隨著各項技術的逐步升級發展，我國終將完成礦山信息技術的變革，屆時煤礦行業將實現完全的智能化，礦山物聯網的建設將為我國煤礦行業乃至整個能源行業做出應有的貢獻。