感知礦山一一物聯(lián)網(wǎng)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用

煤礦安全生產(chǎn)關(guān)系到人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，各級(jí)政府一貫重視煤礦安全生產(chǎn)問(wèn)題，并采取一系列措施來(lái)不斷加強(qiáng)安全生產(chǎn)工作。通過(guò)不懈努力，煤礦安全生產(chǎn)總體呈現(xiàn)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但是，因?yàn)槊旱V生產(chǎn)是地下作業(yè)，受自然條件影響約束很大，不同的地質(zhì)構(gòu)造和煤層的賦存條件決定了必須采取不同的開拓和開采方法，并且?guī)?lái)了許多自然災(zāi)害，如瓦斯、煤塵爆炸、礦井火災(zāi)、頂板冒落、礦井透水等等，這些都是煤炭生產(chǎn)特有的不安全隱患，人們稍有不慎,就可能造成巨大的不幸。

而且煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜、工作場(chǎng)所黑暗狹窄，人員集中，采掘工作面又隨時(shí)移動(dòng)，由于地質(zhì)條件的變化會(huì)使移動(dòng)的釆掘工作面不斷出現(xiàn)新情況和新問(wèn)題,如不及時(shí)采取相應(yīng)的有效措施,就可能會(huì)導(dǎo)致重大災(zāi)害事故，這就給安全工作帶來(lái)了困難。

目前，煤礦安全生產(chǎn)狀況不容樂(lè)觀。如何加強(qiáng)目前煤礦企業(yè)、集團(tuán)公司、安全部門對(duì)煤礦安全生產(chǎn)管理,實(shí)現(xiàn)管理的現(xiàn)代化和信息化，已成為煤礦企業(yè)關(guān)心的問(wèn)題。因此,應(yīng)建立能夠全面掌握煤礦安全生產(chǎn)信息的“感知礦山”系統(tǒng)，以便全面掌握礦區(qū)地面、井下環(huán)境信息、水文地理信息、煤層信息、巷道信息、機(jī)電設(shè)備信息及工作狀態(tài)、井下人員分布及工作狀態(tài)、每班產(chǎn)量，甚至有關(guān)災(zāi)害預(yù)防、事故救助、應(yīng)急預(yù)案、安全培訓(xùn)等等情況。

為此，本文介紹了基于礦區(qū)信息化和智能化的“感知礦山”的命題，該項(xiàng)目就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成功應(yīng)用在煤炭行業(yè)的很好例證。

1  感知礦山系統(tǒng)簡(jiǎn)介

我們知道，所謂物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備三個(gè)特征，一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息;二是可靠傳遞，通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去；三是智能處理,即利用云計(jì)算，模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化的控制。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并針對(duì)目前煤礦的實(shí)際需求，對(duì)感知礦山項(xiàng)目的技術(shù)設(shè)計(jì)如下：

感知層設(shè)備由大量可以感知環(huán)境、機(jī)電、人員等傳感器構(gòu)成，如：風(fēng)速、風(fēng)量、溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、電壓、電流、功率傳感器，以及甲烷、CO、CO₂、O₂、錨桿壓力、鉆孔應(yīng)力、頂板離層環(huán)境傳感器、跑偏、堆煤、煙霧、皮帶打滑等傳感器、同時(shí)還包括煤倉(cāng)料位計(jì)、水位計(jì)等傳感器以及攝像機(jī)、RFID人員標(biāo)識(shí)卡等等。這些傳感器分布在礦區(qū)的地面和井下，從而構(gòu)建了一個(gè)龐大的傳感網(wǎng)絡(luò)層，為全面感知提供保證。

網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備主要由鋪設(shè)在地面、井下的千兆光環(huán)網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、路由器、防火墻、服務(wù)器，以及用來(lái)無(wú)線覆蓋的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)。這些構(gòu)建了覆蓋整個(gè)礦區(qū)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，以完成可靠傳輸功能。

應(yīng)用層是礦區(qū)綜合信息平臺(tái)，包含了礦區(qū)3DGIS系統(tǒng)、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、短信管理平臺(tái)、礦區(qū)應(yīng)急指揮系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等，可對(duì)礦區(qū)大量的安全數(shù)據(jù)、生成數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)礦區(qū)實(shí)施智能化的控制和監(jiān)測(cè)。

應(yīng)用層平臺(tái)軟件應(yīng)提供各種通用的數(shù)據(jù)接口，在此之上，就可以方便地對(duì)提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、礦井通信系統(tǒng)、應(yīng)急救援通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、井下調(diào)度無(wú)線通信系統(tǒng)、大巷運(yùn)輸系統(tǒng)、選煤廠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水泵房監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)等進(jìn)行無(wú)縫鏈接，最后經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)統(tǒng)一傳輸?shù)綉?yīng)用層上進(jìn)行統(tǒng)一管理，圖1所示是其系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖。

利用該結(jié)構(gòu)就可以真正地實(shí)現(xiàn)礦井“采、掘、運(yùn)、風(fēng)、水、電、安全”等生產(chǎn)環(huán)節(jié)上的信息化和自動(dòng)化，從而達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)、優(yōu)化管理之目的。

2  感知礦山系統(tǒng)構(gòu)成

感知礦山是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并融合了先進(jìn)的自動(dòng)控制、通訊、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，將企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程控制、運(yùn)行與管理作為一個(gè)整體進(jìn)行控制與管理，以提供整體解決方案，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理，從而提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。事實(shí)上，“感知礦山”是煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的有效手段，對(duì)于提高煤礦的生產(chǎn)運(yùn)行狀況、安全水平、事故災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及生產(chǎn)業(yè)務(wù)管理水平具有重要的作用。

3  技術(shù)特點(diǎn)

本文介紹的“感知礦山”系統(tǒng)主要依托礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的高速光環(huán)網(wǎng)絡(luò)和3G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)推進(jìn)煤礦礦井生產(chǎn)過(guò)程控制,來(lái)促進(jìn)企業(yè)綜合信息化。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化、業(yè)務(wù)信息集成化、信息管理網(wǎng)絡(luò)化,最終實(shí)現(xiàn)煤礦管理決策的科學(xué)化、現(xiàn)代化和智能化。系統(tǒng)建設(shè)特點(diǎn)如下：

首先，各生產(chǎn)過(guò)程可全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并在信息中心分別對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，以達(dá)到高產(chǎn)高效的目的；

其次，應(yīng)遵循先進(jìn)、可靠、實(shí)用的原則，盡量減少投資，節(jié)約成本。還應(yīng)加強(qiáng)自動(dòng)化系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)在煤炭行業(yè)的通用性。

第三就是要能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和信息管理的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)信息系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的無(wú)障礙存取。

再就是應(yīng)用平臺(tái)系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò)管理軟件等均基于WEB瀏覽器模式開發(fā)，可支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程維護(hù)。

最后是可提供智能的網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)監(jiān)控、調(diào)試、診斷功能，應(yīng)保證系統(tǒng)維護(hù)管理簡(jiǎn)明、方便、有效,并應(yīng)保證在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能夠方便及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障和排除故障。

4  案例介紹

汝箕溝煤礦位于賀蘭山腹地汝箕溝井田南翼，是神華寧煤集團(tuán)主力生產(chǎn)礦井之一,煤炭生產(chǎn)能力150萬(wàn)噸/年。汝箕溝煤礦迄今已有一百八十多年的歷史,煤礦資源豐富，品質(zhì)優(yōu)良，出產(chǎn)的太西煤以其“三低六高"的特點(diǎn)被譽(yù)為“煤中之王.

針對(duì)寧煤汝箕溝礦的實(shí)際情況，本著信息網(wǎng)絡(luò)通盤考慮，兼顧煤礦原有建設(shè)投資和未來(lái)發(fā)展需求，在寧煤汝箕溝礦建立了一套完整的感知礦山系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建設(shè)將逐步實(shí)現(xiàn)全礦信息化管理，最終全面提升礦安全生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)管理水平。

該系統(tǒng)納入集中監(jiān)控的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)覆蓋著煤礦生產(chǎn)、安全的整個(gè)過(guò)程，同時(shí)包括主煤流運(yùn)輸、井下供排水、35kV變電所、地面變電所、井下變電所、礦井通風(fēng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、給排水、水處理、主井提升等。需要納入集中監(jiān)測(cè)的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)有礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)、火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、綜掘工作面、注氮、注漿等。

網(wǎng)絡(luò)層通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為1000MB工業(yè)以太網(wǎng)，分地面1000MB光纖環(huán)網(wǎng)和井下1000MB光纖環(huán)網(wǎng),地面和井下的環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)分別掛接在環(huán)網(wǎng)上，并為監(jiān)控分站接入提供10MB/100MB下聯(lián)接口。每個(gè)環(huán)網(wǎng)中的兩個(gè)邏輯獨(dú)立的單環(huán)的傳輸方向相反，且可配置成自動(dòng)切換的自愈環(huán)。圖2所示是其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

感知礦山智能平臺(tái)可將礦井各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備監(jiān)控融為一體，與工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)協(xié)作，利用工業(yè)以太網(wǎng)，在地面中央信息中心控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)全礦井各生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備的監(jiān)視和控制。同時(shí)可將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給礦級(jí)領(lǐng)導(dǎo)，使礦級(jí)領(lǐng)導(dǎo)在辦公室通過(guò)計(jì)算機(jī)即可隨時(shí)了解礦山安全、生產(chǎn)、財(cái)務(wù)、人事、運(yùn)銷等各種信息，實(shí)現(xiàn)全礦井的統(tǒng)一調(diào)度和統(tǒng)一管理。

汝礦數(shù)據(jù)中心服務(wù)器可以通過(guò)專線和寧煤集團(tuán)信息中心聯(lián)網(wǎng)，本地中心服務(wù)器作為集團(tuán)中心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分站，實(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)據(jù)采集和初步分析。經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)可以發(fā)送給信息中心，由信息中心服務(wù)器做統(tǒng)一處理或存儲(chǔ)，圖3所示是該系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)管理網(wǎng)頁(yè)圖。

該方案的技術(shù)起點(diǎn)高、針對(duì)性強(qiáng)。該系統(tǒng)一方面充分利用了煤礦現(xiàn)有自動(dòng)化設(shè)備，可將不同時(shí)期、不同廠家、不同自動(dòng)化水平的設(shè)備綜合一起，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理;另一方面，也可實(shí)現(xiàn)煤礦綜合自動(dòng)化、綜合信息化的目標(biāo)，以期達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)水平。該方案的實(shí)施必將為神寧其他老礦的綜合信息化、自動(dòng)化改造提供具有示范和借鑒意義的應(yīng)用依據(jù)。

5  結(jié)語(yǔ)

“感知礦山”通過(guò)全面感知，可對(duì)礦區(qū)的人（人員定位、無(wú)線通信）、設(shè)備（綜合自動(dòng)化）、環(huán)境（安全監(jiān)控、礦壓監(jiān)控等）進(jìn)行全面感知。并通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)、全面覆蓋:礦區(qū)地面井下用1000MB高速光網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線信號(hào)覆蓋；同時(shí)還具有直觀形象的應(yīng)用，可通過(guò)3DGIS礦區(qū)全息展示來(lái)全面感知礦山。

感知礦山系統(tǒng)可用于煤礦（地面、井下）安全生產(chǎn)、煤炭行業(yè)綜合信息化、稅務(wù)局、煤炭局、縣區(qū)煤炭產(chǎn)量監(jiān)控、林業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控，也可用于電力系統(tǒng)高壓開關(guān)監(jiān)視和控制等多個(gè)場(chǎng)景?！案兄V山”實(shí)施的難點(diǎn)是如何將所有與礦區(qū)安全、生產(chǎn)相關(guān)的感知層不同系統(tǒng)接入統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及應(yīng)用平臺(tái)集中展示;感知礦山技術(shù)的價(jià)值是發(fā)揮其智能化實(shí)際應(yīng)用。

感知礦山不僅可提高礦山的安全管理水平，更多的是涉及到生產(chǎn)，如利用信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)礦區(qū)煤運(yùn)皮帶、煤倉(cāng)、洗煤廠、水倉(cāng)、變電站等各個(gè)生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)的感知和控制，故可很大程度提升礦區(qū)的自動(dòng)化生產(chǎn)能力。該技術(shù)不但是物聯(lián)網(wǎng)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用典范，同時(shí)也體現(xiàn)了先進(jìn)信息技術(shù)與煤炭工業(yè)的深度融合，可實(shí)現(xiàn)“兩化融合”。