矿山物联网系统技术与安全浅析

王乾屹

摘要：我国煤炭储存形式多样且复杂，煤矿开采和挖掘设备落后，自动化水平普遍较低，需要长时间井下作业的人仍然很多，对于生产安全监控网络和相应的安全检测系统的应用也不成熟不规范，再加上缺乏管理经验，使得生产成本高，达不到理想的安全生产。与此同时对于现今煤矿综合自动化的应用，仅仅是将众多子系统联接到了总体网络上，实现的基本还是原来各分立的子系统的功能，没有实现1+1>2。而运用物联网技术就可以帮助我们深入改善和解决这一系列问题，从而实现互联网与自动控制和网络系统的高度融合，并引进“感知物联”的理念实现可控，可信，可管，可直观实时监控的更安全更高效的安全监控网络和矿山物联系统。

关键字：矿山物联网 安防系统 感知物联网 综合一体化

物联网的定义

随着2010年温家宝总理在政府工作报告附录中首次对物联网进行了比较权威和详尽的解释，物联网这个快速发展的新兴科技逐步走入的大众的视线并带动了新一轮的科技进步。“物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把需要联网的物品与网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪监控和管理的一种网络，它是在网络基础上的延伸和扩展应用”。然而对于这个概念的定义，在此又不单一的对于互联网来规定，而是需要联网的系统和物体，同时强调物联网是网络的延伸和扩展应用。这样能够更好的适应和配合当前物联网的发展趋势和要求。

现今国内煤矿物联网系统技术

我国煤炭资源丰富，劳动力廉价，在国际市场竞争中本应占有优势，但是我国煤炭储存形式多样且复杂，煤矿开采和挖掘设备落后，自动化水平普遍较低，需要长时间井下作业的人仍然很多，对于生产安全监控网络和相应的安全检测系统的应用也不成熟不规范，再加上缺乏管理经验，使得生产成本高，达不到理想的安全生产。全国煤矿事故死亡人数居高不下，百万吨死亡率大大高于世界主要产煤国家平均水平，严重影响了煤炭工业的可持续发展和社会的稳定。

不过随着国家对于煤矿等重要资源开采项目的高度重视，政府对于煤矿开采技术开发的大力支持，煤矿企业在各种安全监控、生产监控系统方面的加大投入，对保证矿山的安全和正常生产起到了重要作用。然而以目前的形式距离我们理想的安全生产，可控、可信的安全监控网络体系还需要时间去尝试和实践。在目前的装备和技术水平下，无法根除各种安全隐患，矿山灾害时有发生。

现有的安全生产监测监控系统，由于生产厂商和系统建设时期不同，各个系统之间没有统一的通信协议和接入技术，系统之间的数据结构差异很大，呈现多源性和异构性。

国内现有的煤矿安全监控系统主要以联网监测为主构架，由监测终端、监控中心站、通讯接口装置、井下分站、传感器组成，主要方式是在矿井下固定地点安装各种适应的监测传感器，再通过长电缆将收集整合到的数据传到地上的监控中心站。然而很显然这样的系统存在弊端，真正参与项目，我们不难发现其布线难度大、环境适应性低、维护成本高等问题。

物联网安防系统技术的改进与实现

目前随着物联网研究的不断深入，例如視频识别技术、Zigbee等物联网技术应用于煤矿安全管理中已经成为了完善和提高物联网安全监控系统新的突破方向。具体的研究层次可以分为 1、根据工作频域由高到低将射频识别标签 分为低频段（30KHz-300KHz），中高频段（3MHz-30MHz）和超高频段与微波段（例如433MHz，2.45GHz，5.8GHz）。

这一先进的理念运用在国外已经得到成功运用， 2008年多媒体和信息技术国际会议上有学者发表了一篇煤矿物联网系统的论文。该系统由发射器和接受器组成。矿工带有发射机，一旦事故发生，救援使用接收器来同UHF频段的发射机沟通，通过观察接收到的信号水平来判断方向。这个无线电模块采用内置低噪声放大器，数字滤波器，匹配网络，RSSI 和DDS+PLL频率合成技术。这个系统使用433 MHz工作频率，以提高渗透性，高衍射性和长距离识别。

前不久，美国国家标准和技术研究院无线通信技术小组就进行了一个多跳网络自动部署的可行性研究，他们采用实时测量链路，并考虑移动多径衰落环境以及无线电物理层的特点。原型系统是基于900 MHz Tinos支持低速率数据的应用。

而在国内，也不断有基于物联网的多维融合以增强矿山安全开采，并进一步实现安全可信的监控网络体系。2011年8月 国资委联手中国移动实现用物联网技术提升煤矿安全水平。项目命名为“E矿山”。其通过手机可以实时监控矿井安全生产状况，井下瓦斯浓度超标情况，手机会随机收到告警短信，如果没有在限定时间内处理，系统将自动发起语音呼叫。“E矿山”是将物联网技术、移动通信技术。GPS定位技术与矿山现有信息化系统紧密融合，集成矿井人员定位、安全数据检测、视频监控、重点工程管理、生产日报、安全预警、信息发布等七大功能模块，实现了用手机等无线终端实时掌握煤矿企业“产、运、销”等环节信息，并对企业进行拽屁会调度的一套信息管理系统。

基于感知物联网的矿山综合自动化的实现与应用

对于矿山物联网系统技术我们提到也接触过很多概念，如数字矿山、矿山综合自动化、信息化矿山、智能矿山等。“感知矿山”是在综合了这些概念的基础上，更加真实和全面地描述矿山系统与安全状况。那对于综合一体化又作何解释呢，综合自动化实现了将煤矿各种监测监控子系统整合到一个平台里，实现了煤矿生产与安全系统的网络化监控，同时这为感知矿山的实现和应用打下了良好的基础。但这样简单的整合和宏观的聚集对于矿山网络系统的价值没得到应有的提升，最重要的是没有给矿山安全带来明显的改善。以太网发明人之一迈特卡夫曾预测网络的价值是与联网的设备数的平方成正比。煤矿综合自动化将众多子系统联接到了总体网络上，实现的基本还是原来各分立的子系统的功能，没有实现1+1>2。而对于物联网这个本身就是基于统一网络，物联网本身就是要在GIS（地理信息系统）和GPS（全球定位系统）下实现定位的应用，我们通过它就可以进一步提升综合自动化和网路系统的互补运用，进而实现1+1>2,实现了控制与网络一体化的应用。

利用物联网应用平台技术，提高集成信息的价值；利用移动感知技术，提高煤矿安全信息的感知能力。。利用物联网技术进一步完善矿山综合自动化，使其更加适应矿山的真正需要。这正像国内知名网络专家曾说的那样“物联网应用是在互联网应用的基础上不断发展和强大的”，来进一步丰富和扩展互联网的应用。这是感知矿山物联网系统技术的优势和真正价值所在。

【参考文献】

中国矿业大学物联网研发中心 矿山感知系统工程设计方案

安防知识网 煤矿行业物联网技术初步应用