基于煤矿企业的矿山物联网应用技术研究

王吴宜

（开滦集团信息与控制中心，河北省唐山市，063018）

基于煤矿企业的矿山物联网应用技术研究

王吴宜

（开滦集团信息与控制中心，河北省唐山市，063018）

阐述了矿山物联网的架构、网络平台、软硬件系统和技术标准，针对煤矿生产实际情况，分析了矿山物联网的主要子系统。通过对矿山物联网应用技术研究，为我国矿山物联网产业的发展在概念界定、体系架构、技术标准、示范矿井建设等方面起到引领性的作用。

煤矿 物联网 体系架构 标准 子系统

1 概述

物联网是生产社会化、智能化发展的必然产物，是现代信息网络技术与传统产业市场有机结合的一种创造。这不仅可以极大地促进社会生产力发展，而且能够改变企业生产管理方式，物联网对煤炭企业生产方式也将产生深刻影响。2012年是我国发展战略性新兴产业的政策全面启动和推进年，国务院正式发布的《工业转型升级规划（2011－2015年）》已经将培育发展战略性新兴产业融合到传统产业转型升级之中。因此，非常有必要对煤矿企业进行矿山物联网的应用技术研究。将煤矿企业涉及到的生产、安全、运输、销售、机电、物资、供应、统计、人力等各个分支环节集成为一体，实现各类信息的统一管理和使用，通过对整体矿山环节的各类数据存储和分析，最终实现提供决策信息和解决方案并自动反馈给相应的系统和设备。系统运行数据通过信息化神经网络实现数据融合，通过云计算功能进行数据集中处理，实现数据在统一的时间坐标和和空间框架下，将矿山信息资源进行全面、高效、有序地管理和整合，完成矿山企业所有信息的精准化采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现和自动化操作。

2 矿山物联网定义

矿山物联网就是将全面化的传感技术、多样化的通信技术、智能化的计算技术与自动化的控制设备相结合，通过全覆盖的高速网络将人、设备、环境等要素相连结，实现矿山企业全面感知、自动控制和智能管理的物联网系统。其网络架构分为感知层、控制层和管理层3个层级，感知层与控制层相结合实现自动化的全面感知，控制层和管理层相结合实现智能化的自动控制，整体则实现全面化的智能管理，构建形成“感知矿山、控制矿山、管理矿山”和基于局域网的矿山企业标准化综合管理“共有云”平台。

2.1 全面感知

在感知层，通过感知矿工自身实现实时定位与主动式的安全保障，通过感知矿山设备运行状况实现实时控制与预知管理，通过感知矿山环境实现灾害预警与应急救援。其特点是一切“人、物、环境”要素均可寻址，实现实时定位、可视化监控和智能化感知，全面提升矿井安全管理水平。

（1）感知内容。感知层感知内容应包括人员位置及动作、现场实景、全部矿山设备及其运转状态、瓦斯气体、煤尘粉尘、水情、火情、岩体外形及形变、温湿度、电磁及射线、可见光、灾害动态等。

（2）核心技术。感知层核心技术应包括生命探测技术、人员实时定位技术、双向信息传输技术、多参数智能传感技术、RFID电子标签技术、视频监控技术、移动计算技术、三维数字化实景模拟技术、智能诊断技术、重大危险源智能监控与处置技术、科学调度管理技术、各种有线及无线通信技术、设备安全稳定技术、红外激光灯感知技术、智能芯片技术等。

（3）子系统平台。感知层子系统平台应包括采掘（采煤机、综掘机、单体支柱、液压支架）、提升、运输（绞车、电机车、矿车）、通风（通风机、局扇）、排水（水泵）、供电（变压器、开关）、人员、调度、灾害预警、应急救援、广播等。

2.2 自动控制

在控制层，依托遍布地上地下的光纤网络、电力线网络及无线网络，利用智能算法及控制技术，实现对矿山设备和感知层终端的自动化控制。

（1）控制内容。控制层控制内容应包括全部矿山设备及其运行操作、通信信号与数据传输、数据存储分析纠错等。

（2）核心技术。控制层核心技术应包括工控自动化技术、有线及无线通信技术及相关协议、自组网技术、设备及网络接口技术、智能计算及算法技术、大规模数据存储技术、容错纠错技术、IP传输技术等。

（3）子系统平台。控制层子系统平台应包括地上环网、地下环网、安全生产管理子系统自动化平台、智能计算系统、有线无线通信节点、多源异构平台、接口兼容设备系统、数据信息存储及容错纠错系统等。

2.3 智能管理

在管理层，通过云计算技术及面向对象的应用程序、显示设备、控制设备等实现智能显示、智能分析、智能决策，从而实现智能管理。

（1）管理内容。管理层管理内容应包括人员管理、设备控制及诊断维修管理、生产运输管理、安全管理、重大危险源管控监、灾害预警及应急救援管理、工业视频监控、决策管理、ERP管理、数据信息管理、实景仿真模拟等。

（2）核心技术。管理层核心技术应包括云计算技术、智能控制技术、诊断分析技术、三维模拟技术、视景仿真技术、移动智能管理终端技术、表单信息处理技术、面向对象的管理软件技术、工业视频技术、智能决策分析技术、数据信息实时处理技术、远程遥控技术等。

（3）子系统平台。管理层子系统平台应包括多源异构管理平台、煤矿标准化综合平台、综采提升运输等生产管理平台、重大危险源管控监平台、灾害预警与应急救援平台、人员管理平台、财务管理平台、决策管理平台、实景监控平台、设备诊断与维修管理平台、机电设备控制平台等。

2.4 “共有云”平台

以云计算技术搭建的矿山物联网系统是一个基于局域网的开放式“共有云”平台，可以将矿山企业全部的人员、设备、环境及现有的自动化系统、管理系统等接入平台，真正实现信息共享，实现人机、人人、机机互联，实现智能感知、智能控制和智能管理。

3 矿山物联网架构

矿山物联网系统是一个适合矿山企业生产、安全、决策以及管理实际需要的平台，是基于矿山企业局域网上的“共有云”平台，是对矿山企业现有自动化系统、矿山设备以及管理平台的全面整合，是矿山企业减员提效、节约成本、防止灾害的最佳整体解决方案。系统可以适应各种不同类型矿山的需要，可以将矿山全部人员、设备和环境信息纳入，实现对全部子系统平台的控制以及矿山的全面感知、控制和管理，其三层架构体系示意图如图1所示。

4 矿山物联网平台、软硬件及标准接口

（1）在平台方面，形成矿山物联网标准化综合平台，矿山物联网标准化综合平台总体架构示意图如图2所示。

（2）在系统分类方面主要包括生产系统、生产保障系统、安全保障系统及其他配套系统4个大类30多个细分系统，可以延伸出上百个不同子系统。

（3）在软件方面，矿山物联网以基础系统软件、嵌入式软件、应用软件进行搭建，涵盖当前主流软件平台。

（4）在硬件方面，矿山物联网以超级计算机、工控机、交换机、路由设备、无线通信设备、光纤通信设备、电力线通信设备、PC机、矿山设备、控制设备等为基础，实现全面兼容。

（5）在标准体系方面，矿山物联网应用IPV6等互联网标准、（WPAN）IEEE 802.15.4、（WLAN）IEEE 802.11等无线通信标准、射频识别技术、EPC产品电子编码标准、MAC传感网标准等为基础，实现有线无线两类通信技术搭配应用。

（6）在传感器方面，矿山物联网以有线传感器、无线智能传感器、多参数传感器、物流红外激光等多种模式传感器等为基础，实现全面感知。

（7）在接口方面，矿山物联网以高速互联网接口技术、无线通信接口技术、光纤及电力线通信接口技术、局域网与个域网接口技术以及传感网接口技术为基础，兼容各种机电设备、显示终端、控制器及计算机设备。

5 矿山物联网功能特点、标准设定及主要子系统

5.1 矿山物联网功能特点及标准设定

矿山物联网是在物联网通用核心技术基础上，根据矿山企业实际特点做到：以云计算技术辅以小规模的超级计算（CPU＋GPU）中心来实现矿山企业的“共有云”平台；电力线通信、光纤通信与无线通信技术相结合，且以有线通信为主；应用IPV6等新一代互联网技术解决IP地址容量问题；地上、地下高速通信网络全覆盖；感知智能化、多参数集成传感；全部设备加装工控设备，实现控制自动化；应用软件平台面向对象可视化和分析处理决策智能化；标准化综合平台与各个子系统平台模块化接入；全部设备具备安全、稳定、防爆、防潮等特点；全面兼容各类技术及协议标准，具有满足各类设备接入的接口；实现管理层与感知层双向实时通信；平台建设及子系统接入实现模块化。物联网核心技术及矿山物联网技术设计标准见表1、表2。

5.2 矿山物联网主要子系统

分别应用于煤矿生产系统、生产保障系统、安全保障系统以及其他配套系统的矿山物联网主要子系统见表3。

表1 物联网核心技术

表2 矿山物联网技术设计标准

表3 矿山物联网主要子系统

续表

6 结语

矿山物联网把信息网络技术、通信技术、传感器技术等应用于煤炭生产系统，组成一个庞大网络，通过网络实现对生产系统的智能化、精确化管理与操作，从而提高煤炭生产效率和安全水平。通过矿山物联网技术的广泛应用，煤炭生产将更加高效、更加安全，真正实现智能矿业、数字矿山。

通过对矿山物联网应用技术的研究，为我国矿山物联网产业的发展在概念界定、体系架构、技术标准、示范矿井建设等方面起到引领性的作用。项目实施既能够获得可观的经济效益，也能够为企业信息化建设节约投资，对矿山企业的信息化建设方向更具有指导意义。该项目建设将带动形成矿山物联网规模市场效应，直接推进我国物联网技术在矿山领域的应用和发展。

［1］ 张建平，柴洪静.数字化矿山综合调度指挥平台研究［J］.中国煤炭，2011（10）

［2］ 张春红，裘晓峰，夏海轮等.物联网技术与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2011

［3］ 贾灵，王薪宇，郑淑军.物联网／无线传感网原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011

［4］ 邓奇根，魏建平.基于网络技术的煤矿安全监控系统［J］.河南理工大学学报，2007（3）

［5］ 王相林.IPv6核心技术［M］.北京：科学出版社，2009

［6］ 朱恺，吉逸，方宁生.计算机网络与通信［M］.北京：机械工业出版社，2010

Study and application of internet of things for coal mining enterprises

Wang Wuyi
（Information and Control Center of Kailuan Group，Tangshan，Hebei 063018，China）

The architecture，network platforms，hardware and software systems and technical standards of internet of things for coal mines were described.Aimed at the actual situation of production，the subsystems were also analyzed.The results showed that the application of internet of things to the coal mining enterprises will be a guide to the conceptual definition，system architecture，technical standards，demonstration of mine construction，and so on.

coal mine，internet of things，system architecture，standard，subsystem

TD76

A

王吴宜（1967－），女，河北唐山人。2006年毕业于中国矿业大学（北京）计算机技术专业，工程硕士。现任开滦集团公司信控中心高级工程师，主要从事煤矿自动化科研和管理工作，发表论文十多篇。

（责任编辑 路 强）