基于物联网技术的感知矿山应用研究

2014-09-15刘相锋张飞舟肖文军杨泽民范诗玥

计算机工程与科学 2014年3期

关键词：子系统矿山联网

刘相锋,张飞舟,肖文军,杨泽民,范诗玥

(北京大学地球与空间科学学院，北京 100871)

基于物联网技术的感知矿山应用研究

刘相锋,张飞舟,肖文军,杨泽民,范诗玥

(北京大学地球与空间科学学院，北京 100871)

矿山安全生产自动化面临着感知手段单一、缺乏泛在感知网络等问题，在已有感知矿山理论的基础上，将物联网技术全面引入到矿山应用当中；通过系统阐述感知矿山特征、平台框架、关键技术以及逻辑结构，利用物联网感知手段多样，实现泛在感知的特点；提出人员监测及内壁巷道位移监测的应用模型；对物联网技术目前面临的发展困境及在矿山当中推广面临的问题进行了探讨，以期物联网技术在矿山领域能够得到良好应用。

物联网；体系框架；感知矿山

1 引言

煤炭生产系统复杂，工作场所黑暗狭窄，人员集中，采掘工作面又随时移动，由于地质条件的变化会使移动的采掘工作面不断出现新情况和新问题，如不及时采取相应的有效措施，就可能会导致重大灾害事故，给安全工作带来困难[1,2]。因此，需要建立能够全面掌握煤矿安全生产信息的“感知矿山”系统，以便全面掌握矿区地面、井下环境、巷道和机电设备的信息及工作状态、井下人员分布及工作状态，甚至有关灾害预防、事故救助、应急预案以及安全培训等情况。本文将物联网技术应用于感知矿山，探讨研究感知矿山的物联网平台架构、逻辑接入、关键技术以及应用分析。

感知矿山就是通过各种感知手段，实现对真实矿山整体及相关现象的可视化、数字化及智能化，即将矿山地理、地质、矿山建设、矿山生产、安全管理、产品加工与运销、矿山生态等综合信息全面数字化，将感知技术、传输技术、智能技术、信息技术、现代控制技术、现代信息管理技术等与现代采矿及矿物加工技术紧密相结合，构成矿山人与人、人与物、物与物相联的网络，动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程，以高效、安全、绿色开采为目标，保证矿山经济的可持续增长，保证矿山自然环境的生态稳定。

煤矿生产与安全保障除骨干传输网和调度室设备外，还包括生产与监控多个子系统。感知矿山总体设计应将所有这些子系统均作为矿山物联网的内容，纳入统一网络进行监测、控制与管理，实现全面的物联网感知矿山。感知矿山物联网应用具有如下特征[3,4]：

(1)感知层综合业务服务：无线覆盖网络必须能为井下所有移动物体提供感知服务，包括各种设备、人员、环境及工况监测等。

(2)移动代理与服务发现：随着感知层应用的扩大，多个系统共同组成物与物相联的WSN 网络，这些系统可能是由多个厂商来实现的。因此，需要解决如标准化、服务发现、移动代理等问题，使感知矿山从开始就向着标准化的方向发展，有利于M2M 设备层的移动。

(3)动态与静态兼容：矿山生产与安全数据从每天只需几个的静态数据发展到对动态要求很高的振动、语音、视频数据。

(4)统一的数据描述方法：采用元数据技术为上述对象及数据提供统一的数据描述方法，制定统一的数据结构。

(5)统一的数据仓库平台：根据元数据信息共享系统的结构、模块和特点，实现分布式数据组织与管理、分布式数据共享、分布式数据快速索引机制以及跨平台数据访问功能，为信息融合、信息挖掘提供良好的数据平台。

2 感知矿山物联网平台架构及感知内容

由于数字矿山及矿山综合自动化模型在我国煤矿企业已经有众多的实际应用，从目前来说，感知矿山物联网的建设应该建立在这些已有工作的基础上，充分借鉴已有的经验和系统，而不是全盘推翻。感知矿山平台架构如图1所示，它是在物联网的基础上搭建而成，有三层结构[5,6]。

Figure 1 Structure of sensor mine platform图1 感知矿山平台架构

感知与控制层由二层网络组成，即骨干传输网络和感知层网络。骨干传输网络通常由千兆工业以太网构成，感知层网络是无线覆盖网络，如WSN、WiFi、Zigbee等。地面广泛应用的感知层网络，如无线3G网络、GPRS等还不能在井下使用。这层主要实现矿山生产与安全过程中各种传感与控制信息的采集。各生产安全子系统在该层以相对集中方式或全分布方式接入物联网。要构成物物相联，具有自主网功能的无线传感器网络(WSN)在这一层起着不可或缺的作用。

信息集成与MES(Manufacturing Execution System)层通过千兆工业以太网骨干将信息集成到控制中心进行各种信息处理，如信息融合、信息挖掘等；同时实现MES功能，即图1中用于安全生产监控的终端，它们实现对煤矿安全生产中各个子系统的监测与控制功能。

管理决策与应用层是矿山各个职能部门通过企业Intranet网络实现更高层次的应用，如矿山安全生产评价与监管、煤矿灾害预警与防治、煤矿供应链管理、大型设备故障诊断及矿山资源环境控制等。

基于此平台的感知内容：

基于物联网技术的感知矿山的三个核心感知内容是：人员感知、设备感知以及灾害感知。人员感知主要是集成现有安全监测、人员定位系统，研发新型基于无线覆盖的移动双向数据信息终端，图5中描述了人员感知模型；设备感知是对井上、井下各生产及辅助系统的远程监控，减少井下操作人员并同时感知矿山设备工作健康状况，实现预知维修；灾害感知主要是除常规的安全监测系统外，特别是对危害矿山安全的如冲击地压、煤与瓦斯突出、突水、火灾等灾害预兆信息进行感知。

感知矿山物联网架构各层的要求及之间的信息融合：

感知矿山物联网的感知层应该避免分批引进各个系统，如人员定位系统、移动通信系统、无线视频系统等，而缺少对物联网的统一规划，做到让其他服务所需的无线传感器和执行器方便地接入，实现真正的物与物相连，同时感知层要做到开放，统一规划，各种服务所需的底层设备能方便地接入到感知层网络里来。感知层设备由大量可以感知环境、机电、人员等传感器构成这些传感器分布在矿区的地面和井下，从而构建了一个庞大的传感网络层，为全面感知提供保证。

网络层需要将传统的1 000 MB工业以太网在原有的基础之上增加两个功能，即将IPv4向IPv6转变，增加IP地址的数量，同时也能够满足无线与有线混合网络对于IPv6低功耗的要求。网络层设备主要铺设在地面，构建覆盖整个矿区的数据网络，以完成可靠传输功能。

应用层解决的是各种应用中公共的信息处理，包含了矿区3DGIS系统、综合自动化系统、人员管理系统、视频监控系统、短信管理平台、矿区应急指挥系统、调度系统等，可对矿区大量的安全数据、生成数据和信息进行分析和处理，通过系统平台对矿区实施智能化的控制和监测。

感知层中的阅读器与定位标签进行数据交换，完成定位与安全监测，监测信息通过骨干传输网络传递进入到网络层，触发信息处理平台，将最终信息传递到应用层，应用层进行应急响应，并产生预警信号，将信息逆向传递到底层终端设备，实现实时感知以及物物感知。

3 感知矿山物联网关键技术及存在问题

感知矿山物联网关键技术框架如图2所示[4]，包括了感知层技术、网络层技术、应用层技术和公共技术。

Figure 2 Key technologies图2 感知矿山物联网关键技术框架

感知层包括数据采集技术与接入技术两个子层。要实现上述的三个感知，技术上就要采用符合矿山生产特点的基于无线传感网络的分布式、可移动、自组网的信息采集方式。同时，应从传感器原理、检测方法、矿山灾害发生机理等多方面进行研究，以解决矿山特殊环境条件下的传感技术抗干扰和灾害源定位的问题，研究环境的动态、网络化监测问题。为了满足矿山的特殊条件，需要研究开发矿山特有的感知与测量技术。许多地质参数与岩层运动规律是影响矿山安全的关键因素，如地下水赋存情况、瓦斯与煤突出、岩层受力与冲击地压、采空区发火等。目前，对这些影响煤矿安全的重要因素的感知技术还不成熟，需要加强传感器研究。感知层的接入技术主要是为各种分布式、移动式传感器、RFID及其它生产与安全设备提供接入主干网的环境。煤矿井下目前无法通过有移动通信的WiFi网络、PHS网络、WSN网络、人员定位的RFID网络等，但这些网络存在着覆盖区域有限、信道容量低以及种类单一等主要不足。此外，采煤机、矿车等金属设备与煤壁、巷道等复杂环境使得矿山井下成为一种“受限异质时变”的通信空间。构建真正符合井下需求的无线覆盖网络需要开发新型的无线系统，现有的短距离无线组网方式均不能适应煤矿井下长距离、多跳、宽带、自组网、低功耗的要求。

网络层分为网络传输平台和应用平台二个子层。网络传输平台是感知矿山物联网的主干网，利用工业以太网技术、煤矿移动通信技术、M2M技术以及矿山6LowPAN技术，把感知到的信息实时、无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送。应用平台主要实现各种数据信息集成，包括统一数据描述、统一数据仓库、数据中间件技术、虚拟逻辑系统构建等。在此基础上，构成服务支撑平台，为应用层各种服务提供开放的接口。

应用层关键技术主要包括矿山各生产安全子系统的实时监控和管理决策与应用两方面内容。对矿山各生产安全子系统的实时监控，保障矿山的正常运行。当某个实时事件发生时，能够及时做出反应，并用当前的数据进行指导和处理，减少煤矿企业内部没有附加值的活动，有效地指导生产动作过程。而管理决策与应用主要是各种软件应用模块，可应用于矿山安全生产形势评估、煤矿资源环境控制及评价、煤矿安全隐患排查等。

公共技术不属于某个特定层，与物联网技术架构的三层都有关系，包括公共中间件技术、标识与解析技术、安全技术以及各层的规范和标准等。其中标准的制定在感知矿山中尤为重要。感知矿山物联网标准包括M2M接口标准和数据描述标准。由于无线覆盖网络要为井下各种设备、人员、环境及工况监测，需要各层之间实现M2M标准，以适应设备层的移动。而感知矿山物联网是一个开放服务应用的网络，因此要重点加强感知矿山元描述语言规范的研究，利用元数据技术提供统一的数据描述方法，制定统一的数据结构。同时加强矿山物联网关键技术协议与规范、平台软件开发环境、核心框架与中间件构造及标准化等关键技术的研发。

4 应用分析

4.1 感知矿山物联网逻辑接入结构

在煤矿综合自动化中各种子系统需接入总体网络进行数据传输，如图3所示。感知矿山物联网是在综合自动化子系统接入的基础上，增加分布式传感器和分布式执行器的接入。煤矿综合自动化子系统的接入方式特点：结构明确，子系统中使用的各种传感器、执行器等不直接接入主干网络，而是通过网络化控制器接入主干网络。子系统中的工业总线固定布置，通常适合移动，不能构成逻辑化系统。因此，该接入方式比较适用于相对固定、监测控制量相对集中的场合，如主煤流胶带运输、变电所监控、水泵房监控等。

Figure 3 Access method of automation subsystem图3 煤矿综合自动化子系统的接入方式

分布式传感器与执行器的接入方式特点：传感器和执行器以有线或者无线的方式直接接入主干传输网络，而不需要通过子系统控制器，如图4所示。这样，传感器与执行器布置灵活，适合快速布置、移动应用场合。分布在网络上的传感器、执行器、控制器之间可根据应用需求，组成逻辑上的应用系统。逻辑系统中的传感器、执行器、控制器等在地理位置上可能分布很远。煤矿通风系统优化、能源计量管理、透水监测、煤与瓦斯突出监测、矿压分布监测等应用往往需要这样的逻辑系统。

Figure 4 Access method of distributed sensors and actuators图4 分布式传感器与执行器的接入方式

感知矿山物联网子系统建设应该是这两种接入方式的组合，正是由于感知层的存在，为分布式接入提供了可能，使得感知矿山物联网具备了方便快捷部署和构建逻辑子系统的能力，使网络应用更适应煤矿动态部署、流动作业的需求，也为服务与数据协议及网络元素的解耦提供了可能，提高了系统的互操作性和可移植性及专业化服务水平。

4.2 应用实例

物联网在矿山中的应用是将传感器布设在巷道内壁，通过利用RFID技术，将井下人员的信息以及巷道位移信息传输到地面终端，RFID的主要功能是目标的识别与定位、信号传输，利用此技术实现位置信息的实时监测。

(1)井下人员安全监测及预警：在工作面、巷道等人员通过的地方布设适量的阅读器，当携带有唯一识别号定位标签的矿工进入传感器的识别范围后，阅读器与定位标签进行数据交换，从而完成定位与安全监测。系统可以对危险的废气巷道实行门禁，当有人员非法进入时，通过随身携带的标签向工作人员发送警报。同时通过系统数据库，查询井下施工人员的分布情况，根据工作需要对井下人员进行调配，实现人力资源的优化配置，提高井下工作效率。

国际上有包括南非、美国和澳大利亚等在内的许多国家安装了基于RFID的井下人员定位和搜救系统。井下发生紧急情况时，系统传送警报和紧急指示信号给作业人员，引导人员疏散。事故发生后，可以及时准确地了解井下人员的分布情况和准确位置，利用GIS系统分析被困人员的最佳逃生路线，为决策层提供救援依据。

(2)巷道内壁位移实时监测：巷道内壁位移实时监测系统就是综合应用激光技术、计算机技术、单片机技术和现代通信技术而开发的应用于实时监视巷道内壁位移发展情况的系统。

巷道位移实时监测系统的组成从硬件角度看，可由基准激光器、位移监测仪、调制解调器、信号线路和监控计算机等五个部分组成。

传感器监测巷道位移变化，通过激光束实时地将位移信息传输到监测仪，最后由监测仪传到智能终端设备，如图5所示。

Figure 5 Monitoring of tunnel displacement图5 巷道内壁位移监测

5 结束语

当前物联网还处在早期应用阶段，感知矿山物联网一定要打破物联网应用初期那种功能单一、网络独立、数据私有、缺乏标准的现状，真正按物联网所要求的开放、标准、物与物互联的方式进行发展。按照统一规划、整体设计、分步实施的原则进行。对于物联网应用于矿山，由于其井下作业的特殊性，目前仍有许多研发工作需要去做，特别是感知层的建设。随着技术的成熟应用，感知矿山必将会给我国煤矿业带来革命性的变化，成为既能保证井下作业安全性，又能得到高收益且实现可持续发展的产业。本文对于感知矿山物联网的研究仅从平台架构、关键技术、传感器与执行器的接入以及应用案例四方面进行了讨论，由于矿山的特殊环境和现有条件的限制，后续实验的进行还需进一步的努力和改进，实验数据的获得和分析将在下一步的研究工作中进行加强。

[1] Zhang Fei-zhou, Yang Dong-kai, Chen Zhi. The introduction of Internet of Things[J]. Beijing:Publish House of Electronic Industry,2010.(in Chinese)

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[4] Zhang Shen, Ding En-jie, Xu Zhao, et al. Part 2 of lecture of Internet of Things and sensor mine——sensor mine, digital mine and integrated automation of mine[J]. Industry and Mine Automation,2010(11):129-132.(in Chinese)

[5] Zhang Shen, Ding En-jie, Xu Zhao, et al. Part 3 of lecture of Internet of Things and sensor mine——characteristics and key technology of sensor mine Internet of Things[J]. Industry and Mine Automation,2010(12):117-121.(in Chinese)

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[4] 张申，丁恩杰，徐钊,等．物联网与感知矿山专题讲座之二——感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化[J]．工矿自动化，2010(11)：129-132．

[5] 张申，丁恩杰，徐钊,等．物联网与感知矿山专题讲座之三——感知矿山物联网的特征与关键技术[J]．工矿自动化，2010(12)：117-121．

[6] 张申，丁恩杰，赵小虎,等．数字矿山及其两大基础平台建设[J]．煤炭学报，2007,32(9)：997-1001．

[7] 张锋国，王宏岳.感知矿山——物联网在煤炭行业的应用[J].物联网技术，2011(5):43-46.

[8] 张书建，汪云甲，范忻.基于RFID技术的矿山物联网关键问题及其仿真[J].金属矿山，2011，40(5):113-116.

LIU Xiang-feng,born in 1987,MS candidate,his research interests include IOT，and satellite navigation.

The application research of sensor mine based on Internet of Things

LIU Xiang-feng,ZHANG Fei-zhou,XIAO Wen-jun,YANG Ze-min,FAN Shi-yue
(School of Earth and Space Sciences,Peking University，Beijing 100871，China)

The automation of mine safety production is facing the problems such as the single means of perception, lack of ubiquitous perception network, etc. Based on the previous theory of sensor mine, the internet of things is applied to mine application completely. Through systematically discussing the characteristics of sensor mine, the structure of platform, the key technique and the logic structure, the application analysis on personnel monitoring and the displacement monitoring of inner wall are proposed by using the various means and ubiquitous perception of the internet of things. We hope that the internet of things can be well applied in mine by discussing the problem of the development and application about the internet of things in sensor mine.

Internet of Things;hierarchy structure;sensor mine

2012-09-11;

2013-01-03

1007-130X(2014)03-0566-05

TD67

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.03.033