矿山物联网实验教学平台设计

张延凯 高玉坤 欧盛南 王少勇 张永芳

[摘要]矿山物联网技术以安全、高效、绿色开采为目标，将感知技术、传输技术、信息处理、智能计算、控制技术、信息管理等与采矿技术紧密结合，实现对矿山整体及相关现象的可视化、数字化及智慧化。矿山物联网技术实验教学还处于摸索起步阶段，实验课程体系不完善、实验教学平台匮乏、实验教学人才紧缺等问题都亟待解决。通过梳理矿山物联网相关理论体系和技术架构，分析实验教学中存在的问题及主要原因，结合北京科技大学课程设置、研究基础、教学资源等实际情况，提出实验教学平台的总体建设思路，规划了感知层、网络层、应用层等各层的建设内容，以满足采矿工程专业本科生矿山物联网技术课程实验教学的需求。

[关键词]矿山物联网;实验课程体系;矿山安全;感知矿山;数字化

[中图分类号]TD679

[文献标识码]A

[文章编号]2095-3437（2020）04-0059-04

1991年美国麻省理工学院首次提出物联网概念，并于1999年成立自动识别中心。2005年国际电信联盟进一步拓展了物联网的内涵，物联网现已廣泛用于家居、建筑、医疗、工业、农业、物流、交通等各领域，万物互联（Thing to Thing，T2T）的时代已经到来。

2009年我国提出“感知中国”战略构想，中国物联网产业迎来重大机遇期。2010年中国矿业大学物联网（感知矿山）研究中心成立，这标志着我国矿山物联网研究的开端。为满足物联网人才培养的需求，国内高校和高职院校开设物联网课程甚至设置物联网专业的越来越多。但是，由于物联网技术的快速变革，实验教学平台的建设和更新成为制约物联网教育的瓶颈，具体到矿山物联网方向更是如此。

掌握矿山生产特点，同时具有物联网知识的通用型人才已成为矿山需求的热点。围绕矿山物联网专业人才培养，本文分析了当前矿山物联网实验教学中存在的问题，并针对实验课程体系不完善、实验教学平台匮乏等主要问题，结合北京科技大学相关实验教学平台设计实践，梳理了该类型平台的设计思路，这对同类型其他高校具有参考借鉴意义。

一、矿山物联网体系架构

自矿山物联网概念提出以来，其理论日趋完善，实践范围不断扩大。多家大型矿业公司积极尝试探索部署了不同规模的物联网系统，取得了显著的社会效益和经济效益。

（一）矿山物联网建设目标

矿山物联网的概念最早在煤炭领域提出，其建设目标主要是围绕生产安全问题。姚建铨院士认为，矿山物联网以实现本质安全矿山为目标。丁恩杰等把有效利用矿山安监数据作为矿山物联网的首要任务，致力于实现矿山全面感知，确保安全生产。袁亮院士认为，矿山物联网技术为精准开采及无人矿山服务，是实现智慧矿山的技术支撑。钱鸣高院士提出采矿的核心任务是安全、高效、绿色地采出矿物资源。

矿山物联网是服务于采矿的信息化技术手段，因此，矿山物联网技术应以安全、高效、绿色开采为目标。现阶段，矿山物联网主要应用于煤炭安全领域，因为安全是煤矿生产的前提条件，同时，该领域具有良好的数字化、自动化、信息化基础。未来，矿山物联网必将得到更加广泛的运用，为实现安全、高效、绿色矿山发挥更大的作用。

（二）矿山物联网层次体系

物联网由感知层、网络层和应用层组成。感知层包括各类传感器、RFID等，实现物体识别、空间定位、状态感知、信息采集、数据短距离传输与编码等。网络层包括有线传输、无线传输、网关等，网络层能够将感知数据透明、可靠、安全、高效地传送。应用层由各种软件和反馈控制单元组成，满足不同行业的个性化需求，提升智能应用水平。

作为物联网应用的一个重要领域，矿山物联网同样可以归纳为三层体系。目前，得到公认的矿山物联网体系结构如图1所示：

（三）矿山物联网技术特点

矿山生产要面对复杂多变的地质条件，使用种类繁多的大型设备，经历旷日持久的开发流程，涉及地上地下大范围的作业空间，受瓦斯、潮湿、震动等环境的影响。因此，矿山物联网要求必须能够适应“复杂、受限、时变、恶劣”等特定条件。

感知层与网络层要求能够具有防爆、防尘、防潮、防震等特性。同时，由于采矿工程的时变特性，感知层网络采用动态、分布式、自组网更为适合。另外，地下封闭空间对无线信号的屏蔽作用使4G网络、GPS、Wi-Fi等地面通用技术失效。矿山特别是地下矿山通常要自建矿域工业环网、矿图定位导航系统、矿用通讯联络系统等。

应用层将感知层获取的海量数据通过传输层进行汇总，从低密度、低价值数据中挖掘有用信息，有效支撑生产执行系统（MES）和决策支持系统。矿山MES由通风、排水、供电、运输、地压监测、尾矿库监测、位移监测等各种自动化和监测系统组成。矿山MES实时性要求高，将应用层下移，运用边缘计算技术将有效缓解海量数据传输压力、提供快速响应解决方案。矿山决策支持系统主要是利用矿山运行数据结合外部政策、经济、社会条件对生产经营活动进行评估与量化，包括矿山资源评价、矿山环境评价、矿山安全形势评估、矿山生产优化等。MES侧重于某一生产系统或某个局部，决策支持系统更加关注矿山整体，两个系统从不同层面服务于矿山高效、安全、绿色生产目标。

二、矿山物联网实验教学存在的问题

作为新兴交叉学科，物联网涉及网络技术、通信技术、数据库技术、嵌入式开发、传感器技术等，矿山物联网技术是物联网技术+矿业，矿业的高度复杂性决定了其具有更加明显的交叉学科特征。我国矿山物联网实验教学才刚刚起步，主要存在以下问题。

（一）实验课程体系不完善

中国矿业大学煤矿物联网（感知矿山）研究中心全面梳理了矿山物联网的体系结构、功能、关键技术等，并将相关研究成果应用于（煤矿类）高校实验教学中。但是，课程设置特别是非煤矿山物联网技术的实验课程设置还需进一步探讨研究。由于从理论到实践，矿山物联网技术发展不过十来年时间，加之技术更新迅速，矿山物联网理论技术体系尚不成熟。另外，传统采矿工程专业学生知识结构相对固化，需要补充大量前序和后续课程以配合矿山物联网教学。课程改革和实验课程体系的建立涉及面广、操作复杂、效果评价困难。

（二）实验教学平台匮乏

由于矿业类实验课程建设投资大、准备周期长、维护成本高，部分单位不具备资金、技术、场地条件，实验教学平台建设和维护困难。矿山物联网技术属于新开设课程，没有与之配套的实验教学平台类产品。现有通用性物联网实验箱、计算机网络、传感器、单片机或嵌入式开发等实验平台不能直接用于矿山物联网技术实验教学，因此，学校只能围绕教学需求自行研发相关实验平台。

（三）实验教学人才紧缺

工程技术人才的培养除了必要的基础理论知识之外，更重要的是通过实践教学培养学生的动手操作能力。开展矿山物联网实验教学除了需要完善的实验教学体系和配套的实验教学平台外，还必须要有熟悉理论及实践操作的实验教学人员。当前，我国矿业领域急缺此类人才。一方面，计算机、通信技术类教师很难弄懂矿业需求;另一方面，矿业类教师对物联网相关技术掌握不深入，很难找到既懂矿业又懂物联网的合格教育人才。

三、矿山物联网实验教学平台设计

现代信息技术、网络技术、大数据、云计算等一系列新兴技术正在冲击和改造着传统矿业教学的理念、内容和方式。北京科技大学采矿工程专业紧密围绕国家金属矿产资源开发利用的重大战略需求，瞄准矿业与安全工程学科前沿，采用现代高新技术改造传统采矿产业，以解决影响矿山安全高效开采的突出问题为目标，全面开展采矿基础科学创新及其应用研究。

（一）矿山物联网技术课程设置

矿山物联网技术是北京科技大学智能采矿班主干特色专业课程，共设置32学时，包括20学时的理论讲授和12学时的实验。与之配套开设了大学计算机基础、微机原理及应用、C语言程序设计等前序通识类课程和智能采矿学概论专业核心类课程，设置了矿山机械与智能装备、矿山现代测试技术、现代矿山智能化管理、数字软件建模与应用等学科平台类课程。

以上特色专业课程总计划学时数达320学时。其中，矿山物联网技术12学时的实验课要辅助理论课教学，巩固和加强相关知识点的学习和实践，使学生更加深刻地理解物联网的体系架构、矿山物联网的技术特点，掌握传感器、定位、组网、数据采集与分析的基本技能，为矿山物联网的设计、设备（网络）选型、开发奠定基础。

（二）实验教学平台设计思路

矿山物联网实验教学系统通过教学和实践、感知体验与动手开发、方案设想及实际验证的结合，提高学生的系统思维能力，巩固学生的理论知识，积累实践经验，从而全面提高实验教学质量水平。

该平台由硬件设备、软件资源构成。硬件包括物联网综合实验箱、视频采集设备、工业物位计等。软件包括系统网络软件、通信接口程序、三维可视化编辑及展示软件等。结合矿山实际情况，感知层硬件包括气体浓度、温湿度、压力、粉尘浓度等，通信接口包括Wi-Fi、蓝牙、工业串口等，以上设备和接口用于构建矿山物联网感知层，实现矿山环境和生产状态数据的及时采集。

根据矿山组网特点，网络层采用光载无线交换机、网桥，实现无线信号传输;光纤、网线、光端机等，用于工业环网的搭建;同时配备Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等无线通信节点及RFID读/写卡器，以快速组建无线传感器通信网络。

应用层是本实验教学平台设计的重点内容。应用层软件应实现井下生产开拓、人员定位、视频监控、有害气体监测等的三维虚拟仿真。可实现对传感器异常数据自动识别并进行声光电的报警提示;对传感器和监控设备进行远程控制。为方便系统的维护与扩展更新，应用层软件应支持井下巷道自动三维仿真建模;可以自定义传感器模型;可以实时接收和显示传感器數据信息;支持二次开发。

由于矿山物联网系统使用条件“复杂、受限、时变、恶劣”，系统要发挥作用，在硬件上要防尘、防爆、防水，在软件上要能和生产系统快速对接，其维护和更新格外重要，为此设计的实验教学平台系统总体逻辑如图2所示。

（三）实验教学内容设计

按照课程大纲，矿山物联网技术实验部分12课时，每次实验2课时，共设置6个实验。基于矿山物联网应用体系架构，覆盖传感层、网络层、应用层等各个层面的典型技术，实验课程从体验、使用到开发、设计逐步深入，实验题目如下。

实验一：网络传输基础实验（实验内容包括有线局域络、工业环网）。

实验二：短距离无线通信网络实验（实验内容包括Zigbee、Wi-Fi）。

实验三：无线传感器监测数据采集实验（实验内容包括温湿度、液位计）。

实验四：矿山物联网平台搭建（实验内容包括三维场景建立及更新维护、数据采集）。

实验五：井下定位实验（实验内容包括人员定位、设备定位）。

实验六：矿山物联网数据分析（数据展示、存储策略、关联分析）。

针对以上实验内容，设计具体实验环节，并围绕实验所需组织实验资源。实验过程紧密围绕矿山特点，兼顾物联网通用知识的培养。其中，实验一至实验三属于基础实验，实验四至实验六为专业综合实验。

（四）实验教学平台的特点

现阶段矿山物联网技术尚缺乏稳定、开放、高效、全覆盖的感知传输网络，难以实现对灾害隐患的自动识别、有效预警、协同控制。本实验教学平台从矿山工程实际出发，力求全面仿真采矿作业条件，构建具备自我识别、精确定位、全面感知、智能分析、协同管控的矿山物联网实验教学系统。

本平台具有如下几个显著特征。1.丰富多样的感知类型。以通用物联网实验箱+外接专业传感器模式涵盖了位移、应力、粉尘、气体浓度等多种感知类型。2.开放灵活的组网方式。有线、Wi-Fi、工业环网、ZigBee等混合组网，学习者亲自动手选择组网形式，网络搭建清晰明了。3.统一协调的三维分析软件。矿山生产作业场景建模、地下空间定位、传感器数据采集、三维展示等多功能集成，实现多源异构信息的统一处理、系统分析。4.兼容简便的维护升级模式。全面兼容不同接口形式、支持Python语言二次开发，软硬件平台可扩展性强。

四、结语

通过对矿山物联网相关理论体系和技术架构的梳理，对其实验教学中存在的问题及原因分析，结合实际情况规划了矿山物联网各层的建设内容，得出以下结论。

1.矿山物联网具有感知层、网络层、应用层架构，其在定位、感知、传输、应用等核心技术上都具有矿业行业特点。2.矿山物联网实验教学还处于摸索阶段，在实验课程体系、实验教学平台、实验教学人才等方面还存在诸多不足，有待加强。3.矿山物联网实验教学平台的设计应结合高校教学和科研特点，体现专业技术特色，力求做到丰富、灵活、开放、兼容。

[责任编辑：陈明]