矿山物联网技术及其在智慧矿山建设中的应用

2020-12-09

世界有色金属 2020年19期

（中铁资源集团有限公司，北京 100039）

在国家大力推进智慧矿山建设的背景下，国内矿山行业对于物联网技术在矿山建设中的应用也非常重视。物联网是一种基于信息技术和电子技术的多学科技术，作为智慧矿山建设的基础，重点解决系统软硬件环境问题，包括设计平台架构、业务子系统的接口设计、存储和数据管理设计、异构通信子网核心技术以及第三方子系统接入的问题。同时，在矿山物联网平台的基础上，实现了全息数字化信息显示和生产安全监控等业务功能。

1 智慧矿山的现状与发展趋势

由于我国大多数矿山的地质条件恶劣，生产系统复杂，安全生产条件差，所以在生产过程中引起很多问题，如果不及时采取有效措施，则可能导致重大事故。在这样的背景下，大型国有矿山行业将积极引进先进的信息和自动化技术，以信息系统为平台，以自动化管理为手段来实现远程集中自动化管理，从而减少了人员，提高了效率。但是，在现阶段，中国大多数矿山安全管理系统相对于其他系统是独立存在的，导致重复投资，浪费资源，无法实现信息共享、数据畅通。

在过去20年中，在国内矿山行业的信息化建设过程中大致分为以下四个阶段：第一阶段是业务信息的电子化阶段：单独的电子设备用于收集数据，并以文本、电子报告等形式记录为电子业务信息。第二阶段是数字矿山：数字矿山信息管理系统用于矿山生产进度管理、设备设施管理、销售信息管理等各种业务，将大量的结构化的业务数据存储在数据库中，让使用人员可以实时掌握和管理矿山的运营。第三阶段是虚拟矿山或全息数字矿山：将整个矿山的真实情况以及各方面的相关数据都继承下来，做到整个矿山包括井下真实场景以虚拟现实的形式再现展示，做到辅助分析决策。第四阶段是智慧矿山：在全息数字矿山的基础上，将物联网技术使用其中，系统集成，数据融通，实现管理、控制和监督的集成，再将人工智能技术使用其中，实现科学和智能的管理决策，再利用自动定位和导航技术实现采矿的自动化和无人化。由于国家对矿山安全、信息化和自动化的要求不断提高，在国家政策、科学部署和各矿业主管人员有效实施的指导下，基于物联网、虚拟现实、AI人工智能等技术的智慧矿山平台建设无疑将带来巨大的飞跃。

2 矿山物联网和智慧矿山

物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统等各种装置与技术，实时采集任何需要监控的设备或过程的各种信息，通过网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对设备和过程的智能化感知、识别和管理。基于矿山物联网和互联网的核心技术，将最初孤立的矿山安全和自动化等系统集成到一个综合平台上，真正实现井下环境、人员监控、语音、视频、自动控制等多网合一。在此基础上，统一管理、交换和分析各种信息，最终通过智能系统计算出决策信息和解决方案。

智慧矿山基于物联网、地理信息系统作为支撑，并使用现代计算机技术、网络通信技术、自动化控制技术和现代企业管理相结合的多层级分布式网络，实现矿山安全生产过程中的信息数据集成与智能控制、提高安全生产水平和生产运行效率，分步实现智能决策和管理。

物联网作为一个发展中的新产业，它融合了各种高新科学技术，使人、物和计算机做到了互通互联、信息同步共享。它是一项将各种传感器与现有网络相连接、相融合的新技术，基于物联网的智慧矿山的建设是以信息化和自动化为基础，将矿山的生产、安全、销售、运输、物资等每个环节融合到一个平台上，实现各类信息数据的采集、存储、管理等。将各类的信息数据进行大数据分析和计算，最终提供决策信息和解决方案。目前矿山行业智慧化建设还处于初级阶段，物联网是智慧矿山建设的基础，因此，进行相关物联网研究对智慧矿山建设有着至关重要的意义。

3 设计基于物联网的智慧矿山系统

基于物联网的智慧矿山系统应着眼于三个方面：企业管理、工业自动化和矿山安全，需要使用物联网、信息融合、AI人工智能等技术，可以使用三维GIS技术进行立体的、可视化的全息展示，整体建设涉及到多项内容和技术，所以智慧矿山是一个复杂的系统工程。因此，需要提前做出一个先进、科学、完整的项目设计，确保建设有序的进行。

（1）总体系统框架：全息数字化智慧矿山系统利用物联网、互联网和云计算技术为具有集团、二级公司和基层矿山等多层级单位的大型集团公司构建总体的、多层级的、综合性的管理、控制和监督平台。形成用于矿山监控、管理的一体化的全息数字智慧矿山管理平台，具有统一身份认证、统一平台接口、统一数据管理，实现整体矿山的线上管理。

（2）集团级别的平台架构：可以随时查看和监视所有下属生产单位的安全、生产和运行状态。通过整合、提取和统计等方法来分析整个集团的所有信息数据，可以全面反映各个系统的生产经营状况等，为管理层的决策提供数据支撑，同时也能根据专家决策系统，利用智能算法，为管理者提供辅助决策支持。

（3）矿山及生产单位平台架构：在智慧矿山系统上，实现了企业OA和ERP的统一管理，实时对生产的各个设备进行可视化监测和远程控制，可以对事故进行提前预判，提前预警，防止事故发生。

（4）系统逻辑架构：各类矿山业务在矿山物联网信息平台上传输数据、共享数据，而无需担心异构网络中的通信问题。借助平台的数据融合功能，每个矿山业务传输数据，而无需考虑网络带宽、延迟等问题，平台的异构网络传输算法会解决这些问题。底层的智能协议模块和标准化接口模块对不同系统的数据进行整合，将其上传到数据挖掘、业务系统等模块进行数据分析，借助三维GIS系统和WEB页面进行全面展示，在可视的前提，实现了一体化的生产和安全管理。

4 物联网在智慧矿山建设中的应用

作为一项不断发展的新技术，物联网可以从字面上理解为万物互联的网络，因此，物联网以互联网为基础，可以扩展到任何项目的各个终端设备，实现项目之间的信息互联互通。在应用物联网技术的过程中，把需要实时管理的任何对象连接起来，收集各种必要的信息，组成一个庞大的网络，该网络实现了物与物，物与人，物与网络之间的连接，为管理和控制提供了便利。在矿山建设过程中存在环境较差，通讯困难等问题，通过加速矿山的数字化建设，可以有效提高生产效率，并确保井下作业安全。因此，在矿山建设中引入物联网技术可以为智慧矿山建设奠定良好的基础。

4.1 采矿过程实时监控系统

在采矿过程中，由于井下采矿受到多种因素的限制，无法及时发现采矿过程中的一些异常情况，因此无法及时采取有效措施，不仅会导致生产管理上的滞后，而且会造成安全事故的发生。将物联网技术应用于矿山，建立一个实时监控系统，可实时了解和监控矿山的生产状况，有效改善这一问题。实时监控系统主要依靠智能数字传感器、无线局域网和RFID等技术，使用射频、红外和激光传感器实时监测井下工人、设备和环境状况，以及各种生产环节的运行状态，并使用接口技术来形成矿山智慧网络，为矿山的生产管理提供有效监控，实现生产调度和指挥决策的智能化。

4.2 安全监控系统

在矿山企业的整个经营中，安全生产是一个从未改变的重要课题。在生产过程中，矿山生产人员、生产设备、生产环境存在许多不确定性，经常会发生紧急情况。因此，在矿山生产期间，必须有效地监视和定位生产人员、生产设备和生产材料，并及时收集工作环境的数据。当前，大多数矿山都安装了安全监控和人员定位系统，但是该系统与其他系统不能互联互通，这使得监视系统和定位系统无法发挥重要作用。物联网技术用于矿山安全监控系统中，该系统由身份卡、读卡器、网络通讯系统、安全生产管理系统软件组成，不仅可以对生产人员和生产设备进行定位，还可以收集工作环境的数据并实时进行数据传输，安全生产管理系统软件对数据进行科学的分析和计算，对即将发生的紧急情况进行预判，及时将预警信息发送到井下。

与其他行业相比，矿山行业存在许多危害，因此对采矿过程中对主要危害进行监视、预警和紧急处理有更高的要求。因此，需要以地理信息系统为基础平台，与物联网协同处理，通过有效的灾害评估，可以对灾害进行预判，实现矿山危害的动态监控和现场预警。通过基于GIS技术的物联网，将每个独立的监视对象连接起来，创建基本的空间数据库，实现危害监测、预警分析、趋势分析、应急管理等功能。

4.3 智能物流系统

矿山生产中需要大量爆炸物，许多矿山事故都涉及滥用和处理爆炸物，因此，爆炸物流量控制是极其重要的控制环节。传统的管理方法难以精确控制，物联网可以通过二维码、RFID识别技术来管控爆炸物的流量。同时，它与人员定位系统和车辆管理系统结合使用，统计爆炸物的数量，识别接收爆炸物的人员和记录爆炸物的使用情况，从而杜绝因爆炸物管理不善引起的安全事故。