矿山物联网技术及其在智慧矿山建设中的应用分析

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-7476

作者简介：王旭强（1989—），男，本科，工程师，研究方向为智慧矿山自动化。

摘要：现代矿山建设的重要性突出，从安全生产、提高生产效率的角度出发，各地均在尝试建设智慧矿山，这为矿山物联网技术的运用提供了思路和空间。以矿山物联网技术原理、构成为切入点，在此基础上分析该技术在智慧矿山建设中的应用方法，就确定关联主体、建立业务关联、智慧工作系统作业逻辑控制等内容进行论述，最后结合AS矿山建设现状进行模拟，分析矿山物联网技术的运用优势，为该技术的未来运用和矿山建设、发展提供少许参考。

关键词：矿山物联网 智慧矿山 逻辑控制 自动化技术

中图分类号：TD76

矿山物联网（Mining Internet of Things）是物联网的一种具体形式，主要强调将传感技术、通信技术、自动化设备以及智能化技术结合在一起，覆盖矿山企业内各类设备、工作人员以及环境等生产和控制要素，实现生产过程的自动控制、全面感知以及智能作业。矿山物联网优势突出，被视作智慧矿山建设的关键环节[1]。目前来看，一方面智慧矿山的建设时间较短，各地对矿山物联网技术的运用尚不完善，另一方面安全生产、高效率生产得到广泛关注，是未来矿山企业建设的基本目标。在此背景下，分析矿山物联网技术及其在智慧矿山建设中的应用，具有一定的现实意义。

1 矿山物联网技术原理、构成

1.1矿山物联网技术原理

从原理上看，矿山物联网技术与常规物联网技术相似，主要强调利用传感技术、通信技术、自动化设备以及智能化技术，完成对矿山作业区域内各类设备和工作人员、作业环境等要素的实时关联，并对一些可重复的工作环节进行智能控制，减少传统工作模式下人员工作的精力消耗，也提升作业质量和效率[2]。矿山区域内的各类危险因素，均由智能系统进行一体化感知和分析，如果存在风险由系统发出警报，并做记录，由人员进行后续干预。如风险的情况继续进行信息采集，可不做信息记录。由于智能系统工作可全程无人化或半无人化，工作质量和效率均更有保障。

1.2  矿山物联网构成

矿山物联网一般由4个要素构成，即终端工作系统、通信模块、智能模块以及其他辅助模块。其中终端工作系统主要为传感器等现场信息采集设备，该系统负责实时采集矿山内各区域的基本信息，如作业区域内的粉尘浓度、井下空气质量、可燃气体浓度等来自终端的实时信息，是矿山物联网进行工作的基本依据。通信模块一般包括有线模块和无线模块两类，有线模块主要用于设备之间的互联，尤其是井下设备，在存在通信干扰、通信环境不佳的情况下，有线通信模式可以保证通信质量[3]。地上部分工作、人员信息识别等，则以无线通信技术提供辅助，以提升通信灵活性。智能模块是矿山物联网技术的核心模式，该模块的主要工作任务为借助默认程序完成实时信息的分析，以判断其是否合理、安全、得当，并据此给出下一步处理意见。其他辅助模块如警报系统、信息存储系统等，这一类工作系统不影响矿山物联网技术的具体运用，但可以提升系统的工作覆盖效应，优化智慧矿山建设水平[4]。

2物联网技术在智慧矿山建设中的应用方法

2.1 确定关联主体

智慧矿山建设中矿山物联网技术的应用强调逻辑清晰、设计简练、运用和维护便捷，同时也要求建立行之有效的作业系统，关注对各类工作主体、工作对象的有效覆盖。实际工作中，需要首先确定与物联网有关的各类作业主体，可大致将其分为3个类别：被控制对象、工作人员、中间设备（如作业平台、作业系统内的设备等）。被控制对象包括矿山内的环境要素、工作系统等，这些要素是物联网建设、智慧矿山工作的直接目标，关乎到矿山物联网技术是否能够发挥预期作用。工作人员即智慧矿山工作人员，包括程序设计者、远程工作者、现场工作人等，如负责处理矿山物联网报警信息的人员、组织数据加工处理的人员等。中间设备的功能定位各有不同，其核心作业在于维持系统工作的逻辑性和完整性，使矿山物联网技术能与智慧矿山融为一个整体，有效服务通信、信息采集等一般性工作。

2.2 建立业务关联

智慧矿山建设中矿山物联网技术的关联主体确定后，应为各主体建立明确的业务关联，其关联的重点在于形成有助于智能工作、信息化作业的综合模式，也强调以信息技术、电子技术保证关联稳定，且具有必要的鲁棒性。

以矿井下的抑尘系统为例，业务关联工作模式为中心，通过智慧矿山物联网工作中心建立默认工作系统，通过工作人员设定工作程序，根据一般研究，矿井下粉尘浓度过高时存在爆炸风险，且增加了吸入性疾病（如尘肺）和皮肤病的发生率，可根据矿井工作物特点，设定抑尘工作最低浓度标准，默认该参数均值为X%。实际工作中，受到工作强度、时间等因素影响，作业区域内粉尘浓度一般在X%上下波动，呈现为一个模糊化线性变化特点的数集：

[X%min；-2X%；-1X%；X%；1X%；2X%；X%max]   （1）

式（1）中：[X%min；X%max]表达作业区域内粉尘浓度的最小值和最大允许值，X%min的最小理论值为零，X%max的最小理论值为风险临界值，最大理论值为爆炸临界值，由传感器实时对作业区域的粉尘浓度进行收集，当其处于[X%min；X%max]范围内时，抑尘系统可根据一般要求决定是否作业，原则上如果X%max达到最小理论值时，即应由智能系统完成辨识，进行实时抑尘避免人员患各类疾病，也降低粉尘富集产生爆炸问题的风险。为保证业务关联紧密，还可考虑建立备用工作系统，当常规系统因老化、故障不能完成工作时，启动备用系统作为替代，以保证智能作业系统鲁棒性。

2.3 矿山物联网系统作业逻辑控制

智慧矿山建设中，矿山物联网系统的作业逻辑应保证明确清晰、简练易用。实际工作中主张采用CAN总线技术以及PLC逻辑控制系统提供逻辑控制方面的支持[5]。CAN总线系统为复杂的作业体系提供了可扩展的现场通信支持，各类不同的工作设备、人员均可通过独立的信道与智慧矿山物联网工作中心或其直属部门完成关联，以避免通信干扰、延迟等问题。在此基础上，以PLC逻辑控制系统为智慧矿山物联网工作中心、各独立工作系统提供逻辑程序作业方面的支持，实现对智慧矿山、矿山物联网系统的有序控制。当矿山控制对象数目增加或物联网工作系统面临优化、程序变化需要时，也可以分别借助CAN总线技术以及PLC逻辑控制系统进行通信对象拓展和程序重新编写，持续服务智慧矿山建设和智能作业。

2.4 反馈与优化

智慧矿山建设以提升生产效率和安全工作水平为目标，需要在常规应用矿山物联网技术的基础上，对系统以及技术应用情况进行必要的分析、优化，使其始终满足工作需要[6]。例如：矿山井下通风作业，常规作业模式下，通风设备可能出现老化、工作能力下降等问题，此时矿山物联网内的传感器发现系统通风能力下降、矿井空气质量不佳的问题，可快速将其反映给远程端，后者据此进行通风系统工作参数调整，也可以由通风系统借助自适应技术调整通风参数，优化井下空气质量。当通风系统自适应调整越发频繁，矿山物联网系统报警次数持续增加时，应形成反馈报告，由系统自行整理通风系统自适应调整情况、矿山物联网系统报警情况，提示远程工作人员系统内的异常，工作人员根据反馈报告，发现井下通风系统工作参数变化频繁，据此进行调整，更换、修理老旧部件，以充分保证矿山物联网技术发挥优势，提升智慧矿山建设水平。

3 模拟分析

3.1模拟对象

为论证矿山物联网技术应用于智慧矿山建设中的优势，选取AS矿山进行模拟分析，采用参数模拟法，利用计算机建立模拟实验进行动态静态信息评估。利用AS企业提供的矿山一般资料形成对比，以评估常规工作模式下矿山安全问题发生率、工作效率、故障感知和处理时间。

3.2模拟过程与结果

模拟实验共分为两组，第一组为常规组，以AS矿山提供的工作信息为依据进行数据加工。第二组为智慧组，利用矿山物联网技术组织智慧矿山建设，利用计算机产生参数做技术模拟，包括静态模拟、动态模拟两类，静态模拟用于分析生产效率，按照固定参数形成工作模型，判断其标准工作模式下，以矿山物联网技术支持智慧矿山建设，单日的劳动生产率，随机搭建100个模型，统计劳动生产率的均值。动态模拟采用加速形式，默认加速参数为1∶100 000，每完成一分钟模拟，相当于系统实际运行100 000 min，在此过程中添加1 000个错误参数，分别模拟粉尘过量、通风不畅等安全问题和风险，判断系统是否可以敏锐感知和处理。完成模拟后，对两组实验结果进行分析统计。具体如表1所示。

结合实验结果，可知常规组的矿山安全问题发生率较高、工作效率和故障感知率较低，处理时间也较长。而借助矿山物联网技术建设的智慧矿山，能够以现代技术完成安全问题发生率控制，发生率为0.2%；同时矿山的个人工作效率和故障感知率提升，分别达到31.2元/h、92.2%；故障处理方面，智慧矿山利用矿山物联网技术能够在0.33 h完成故障处置，效率更高。这表明矿山物联网技术应用于智慧矿山建设提升了矿山工作和劳动水平。

3.3  智慧矿山建设应用矿山物联网技术的趋势

结合当前矿山物联网技术应用情况、智慧矿山建设现状，未来前者的应用可能出现更多变化，重点集中于两个方面：技术性突出、系统改进。从模拟实验层面出现，矿山物联网技术应用于智慧矿山建设，显著改善了后者的工作水平，但实验添加的均为理想参数，并不能完全真实地反映矿山工作情况，包括通信干扰控制、物联网老化问题影响、传感器信息真实性和灵敏性控制等。未来工作中，应分别考虑通信质量提升、系统感知效率改进，同时兼顾动态因素控制，以提升矿山物联网技术应用的总体水平。系统改进以技术更新为基础，需要根据技术系统的变化做出调整，如采用的现场可视化系统的情况下，需要考虑为可视化系统提供信息处理、大数据加工、存储和缓存方面的支持，以保证智慧矿山建设水平和矿山物联网技术的应用质量。

4结语

综上所述，矿山物联网技术优势明显，应用于智慧矿山建设中，可以改善矿山工作水平，降低能耗、提升安全性和工作效率。其原理在于对实时信息进行收集和分析、交互，作为具体工作的依据。具体工作中，要求确定智慧矿山建设的各类主体，确定其关联方式，并建立实时作业系统，以清晰的工作逻辑提供智能化服务。结合模拟分析结果，可发现运用矿山物联网技术的情况下，智慧矿山的工作水平、建设水平得到提升，未来可在各地智慧矿山建设工作中加以运用。

参考文献

[1] 刘怀奇.基于物联网技术的煤矿井下变电所智能监控系统[J].电器工业， 2023（12）：49-53.

[2] 李自杰.物联网技术在煤矿综合信息化建设中的应用探讨[J].数字通信世界， 2023（10）：134-136.

[3] 刘广超.基于物联网技术的煤矿网络调度故障实时监测与诊断研究[J].网络安全和信息化，2023（10）：151-153.

[4] 田振伍，聂倩，原小科.基于WAMS和物联网技术煤矿全电网高压漏电监控系统方案设计[J].内蒙古煤炭经济，2023（5）：54-56.

[5] 孟亦凡.智慧矿山物联网接口机制与信息资源调度方法研究[D].淮南：安徽理工大学， 2022.

[6] 刘忠育.基于深度学习的矿工不安全行为识别方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2021.