【正文】 1 / 33感知礦山（物聯網）示范工程設 計 方 案中國礦業(yè)大學感知礦山研發(fā)中心徐州市物聯網產業(yè)研發(fā)中心二Ｏ一一年一月2 / 331 項目概述 物聯網的基本概念物聯網的概念有許多，2022 年溫家寶總理的政府工作報告附錄中給出的物聯網解釋比較具有權威性。中國物聯網專家委員會主任委員鄔賀銓院士對這個物聯網的概念又進一步做了修正：“物聯網是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把需要聯網的物品與網絡連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理的一種網絡，它是在網絡基礎上的延伸和擴展應用” 。這個概念不特意指明國際互聯網，明確提出是需要聯網的物體，同時強調物聯網是網絡的延伸和擴展應用。這就非常清楚地將行業(yè)應用涵蓋在物聯網內，更為適合當前物聯網的發(fā)展。感知礦山物聯網主要就是依據這個概念來進行設計和規(guī)劃的。 我國煤礦生產現狀煤炭是我國主要能源，目前在我國能源生產和消費中，煤炭約占 73％。據專家預測，到 2050 年煤炭仍會占中國能源消費的 50%以上，煤炭作為主要能源的地位將會在相當長的歷史時期中不會改變。我 國 煤 炭 資 源 豐 富 ， 勞 動 力 廉 價 ， 在 國 際 市 場 競 爭 中 本 應 占 有 優(yōu) 勢 ， 但 由于我國煤炭儲存條件復雜，煤礦自動化水平低，井下用人多，生產安全監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術比較落后，功能單一，再加上管理等因素，使得生產成本高，安全形勢不容樂觀。全國煤礦事故死亡人數居高不下，百萬噸死亡率大大高于世界主要產煤國家平均水平，嚴重影響了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和社會的穩(wěn)定。隨著國家對礦山安全的重視程度不斷加強，礦山企業(yè)在各種安全、生產監(jiān)控系統(tǒng)方面的投入逐年加大，對保證礦山的安全和正常生產起到了重要作用。但是在目前的裝備和技術水平下，無法根除各種安全隱患，礦山災害時有發(fā)生?，F有的安全生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，由于生產廠商和系統(tǒng)建設時期不同，各個系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的通信協議和接入技術，系統(tǒng)之間的數據結構差異很大，呈現多源性和異構性。由于礦山開采的對象——礦床是分布于三維地理空間、并隨著開采進程不斷變化著的地質實體，礦山安全生產的一切過程都離不開三維空間，無論是礦層、構造等地質實體，還是縱橫交錯的井下巷道系統(tǒng)和各種監(jiān)測監(jiān)控信息都具有空間屬性。不僅如此，礦山生產3 / 33活動又是始終處于一種隨時間動態(tài)變化的復雜系統(tǒng)之中，所以反映其實際狀態(tài)的各種數據，如果得不到有效集成，就只能形成彼此隔離的“信息孤島”，同時探測同一地質實體的多數系統(tǒng)只能對其采集到的原始數據進行簡單轉換、存儲、顯示和打印，而面向同一地質實體同時探測到的多源信息往往得不到有效地綜合利用，更談不上有效地為煤礦安全提供決策依據。隨著開采深度的加大和賦存地質條件的惡化，使得深部煤炭開采的力學環(huán)境、巖體組織結構、基本力學行為特征和工程響應與淺部明顯不同，導致沖擊礦壓、頂板大面積來壓和采空區(qū)失穩(wěn)等動力災害事故明顯增加，已對深部煤炭資源的安全開采造成嚴重威脅。在重大災害的預測方面，缺少實時、在線、連續(xù)的監(jiān)測預警裝備?！拔锫摼W”概念的問世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。過去的思路一直是將物理基礎設施和信息基礎設施分開。對煤礦安全生產而言，在“物聯網”時代，瓦斯、CO 等各類傳感器、電纜、電氣機械設備、鋼筋混凝土等等，所有這些將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎設施，基于物聯網絡可以對煤礦復雜環(huán)境下生產系統(tǒng)內的人員、機器、設備和基礎設施實施更加實時有效的協同管理和控制。物聯網概念為建立煤礦安全生產與預警救援新體系提出了新的思路和方法。如何利用物聯網技術解決煤礦生產中人員安全環(huán)境的感知問題，解決礦山災害狀況的預測預報、減少或避免重大災害事故的發(fā)生，解決安全生產的智能控制；礦山物聯網技術的發(fā)展潮流以及研究的核心內容是什么；如何形成產業(yè)標準等。這都是感知礦山物聯網示范工程需要解決的問題。2 感知礦山物聯網總體目標與特征 感知礦山物聯網的概念及目標作為物聯網應用的一個重要領域， “感知礦山”是通過各種感知、信息傳輸與處理技術，實現對真實礦山整體及相關現象的可視化、數字化及智慧化。其總體目標是：將礦山地理、地質、礦山建設、礦山生產、安全管理、產品加工與運銷、礦山生態(tài)等綜合信息全面數字化，將感知技術、傳輸技術、信息處理、智能計算、現代控制技術、現代信息管理等與現代采礦及礦物加工技術緊密相結合，構成礦山中人與人、人與物、物與物相聯的網絡，動態(tài)詳盡地描述并控制礦山安全生產與運營的全過程。以高4 / 33效、安全、綠色開采為目標，保證礦山經濟的可持續(xù)增長，保證礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定。 感知礦山物聯網的特征近些年在礦山提出過許多概念，如數字礦山、礦山綜合自動化、信息化礦山、智能礦山等，而“感知礦山”是在綜合了這些概念的基礎上，更加具體、全面、動態(tài)、詳盡地描述真實礦山。比如說，在開始提數字礦山時，要花很大的精力去解釋數字礦山與地理信息系統(tǒng)不同，是要將礦山生產過程、礦山安全信息集成在內的；在開始實施礦山綜合自動化時，又在花時間去解釋要有統(tǒng)一的網絡平臺和數據平臺，地理信息系統(tǒng)也是綜合自動化中的一個重要平臺，還要解釋網絡化控制是一種分布式控制等等。而在物聯網礦山的概念下，這些都不需要去作任何解釋。這是由于物聯網本身就是基于統(tǒng)一網絡的應用；物聯網本身就是要在 GIS（地理信息系統(tǒng)）和 GPS（全球定位系統(tǒng)）下實現定位的應用；物聯網本身就是控制與網絡一體化的應用；物聯網本身就是分布式應用等等。此外，物聯網還明確提出了物與物相聯的概念，而在以前的數字礦山等諸多概念中，基本是人與人、人與物相聯的概念為主。因此，對礦山移動物體的監(jiān)控，相對較弱。而煤礦移動作業(yè)過程的監(jiān)控正是礦山生產的特點，物與物相聯需要更大范圍的無線自組網的能力，需要基于網絡的分布式感知能力。綜合自動化實現了將煤礦各種監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)集成到一個平臺里，實現了煤礦生產與安全系統(tǒng)的網絡化監(jiān)控，這為實現感知礦山打下了良好的基礎。綜合自動化系統(tǒng)基本是礦山原來各種系統(tǒng)的簡單集成，比較好地做到了減人提效，但礦山集成網絡的價值沒得到應有的提升，也沒有給礦山安全帶來明顯的改善。以太網發(fā)明人之一邁特卡夫曾預測網絡的價值是與聯網的設備數的平方成正比。煤礦綜合自動化將眾多子系統(tǒng)聯接到了總體網絡上，實現的基本還是原來各分立的子系統(tǒng)的功能，沒有實現 1+12。而利用物聯網應用平臺技術，提高集成信息的價值；利用移動感知技術，提高煤礦安全信息的感知能力。這是感知礦山物聯網的目標。因此，感知礦山物聯網應用不是簡單的礦山綜合自動化，而是在此基礎上，利用物聯網技術進一步完善礦山綜合自動化，使其更加適應礦山的真正需要。這正像物聯網應用是在互聯網應用的基礎上，來進一步豐富和擴展互聯網的應用。 感知礦山建設的核心問題三個感知為保障礦山的安全生產，感知礦山是在實現綜合自動化的基礎上，實現三個感知。即：5 / 33? 感知礦工周圍安全環(huán)境，實現主動式安全保障；? 感知礦山設備工作健康狀況，實現預知維修；? 感知礦山災害風險，實現各種災害事故的預警預報。感知礦山建設應以三個感知為重點突破點，對煤礦安全信息感知采集技術、煤礦信息融合、識別與協同技術、煤礦傳感網控制技術、煤礦傳感網絡安全生產、預警、災后重構再生技術等關鍵技術開展研究，形成完備的基于自有技術的礦山物聯網體系。礦山災害發(fā)生的區(qū)域和時間均具有未知性，并且礦山處于動態(tài)開采過程中，要感知這些災害產生的前兆信息，只能采用符合礦山生產特點的基于無線傳感器網絡的分布式、可移動、自組網的信息采集方式。需要研究礦山物聯網關鍵技術，構建動態(tài)的感知煤礦災害狀況、感知設備健康狀態(tài)、感知人員安全環(huán)境等信息感知與處理平臺。3 項目設計依據? 《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦設計規(guī)范》? 《智能調度室裝備規(guī)范》? 《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設備本質安全型電路和電氣設備要求》GB ? 《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設備通用要求》GB —2022? 《礦用一般型電氣設備》GB 12173—90? 《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求》MT 209－90? 《工業(yè)電視系統(tǒng)工程設計規(guī)范》GBJ 115—87? 《電力系統(tǒng)通信管理規(guī)程》DL/T544—94? 《企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法》GB/T 16664—1996? 《通用用電設備配電設計規(guī)范》GBSOO55—93? 《礦山電力設計規(guī)范》GB50O7O—94? 《煤礦監(jiān)控系統(tǒng)總體設計規(guī)范》? 《礦井防滅火規(guī)范》 MT／T 698—19976 / 33? 《礦井通風及安全裝備標準》MT/T 5016—96? 《建筑設計防火規(guī)范》GB50016—2022? 《煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范》GB50215 —2022 ? 《火災自動報警系統(tǒng)》GB50166 —2022 ? 《礦山安全條例》? 《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》GB50058—1992 ? 《煤炭工業(yè)選煤廠設計規(guī)范》MT 5007—94? 《軟件開發(fā)規(guī)范》 DZ/T 0169—1997? 《計算機軟件可靠性和維護性管理》 GB/T 14394—1993? 《建筑電氣設計規(guī)范》JGJ16 —2022? 《安全技術防范規(guī)程工程程序技術規(guī)范》GB 50348—2022? 《閉路電視系統(tǒng)工程技術規(guī)范》GB50198 —94 4 感知礦山示范工程總體規(guī)劃感知礦山示范工程是在實現綜合自動化的基礎上，實現三個感知，形成完備的基于自有技術的礦山物聯網體系。 感知礦山系統(tǒng)規(guī)劃原則(1) 立 足 現 在 ， 著 眼 未 來 ， 設 計 開 放 的 感 知 礦 山 信 息 系 統(tǒng) 。 系 統(tǒng) 設 計 起 點 定 位 要 切 合實 際 ， 做 到 標 準 要 高 ， 既 保 證 目 前 應 用 的 需 要 ， 同 時 保 證 將 來 系 統(tǒng) 擴 展 和 提 升 的 需 要 。 真正 起 到 示 范 作 用 。(2) 以東升、金宏煤礦為主，預留到集團和到物聯網中心的信息接口。(3) 明確感知礦山應用主體，找準重心，重點突破，實現點面結合。(4) 充分利用現有資源條件，降低系統(tǒng)應用成本。總體規(guī)劃要盡量將已有系統(tǒng)的信息孤島進行整合，充分利用已有的硬件設施。(5)感知礦山系統(tǒng)設計要本著為需求設計的思想進行設計規(guī)劃。7 / 33(6)總體設計，分步實施?？傮w規(guī)劃要根據感知礦山的需求及遠期目標進行，分步實施要根據資金、人才等資源條件，合理分配項目實施階段，循序漸進，避免盲目投入。 感知礦山的三層結構模型圖 4－1 感知礦山物聯網應用模型物聯網是典型的以應用為驅動的網絡技術，因此，基于應用目的提出感知礦山物聯網總體設計模型。由于綜合自動化及數字礦山模型在我國煤礦企業(yè)己經有眾多的實際應用，感知礦山物聯網的建設應該建立在這些己有工作的基礎上，充分借鑒己有的經驗和系統(tǒng)，而不是全盤推翻，另搞一套。因此，感知礦山物聯網的模型勢必與數字礦山、礦山綜合自動化的模型有很緊密的聯系。感知礦山物聯網應用模型如圖 4－1 所示，這是一個三層結構的模型，感知礦山的總體目標已經很好的體現在模型中。8 / 33 三層結構功能設計 感知與控制層根據煤礦作業(yè)的特點，本層由兩層網絡組成，骨干傳輸網和感知層網絡。（1）骨干網功能與要求：骨干網為網絡化的煤礦監(jiān)測與控制系統(tǒng)、語音信號及視頻信號傳輸與管理提供了信息高速公路。在此網絡上建立了一個基于統(tǒng)