【正文】 1 / 33感知礦山（物聯(lián)網(wǎng)）示范工程設(shè) 計(jì) 方 案中國(guó)礦業(yè)大學(xué)感知礦山研發(fā)中心徐州市物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心二Ｏ一一年一月2 / 331 項(xiàng)目概述 物聯(lián)網(wǎng)的基本概念物聯(lián)網(wǎng)的概念有許多，2022 年溫家寶總理的政府工作報(bào)告附錄中給出的物聯(lián)網(wǎng)解釋比較具有權(quán)威性。中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)家委員會(huì)主任委員鄔賀銓院士對(duì)這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的概念又進(jìn)一步做了修正：“物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把需要聯(lián)網(wǎng)的物品與網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，它是在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展應(yīng)用” 。這個(gè)概念不特意指明國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)，明確提出是需要聯(lián)網(wǎng)的物體，同時(shí)強(qiáng)調(diào)物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的延伸和擴(kuò)展應(yīng)用。這就非常清楚地將行業(yè)應(yīng)用涵蓋在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，更為適合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。感知礦山物聯(lián)網(wǎng)主要就是依據(jù)這個(gè)概念來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃的。 我國(guó)煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀煤炭是我國(guó)主要能源，目前在我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)中，煤炭約占 73％。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到 2050 年煤炭仍會(huì)占中國(guó)能源消費(fèi)的 50%以上，煤炭作為主要能源的地位將會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期中不會(huì)改變。我 國(guó) 煤 炭 資 源 豐 富 ， 勞 動(dòng) 力 廉 價(jià) ， 在 國(guó) 際 市 場(chǎng) 競(jìng) 爭(zhēng) 中 本 應(yīng) 占 有 優(yōu) 勢(shì) ， 但 由于我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)存條件復(fù)雜，煤礦自動(dòng)化水平低，井下用人多，生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術(shù)比較落后，功能單一，再加上管理等因素，使得生產(chǎn)成本高，安全形勢(shì)不容樂(lè)觀。全國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)居高不下，百萬(wàn)噸死亡率大大高于世界主要產(chǎn)煤國(guó)家平均水平，嚴(yán)重影響了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定。隨著國(guó)家對(duì)礦山安全的重視程度不斷加強(qiáng)，礦山企業(yè)在各種安全、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)方面的投入逐年加大，對(duì)保證礦山的安全和正常生產(chǎn)起到了重要作用。但是在目前的裝備和技術(shù)水平下，無(wú)法根除各種安全隱患，礦山災(zāi)害時(shí)有發(fā)生?，F(xiàn)有的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，由于生產(chǎn)廠商和系統(tǒng)建設(shè)時(shí)期不同，各個(gè)系統(tǒng)之間沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議和接入技術(shù)，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異很大，呈現(xiàn)多源性和異構(gòu)性。由于礦山開(kāi)采的對(duì)象——礦床是分布于三維地理空間、并隨著開(kāi)采進(jìn)程不斷變化著的地質(zhì)實(shí)體，礦山安全生產(chǎn)的一切過(guò)程都離不開(kāi)三維空間，無(wú)論是礦層、構(gòu)造等地質(zhì)實(shí)體，還是縱橫交錯(cuò)的井下巷道系統(tǒng)和各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息都具有空間屬性。不僅如此，礦山生產(chǎn)3 / 33活動(dòng)又是始終處于一種隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng)之中，所以反映其實(shí)際狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)，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(shí)探測(cè)同一地質(zhì)實(shí)體的多數(shù)系統(tǒng)只能對(duì)其采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示和打印，而面向同一地質(zhì)實(shí)體同時(shí)探測(cè)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(jù)。隨著開(kāi)采深度的加大和賦存地質(zhì)條件的惡化，使得深部煤炭開(kāi)采的力學(xué)環(huán)境、巖體組織結(jié)構(gòu)、基本力學(xué)行為特征和工程響應(yīng)與淺部明顯不同，導(dǎo)致沖擊礦壓、頂板大面積來(lái)壓和采空區(qū)失穩(wěn)等動(dòng)力災(zāi)害事故明顯增加，已對(duì)深部煤炭資源的安全開(kāi)采造成嚴(yán)重威脅。在重大災(zāi)害的預(yù)測(cè)方面，缺少實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警裝備?！拔锫?lián)網(wǎng)”概念的問(wèn)世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。過(guò)去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施分開(kāi)。對(duì)煤礦安全生產(chǎn)而言，在“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代，瓦斯、CO 等各類(lèi)傳感器、電纜、電氣機(jī)械設(shè)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(chǔ)設(shè)施，基于物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)煤礦復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施更加實(shí)時(shí)有效的協(xié)同管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)概念為建立煤礦安全生產(chǎn)與預(yù)警救援新體系提出了新的思路和方法。如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決煤礦生產(chǎn)中人員安全環(huán)境的感知問(wèn)題，解決礦山災(zāi)害狀況的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、減少或避免重大災(zāi)害事故的發(fā)生，解決安全生產(chǎn)的智能控制；礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展潮流以及研究的核心內(nèi)容是什么；如何形成產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。這都是感知礦山物聯(lián)網(wǎng)示范工程需要解決的問(wèn)題。2 感知礦山物聯(lián)網(wǎng)總體目標(biāo)與特征 感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的概念及目標(biāo)作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域， “感知礦山”是通過(guò)各種感知、信息傳輸與處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的可視化、數(shù)字化及智慧化。其總體目標(biāo)是：將礦山地理、地質(zhì)、礦山建設(shè)、礦山生產(chǎn)、安全管理、產(chǎn)品加工與運(yùn)銷(xiāo)、礦山生態(tài)等綜合信息全面數(shù)字化，將感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理、智能計(jì)算、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代信息管理等與現(xiàn)代采礦及礦物加工技術(shù)緊密相結(jié)合，構(gòu)成礦山中人與人、人與物、物與物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)詳盡地描述并控制礦山安全生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程。以高4 / 33效、安全、綠色開(kāi)采為目標(biāo)，保證礦山經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)增長(zhǎng)，保證礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定。 感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的特征近些年在礦山提出過(guò)許多概念，如數(shù)字礦山、礦山綜合自動(dòng)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(chǔ)上，更加具體、全面、動(dòng)態(tài)、詳盡地描述真實(shí)礦山。比如說(shuō)，在開(kāi)始提數(shù)字礦山時(shí)，要花很大的精力去解釋數(shù)字礦山與地理信息系統(tǒng)不同，是要將礦山生產(chǎn)過(guò)程、礦山安全信息集成在內(nèi)的；在開(kāi)始實(shí)施礦山綜合自動(dòng)化時(shí)，又在花時(shí)間去解釋要有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和數(shù)據(jù)平臺(tái)，地理信息系統(tǒng)也是綜合自動(dòng)化中的一個(gè)重要平臺(tái)，還要解釋網(wǎng)絡(luò)化控制是一種分布式控制等等。而在物聯(lián)網(wǎng)礦山的概念下，這些都不需要去作任何解釋。這是由于物聯(lián)網(wǎng)本身就是基于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；物聯(lián)網(wǎng)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(shí)現(xiàn)定位的應(yīng)用；物聯(lián)網(wǎng)本身就是控制與網(wǎng)絡(luò)一體化的應(yīng)用；物聯(lián)網(wǎng)本身就是分布式應(yīng)用等等。此外，物聯(lián)網(wǎng)還明確提出了物與物相聯(lián)的概念，而在以前的數(shù)字礦山等諸多概念中，基本是人與人、人與物相聯(lián)的概念為主。因此，對(duì)礦山移動(dòng)物體的監(jiān)控，相對(duì)較弱。而煤礦移動(dòng)作業(yè)過(guò)程的監(jiān)控正是礦山生產(chǎn)的特點(diǎn)，物與物相聯(lián)需要更大范圍的無(wú)線自組網(wǎng)的能力，需要基于網(wǎng)絡(luò)的分布式感知能力。綜合自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)了將煤礦各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控子系統(tǒng)集成到一個(gè)平臺(tái)里，實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)與安全系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，這為實(shí)現(xiàn)感知礦山打下了良好的基礎(chǔ)。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)基本是礦山原來(lái)各種系統(tǒng)的簡(jiǎn)單集成，比較好地做到了減人提效，但礦山集成網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值沒(méi)得到應(yīng)有的提升，也沒(méi)有給礦山安全帶來(lái)明顯的改善。以太網(wǎng)發(fā)明人之一邁特卡夫曾預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值是與聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)的平方成正比。煤礦綜合自動(dòng)化將眾多子系統(tǒng)聯(lián)接到了總體網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)的基本還是原來(lái)各分立的子系統(tǒng)的功能，沒(méi)有實(shí)現(xiàn) 1+12。而利用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)技術(shù)，提高集成信息的價(jià)值；利用移動(dòng)感知技術(shù)，提高煤礦安全信息的感知能力。這是感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)。因此，感知礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不是簡(jiǎn)單的礦山綜合自動(dòng)化，而是在此基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步完善礦山綜合自動(dòng)化，使其更加適應(yīng)礦山的真正需要。這正像物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，來(lái)進(jìn)一步豐富和擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。 感知礦山建設(shè)的核心問(wèn)題三個(gè)感知為保障礦山的安全生產(chǎn)，感知礦山是在實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)三個(gè)感知。即：5 / 33? 感知礦工周?chē)踩h(huán)境，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式安全保障；? 感知礦山設(shè)備工作健康狀況，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修；? 感知礦山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害事故的預(yù)警預(yù)報(bào)。感知礦山建設(shè)應(yīng)以三個(gè)感知為重點(diǎn)突破點(diǎn)，對(duì)煤礦安全信息感知采集技術(shù)、煤礦信息融合、識(shí)別與協(xié)同技術(shù)、煤礦傳感網(wǎng)控制技術(shù)、煤礦傳感網(wǎng)絡(luò)安全生產(chǎn)、預(yù)警、災(zāi)后重構(gòu)再生技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究，形成完備的基于自有技術(shù)的礦山物聯(lián)網(wǎng)體系。礦山災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域和時(shí)間均具有未知性，并且礦山處于動(dòng)態(tài)開(kāi)采過(guò)程中，要感知這些災(zāi)害產(chǎn)生的前兆信息，只能采用符合礦山生產(chǎn)特點(diǎn)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式、可移動(dòng)、自組網(wǎng)的信息采集方式。需要研究礦山物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)的感知煤礦災(zāi)害狀況、感知設(shè)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(tái)。3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù)? 《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范》? 《智能調(diào)度室裝備規(guī)范》? 《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備本質(zhì)安全型電路和電氣設(shè)備要求》GB ? 《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求》GB —2022? 《礦用一般型電氣設(shè)備》GB 12173—90? 《煤礦通信、檢測(cè)、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》MT 209－90? 《工業(yè)電視系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)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(cè)方法》GB/T 16664—1996? 《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GBSOO55—93? 《礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50O7O—94? 《煤礦監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)范》? 《礦井防滅火規(guī)范》 MT／T 698—19976 / 33? 《礦井通風(fēng)及安全裝備標(biāo)準(zhǔn)》MT/T 5016—96? 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016—2022? 《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50215 —2022 ? 《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)》GB50166 —2022 ? 《礦山安全條例》? 《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058—1992 ? 《煤炭工業(yè)選煤廠設(shè)計(jì)規(guī)范》MT 5007—94? 《軟件開(kāi)發(fā)規(guī)范》 DZ/T 0169—1997? 《計(jì)算機(jī)軟件可靠性和維護(hù)性管理》 GB/T 14394—1993? 《建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ16 —2022? 《安全技術(shù)防范規(guī)程工程程序技術(shù)規(guī)范》GB 50348—2022? 《閉路電視系統(tǒng)工程技術(shù)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(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)三個(gè)感知，形成完備的基于自有技術(shù)的礦山物聯(lián)網(wǎng)體系。 感知礦山系統(tǒng)規(guī)劃原則(1) 立 足 現(xiàn) 在 ， 著 眼 未 來(lái) ， 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 放 的 感 知 礦 山 信 息 系 統(tǒng) 。 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 起 點(diǎn) 定 位 要 切 合實(shí) 際 ， 做 到 標(biāo) 準(zhǔn) 要 高 ， 既 保 證 目 前 應(yīng) 用 的 需 要 ， 同 時(shí) 保 證 將 來(lái) 系 統(tǒng) 擴(kuò) 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(yù)留到集團(tuán)和到物聯(lián)網(wǎng)中心的信息接口。(3) 明確感知礦山應(yīng)用主體，找準(zhǔn)重心，重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)面結(jié)合。(4) 充分利用現(xiàn)有資源條件，降低系統(tǒng)應(yīng)用成本。總體規(guī)劃要盡量將已有系統(tǒng)的信息孤島進(jìn)行整合，充分利用已有的硬件設(shè)施。(5)感知礦山系統(tǒng)設(shè)計(jì)要本著為需求設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃。7 / 33(6)總體設(shè)計(jì)，分步實(shí)施。總體規(guī)劃要根據(jù)感知礦山的需求及遠(yuǎn)期目標(biāo)進(jìn)行，分步實(shí)施要根據(jù)資金、人才等資源條件，合理分配項(xiàng)目實(shí)施階段，循序漸進(jìn)，避免盲目投入。 感知礦山的三層結(jié)構(gòu)模型圖 4－1 感知礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型物聯(lián)網(wǎng)是典型的以應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此，基于應(yīng)用目的提出感知礦山物聯(lián)網(wǎng)總體設(shè)計(jì)模型。由于綜合自動(dòng)化及數(shù)字礦山模型在我國(guó)煤礦企業(yè)己經(jīng)有眾多的實(shí)際應(yīng)用，感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)該建立在這些己有工作的基礎(chǔ)上，充分借鑒己有的經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)，而不是全盤(pán)推翻，另搞一套。因此，感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的模型勢(shì)必與數(shù)字礦山、礦山綜合自動(dòng)化的模型有很緊密的聯(lián)系。感知礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型如圖 4－1 所示，這是一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的模型，感知礦山的總體目標(biāo)已經(jīng)很好的體現(xiàn)在模型中。8 / 33 三層結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì) 感知與控制層根據(jù)煤礦作業(yè)的特點(diǎn)，本層由兩層網(wǎng)絡(luò)組成，骨干傳輸網(wǎng)和感知層網(wǎng)絡(luò)。（1）骨干網(wǎng)功能與要求：骨干網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)化的煤礦監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)、語(yǔ)音信號(hào)及視頻信號(hào)傳輸與管理提供了信息高速公路。在此網(wǎng)絡(luò)上建立了一個(gè)基于統(tǒng)