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矿山物联网体系建设及功能实现
2018-09-18
随着我国煤炭企业的不断发展创新,现有的信息化和自动化系统已经很难满足煤炭企业的生产及管理需求。矿山物联网体系的构建及应用,与之相比具有无可比拟的优势,可以有效解决现有煤炭企业的信息化、自动化难题,使煤炭企业在感知范围、控制的自动化程度和管理的智能化程度方面显著提升,有效提高煤炭企业生产效率和人员的安全保障水平。
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0 引言

煤炭作为我国的主要能源,在未来很长时间内都将占据重要地位,虽然近年来新能源和可再生能源发展成就显著,但目前首要任务仍是要搞好煤炭产业,保障煤炭安全生产和提高经济效益,走绿色智能化健康发展的道路。

在我国大多数煤矿井下人员多,智能化水平有限,导致工作效率低下,同时安全生产监测监控系统功能单一,技术也比较落后,再加上煤炭地下存储条件也很复杂,管理不到位等原因,造成吨煤生产成本高,安全事故频发,严重制约着煤炭行业的可持续发展。

煤炭由地下开采至地面的过程是实时变化的,安全生产是至关重要的,都离不开地下煤层、岩层、各种地质构造和纵横交错的巷道,以及煤矿的采煤,运输,掘进,机电,排水,通风等六大系统,在煤炭开采的复杂过程中,各种设备和各类系统的监测监控数据都是反映设备和系统真实状态的,且具有空间属性,如果不能有效采集,就不能在功能上关联互助、数据共享互换等,造成数据与业务流程和应用相互脱节,只能简单的将采集到的原始数据进行存储、显示和打印,而不能将各种设备和各类系统同时监测到的多源数据进行有效的分析处理,也就不能为保障煤矿的安全生产提供准确的数据信息。

目前我国浅部煤炭资源日渐枯竭,进入深部开采己成为煤炭资源开采的必然趋势。深部“三高一扰动”的复杂力学环境,使得深部煤体和岩体力学特性及其工程响应有着明显的不同,同时也形成了很多动力灾害性事件,包括冲击地压、煤与瓦斯突出、顶板大面积来压和采空区失稳等,并且发生动力灾害性事件的程度有所加剧,频率有所提高,发生灾害机理变得更加复杂,因此深部煤炭资源的开采面临严重的安全问题。在预测重大动力灾难事件时,现有的监测和监控及预警设备不能很好的进行实时、在线和持续的监测监控。矿山物联网打破了传统的思维观念,依托物联网技术,可以在煤矿复杂环境中对各种系统中的人员、设备和基础设施进行更加实时有效的监测监控和协同管理。

1 矿山物联网的含义

矿山物联网是基于日益发达的科学技术的新兴网络协作平台。矿山物联网能够为煤矿各种设备供应链提供完美合理的解决方案。也就是说,通过矿山物联网,煤炭企业可以随时了解设备供应链上每个设备的位置信息并进行管理,为决策提供更加准确和有效的支持。矿山物联网是一个非常先进、全面、复杂的系统,实现了“物物通信和联动”,使物联网上的物品和设备之间可以自由通信、分享信息和沟通。

矿山物联网是一个包括物联网、配套子系统、网络通信设备、传感器系统、标准和接口的标准化平台,是一套庞大的产品体系。

矿山物联网涵盖内容很多,包括以矿山科学技术、人工智能、自动化技术,信息科学和计算机应用等为理论基础,在矿山观测和网络技术支持下,建立起的一系列不同层次的原型、系统领域、材料模型、力学模型、数学模型、信息模型和计算机模型及计算机集成模型、计算机及通讯网络模型、机械传感信息采集模型等,通过多媒体和模拟仿真虚拟技术、LED多维显示屏,来表达展示人员操作、人员位置、人员情况、生产原料、生产设备、生产成品、生产数据、生产调配、生产预警、生产维修、生产活动中出现的各类生产复杂的问题平台。

2 矿山物联网的现状

煤炭企业涉及安全生产、产品质量、成本利润、人员管理、材料设备、工程项目、工作环境等多方面的管理业务,通过实现各方面的自动化和信息化,提高工作效率。当前,大中型煤炭企业为提高企业的管理水平,大多数引入了综合管理系统平台,在系统的建设中,通信设备、软件系统、传感器、工业控制设备和以太网都被用来加速工业化和信息化集成的进程。

但是,各家煤炭企业在建设各个子系统时不能很好的做到与现有系统全面兼容,不能做到信息共享。同时,各家煤炭企业所采用的系统平台之间没有统一的接入技术和通讯协议,设备、通讯方式、数据格式等也不同,呈现多源性和异构性。这样就很难实现煤矿全面智能化管理。

矿山物联网的建设是将煤炭企业的各类传感器、通讯电缆、机械设备与网络等集成为一体的基础设施, 利用感知技术对工作人员和机械设备进行实时和有效的监测监控。

实现矿山物联网的意义主要是利用物联网技术解决在煤炭生产过程中人员的安全问题,解决生产中机械设备的智能控制问题,解决矿山各种动力灾害性事件的监测和监控及预警工作,减少或避免重大灾害事故的发生。

3 矿山物联网的体系架构

矿山是作为物联网应用的一个重要发展区域,矿山物联网是通过各种智能管理与煤炭开采技术及数据采集技术紧密结合,形成矿山中人与人、人与物、物与物相联的网络,将相互独立的作业体系连成一个整体,并通过智能管理平台进行安全生产和经营指导,提出决策建议等,从而实现对矿山整体的可视化、数字化及智慧化管理。

物联网的经典体系架构包括感知层、传输层和应用层三个层次,各行各业应用子网都是在三层基本架构基础上构建的。

由于煤炭企业各种数据信息采集频率高、种类多,矿山物联网运输层受到了极大的压力。因此,在传输层获取数据之前,对感知层获取的数据进行解析,再转交到传输层,不但有利于缓解传输层的压力,还可以保障数据传输的安全性。此外,煤矿信息系统相对独立,系统多,数据结构也不尽相同,导致系统间不能很好地进行互通。因此,在应用层之前加入数据服务接口进行数据处理,使传输层与应用层系统能够更好地相互连接。所以将矿山物联网的结构体系分为感知层、解析层、传输层、处理层和应用层五个层次。

(1)感知层:感知层是数据采集的关键部分,是物联网的核心。

感知层的主要功能是进行物体识别和数据采集等,就像人体结构中的皮肤和五官感触外界信息一样。感知层主要包括二维码和RFID标签、识读器、GPS、传感器、摄像头、网关和M2M终端等。

(2)解析层:解析层主要是对感知层采集到的数据信息进行筛选,将错误的和不合理的数据信息删除、屏蔽,同时对筛选后的数据信息进行修正、编码,并上传至传输层,这样可以有效防止数据信息丢失,降低数据信息解析的压力,提高数据信息传输的速度。

(3)传输层:传输层其功能为“传输”,即通过通信网络传输信息。传输层由互联网、有线和无线通信网以及其它私有网络等组成,类似于人的神经中枢系统,是解析层和处理层连接的纽带,负责将解析层获取的数据信息,安全有效的传输到处理层,并按照不同的应用需求进行数据处理。

传输层包含接入网和传输网,接入网接入方式包括铜线(普通电话线)接入、光纤接入、光纤同轴电缆(有线电视电缆)混合接入和无线接入等,实现接入功能。传输网由公网与专网组成,包括互联网、电信网、广电网、电力通信网、专用网等,实现传输功能。

(4)处理层:处理层主要是完成对筛选后的数据信息进行分类存储,调取和上传等处理工作。此步骤仅传输对应用层系统有用的信息。

(5)应用层:应用层的核心功能表现在两个方面:一是“数据”,应用层需要完成数据的管理和数据的处理;二是“应用”,仅仅管理和处理数据还远远不够,必须将这些数据与煤炭行业应用相结合。由于感知层采集了大量原始数据信息,经过转换、筛选、分析处理后,使其对用户具有实际价值,并根据用户的不同需求完成信息的调配,设置触发相关的通告信息。另外,应用层还能为用户完成指令生成控制和指令传递控制等特定服务。

矿山物联网只有在各个子网系统内进行信息交换、信息共享和整合,形成一个互通的信息网络,这样才能最大程度地发挥物联网系统的作用,才能保障矿山安全生产,提高劳动生产率,降低成本。

4 矿山物联网的应用

矿山物联网是在数字矿山体系结构的基础上搭建了矿山物联网技术,与数字矿山相比,重点在于执行阶段,在整个体系的运行中,物联网技术主要体现在能够智能化的进行生产、监控、销售、管理和决策。

(1)智能化生产:利用物联网感知层实时采集井下采煤过程中各种机械设备的数据信息,并上传至处理中心进行统一管理和控制,同时各种服务子系统对数据信息进行实时处理计算,最后传输到中央数据库共享。这样管理人员和负责人就可以利用显示系统实时查看井下反映上来的数据,并进行生产调整和查看进度等。

(2)智能化监控:煤炭企业最重要的是安全生产。在安全监测监控过程中,矿山物联网系统实时采集井下各种安全监控设备和机械设备传感器以及人员定位等数据信息,自动分析确定所处的工作环境和设备的安全状态,自动分析各种数据信息的变化趋势,预测其发展方向,找出潜在的安全隐患和解决办法,如果有安全隐患,则自动启动相应的应急预案。

(3)智能化销售:煤炭企业对煤炭进行销售,都要经过装载、称重、进出煤矿等流程,最后形成一次完整的交易记录,矿山物联网系统要实现智能化销售就必须对这些销售流程进行智能化管理。如智能识别进出煤矿装载车辆的信息、准确判断车辆是否装载完毕和是否符合称重条件,以及自动记录称重信息等,形成无人值守的智能化销售环境。

(4)智能化管理:煤炭企业的管理涉及到企业经营管理、生产过程管理、人力资源管理、物资管理、财务管理、供销管理和后勤管理等多个方面。矿山物联网系统将煤炭企业的所有管理资源和信息进行整合兼并,最终实现统一智能化管理。

(5)智能化决策:煤炭企业在实现了智能化的生产、监控、销售和管理后,最终完成了数据信息的实时共享互通,从而有效的保证了数据的准确性。矿山物联网系统利用先进的数据存储和分析工具,采用合理的数据分析模型,对所采集的数据信息进行分析处理,将原来相互间没有联系的数据信息转换成决策建议,最终为管理层指挥整个企业提供重要依据。

5 结语

随着我国煤炭企业的不断发展创新,现有的信息化和自动化系统已经很难满足煤炭企业的生产及管理需求。矿山物联网体系的构建及应用,与之相比具有无可比拟的优势,可以有效解决现有煤炭企业的信息化、自动化难题,使煤炭企业在感知范围、控制的自动化程度和管理的智能化程度方面显著提升,有效提高煤炭企业生产效率和人员的安全保障水平。


作者:赵新(煤科集团沈阳研究院有限公司)本文发表于《现代矿业》2018年第8期

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