引 言

煤礦綜合自動化信息系統(tǒng)是煤礦調(diào)度中心的核心，多種網(wǎng)絡平臺已在一些礦井得到成功應用，但各個網(wǎng)絡平臺之間存在數(shù)字鴻溝[1]。近年來，隨著無線通信技術、分布式計算技術、傳感器技術以及無線網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展與融合，將物聯(lián)網(wǎng)技術引入綜合自動化信息系統(tǒng)建設，建立統(tǒng)一網(wǎng)絡平臺的煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已成為煤礦信息化建設的重要內(nèi)容[2]。以煤礦物聯(lián)網(wǎng)為核心的數(shù)字化煤礦是煤礦未來的發(fā)展方向，煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應用必將在建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、安全高效型的煤礦中發(fā)揮極其重要的作用。本文提出了煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應用解決方案，實現(xiàn)了數(shù)字化煤礦物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系。

1 煤炭生產(chǎn)信息化中的問題

煤炭行業(yè)既是國家能源的主要支柱，也一直是工礦企業(yè)中的高危行業(yè)。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(chǎn)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(chǎn)成本高，安全形勢不容樂觀。煤礦事故死亡人數(shù)居高不下，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。如果沒有現(xiàn)代化信息技術的支持， 要保證安全、高效的生產(chǎn)是十分困難的。因此，如何加強煤礦安全生產(chǎn)管理模式，實現(xiàn)管理的現(xiàn)代化、信息化成為煤礦企業(yè)關心的問題 [3,4]。

目前，由于資金、觀念等的制約，煤炭行業(yè)數(shù)字化進程緩慢，管理手段落后，安全問題尤為突出。為了改善能源工業(yè)這種落后的安全監(jiān)測及管理手段，必須引入新的技術進行改造。其中，物聯(lián)網(wǎng)技術是當前大家公認的首選技術[5-7]。傳統(tǒng)煤礦管理信息系統(tǒng)一直是將物理基礎設施和信息基礎設施分開，物聯(lián)網(wǎng)概念的引入打破了傳統(tǒng)的思維模式。對煤礦安全生產(chǎn)而言，在物聯(lián)網(wǎng)時代，人員、設備、礦井基礎設施等將借助物聯(lián)網(wǎng)技術形成一個互相通信互相協(xié)同的整體，從而實現(xiàn)智能高效的煤礦安全生產(chǎn)管理。物聯(lián)網(wǎng)概念為建立煤礦安全生產(chǎn)與預警救援新體系提出了新的思路和方法。

物聯(lián)網(wǎng)技術的引入，將對改善能源工業(yè)的作業(yè)環(huán)境、安全監(jiān)測、管理水平等方面起到極大地促進作用，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的管理信息化將為能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供良好的條件 ；能源行業(yè)的管理信息形式標準化、信息傳遞規(guī)范化以及信息內(nèi)容系統(tǒng)化、安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控自動化，是能源行業(yè)應用系統(tǒng)的必然趨勢。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術的應用

物聯(lián)網(wǎng)是典型的以應用為驅(qū)動的網(wǎng)絡技術，因此，智能煤礦系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型應當基于應用目的設計。由于綜合自動化及數(shù)字煤礦模型在煤礦企業(yè)己經(jīng)有眾多的實際應用，智能煤礦物聯(lián)網(wǎng)的建設應該建立在這些己有工作的基礎上，充分借鑒已有的經(jīng)驗和系統(tǒng)，而不是全盤推翻。因此，智能煤礦物聯(lián)網(wǎng)的模型勢必與數(shù)字煤礦、煤礦綜合自動化的模型有很緊密的聯(lián)系。本文設計的智能煤礦物聯(lián)網(wǎng)應用模型如圖1所示， 這是一個包含了感知層、網(wǎng)絡層、存儲層和應用層四個層次的結(jié)構(gòu)模型。

在智能煤礦系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型中：感知層由各種傳感器設備、圖像采集設備和執(zhí)行器構(gòu)成，負責完成煤礦人員、設備和環(huán)境的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和控制數(shù)據(jù)的反饋 ；網(wǎng)絡層由鋪設在地面、井下的防爆 1 000 M 工業(yè)以太網(wǎng)和用來實現(xiàn)無線覆蓋的無線WiFi 網(wǎng)絡構(gòu)成，核心網(wǎng)絡設備包括用于無線通信的礦用本安防爆無線基站和礦用光纖耦合器箱，以及用于有線網(wǎng)絡交換和安全的路由器、交換機，防火墻等設備，共同構(gòu)建了覆蓋整個礦區(qū)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡 ；存儲層由數(shù)據(jù)采集服務器、流媒體服務器、語音通訊服務器、應用程序服務器和Web 服務器等設備構(gòu)成，用于存儲和集成不同傳感器網(wǎng)絡獲取的信息，為應用層的管理和控制提供數(shù)據(jù)信息支持 ；應用層是煤礦生產(chǎn)安全管理和決策支持的應用系統(tǒng)，應用層在 3D GIS 系統(tǒng)可視化展示的基礎上，集成了煤礦實時監(jiān)控、自動化管理、智能調(diào)度和智能決策支持的功能，應用層為第三方軟件開發(fā)者提供良好的軟件接口，可以方便地在該平臺上進行二次開發(fā)， 以滿足煤礦企業(yè)不斷變化的新需求。

控制中心是智能煤礦系統(tǒng)中各種信息的集散地，因而它又是一個信息中心。對于智能煤礦來說，它就是一個“管控一體化”中心。智能煤礦系統(tǒng)平臺工程建設中，控制中心的功能與原來生產(chǎn)方式下的單純的調(diào)度室相比得到了加強與擴大，各種系統(tǒng)的信息均通過綜合傳輸網(wǎng)絡送到控制中心，是智能煤礦的上層集成平臺。通過示范工程集成平臺建設，解決原煤礦各系統(tǒng)相對獨立、信息孤島問題 ；解決異構(gòu)系統(tǒng)接口問題，形成統(tǒng)一的煤礦集成平臺標準。集成平臺建設除了上述介紹的硬件平臺建設外，還有軟件平臺建設。

軟件平臺確保煤礦所有安全生產(chǎn)、人員、設備、管理信息等復雜異構(gòu)信息在統(tǒng)一的網(wǎng)絡平臺上運行，在異構(gòu)條件下進行聯(lián)通與共享，能夠使不同功能的應用系統(tǒng)聯(lián)系起來，協(xié)調(diào)有序的運行，使各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)信息實現(xiàn)共享。軟件平臺實現(xiàn)的主要功能有：異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入接口、控制命令輸出接口、數(shù)據(jù)的實時處理與存儲、通信狀態(tài)監(jiān)控與報警、實時報警與預警、數(shù)據(jù)報表與曲線。具體功能接口如圖 2 所示。

3 新型煤礦物聯(lián)網(wǎng)設計的技術優(yōu)勢

智能煤礦系統(tǒng)解決方案集成和完善了現(xiàn)有的煤礦信息系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術建設煤礦中人與人、人與物、物與物相聯(lián)的一體化信息系統(tǒng)；實現(xiàn)對煤礦人員、設備和環(huán)境的實時監(jiān)控， 實現(xiàn)井下電力、通風、排水、提升、運輸系統(tǒng)的遠程自動化控制，實現(xiàn)煤礦井下生產(chǎn)的無人化或少人化作業(yè) ；實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)智能化調(diào)度，實現(xiàn)煤礦安全隱患的預警和智能化預防，實現(xiàn)煤礦的安全質(zhì)量評估和安全漏洞智能分析；保證系統(tǒng)硬件和軟件的可擴展性。本文的智能煤礦系統(tǒng)解決方案的特色與創(chuàng)新之處歸納為四個方面的先進特性：

(1) 一體化

信息系統(tǒng)實現(xiàn)一體化是煤礦安全生產(chǎn)的實際需求。通過物聯(lián)網(wǎng)技術將煤礦生產(chǎn)中復雜的人與物抽象連接到互聯(lián)網(wǎng)中， 實現(xiàn)信息管理的一體化控制。

(2) 自動化

煤礦工作環(huán)境惡劣，迫切要求生產(chǎn)設備能夠?qū)崟r監(jiān)控和遠程自動化控制，智能煤礦系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的電力、通風、排水、提升和運輸系統(tǒng)無人值守的目標。

(3) 智能化

智能化是煤礦信息化建設未來的發(fā)展趨勢。針對煤礦生產(chǎn)錯綜復雜的現(xiàn)狀，依靠現(xiàn)有的管理經(jīng)驗不能做到有效的生產(chǎn)調(diào)度，安全煤礦生產(chǎn)難以保證。智能煤礦系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制煤礦生產(chǎn)設備、優(yōu)化調(diào)度煤礦生產(chǎn)流程和智能保護煤礦安全生產(chǎn)。

(4) 可視化

利用三維地理信息系統(tǒng)技術建立煤礦空間數(shù)據(jù)庫，將煤礦生產(chǎn)設備信息、現(xiàn)場視頻監(jiān)控信息、自動化控制管理系統(tǒng)集成到三維可視化的環(huán)境中，實現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的全景化和動態(tài)化顯示。

結(jié) 語

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字化已成為現(xiàn)代煤礦企業(yè)發(fā)展的必然趨勢，智能化、管控一體化也成為煤炭企業(yè)發(fā)展的必然之路。本文將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術應用到智能煤礦系統(tǒng)解決方案中， 實現(xiàn)了煤礦一體化的信息管理、自動化的遠程控制、智能化的安全生產(chǎn)、可視化的動態(tài)顯示以及可擴展的應用平臺，構(gòu)建數(shù)字化煤礦物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系。