物联网在煤矿的应用分析

物联网在煤矿的应用分析郝东东，高艳东，展美宁摘要：本文通过对煤矿物资供应、财务流通、煤炭运输、煤矿安全生产等方面进行了分析，并且针对目前建成的应用系统分析，结合物联网技术，提出了系统化的煤矿企业物联网设计，完善了煤矿信息化建设需求系统。分别从感知层、调度层以及应用层对物联网进行了分析。并对煤矿企业物联网应用特性进行了相关分析，对煤矿企业物联网建设有一定的指导性意义。关键词：煤矿；物联网；煤炭系统；调度；信息化。0引言煤炭是我国主要能源，被誉为工业粮食，我国煤矿资源储量丰富，大部分煤炭资源埋藏较深，多采取井工开采的方式，井工开采工艺较为复杂，各类地质灾害存在，井下生产条件恶劣，随着近年煤矿科技的发展，科技兴安日益重要，矿井监测监控系统、人员定位系统、无线小灵通系统越来越多地应用于煤矿；同时煤矿企业物资需求多，流动资金量大，铁路运输、公路运输定位调度管理有待完善等方方面面说明了物联网应用于煤矿的重要性。1需求分析1.1煤矿环境现状煤矿现有生产作业较为恶劣，矿业生产组织过程中需要大量的人员、设备协同作业，具有以下特点：（1）空间小，设备多。煤矿企业井下、选煤厂、机修车间等设备需求量都相当大，而且多为大型机电设备，尤其是井下空间狭窄、巷道复杂、环境恶劣，却集中了供电、运输、通风、排水、采掘、支护等大量大型机电设备，而设备分管相对零散化，严重影响着安全及生产效率，所以对设备的检测、管理、更新都需要有统一调度性质的管理手段。（2）移动性强。大量的设备需要跟随采掘的进度搬迁，设备、材料损耗、浪费、丢失现象严重，直接影响着生产效率。设备的定位与管理在煤矿企业有待层次化统一管理。（3）定位精确性差。我国煤矿机车定位主要以有线通信方式为主。由于技术、成本与现场安装环境的限制，定位继电器无法高密度大量安装，所以只能在道岔、车站等少数关键位置实现定位，机车运行途中的精确定位无法实现。（4）炸药管理需要在技术上得到提高。煤矿开采炸药需求量相对比较大，当然许多恶性矿难也都与炸药管理有直接关系，主要在于炸药缺乏了精确的定位与系统的管理，无论从炸药领取登记方面还是从炸药运输方面都缺乏系统性的管理。（5）人员定位的重要性。煤矿井下减员增效是煤矿企业提升安全生产管理的一个重要目标和手段。当然人员定位研究历史较长，各大煤矿也纷纷进行了一次次的试验来确保人员安全。但是对煤矿井下通信系统的保障还需要加强。（6）人与设备、运输工具等的协同太过于主观性。煤矿安全规程里，大量的规程都涉及人、设备、运输工具与作业流程的协同操作，而对于规程的执行目前主要靠制度与人的自觉性，缺乏有效的监控技术手段。（7）紧急救险系统不够完善。煤矿井下发生事故后，地面与井下人员的信息沟通不及时，地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。因此，井下人数不详、被困人员位置不清、通信不畅是灾后应急救援急需解决的问题。（8）资金量大，物资需求量大，二者息息相关的关系导致需要紧密结合的管理平台。近年来，煤矿效益大幅度提升，导致煤矿企业资金流动量相当大，目前随着信息化之首财会电算化已经广泛的应用于各大煤矿企业，传统的手写报表形式逐渐被替代，但是财务与物资出现了很大的分歧，需要财务与物资的统一化管理平台建设。（9）运输工具的定位急需加强。火车通信调度已经广泛的应用于铁路运输，但是火车的定位管理还在进一步的成熟试验当中；汽车的定位控制因素较多，较难统一化管理，人员主观性较为随意。1.2目前煤矿数字化系统分析近年来，随着国家完善安全避险六大系统（即监测监控系统、人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统）的需要，以及领导“带班下井”的需要，许多矿井安装了井下人员定位系统、设备点检系统、无线通信系统等，虽然对矿井安全做了巨大贡献，但普遍存在以下问题：（1）各系统功能单一、系统间相互隔离。各系统都由不同部门各自负责，非常的零散化，比如相同机电设备井下、地面无法复用致使材料浪费，企业开销增加。所以问题导致在生产与安全管理上无法实现效能的最大化，系统间的协同作用难以发挥，与企业实际的生产与安全管理的融合度差，系统沦为“孤岛”乃至成为摆设或“参观工程”。（2）系统还不够完善或存在空白，如机车定位系统、设备定位系统、矿区内的炸药运输与管理系统、洗煤厂设备点检系统、运输定位系统等。（3）目前的这些系统还不具备冗灾与应急通信功能。（4）目前各单位已建应用系统相互之间接口不统一，系统整合存在较大难度。如何集中性的解决这一问题便成了煤矿物联网最主要的挑战。2可行性分析（1）目前人员定位系统、设备点检系统、瓦斯监控系统等已经陆续运用于各大煤矿，这些技术证明了底层WSN、RFID射频识别技术，WiFi射频定位、GPS定位技术，网络视频技术等已经能够很好的应用于矿井。（2）基于二维码、RFID射频识别技术，WiFi射频定位、GPS定位技术，网络视频技术等，通过无线以太网与工业以太网，把人员、设备与网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、监控，实现“人与人”、“物与物”、“人与物”之间的协同作业、智能管理的创新应用。（3）将物的定位与人的定位相结合，辅助以通信系统，与生产系统相协同，应用于煤矿企业的安全生产管理，恰能作为物联网技术在煤炭企业安全生产工作中创新应用的核心。（4）各大系统的统一集成整合可大大的提高生产效率。各大系统整合后可以提高设备的复用率，减少材料浪费，克制人员主观性操作所造成的损失。同时能整合从煤炭的开采、设备的采购、设备的使用、煤炭销售等一体化的进行对企业效益进行很好的分析，为高层领导分析提高效益方法时提供了很大方便。以上4点说明物联网无论从技术方面、还是从管理方面都能得到有效的解决与高效的利用。煤炭行业的这种特殊性，使其必须上“物联网”这一新台阶。3物联网技术物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网是将各种信息传感设备，如二维码、射频识别（RFID）、全球定位系统（GPS）等装置与网络结合起来，从而给物体赋予智能，实现人与物、物与物相互间的沟通和对话，实现智能管理。3.1架构设计根据煤矿环境分析，可以将系统架构为三层，感知层、调度层、以及应用层。如图1煤矿物联网架构设计。图1煤矿物联网架构设计3.1.1感知层感知层包括人员定位、设备定位、车辆定位、危险品定位及运输监测、瓦斯、通风、排水等监测；包括地面供电、安防监控等。感知系统可由无线覆盖网络实现，例如WSN、WiFi、Zigbee等，地面感知层可由无线3G网络、GPRS实现。这样风速、风量、温度、转速、振动、电压、电流、功率等传感器，甲烷、CO、CO2、锚杆压力、钻孔应力、顶板离层环境等传感器，跑偏、堆煤、烟雾、皮带打滑等传感器，煤仓料位计、水位计等传感器以及摄像机、RFID人员定位等在矿区地面、井下就构建了一个庞大的传感网络。传感器所采集数据也就奔跑在这个庞大的网络上。3.1.2调度层铺设在地面、井下的光纤环网及网络交换机设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器等组成矿区工业以太网，以及用来实现无线覆盖的PHS网络或WiFi网络，共同构建了覆盖整个矿区的数据网络。通过数据网络将感知层采集数据进行信息集成到控制中心进行信息处理、信息挖掘、信息融合等。形成具有统一安全生产监控的调度系统。3.1.3应用层应用层是最高层物联信息化管理平台，可作为物联管理中心，通过对感知层物流、人流、车流、危险品等采集的数据进行集成、加工处理，在安全生产管理和实时调度控制之间架起一座桥梁，达到两者之间的信息交换和紧密集成，在关系数据库系统基础上，实现各应用系统的集成、管理和信息共享、交互，形成统一的物联管理平台。通过该平台，可以将企业分散的物流、人流、危险品等各子系统实现有机的整合，增加监测监控、告警、存储、分发、业务流程管理、协同作业管理、统计报表、数据分析等附加功能，实现多级、分层、实时以及任意位置的监控与管理。图2调度监控在最基础的画面上如图2所示，在平台的客户端中，调度人员在一个界面下，可以查看、记录一个作业点的现场视频、现场人员与设备、地理位置、设备工况等相关信息，实现数据与信息的集成。管理决策方面,矿山各个职能部门可以通过Internet实现联系，例如对上级单位的回报或者对上级领导的汇报。当然也可以进行矿山安全生产评价与监管、煤矿灾害预警与防治、煤矿供应链管理、大型设备故障诊断、矿山资源环境控制及评价以及地理信息系统等。确保矿山安全发展以及企业又好较快发展。3.2物联网实施分析3.2.1信息编码背景分析里讲到煤矿设备量相当大，比如洗煤厂主席车间、准备车间、煤泥处理车间所用机电设备、井下掘进机、采煤机、掘进机、采煤机、刮板输送机、液压支架、液压泵站、转载机、破碎机、带式输送机、提升机、电机车、胶轮车、通风机、水泵、压风机、移动变电站、电气开关、变压器、监控、通信、机修车间各类机床等大量的机电设备都涉及到物联网设计当中，所以需要对设备进行必要的编码处理。3.2.2完善各项应用系统炸药的领取、运输、使用、剩余回收情况与安全最直接的挂钩；目前全国煤炭大量开采，导致堵车、运输事故频频出现，运输工具的定位跟踪调度也必须全程监管。瓦斯监测、通风监测、排水监测、小灵通等系统已经完善的应用于各大煤矿。3.2.3信息集成、统一平台建设目前信息化已经广泛的在地面低危企业应用起来，Oracle、SQL等应经能成熟应用信息化平台，财会电算化与物资供应系统的融合也已经广泛的应用于各大企业，对数据整合可借鉴地面大型公司。煤矿井下无线传输衰减大、电气必须防爆等特殊性,制约着地面物联网技术直接在煤矿井下应用。因此,需要针对煤矿井下特殊性和煤矿安全生产需求,研究矿用物联网技术。4结论煤矿企业井下人员、危险品、设备定位、包括瓦斯监测、通风监测、排水监测等都是完善国家六大“避险系统”不可或缺的一部分；资金流动量大要合理利用，设备需求多需要合理复用，设备损坏、丢失严重需要统一管理，运输方面定位调度对堵车、路线选择都有着重要指导意义；管理层可省去调查就可从底层对企业进行根本性质的分析进而提高生产、安全效率，许许多多分析表明物联网在煤矿企业是非常必要的。