吳季洪,袁欣鵬,王浩盛,趙 凱
(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003)
社會(huì)的高速發(fā)展使得中國對礦物資源的需求日益增多,對礦山施工人員的生命安全、礦井的開采速度和效率等都提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。新的時(shí)代背景下,傳統(tǒng)礦山開采技術(shù)面臨著革新,將其與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入結(jié)合才能緊跟時(shí)代發(fā)展步伐,為行業(yè)改革轉(zhuǎn)型提供支持,使其在新世紀(jì)繼續(xù)為國家發(fā)展提供能源保障。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是目前應(yīng)用非常廣泛的一類智能技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)這一概念于1999年由美國Auto-ID首次提出,即:通過射頻識(shí)別等傳感設(shè)備將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。經(jīng)過20多年的發(fā)展,國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸趨于成熟,被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)從頂層設(shè)計(jì)、感知、礦山應(yīng)用等方面進(jìn)行研究,神華和中煤集團(tuán)也建立了礦山物聯(lián)網(wǎng)示范基地,國內(nèi)外許多礦山企業(yè)紛紛加入研究礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的行列。在國家能源安全宏觀框架和能源革命的新形勢下,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)納入礦山自動(dòng)化、信息化、智能化建設(shè)當(dāng)中,將有效提高礦山生產(chǎn)效率、保障安全生產(chǎn),對礦山智能化進(jìn)程有促進(jìn)作用。目前,礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)雖然具有良好的發(fā)展勢頭,但也存在一些技術(shù)問題需要重點(diǎn)研究,例如缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),感知能力單一以及時(shí)效性差等問題。因此,為了更好地應(yīng)用礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),需要對這些問題加以探討并梳理分析當(dāng)前礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)程,更好地為礦山的智能化發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
傳統(tǒng)采礦技術(shù)生產(chǎn)效率低,安全系數(shù)差,逐漸落后于社會(huì)發(fā)展腳步。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山廣泛地應(yīng)用,使開采效率逐年提高,安全事故逐漸減少。更多學(xué)者和采礦工作者紛紛投入到礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究當(dāng)中,現(xiàn)階段主要從礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)“三層”基本架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山建設(shè)當(dāng)中的具體應(yīng)用等方面進(jìn)行探討和研究。
李鳳賢[1]以感知數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、分析與決策3個(gè)層面作為礦山物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)架,如圖1所示,建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)與應(yīng)用平臺(tái)降低礦山物聯(lián)網(wǎng)信息運(yùn)維成本,提高整個(gè)礦山信息化運(yùn)行效率。程武祥等[2]分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山中的應(yīng)用,探討基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山系統(tǒng)構(gòu)建思路。袁亮等[3]提出礦山“人—機(jī)—環(huán)”信息統(tǒng)一描述方法,構(gòu)建了礦山物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)高效接入與深度分析應(yīng)用服務(wù)體系,實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)狀態(tài)信息的全面精準(zhǔn)感知、實(shí)時(shí)高效交互與智能分析應(yīng)用。姚建銓等[4]從感知礦山的角度簡述礦山物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢;張申等[5]梳理礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程,指出其與自動(dòng)化系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別并分析了各層的關(guān)鍵技術(shù)。各研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量理論研究并在礦山廣泛應(yīng)用,表明礦山物聯(lián)網(wǎng)有廣闊的應(yīng)用前景。但在當(dāng)前發(fā)展階段仍有諸多不足的地方,感知手段單一、傳輸功耗大等問題普遍存在,下面從感知層、傳輸層、應(yīng)用與決策層、智能化礦井建設(shè)情況以及井下定位技術(shù)等方面分析礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。
圖1 礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)
感知層:感知層是整個(gè)架構(gòu)體系的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)感知和采集各項(xiàng)數(shù)據(jù),再將其通過傳輸層傳到?jīng)Q策層,從而構(gòu)成一個(gè)采集—傳輸—決策的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),對礦山的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、存在的隱患進(jìn)行預(yù)防和對發(fā)生的問題快速高效地處理。感知層的核心在于傳感器,目前的礦用傳感器受限于特定子系統(tǒng),缺乏分布式和網(wǎng)絡(luò)化礦山感應(yīng)技術(shù),不能實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián),數(shù)據(jù)可信度也低。如瓦斯傳感器采用紅外線技術(shù)、催化燃燒等,受到井下粉塵、水霧等環(huán)境因素影響較大。因此,研究和推廣新型傳感器是有必要的,如礦用光纖傳感技術(shù),通過該技術(shù)研制的礦用光纖傳感器應(yīng)用于井下溫度檢測、設(shè)備震動(dòng)檢測、瓦斯檢測等場合。
傳輸層:傳輸層是架構(gòu)的核心,需要將各類不同的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、高效地傳輸至應(yīng)用與決策層,涉及實(shí)時(shí)傳輸、協(xié)議轉(zhuǎn)換等技術(shù)。傳輸網(wǎng)絡(luò)缺乏整體時(shí)間同步能力,無法對全礦井發(fā)生的事進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤管理,因此,需要對傳輸網(wǎng)絡(luò)層面的整體時(shí)間進(jìn)行協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。礦井的泛在感知也是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知的重要技術(shù),泛在感知網(wǎng)絡(luò)主要采用WiFi、WSN、智慧線等技術(shù),這些技術(shù)在礦山復(fù)雜環(huán)境下具有局限性,難以適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸、災(zāi)后重構(gòu)等需求,需要研發(fā)新型泛在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。
應(yīng)用與決策層:應(yīng)用與決策層是架構(gòu)的頂層,將收到的數(shù)據(jù)智能分析和處理,可提供監(jiān)測、定位、預(yù)警等服務(wù)。應(yīng)用平臺(tái)主要采用組態(tài)軟件集成信息,對機(jī)器與機(jī)器之間的信息交互研究少,缺乏礦用的支撐平臺(tái);應(yīng)用功能的集成只實(shí)現(xiàn)了部分信息間的聯(lián)動(dòng),缺乏多系統(tǒng)的信息挖掘與融合,孤立的管理應(yīng)用與礦山實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)系不緊密。
2021年6月5日,國家礦山安全監(jiān)察局與國家能源局制定了《煤礦智能化建設(shè)指南》[6],該指南指出煤礦應(yīng)建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),基于感知層、傳輸層和應(yīng)用與決策層的架構(gòu),形成以大數(shù)據(jù)應(yīng)用為中心的按需服務(wù)。近年來,煤礦智能化發(fā)展迅速,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧礦山建設(shè)更加完善。如圖2所示,2017年以來我國煤礦智能化采掘工作面數(shù)量穩(wěn)定增長。
圖2 我國煤礦智能化采掘工作面數(shù)量
2017年,中國煤礦智能化采掘工作面僅47個(gè),到2021年已發(fā)展至813個(gè),據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)計(jì),“十四五”規(guī)劃之后我國煤礦智能工作面將超過1 000處,各種采煤、巡檢等方面的機(jī)器人也將逐步被應(yīng)用于礦山領(lǐng)域。
目前常用的定位技術(shù)有RFID定位技術(shù)、WiFi定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)以及超寬帶定位技術(shù),其中,ZigBee定位技術(shù)和超寬帶定位技術(shù)在精度和時(shí)間分辨率方面較另外幾種定位技術(shù)更有優(yōu)勢[7]。礦山的井下定位技術(shù)對施工人員的安全保障起著關(guān)鍵性的作用。每一個(gè)井下施工人員的位置都能通過定位系統(tǒng)準(zhǔn)確及時(shí)地反映到管理人員面前,以便更好地宏觀調(diào)控。事故發(fā)生前進(jìn)行危機(jī)預(yù)警,預(yù)防事故的發(fā)生;事故發(fā)生后也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)被困人員,更好地進(jìn)行搜救。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在井下定位中也有著廣泛的運(yùn)用,如RFID技術(shù)、接受信號(hào)強(qiáng)度的指示定位技術(shù)、到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)、基于TD-SCDMA的系統(tǒng)定位等技術(shù)在井下定位的應(yīng)用。RFID技術(shù)通過無線電信號(hào)對數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和讀寫,可用于井下人員定位,短距離無線傳輸?shù)?。工人身上和機(jī)器設(shè)備貼上傳感器能識(shí)別的唯一標(biāo)簽,當(dāng)施工人員和設(shè)備靠近傳感器時(shí),就能通過RFID技術(shù)將位置信息和機(jī)器運(yùn)行情況傳輸?shù)焦芾碓O(shè)備上,從而保障施工人員人身安全和提高礦山生產(chǎn)效率。張書建等[8]提出關(guān)于RFID技術(shù)定位的改進(jìn)算法,該算法的定位精度高,能滿足井下目標(biāo)定位的需求。當(dāng)下,RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛用于礦山定位系統(tǒng)中,成為井下定位系統(tǒng)不可或缺的一部分。接受信號(hào)強(qiáng)度的指示定位技術(shù)通過接收器接收到的信號(hào)強(qiáng)度來判斷信號(hào)傳輸?shù)木嚯x,以此來獲取井下工人的位置,比RFID技術(shù)定位更精確,但該技術(shù)也易受環(huán)境影響,配合巷道定位算法能使得定位更加準(zhǔn)確[9]。到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)是指利用信號(hào)到達(dá)傳感器時(shí)間的不同計(jì)算信號(hào)發(fā)出的距離,以此進(jìn)行定位判斷。黃凱等[10]對井下單基站定位中多徑效應(yīng)導(dǎo)致的定位誤差問題提出了一種根據(jù)單次反射的方向和時(shí)間的聯(lián)合定位方法,較大地提高了定位精度?;赥D-SCDMA的系統(tǒng)定位技術(shù)在蜂窩定位的基礎(chǔ)上,利用信號(hào)時(shí)間的提前量測定信號(hào)發(fā)出位置距基站位置。信號(hào)時(shí)間提前量是以現(xiàn)有參數(shù)為基礎(chǔ),將信號(hào)發(fā)射與接收距離匯總并用相關(guān)算法計(jì)算出更精確的位置。該技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)成本低,定位精度較高。
隨著傳感無線技術(shù)的發(fā)展,更多學(xué)者將無線傳感技術(shù)融合到井下定位技術(shù)當(dāng)中。李睿等[11]提出了改進(jìn)型的無線雙重質(zhì)心人員定位算法,能更精準(zhǔn)地定位井下人員;王飛[12]提出了一種基于TOF技術(shù)煤礦井下精確定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,采用主、輔讀卡器實(shí)現(xiàn)精確定位和方向判斷,極大提高了系統(tǒng)容量和定位精度。以上幾種井下定位方法對基站接受和發(fā)送信號(hào)的能力有較高的要求,井下環(huán)境復(fù)雜,溫濕度、煤柱、機(jī)器設(shè)備等都會(huì)對信號(hào)傳輸和接收產(chǎn)生一定的影響,從而影響定位效果和準(zhǔn)確度。因此,加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)井下定位的算法研究,構(gòu)筑成熟穩(wěn)定的井下預(yù)測模型對保證井下工人的安全起著重要作用[13]。
隨著礦山智能化程度不斷加深,礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用也更加廣泛,越來越多的智能應(yīng)用將被接入礦山物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái),要實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)和信息共享,需建立礦山物聯(lián)網(wǎng)信息編碼和交互標(biāo)準(zhǔn)[14]。部分科研院校和科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究,但目前還沒有正式發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致設(shè)備之間信息難以互通共享,無法實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互,不同廠家生產(chǎn)的傳感器、傳輸設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備兼容性差。因此,制定和完善當(dāng)前礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系有助于解決這些問題。
礦山現(xiàn)有傳感器以有線供電、傳輸為主,體積及功耗大,移動(dòng)和維護(hù)困難,設(shè)備成本高,煤礦作業(yè)現(xiàn)場必須按照煤礦安全要求安裝有限的傳感器,因此無法實(shí)現(xiàn)對礦井安全生產(chǎn)的全面深度感知。而要實(shí)現(xiàn)全面深度感知能力,需要安裝大量傳感設(shè)備并進(jìn)行大樣本數(shù)據(jù)采集,因此必須降低傳感及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的成本,并保證穩(wěn)定的供電能力。所以,需要研究具備無線傳輸能力的超低功耗感知技術(shù)和為感知單元提供穩(wěn)定電力的能量捕獲技術(shù),使低成本礦用無線感知設(shè)備可在煤礦井下大量部署,進(jìn)一步提升礦山的感知能力、完善“智能”體系。
智能化礦井的所有智能單元都需要進(jìn)行協(xié)同作業(yè)、互聯(lián)互通,因此,井下受限空間內(nèi)的所有固有、靜態(tài)、移動(dòng)的對象都必須具有一致的精確位置信息。目前,移動(dòng)目標(biāo)定位、工作面協(xié)同控制、快速掘進(jìn)等系統(tǒng)雖具有定位功能,但均局限于各自系統(tǒng),且定位精度不高,無法共享位置信息。安全分析預(yù)警系統(tǒng)雖可建立算法模型,但由于缺乏精確的位置信息,計(jì)算結(jié)果也會(huì)有偏差。故而應(yīng)逐步建立起井下各單元的精準(zhǔn)定位系統(tǒng)。
智慧礦山的發(fā)展離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持,近年來物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在智慧礦山中承擔(dān)著大量數(shù)據(jù)傳輸、及時(shí)上傳下達(dá)、精確定位等任務(wù)[15]。因此,未來礦山建設(shè)中,礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)從技術(shù)層面和應(yīng)用層面推進(jìn)發(fā)展創(chuàng)新。技術(shù)上應(yīng)該朝著數(shù)據(jù)采集和傳輸更快、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理能力更強(qiáng)、物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)協(xié)同性高、精準(zhǔn)定位等方面發(fā)展。應(yīng)用層面則應(yīng)加強(qiáng)礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系的建設(shè);加強(qiáng)礦山安全預(yù)警及災(zāi)后應(yīng)急能力;與政府、高校等機(jī)構(gòu)建立合作關(guān)系,健康持續(xù)地發(fā)展礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),逐步建立現(xiàn)代化智能礦山。
數(shù)據(jù)容量存儲(chǔ)能力:隨著礦山智能化建設(shè)進(jìn)程加快,更多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將陸續(xù)投入使用,數(shù)據(jù)采集與傳輸將更加頻繁,礦山物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所面臨的采集與傳輸數(shù)據(jù)也將越來越龐大。因此,增大物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力是非常必要的。
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的布置與管理:井下環(huán)境和地面不同,隨著采礦的不斷加深,環(huán)境更是復(fù)雜多變。因此,在考慮智能設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度時(shí),應(yīng)考慮實(shí)際井下環(huán)境問題,從設(shè)備分布的密度、礦井的深度、巷道以及采空區(qū)等的不同綜合考量設(shè)備的設(shè)置與管理,通過整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)最大限度地利用好每一個(gè)智能設(shè)備,更快地向智能礦山前進(jìn)。
實(shí)效性與準(zhǔn)確性:在整個(gè)采礦過程中,無論是工作面生產(chǎn)過程,還是發(fā)生安全和生產(chǎn)事故時(shí),數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)效性與準(zhǔn)確性都是必須要保證的。當(dāng)工作面生產(chǎn)發(fā)生異常時(shí),智能設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的及時(shí)和準(zhǔn)確能有效避免更大的生產(chǎn)事故的發(fā)生,及時(shí)處理所發(fā)生的問題;當(dāng)發(fā)生安全事故時(shí),也能通過物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備對被困人員進(jìn)行施救,保障施工人員的生命安全。因此,在建設(shè)智慧礦山時(shí),應(yīng)從物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的感知層、傳輸層、決策與應(yīng)用層等多個(gè)方面研究和考慮,提高數(shù)據(jù)信息的時(shí)效性與準(zhǔn)確性。
動(dòng)態(tài)接入與安全識(shí)別能力:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)越來越多時(shí),物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的耦合度將降低,數(shù)據(jù)共享度更高[11]。采礦過程中,物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備和終端都會(huì)隨著開采進(jìn)度而移動(dòng),礦山復(fù)雜多變的環(huán)境也對設(shè)備數(shù)據(jù)的接入和準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響,不同的時(shí)間和環(huán)境下所重點(diǎn)關(guān)注的情況不同,故需要更加可靠的動(dòng)態(tài)接入技術(shù)和安全識(shí)別能力保證礦山網(wǎng)絡(luò)安全。當(dāng)接入設(shè)備所采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)問題時(shí),終端應(yīng)能自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)是否異常,從而及時(shí)對物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備進(jìn)行檢測,保證作業(yè)的順利進(jìn)行。
災(zāi)后應(yīng)急能力:礦山井下事故頻發(fā),嚴(yán)重影響工作人員生命安全,特別是在開挖巷道和工作面生產(chǎn)時(shí)所面臨的危險(xiǎn)因素多,容易發(fā)生災(zāi)害事故?;谖锫?lián)網(wǎng)的井下定位技術(shù)在礦山的運(yùn)用已經(jīng)使重大災(zāi)害事故減少,但當(dāng)事故發(fā)生時(shí),惡劣的井下環(huán)境對等待救援的人員也是致命的,因此建立災(zāi)后應(yīng)急處理系統(tǒng)能更好地保障災(zāi)害當(dāng)中幸存人員的生命安全。災(zāi)后應(yīng)急可從應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)通信、供氧供水系統(tǒng)以及支護(hù)等方面保障被困人員的安全。
礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開大數(shù)據(jù)的挖掘和獲取,而政府部門、高校企業(yè)等相關(guān)機(jī)構(gòu)掌握著大量數(shù)據(jù)和公共資源。與相關(guān)部門緊密聯(lián)系才能有效利用這些資源,并逐步形成由政府主導(dǎo),企業(yè)和高校等機(jī)構(gòu)聯(lián)合制定和規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)礦山物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
隨著礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷深入發(fā)展,中國礦山建設(shè)發(fā)展進(jìn)程更加趨于自動(dòng)化和智能化,礦山開采效率和施工人員生命安全的保障也都有了很大的提升。當(dāng)前,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與采礦技術(shù)深入結(jié)合,從感知層、傳輸層、應(yīng)用與決策層等方面建立基本的礦山物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),逐漸形成并完善了礦山物聯(lián)網(wǎng)體系;在井下定位技術(shù)方面的應(yīng)用也不斷進(jìn)行優(yōu)化,使得定位的速率和精度都有較大提升。礦山智能化進(jìn)程還很漫長,礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展依然面臨許多難題,缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、精準(zhǔn)感知和定位能力不足,礦山環(huán)境對數(shù)據(jù)傳輸影響大、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力不足等問題。在未來礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中應(yīng)對其重點(diǎn)研究,不斷從礦山物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)層面和應(yīng)用層面加以突破。