1、感知礦山（物聯(lián)網(wǎng)）示范工程設(shè)計(jì)方案中國礦業(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年一月1 項(xiàng)目概述1.1 物聯(lián)網(wǎng)的基本概念物聯(lián)網(wǎng)的概念有許多， 2010 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。中國物聯(lián)網(wǎng)專家委員會主任委員鄔賀銓院士對這個(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，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、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

2、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)概念來進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃的。1.2 我國煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀煤炭是我國主要能源，目前在我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)中，煤炭約占73。據(jù)專家預(yù)測，到 2050 年煤炭仍會占中國能源消費(fèi)的 50%以上，煤炭作為主要能源的地位將會在相當(dāng)長的 歷史時(shí)期中不會改變。我國煤炭資源豐富，勞動力廉價(jià)，在國際市場競爭中本應(yīng)占有優(yōu)勢，但由于我國煤炭儲 存條件復(fù)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(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，安全形勢不容樂觀。全國煤礦事故死亡 人數(shù)居高不下，百萬噸死亡率大大高于世界主

3、要產(chǎn)煤國家平均水平，嚴(yán)重影響了煤炭工業(yè) 的可持續(xù)發(fā)展和社會的穩(wěn)定。隨著國家對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 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。由于礦山開采的對象礦床是分布于三維地理空間、并隨著開采進(jìn)程不斷變化著的 地質(zhì)實(shí)體，礦山安全生產(chǎn)的一切過程都離不開三維空間，無論是礦層、構(gòu)造等地質(zhì)實(shí)體， 還是縱橫交錯(cuò)的井下巷道系

4、統(tǒng)和各種監(jiān)測監(jiān)控信息都具有空間屬性。不僅如此，礦山生產(chǎn) 活動又是始終處于一種隨時(shí)間動態(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)探測同一地質(zhì)實(shí)體的多 數(shù)系統(tǒng)只能對其采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單轉(zhuǎn)換、存儲、顯示和打印，而面向同一地質(zhì)實(shí) 體同時(shí)探測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)。隨著開采深度的加大和賦存地質(zhì)條件的惡化，使得深部煤炭開采的力學(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、頂板大面積來壓 和采空區(qū)失穩(wěn)等動力災(zāi)害事故明顯增加，已對深部煤炭資源的安全

5、開采造成嚴(yán)重威脅。在 重大災(zāi)害的預(yù)測方面，缺少實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)的監(jiān)測預(yù)警裝備?！拔锫?lián)網(wǎng)”概念的問世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。過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。對煤礦安全生產(chǎn)而言，在“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代，瓦斯、CO等各類傳感器、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)境的感知問題，解決礦山災(zāi)害狀況的 預(yù)測預(yù)報(bào)、減少或避免重大災(zāi)害事故

6、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題。2 感知礦山物聯(lián)網(wǎng)總體目標(biāo)與特征2.1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” 是通過各種感知、 信息傳輸與處理技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)對真實(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、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

7、與物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)詳盡地描述并控制礦山安全生產(chǎn)與運(yùn)營的全過程。以高 效、安全、綠色開采為目標(biāo)，保證礦山經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)增長，保證礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定。2.2 感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的特征近些年在礦山提出過許多概念，如數(shù)字礦山、礦山綜合自動化、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、動態(tài)、詳盡地描 述真實(shí)礦山。比如說，在開始提數(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)過程、礦山安全信息集成在內(nèi)的；在開始實(shí)施礦山綜合自動化 時(shí)，又在花時(shí)間去解釋要有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺和數(shù)據(jù)平臺，地理信息系統(tǒng)也是綜合自動化中 的一個(gè)重要平臺，還要解釋網(wǎng)

8、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，對礦山移動物體的監(jiān)控，相對較弱。而煤 礦移動作業(yè)過程的監(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。綜合自動化實(shí)現(xiàn)了將煤礦各種監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)集成到一

9、個(gè)平臺里，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)。綜合自動化系統(tǒng)基本是礦 山原來各種系統(tǒng)的簡單集成，比較好地做到了減人提效，但礦山集成網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值沒得到應(yīng) 有的提升，也沒有給礦山安全帶來明顯的改善。以太網(wǎng)發(fā)明人之一邁特卡夫曾預(yù)測網(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)的基本還是原來各分立的子系統(tǒng)的功能， 沒有實(shí)現(xiàn) 1+1>2。而利用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺技術(shù)， 提高集成信息的價(jià)值；利用移動感知技術(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)用不是簡單的礦山綜合自動化，而是在此

10、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，來進(jìn)一步豐富和擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。2.3 感知礦山建設(shè)的核心問題 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)綜合自動化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)三個(gè)感知。即： 感知礦工周圍安全環(huán)境，實(shí)現(xiàn)主動式安全保障；4 / 33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)，對煤礦安全信息感知采集技術(shù)、煤礦信息 融合、識別與協(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)開展研究，形成完

11、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，并且礦山處于動態(tài)開采過程中，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)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式、可 移動、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。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 3836.4-2000爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求 GB 3836.1 2000礦用一般型電氣設(shè)備 GB 12173 90煤礦通信、檢測、控制

12、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 11587電力系統(tǒng)通信管理規(guī)程 DL/T54494企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法 GB/T 166641996通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范 GBSOO5593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 MTT 698 1997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 2006煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范 GB502152005火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng) GB501662007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 GB500581992 煤炭工業(yè)選煤廠設(shè)計(jì)規(guī)范

13、 MT 5007 94軟件開發(fā)規(guī)范 DZ/T 01691997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 JGJ162008安全技術(shù)防范規(guī)程工程程序技術(shù)規(guī)范 GB 503482004 閉路電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范 GB50198 944 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。4.1 感知礦山系統(tǒng)規(guī)劃原則(1) 立足現(xiàn)在，著眼未來，設(shè)計(jì)開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)保證將來系統(tǒng)擴(kuò)展和提升的需要。真正起 到示范作用。(

14、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。(6) 總體設(shè)計(jì)，分步實(shí)施?？傮w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。4.2感知礦山的三層結(jié)構(gòu)模型感知礦山檢聯(lián)網(wǎng)總體模型繞網(wǎng)絡(luò)1傳平<臺購生產(chǎn)笛揑生產(chǎn)腔住5*18算三1MM眩VR罷曽著at沁豈動tt

15、Vg箱且系峽|蚩全生產(chǎn)購-3E-二7包與揑射昂圖41感知礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型希矩越山音干書n去全生產(chǎn)迪腔蠶井下m八* 1J-1生產(chǎn)J6SEH乍SJta%廠設(shè)窯井卞井下需電儒電產(chǎn)嫌體業(yè)勢1S物聯(lián)網(wǎng)是典型的以應(yīng)用為驅(qū)動的網(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。由于綜合自動化及數(shù)字礦山模型在我國煤礦企業(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)， 而不是全盤推翻，另搞一套。因此，感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的模型勢必與數(shù)字礦山、礦山綜合自 動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

16、總體目標(biāo)已經(jīng)很好的體現(xiàn)在模型中。4.3 三層結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)4.3.1 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)測與控制系統(tǒng)、語音信號及視頻信 號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)一網(wǎng)絡(luò)的多子系統(tǒng)監(jiān)控 系統(tǒng)、語音通信系統(tǒng)和多路工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，在調(diào)度指揮控制中心監(jiān)控煤礦井上、下安 全生產(chǎn)全過程，并通過網(wǎng)絡(luò)將其傳輸?shù)矫旱V各科室和局調(diào)度中心。骨干傳輸網(wǎng)與礦山綜合自動化骨干傳輸網(wǎng)基本相同，使用防爆1000M工業(yè)以太網(wǎng)。對骨干網(wǎng)的總體要求： 煤礦各種信息均能融入骨干網(wǎng)進(jìn)行傳輸，即能實(shí)現(xiàn)礦山的三網(wǎng)合一

17、； 快速環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò)故障重構(gòu)時(shí)間嚴(yán)格小于 300ms； 對各監(jiān)控子系統(tǒng)可建立虛擬專用網(wǎng)，保證各子系統(tǒng)的相對獨(dú)立運(yùn)行； 系統(tǒng)模塊化具有的熱插拔結(jié)構(gòu)適合煤礦的不間斷生產(chǎn)和維護(hù)、維修的需要； 可實(shí)現(xiàn)有效的流量限制，防止廣播風(fēng)暴對控制系統(tǒng)造成災(zāi)難； 系統(tǒng)統(tǒng)一的編程組態(tài)方式，降低對煤礦用戶專業(yè)知識的要求； 豐富的網(wǎng)絡(luò)管理和診斷功能，便于故障定位和設(shè)備的維護(hù)和維修。例如：采用西門子網(wǎng)管型 Profinet工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，以X系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)硬件 為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為全礦井各生產(chǎn)子系統(tǒng)的綜合傳輸平臺。工業(yè)以太網(wǎng)交 換機(jī)提供了對網(wǎng)絡(luò)的控制和監(jiān)視，通過 SNM查看各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，包括收/發(fā)的字節(jié)數(shù)

18、、收/ 發(fā)的幀數(shù)、錯(cuò)誤數(shù)與端口狀態(tài)等，保證服務(wù)質(zhì)量（QoS、虛擬局域網(wǎng)（VLAN、端口鏡像、 IGMP Snooping、冗余與SNM等功能的實(shí)現(xiàn)。（2）感知網(wǎng)功能與要求：主要是無線網(wǎng)絡(luò)。礦山地理、地質(zhì)、礦山建設(shè)、礦山生產(chǎn)與安全管理、產(chǎn)品加工與運(yùn)銷、礦山生態(tài)等綜合信息均需要移動的感知。引發(fā)礦山事故的災(zāi)害源如瓦斯、礦壓、透水等均散布在尚未開采的地層中，且具有流 動性，開采擾動會造成它們相對集中，演化為災(zāi)害前兆事件。但隨著開采的進(jìn)行，災(zāi)害源 集中的地點(diǎn)、強(qiáng)度、顯示度、危害程度也在不斷的發(fā)生變化，而災(zāi)害事故的產(chǎn)生卻具有突 發(fā)性。顯然，無法用固定的接觸式傳感器直接監(jiān)測災(zāi)害源，只能通過對前兆事件發(fā)生時(shí)通

19、 過地層傳播出來的物理量(如電磁幅射、聲發(fā)射等)進(jìn)行監(jiān)測和識別、處理，但傳播這些 物理量的地層也具有不確定性。需要隨時(shí)能移動的無線分布式感知手段。煤礦生產(chǎn)是移動作業(yè)，人員、設(shè)備、車輛等集中在巷道中，隨著煤礦生產(chǎn)的進(jìn)行，這 些巷道及設(shè)備位置均處在不斷變化之中，移動感知監(jiān)控正是礦山生產(chǎn)的特點(diǎn)。各種無線接入網(wǎng)絡(luò)，如 WiFi 、Zigbee 等是構(gòu)成感知層物與物相聯(lián)的主要技術(shù)，具有自 組網(wǎng)功能的無線網(wǎng)絡(luò)，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在這一層起著不可或缺的作用。感知層網(wǎng)絡(luò)通過 無線網(wǎng)關(guān)分段接入骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)井下主要工作區(qū)域的無線覆蓋或全覆蓋。感知層網(wǎng)絡(luò)除用 于各種需要分布式移動監(jiān)測，如礦山災(zāi)害監(jiān)測、移動設(shè)備監(jiān)控外，

20、還用于個(gè)人安全信息的 無線接入，并可擴(kuò)展為移動語音及視頻提供傳輸通道。與綜合自動化系統(tǒng)相比，感知礦山物聯(lián)網(wǎng)在感知層更多的是分布式感知與控制，而綜 合自動化系統(tǒng)更多的是如何將子系統(tǒng)接入骨干網(wǎng)。感知與控制層主要實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)與安全 過程中各種傳感與控制信息的采集與施用。信息集成與MES層信息集成與MES層由兩大部分組成，一是信息集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括調(diào)度指揮控制中心 以太網(wǎng)，互為冗余的I/O服務(wù)器組和數(shù)據(jù)服務(wù)器集群。服務(wù)器集群通過1000M工業(yè)以太網(wǎng)骨干傳輸，采集全礦生產(chǎn)、安全等全部信息，將信息集成到控制中心，進(jìn)行各種智能信息 處理，如信息融合、信息挖掘等等。服務(wù)器上的重要?dú)v史信息能夠保留一年或更長時(shí)間

21、。另一部分是在信息集成基礎(chǔ)上的 MES( Manufacturing Execution System)，包括在調(diào) 度指揮控制中心以太網(wǎng)上，設(shè)計(jì)多臺操作員站，操作員站完成對子系統(tǒng)的監(jiān)控：如綜采工 作面監(jiān)控子系統(tǒng)、主運(yùn)輸集控子系統(tǒng)、地面供電監(jiān)控子系統(tǒng)、井下供電監(jiān)控子系統(tǒng)、主通 風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控子系統(tǒng)、安全監(jiān)控子系統(tǒng)等各種子系統(tǒng)的監(jiān)控。以及煤礦生產(chǎn)過程的優(yōu)化管 理，根據(jù)煤礦生產(chǎn)流程，當(dāng)某個(gè)實(shí)時(shí)事件發(fā)生時(shí)，MES對此及時(shí)做出反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理，減少煤礦企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動，有效地指導(dǎo)生 產(chǎn)運(yùn)作過程，提高生產(chǎn)力、生產(chǎn)安全性、改善物料的流通性能、又能提高生產(chǎn)回報(bào)率。 ME

22、S 需要與計(jì)劃層和控制層進(jìn)行信息交互，通過企業(yè)的連續(xù)信息流來實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息全集成。本層的關(guān)鍵技術(shù)之一是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫平臺。各種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述形 式、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理格式和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方式，便于信息的挖掘和融合。例如，對礦山 進(jìn)行安全運(yùn)行評價(jià)，需要監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、礦壓監(jiān)測的數(shù)據(jù)、地下 水位及涌水量的數(shù)據(jù)等等，如果各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一的描述形式和存貯方式，信息挖掘 與融合將是一句空話。由于數(shù)字礦山子系統(tǒng)眾多，將來的發(fā)展需要對各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行 綜合分析和數(shù)據(jù)挖掘， 因此，從一開始就利用數(shù)據(jù)倉庫具有海量數(shù)據(jù)存儲的能力， 利用 OLAP 聯(lián)機(jī)分析處理和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)

23、大的多維數(shù)據(jù)分析，為實(shí)現(xiàn)決策支持功能提供條件。管理決策與應(yīng)用層管理決策與應(yīng)用層主要是各種軟件應(yīng)用模塊。礦山及相關(guān)現(xiàn)象的信息在中間層得到提 升后，目的是為了利用這些信息去動態(tài)詳盡地描述與控制礦山安全生產(chǎn)與運(yùn)營的全過程， 保證礦山經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)增長，保證礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定。管理決策層的各種軟件應(yīng)用模塊就是這種目的的具體體現(xiàn)。根據(jù)礦山的具體應(yīng)用不同， 這些模塊是可增減的。 通過企業(yè) Intranet 網(wǎng)絡(luò)，礦山各個(gè)職能部分可實(shí)現(xiàn)更高層次的應(yīng)用。 如：礦山安全生產(chǎn)評價(jià)與監(jiān)管；煤礦災(zāi)害預(yù)警與防治；煤礦供應(yīng)鏈管理；大型設(shè)備故障診 斷；礦山資源環(huán)境控制及評價(jià)等。4.4 感知礦山示范工程建設(shè)內(nèi)容感知礦山示范

24、工程本著統(tǒng)一設(shè)計(jì)，分布實(shí)施的原則進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。整體項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)是 建成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺（骨干網(wǎng)絡(luò)平臺、無線網(wǎng)絡(luò)平臺），結(jié)合“六大安全避險(xiǎn)系統(tǒng)”， 實(shí)現(xiàn)井下工人精確定位、周圍安全環(huán)境感知；使東升、金宏煤礦在采用先進(jìn)的技術(shù)裝備上 達(dá)到國內(nèi)一流水平，實(shí)現(xiàn)井下和地面各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)和大型機(jī)電設(shè)備、供電系統(tǒng)、管網(wǎng)等的 監(jiān)控及診斷，即設(shè)備工況感知；使礦井生產(chǎn)安全可靠，有效地預(yù)防和及時(shí)處理各種突發(fā)事 故和自然災(zāi)害，即礦山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)感知；實(shí)現(xiàn)全礦井的各種數(shù)據(jù)采集，使生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管 理、決策指揮實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、信息化、科學(xué)化。實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)營、生產(chǎn)決策、安全生產(chǎn)管理 和設(shè)備控制等信息的有機(jī)集成，達(dá)到減人增效和提高礦井安

25、全水平的目的。4.4.1 示范工程建設(shè)總體內(nèi)容示范工程建設(shè)內(nèi)容包括的幾大方面：系統(tǒng)集成平臺建設(shè)：建設(shè)全礦井安全、人員、設(shè)備的感知集成平臺，實(shí)現(xiàn)全礦井地 面遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括集群服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫平臺、集成軟件平臺建設(shè)等。感知礦山網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)：包括井上、井下 1000M高速工業(yè)以太網(wǎng)和調(diào)度指揮控制中 心工業(yè)以太網(wǎng)建設(shè)；利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立覆蓋煤礦井下，并與1000M工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)人員管理、無線語音、無線數(shù)據(jù)、無線視頻的統(tǒng) 一平臺），保障出現(xiàn)故障或?yàn)?zāi)害情況下通信鏈路的通暢。人員安全環(huán)境感知：集成現(xiàn)有安全監(jiān)測、人員定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦工對周圍環(huán)境的主 動感知、實(shí)現(xiàn)與礦工的雙向信息傳輸。

26、設(shè)備健康狀態(tài)感知：對井上、井下各生產(chǎn)及輔助系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，減少井下操作人 員，對礦井主要的生產(chǎn)與輔助系統(tǒng)進(jìn)行自動化監(jiān)控（膠帶機(jī)、排水、變電所、通風(fēng) 機(jī)房、壓風(fēng)機(jī)房無人值守，提升系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，少人工作面監(jiān)控）；感知礦山設(shè)備 工作健康狀況，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修。礦山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)感知：包括煤礦災(zāi)害預(yù)警與防治，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控與決策管理等。4.4.2 一期工程建設(shè)內(nèi)容系統(tǒng)集成平臺建設(shè)：建設(shè)全礦井安全、人員、設(shè)備的感知集成平臺，實(shí)現(xiàn)全礦井地 面遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括集群服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫平臺、集成軟件建設(shè)等。骨干網(wǎng)建設(shè)：包括井上、井下1000M高速工業(yè)以太網(wǎng)和調(diào)度指揮控制中心工業(yè)以太 網(wǎng)建設(shè)。感知網(wǎng)建設(shè)：利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立

27、覆蓋煤礦井下，并與1000MX業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)。人員安全環(huán)境感知：新型基于無線覆蓋的移動雙向數(shù)據(jù)信息終端在煤礦井下應(yīng)用。 對井上、井下各生產(chǎn)及輔助系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，減少井下操作人員，對礦井主要的生 產(chǎn)與輔助系統(tǒng)進(jìn)行自動化監(jiān)控（膠帶機(jī)、排水、變電所、通風(fēng)機(jī)房、壓風(fēng)機(jī)房無人 值守，提升系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控）。工業(yè)電視及大屏建設(shè)。4.4.3 二期工程建設(shè)內(nèi)容三維GIS（煤礦安全生產(chǎn)仿真環(huán)境）平臺建設(shè)：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合地理信息系 統(tǒng)和礦井集成監(jiān)控系統(tǒng)，研制一個(gè)用于煤礦安全生產(chǎn)信息綜合管理的軟件系統(tǒng)平臺。 感知礦山設(shè)備工作健康狀況：實(shí)現(xiàn)礦山主要運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備工況分析、預(yù)知維修。 礦山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)感知：包

28、括煤礦災(zāi)害預(yù)警與防治，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控與決策管理等。 對采煤工作面及掘進(jìn)面的主要運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備監(jiān)控進(jìn)行攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)無人或少人工作面。5示范工程集成平臺建設(shè)調(diào)度指揮中心是感知礦山系統(tǒng)中各種信息的集散地，因而它又是一個(gè)信息中心。對于感 知礦山來說，它就是一個(gè)“管控一體化”中心。在感知礦山示范工程建設(shè)中，調(diào)度指揮中心的功能與原來生產(chǎn)方式下的單純的調(diào)度室相 比得到了大大加強(qiáng)與擴(kuò)大，各種系統(tǒng)的信息均通過綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)送到調(diào)度指揮中心，是感知 礦山的上層集成平臺。通過示范工程集成平臺建設(shè)，解決原礦山各系統(tǒng)相對獨(dú)立、信息孤島 問題；解決異構(gòu)系統(tǒng)接口問題，形成統(tǒng)一的礦山集成平臺標(biāo)準(zhǔn)。集成平臺建設(shè)包括硬件平臺建設(shè)和軟件平

29、臺建設(shè)。5.1硬件平臺建設(shè)圖5-1調(diào)度指揮控制中心設(shè)備布置圖1）設(shè)置1臺服務(wù)器用于應(yīng)用程序開發(fā)、部署、維護(hù)及管理的一種基礎(chǔ)架構(gòu)。2）設(shè)置1臺I/O服務(wù)器,采集全礦生產(chǎn)、安全等全部信息，并提供給以太網(wǎng)上各個(gè)操作員站, 各個(gè)工作站對全礦子系統(tǒng)的控制信息也由服務(wù)器，經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)上相應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到被 控子系統(tǒng)。3）設(shè)置1臺WEB艮務(wù)器，負(fù)責(zé)Web發(fā)布，把信息傳送到局域網(wǎng)4）設(shè)置1臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲全礦安全、生產(chǎn)等信息，產(chǎn)生實(shí)時(shí)和歷史 數(shù)據(jù)庫，供管理網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢與分析5）設(shè)置1臺定位服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對礦井人員位置信息的采集及定位計(jì)算。6）設(shè)置4臺工作站，用于監(jiān)控各個(gè)子系統(tǒng)的工況、設(shè)備的狀態(tài)、

30、控制各種設(shè)備的運(yùn)行。7）設(shè)置1臺工程師站，負(fù)責(zé)全部控制系統(tǒng)的組態(tài)和維護(hù)，工程師站由經(jīng)過專門培訓(xùn)過的工 程師操作。8）設(shè)置1臺硬件防火墻負(fù)責(zé)將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與煤礦局域網(wǎng)隔離，以保證監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的相對獨(dú)立。9）設(shè)置1臺核心工業(yè)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦山安全、生產(chǎn)信息的交互。10）配置容量30kVA后備時(shí)間不小于4h的UPS電源設(shè)備。5.2軟件平臺建設(shè)軟件平臺確保煤礦所有安全生產(chǎn)、人員、設(shè)備、管理信息等復(fù)雜異構(gòu)信息在一個(gè)統(tǒng)一 網(wǎng)絡(luò)平臺上運(yùn)行，在異構(gòu)條件下進(jìn)行聯(lián)通與共享，能夠使不同功能的應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)系起來， 協(xié)調(diào)有序運(yùn)行，使各自獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)信息實(shí)現(xiàn)共享。功能結(jié)構(gòu)軟件平臺實(shí)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(shí)時(shí)處理與存儲、通信狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)警、實(shí)時(shí)報(bào)警與預(yù)警、數(shù)據(jù)報(bào)表與曲線。具體功能接 口如圖5-2所示。圖5-2統(tǒng)一平臺功能結(jié)構(gòu)模型1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理。將各種安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、人員井下位置信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、環(huán)境安全實(shí)時(shí)信息等實(shí)時(shí)信息通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫功能快速存儲。（2）異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入。將煤礦現(xiàn)有各種系統(tǒng)按照統(tǒng)一協(xié)議規(guī)范，設(shè)計(jì)協(xié)議轉(zhuǎn)換接口。利用現(xiàn)有的具備OPC ODBC?接口功能的系統(tǒng)，直接將數(shù)據(jù)接入到實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫；對于非標(biāo)準(zhǔn)接口的系統(tǒng)，按照指定的 CVS協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。? 安全生產(chǎn)及設(shè)備數(shù)據(jù)