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1、感知矿山（物联网）示范工程设计方案中国矿业大学感知矿山研发中心徐州市物联网产业研发中心二一一年一月1 项目概述1.1物联网的基本概念物联网的概念有许多，2010年温家宝总理的政府工作报告附录中给出的物联网解释比较具有权威性。中国物联网专家委员会主任委员邬贺铨院士对这个物联网的概念又进一步做了修正：“物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把需要联网的物品与网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪监控和管理的一种网络，它是在网络基础上的延伸和扩展应用”。这个概念不特意指明国际互联网，明确提出是需要联网的物体，同时强调物联网是网络的延伸和扩展应用。这就非常清楚地将行业应用
2、涵盖在物联网内，更为适合当前物联网的发展。感知矿山物联网主要就是依据这个概念来进行设计和规划的。1.2我国煤矿生产现状煤炭是我国主要能源，目前在我国能源生产和消费中，煤炭约占73。据专家预测，到2050年煤炭仍会能源消费的50%以上，煤炭作为主要能源的地位将会在相当长的历史时期中不会改变。我国煤炭资源丰富，劳动力廉价，在国际市场竞争中本应占有优势，但由于我国煤炭储存条件复杂，煤矿自动化水平低，井下用人多，生产安全监控系统采用的技术比较落后，功能单一，再加上管理等因素，使得生产成本高，安全形势不容乐观。全国煤矿事故死亡人数居高不下，百万吨死亡率大大高于世界主要产煤国家平均水平，严重影响了煤炭工业
3、的可持续发展和社会的稳定。随着国家对矿山安全的重视程度不断加强，矿山企业在各种安全、生产监控系统方面的投入逐年加大，对保证矿山的安全和正常生产起到了重要作用。但是在目前的装备和技术水平下，无法根除各种安全隐患，矿山灾害时有发生。现有的安全生产监测监控系统，由于生产厂商和系统建设时期不同，各个系统之间没有统一的通信协议和接入技术，系统之间的数据结构差异很大，呈现多源性和异构性。由于矿山开采的对象矿床是分布于三维地理空间、并随着开采进程不断变化着的地质实体，矿山安全生产的一切过程都离不开三维空间，无论是矿层、构造等地质实体，还是纵横交错的井下巷道系统和各种监测监控信息都具有空间属性。不仅如此，矿山
4、生产活动又是始终处于一种随时间动态变化的复杂系统之中，所以反映其实际状态的各种数据，如果得不到有效集成，就只能形成彼此隔离的“信息孤岛”，同时探测同一地质实体的多数系统只能对其采集到的原始数据进行简单转换、存储、显示和打印，而面向同一地质实体同时探测到的多源信息往往得不到有效地综合利用，更谈不上有效地为煤矿安全提供决策依据。随着开采深度的加大和赋存地质条件的恶化，使得深部煤炭开采的力学环境、岩体组织结构、基本力学行为特征和工程响应与浅部明显不同，导致冲击矿压、顶板大面积来压和采空区失稳等动力灾害事故明显增加，已对深部煤炭资源的安全开采造成严重威胁。在重大灾害的预测方面，缺少实时、在线、连续的监
5、测预警装备。“物联网”概念的问世，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和信息基础设施分开。对煤矿安全生产而言，在“物联网”时代，瓦斯、CO等各类传感器、电缆、电气机械设备、钢筋混凝土等等，所有这些将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，基于物联网络可以对煤矿复杂环境下生产系统内的人员、机器、设备和基础设施实施更加实时有效的协同管理和控制。物联网概念为建立煤矿安全生产与预警救援新体系提出了新的思路和方法。如何利用物联网技术解决煤矿生产中人员安全环境的感知问题，解决矿山灾害状况的预测预报、减少或避免重大灾害事故的发生，解决安全生产的智能控制；矿山物联网技术的发展潮流以及研究的核心内容是
6、什么；如何形成产业标准等。这都是感知矿山物联网示范工程需要解决的问题。2感知矿山物联网总体目标与特征2.1感知矿山物联网的概念及目标作为物联网应用的一个重要领域，“感知矿山”是通过各种感知、信息传输与处理技术，实现对真实矿山整体及相关现象的可视化、数字化及智慧化。其总体目标是：将矿山地理、地质、矿山建设、矿山生产、安全管理、产品加工与运销、矿山生态等综合信息全面数字化，将感知技术、传输技术、信息处理、智能计算、现代控制技术、现代信息管理等与现代采矿及矿物加工技术紧密相结合，构成矿山中人与人、人与物、物与物相联的网络，动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程。以高效、安全、绿色开采为目标，
7、保证矿山经济的可持续增长，保证矿山自然环境的生态稳定。2.2感知矿山物联网的特征近些年在矿山提出过许多概念，如数字矿山、矿山综合自动化、信息化矿山、智能矿山等，而“感知矿山”是在综合了这些概念的基础上，更加具体、全面、动态、详尽地描述真实矿山。比如说，在开始提数字矿山时，要花很大的精力去解释数字矿山与地理信息系统不同，是要将矿山生产过程、矿山安全信息集成在内的；在开始实施矿山综合自动化时，又在花时间去解释要有统一的网络平台和数据平台，地理信息系统也是综合自动化中的一个重要平台，还要解释网络化控制是一种分布式控制等等。而在物联网矿山的概念下，这些都不需要去作任何解释。这是由于物联网本身就是基于统
8、一网络的应用；物联网本身就是要在GIS（地理信息系统）和GPS（全球定位系统）下实现定位的应用；物联网本身就是控制与网络一体化的应用；物联网本身就是分布式应用等等。此外，物联网还明确提出了物与物相联的概念，而在以前的数字矿山等诸多概念中，基本是人与人、人与物相联的概念为主。因此，对矿山移动物体的监控，相对较弱。而煤矿移动作业过程的监控正是矿山生产的特点，物与物相联需要更大范围的无线自组网的能力，需要基于网络的分布式感知能力。综合自动化实现了将煤矿各种监测监控子系统集成到一个平台里，实现了煤矿生产与安全系统的网络化监控，这为实现感知矿山打下了良好的基础。综合自动化系统基本是矿山原来各种系统的简单
9、集成，比较好地做到了减人提效，但矿山集成网络的价值没得到应有的提升，也没有给矿山安全带来明显的改善。以太网发明人之一迈特卡夫曾预测网络的价值是与联网的设备数的平方成正比。煤矿综合自动化将众多子系统联接到了总体网络上，实现的基本还是原来各分立的子系统的功能，没有实现1+12。而利用物联网应用平台技术，提高集成信息的价值；利用移动感知技术，提高煤矿安全信息的感知能力。这是感知矿山物联网的目标。因此，感知矿山物联网应用不是简单的矿山综合自动化，而是在此基础上，利用物联网技术进一步完善矿山综合自动化，使其更加适应矿山的真正需要。这正像物联网应用是在互联网应用的基础上，来进一步丰富和扩展互联网的应用。2
10、.3 感知矿山建设的核心问题-三个感知为保障矿山的安全生产，感知矿山是在实现综合自动化的基础上，实现三个感知。即：l 感知矿工周围安全环境，实现主动式安全保障；l 感知矿山设备工作健康状况，实现预知维修；l 感知矿山灾害风险，实现各种灾害事故的预警预报。感知矿山建设应以三个感知为重点突破点，对煤矿安全信息感知采集技术、煤矿信息融合、识别与协同技术、煤矿传感网控制技术、煤矿传感网络安全生产、预警、灾后重构再生技术等关键技术开展研究，形成完备的基于自有技术的矿山物联网体系。矿山灾害发生的区域和时间均具有未知性，并且矿山处于动态开采过程中，要感知这些灾害产生的前兆信息，只能采用符合矿山生产特点的基于
11、无线传感器网络的分布式、可移动、自组网的信息采集方式。需要研究矿山物联网关键技术，构建动态的感知煤矿灾害状况、感知设备健康状态、感知人员安全环境等信息感知与处理平台。3 项目设计依据l 煤矿安全规程和煤矿设计规范l 智能调度室装备规范l 爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求GB 3836.4-2000l 爆炸性环境用防爆电气设备通用要求GB 3836.12000l 矿用一般型电气设备GB 1217390l 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求MT 20990l 工业电视系统工程设计规范GBJ 11587l 电力系统通信管理规程DL/T54494l 企业供配电系统节能监
12、测方法GB/T 166641996l 通用用电设备配电设计规范GBSOO5593l 矿山电力设计规范GB50O7O94l 煤矿监控系统总体设计规范l 矿井防灭火规范 MTT 6981997l 矿井通风及安全装备标准MT/T 501696l 建筑设计防火规范GB500162006l 煤炭工业矿井设计规范GB502152005l 火灾自动报警系统GB501662007 l 矿山安全条例l 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB500581992 l 煤炭工业选煤厂设计规范MT 500794l 软件开发规范DZ/T 01691997l 计算机软件可靠性和维护性管理GB/T 143941993l 建筑
13、电气设计规范JGJ162008l 安全技术防范规程工程程序技术规范GB 503482004l 闭路电视系统工程技术规范GB5019894 4 感知矿山示范工程总体规划感知矿山示范工程是在实现综合自动化的基础上，实现三个感知，形成完备的基于自有技术的矿山物联网体系。4.1 感知矿山系统规划原则(1) 立足现在，着眼未来，设计开放的感知矿山信息系统。系统设计起点定位要切合实际，做到标准要高，既保证目前应用的需要，同时保证将来系统扩展和提升的需要。真正起到示范作用。(2) 以东升、金宏煤矿为主，预留到集团和到物联网中心的信息接口。(3) 明确感知矿山应用主体，找准重心，重点突破，实现点面结合。(4)
14、 充分利用现有资源条件，降低系统应用成本。总体规划要尽量将已有系统的信息孤岛进行整合，充分利用已有的硬件设施。(5)感知矿山系统设计要本着为需求设计的思想进行设计规划。(6)总体设计，分步实施。总体规划要根据感知矿山的需求及远期目标进行，分步实施要根据资金、人才等资源条件，合理分配项目实施阶段，循序渐进，避免盲目投入。4.2 感知矿山的三层结构模型图41 感知矿山物联网应用模型物联网是典型的以应用为驱动的网络技术，因此，基于应用目的提出感知矿山物联网总体设计模型。由于综合自动化及数字矿山模型在我国煤矿企业己经有众多的实际应用，感知矿山物联网的建设应该建立在这些己有工作的基础上，充分借鉴己有的经
15、验和系统，而不是全盘推翻，另搞一套。因此，感知矿山物联网的模型势必与数字矿山、矿山综合自动化的模型有很紧密的联系。感知矿山物联网应用模型如图41所示，这是一个三层结构的模型，感知矿山的总体目标已经很好的体现在模型中。4.3 三层结构功能设计4.3.1 感知与控制层根据煤矿作业的特点，本层由两层网络组成，骨干传输网和感知层网络。（1）骨干网功能与要求：骨干网为网络化的煤矿监测与控制系统、语音信号及视频信号传输与管理提供了信息高速公路。在此网络上建立了一个基于统一网络的多子系统监控系统、语音通信系统和多路工业电视监控系统，在调度指挥控制中心监控煤矿井上、下安全生产全过程，并通过网络将其传输到煤矿各科室和局调度中心。骨干传输网与矿山综合自动化骨干传输网基本相同，使用防爆1000M工业以太网。对骨干网的总体要求：煤矿各种信息均能融入骨干网进行传输，即能实现矿山的三网合一；快速环形冗余网络故障重构时间严格小于300ms；对各监控子系统可建立虚拟专用网，保证各子系统的相对独立运行；系统模块化具有的热插拔结构适合煤矿的不间断生产和维护、维修的需要；可实现有效的流量限制，防止广播风暴对控制系统造成灾难
