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第 12 期 2010 年 12 月 工矿自动化 Industry and M ine Automation No. 12 Dec. 2010 专题讲座 文章编号 1671- 251X 2010 12- 0117- 05 物联网与感知矿山专题讲座之三 感知矿山物联网的特征与关键技术 张申, 丁恩杰, 徐钊, 华钢 中国矿业大学物联网 感知矿山 研究中心, 江苏 徐州 221008 摘要 指出了感知矿山物联网是在煤矿综合自动化基础上的延伸和扩展应用, 因而, 感知矿山物联网在 很大程度上有别于综合自动化系统; 由于煤矿应用的特点, 感知矿山物联网与目前地面物联网应用也有一些 不同之处; 介绍了感知矿山物联网的特征, 它主要表现在多系统综合应用、 感知层开放、 应用平台开放和适合 构建逻辑子系统等几个方面; 分析了感知层、 网络层、 应用层的关键技术和跨层的公共技术; 给出了感知矿山 物联网的开放性要求和标准建设。该文对更好地理解感知矿山物联网的建设具有一定的参考价值。 关键词 感知矿山物联网; 综合应用; 逻辑子系统; 开放性要求; 接口标准 中图分类号 TD655 文献标识码A Part of Lecture of Internet of Things and Sensor Mine Characteristics and Key Technologies of Sensor Mine Internet of T hings ZHANG Shen, DING Enjie, XU Zhao, HUA Gang Internet of T hings Sensor Mine Research Center of CUMT . , Xuzhou 221008, China Abstract T he paper indicated that sensor mine Internet of things is extension and extended application based on integrated automation of coal mine, it is different from integrated automation system in a great degree; it is also different from application of surface Internet of things due to the characteristics of coal mine application. T he paper introduced characteristics of sensor mine Internet of things which mainly show in several aspects of integrated application of multiple systems, opening of sensor layer and application plat and being suitable for constructing logic subsystems. It analyzed key technologies of sensor layer, network layer and application layer and common technology with crosslayer,and gave openness requirements and standard construction of sensor mine Internet of things. The paper has certain reference value for better understanding construction of sensor mine Internet of things. Key wordssensor mine Internet of things,integrated application,logic subsystem,openness requirement, interface standard 收稿日期 2010- 11- 22 作者简介 张申 1957- , 男, 江苏兴化人, 教授, 博士, 现主要从 事煤矿通信方面的研究工作。Email xzzhsh pub. xz. jsinfo. net 0 引言 基于应用目的提出的感知矿山物联网模型是为 了便于将物联网技术尽早使用到矿山建设与生产中 去。因此, 感知矿山物联网模型必须与数字矿山、 矿 山综合自动化的模型有很紧密的联系 [ 13] 。这是由 于数字矿山及综合自动化模型在我国煤矿企业已经 有众多的实际应用, 取得了较好的成果。感知矿山 物联网的建设应该建立在这些已有工作的基础上。 然而, 感知矿山物联网并不是综合自动化系统 的简单升级, 与目前地面物联网应用也有许多不同 之处, 这就是感知矿山物联网的特征。正是由于 这些特征, 使得感知矿山物联网所需的关键技术有 别于物联网在其它行业的应用。 本文重点讨论感知矿山物联网的特征和关键技 术, 目的是为了更好地理解感知矿山物联网的建设, 避免盲目照搬地面物联网应用的实例, 从而给感知 矿山物联网的建设带来新的子系统孤岛和信息孤岛 问题。 1 感知矿山物联网的主要特征 所谓感知矿山物联网的特征, 就是其不同于综 合自动化系统以及不同于地面物联网应用系统的地 方。目前物联网的应用还处在早期应用阶段, 早期 应用的典型特征就是功能单一、 网络独立、 数据私 有、 缺乏规范和标准。例如某城市推进的物联网 十大示范工程中的小区智能安防系统、 楼宇节能监 控管理系统、 远程医疗系统等。这 3 个系统都是在 楼宇或小区实施, 作为 3 个独立的应用示范系统, 如 果不注意相关标准的建设, 必然会造成感知层网络 是独立的, 没有统一的应用平台这样的结果。长此 以往, 势必会出现同一地区存在多个无线感知网络, 而相互之间不能共用的局面, 造成重复投资、 资源浪 费现象。因此, 这种应用模式不能复制到感知矿山 物联网应用中。 1. 1 感知矿山必然是多系统综合应用 煤矿生产与安全保障所需的子系统众多, 除骨 干传输网和调度室设备外, 主要生产与监控子系统 多达数十个。感知矿山总体设计要求将所有这些子 系统均作为矿山物联网的内容, 纳入统一网络进行 监测、 控制与管理, 实现全面的物联网矿山。显然, 这与地面单一功能的机场防入侵系统、 智能公交系 统或楼宇节能系统等存在明显的差异。因此, 感知 矿山物联网应用具有如下特征 1 感知层综合业务服务。无线覆盖网络必须 能为井下所有移动物体提供感知服务, 包括各种设 备、 人员、 环境及工况监测等。 2 移动代理与服务发现。随着感知层应用的 扩大, 多个系统共同组成物与物相联的 WSN 网络, 这些系统可能是由多个厂商来实现的。因此, 需要 解决如标准化、 服务发现、 移动代理等问题, 使感知 矿山从开始就向着标准化的方向发展, 有利于 M2M 设备层的移动。 3 动态与静态兼容。矿山生产与安全数据从 每天只需几个的静态数据发展到对动态要求很高的 振动、 语音、 视频数据。 4 统一的数据描述方法。采用元数据技术为 上述对象及数据提供统一的数据描述方法, 制定 统一的数据结构。 5 统一的数据仓库平台[ 1]。根据元数据信息 共享系统的结构、 模块和特点, 实现分布式数据组织 与管理、 分布式数据共享、 分布式数据快速索引机制 以及跨平台数据访问功能, 为信息融合、 信息挖掘提 供良好的数据平台。 1. 2 感知矿山物联网的平台特征 煤矿 生 产与 安全 保障 所需 的子 系统 多 达 数十个, 要求这些子系统均为同一厂商提供是不现 实的。感知矿山物联网总体设计又要求将所有这些 子系统均作为矿山物联网的内容, 纳入统一网络进 行监测、 控制与管理, 实现全面的物联网矿山, 显然 开放的平台是非常重要的。图 1 为欧洲提出的物联 网架构[ 4], 其中应用服务平台明确表示, 要为服务提 供商或第三方提供接口, 以便在物联网上实现各种 服务。 图 1 欧洲提出的物联网架构 这个能为第三方提供的平台应体现在 2 个方 面 一是感知层, 它必须是开放式的, 可以使其它应 用服务很好地利用感知网络, 方便地接入感知矿山 物联网, 如果存在技术壁垒, 就不能算开放, 也就不 能称作感知矿山物联网; 第二就是应用平台层, 它也 应该能把各种各样的服务很容易地架构到上面去, 第三方可以在这个应用平台层上方便地开发应用服 务, 供煤矿企业应用, 这就要求这个应用平台也是开 放的, 包括数据描述、 数据通信接口、 统一的数据仓 库和中间件等。只有这样, 才是一个真正的按照物 联网概念构建的感知矿山物联网, 从而实现矿山的 物与物相联。 要实现感知层和应用平台层的开放, 标准建设 非常重要。在感知矿山物联网建设初期就要规划相 关的标准建设, 使感知矿山物联网走上规范化的发 118工矿自动化2010 年 12 月 展道路, 避免再次出现以前煤矿自动化系统建设过 程中困扰过煤矿企业多年的子系统孤岛和信息孤岛 现象。 1. 3 感知矿山物联网的逻辑子系统 在煤矿综合自动化中各种子系统需接入总体网 络进行数据传输。感知矿山物联网是在综合自动化 子系统接入的基础上, 增加分布式传感器和分布式 执行器的接入, 如图 2 所示。 a 煤矿综合自动化子系统的接入方式 b 分布式传感器与执行器的接入方式 图 2 煤矿综合自动化子系统与分布式传感器与 执行器的接入方式 煤矿综合自动化子系统的接入方式特点 结构 明确, 子系统中使用的各种传感器、 执行器等不直接 接入主干网络, 而是通过网络化控制器接入主干网 络 [ 1, 3] 。子系统中的工业总线固定布置, 一般不适 合移动, 不能构成逻辑化系统。因此, 该接入方式比 较适用于相对固定、 监测控制量相对集中的场合, 如 主煤流胶带运输、 变电所监控、 水泵房监控等。 分布式传感器与执行器的接入方式特点 传感 器和执行器以有线或者无线的方式直接接入主干传 输网络, 而不需要通过子系统控制器。这样, 传感器 与执行器布置灵活, 适合快速布置、 移动应用场合。 分布在网络上的传感器、 执行器、 控制器之间可根据 应用需求, 组成逻辑上的应用系统。逻辑系统中的 传感器、 执行器、 控制器等在地理位置上可能分布很 远。煤矿通风系统优化、 能源计量管理、 透水监测、 煤与瓦斯突出监测、 矿压分布监测等应用往往需要 这样的逻辑系统。 感知矿山物联网子系统建设应该是这两种接入 方式的组合, 正是由于感知层的存在, 为分布式接入 提供了可能, 使得感知矿山物联网具备了方便快捷 布署和构建逻辑子系统的能力, 使网络应用更适应 煤矿动态布署、 流动作业的需求, 也为服务与数据协 议及网络元素的解耦提供了可能, 提高了系统的互 操作性和可移植性及专业化服务水平。 2 感知矿山物联网关键技术分析 感知矿山物联网关键技术框架如图 3 所示, 它 包括感知层技术、 网络层技术、 应用层技术和公共 技术。 图 3 感知矿山物联网关键技术框架 2. 1 感知层关键技术 感知矿山物联网的感知层包括数据采集技术与 接入技术 2 个子层。这里的数据采集是广义的, 包 括采集煤矿生产过程中发生的物理事件和数据, 生 产与安全的各类物理量、 标识、 音频、 视频数据; 还包 括对各种监测监控系统的施用数据, 即反馈控制数 据, 这通常由执行器完成。 感知矿山建设中的核心内容中的 3 个感知, 即 感知矿山灾害风险、 感知矿山设备工作健康状况、 感 知矿工周围安全环境主要是在这一层实现。而现有 的综合自动化系统存在的最大问题恰恰就是感知层 的问题, 在综合自动化系统中基本没有能适应煤矿 动态开采的感知层平台的存在, 缺失这样的感知环 1192010 年第 12 期 张申等 物联网与感知矿山专题讲座之三 感知矿山物联网的特征与关键技术 境, 就不能实现物与物相联, 也不能实现感知矿山。 这是由于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 于无线传感器网络的分布式、 可移动、 自组网的信息 采集方式。同时, 应从传感器原理、 检测方法、 矿山 灾害发生机理等多方面进行研究, 以解决矿山特殊 环境条件下的安全信息感知和采集方法的问题; 解 决矿山复杂环境条件下的传感技术抗干扰和灾害源 定位的问题; 解决灾害准确预警与灾害源定位的问 题; 研究环境的动态、 网络化监测问题。 感知层中的接入技术主要是为各种分布式、 移 动传感器、 RFID 以及其它生产与安全设备提供接 入主干网的环境, 主要分为有线接入和无线接入 2 种方式。 有线接入可以是综合自动化系统采用的 通过子系统接入方式, 也可以是分布式接入方式。 无线接入基本是分布式接入。 目前, 煤矿井下无线信道有移动通信的 WiFi 网络、 PHS 网 络, 还有 WSN 网络、 人员 定位的 RFID 网络等。这些网络存在的主要问题 1 覆盖 区域有限, 只实现了局部地区的覆盖, 存在监测盲 点, 不利于安全与减灾信息的监测; 2 信道容量 低, 不利于多种信息的宽带综合应用; 3 种类 单一、 重复建设, 通常无线通信、 人员定位、 工况与环 境监测分别使用不同的覆盖网络, 不能形成一个 统一的感知网络, 这不符合物联网统一应用的要求。 此外, 采煤机、 液压支架、 刮板输送机、 矿车等金属设 备与煤壁、 巷道等复杂环境使得矿山井下成为一种 ∀ 受限异质时变的通信空间。构建真正符合井下需 求的无线覆盖网络需要开发新型的无线系统, 现有 的短距离无线组网方式均不能适应煤矿井下长距 离、 多跳、 宽带、 自组网、 低功耗的要求。 2. 2 网络层关键技术 网络层分网络传输平台和应用平台 2 个子层。 网络传输平台就是感知矿山物联网的主干网, 利用 工业以太网技术、 煤矿移动通信技术、 M2M 技术以 及矿山 6LowPAN M6LowPAN 技术, 把感知到的 信息实时、 无障碍、 高可靠性、 高安全性地进行传送, 因此, 需要进一步研究传感器网络与移动通信网络 技术、 工业控制以太网技术、 RFID 以及其它数据集 成技术。 应用平台主要实现各种数据信息集成, 包括 统一数据描述、 统一数据仓库、 数据中间件技术、 虚 拟逻辑系统构建等, 在此基础上, 构成服务支撑平 台, 为应用层各种服务提供开放的接口。应用平台 是将服务与网络元素解耦的核心, 也是能够提供方 便、 快捷布署逻辑子系统的关键所在。M2M 技术 的核心就在于能为服务商或第三方提供方便的接入 服务, 它也是感知矿山物联网区别于综合自动化的 关键点之一。 2. 3 应用层关键技术 应用层分为 2 个内容 一是综合自动化中的内 容, 即对矿山各生产安全子系统的实时监控, 保障矿 山的正常运行。或称作矿山 MES 层, 包括在调度 指挥控制中心以太网上设计多台操作员站, 用于监 控子系统 如综采工作面监控子系统、 主运输集控子 系统、 地面供电监控子系统、 井下供电监控子系统、 主通风机在线监控子系统、 选煤厂自动化监控子系 统、 安全监控子系统等, 以及对煤矿生产过程的优化 管理, 根据煤矿生产流程, 当某个实时事件发生时, MES 层能及时做出反应、 报告, 并用当前的准确数 据对它们进行指导和处理, 从而减少煤矿企业内部 没有附加值的活动, 有效地指导生产运作过程, 提高 生产力、 生产安全性、 生产回报率、 改善物料的流通 性能。MES 层需要与计划层和控制层进行信息交 互, 通过企业的连续信息流来实现企业信息集成。 另一个是高层应用, 即管理决策与应用, 这主要是各 种软件应用模块。矿山及相关现象的信息在中间层 得到提升后, 目的是为了利用这些信息去动态详尽 地描述与控制矿山安全生产与运营的全过程, 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。它可应用于矿山安全生产形势评估、 煤矿灾 害预警与防治、 煤矿安全隐患排查、 矿山资源环境控 制及评价; 煤矿供应链管理; 大型设备故障诊断, 实 现对整个矿山的优化管理与安全动态跟踪。根据矿 山的具体应用不同, 这些模块是可增减的。 2. 4 公共技术 公共技术不属于矿山物联网技术的某个特定层 面, 它与物联网技术架构的三层都有关系, 它包括公 共中间件技术、 标识与解析技术、 安全技术以及各层 的规范和标准等。 3 感知矿山物联网标准化建设 感知矿山物联网是物联网的一个重要的应用方 面, 其标准必须符合国家有关物联网标准建设的框 架体系。感知矿山物联网标准建设应作为国家物联 120工矿自动化2010 年 12 月 网标准建设中的一个应用子集, 进入总体物联网标 准建设体系中。 由于感知矿山物联网是一个开放服务应用的网 络, 因此, 需要重点加强感知矿山物联网元描述语言 及规范的研究, 加强矿山物联网关键技术协议与规 范、 平台软件开发环境、 开发工具、 核心框架与中间 件构造及与标准化等关键技术的研发, 提出煤炭有 关物联网的行业标准。 感知矿山物联网标准包括感知矿山两大方面的 标准, 分别是感知矿山物联网 M2M 接口标准、 感知 矿山物联网信息 数据 描述标准。无线覆盖网络必 须能为井下所有移动物体提供感知服务, 包括各种 设备、 人员、 环境及工况监测等, 真正实现物与物相 联需要各层之间的 M2M 标准, 以适应设备层的 移动。 如何采用统一的数据描述方法来描述上述系统 的信息是感知矿山物联网要建设统一数据服务平台 和应用平台必须要解决的问题。国家物联网标准中 规划了信息描述方式, 但需要结合数据的需要进行 应用扩展。应采用元数据技术为上述对象及数据提 供统一的数据描述方法, 制定统一的数据结构。 4 结语 介绍了感知矿山物联网的主要特征和关键技 术, 感知矿山物联网的特征主要表现在多系统综合 应用、 感知层开放、 应用平台开放和适合构建逻辑子 系统等几个方面; 系统地分析了感知层、 网络层、 应 用层关键技术和公共技术; 分析了感知矿山物联网 的开放性要求和标准建设, 目的是为了强调感知矿 山物联网系统的开放性与标准化, 避免在感知矿山 物联网建设中再次出现综合自动化系统建设过程中 出现的系统封闭、 信息不能共享的局面。 参考文献 [ 1] 张申, 丁恩杰, 赵小虎, 等. 数字矿山及其两大基础平台 建设[ J] . 煤炭学报, 2007 9 9971001. 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[ 2010 -11 -10] . http // www. eurescom. eu/Public/Projects. ∃工矿自动化杂志征稿启事 1. ∃工矿自动化杂志是由国家煤矿安全监察局主管、 煤炭科学研究总院常州自动化研究院主办的国内 惟一一份集中报道我国煤矿自动化、 信息化、 数字化等领域国内外新技术、 新成果、 新工艺及新动向的专业性 技术期刊, 是中国煤炭学会煤矿自动化专业委员会、 中国煤炭工业技术委员会信息与自动化专业委员会学术 交流的会刊。2011年本刊的重点报道范围为传感器无盲区布置与断电控制技术, 基于煤矿安全监控系统的 瓦斯突出、 火灾、 冲击地压、 高温热害等煤矿重大灾害预警技术, 本质安全型有线/ 无线通信技术, 井下人员精 确定位技术, 井下生命探测技术, 物联网与感知矿山技术, 数字矿山与实时三维调度技术, 采矿协同设计与可 视化技术, 煤矿采掘运自动化技术, 机电设备在线监测技术, 矿用产品防爆技术、 可靠性设计技术, 等等。欢 迎大家踊跃投稿, 并请按本刊论文格式撰文。 2. 本刊一般不接收纸质投稿, 请将电子文稿发至 editor cari. com. cn。 3. 2011 年本刊收取论文版面费 600 元/ 篇, 请在收到录用通知书后将版面费寄至∀ 213015 江苏省常州 市木梳路 1号∃工矿自动化杂志编辑部。 4. 本刊为技术性期刊, 要求所刊用论文的篇均文献引用量不少于 5 条/ 篇。请尽可能地多引用文献, 特 别应注意多引用本刊以外的报刊上的文献, 并严格按∀ GB/ T 7714 2005 文后参考文献著录规则规定的项 目和格式准确著录。 5. 本刊已采用∀ 科技期刊学术不端文献检索系统对来稿进行检测, 复制部分超过 30 以上的稿件本刊 不能录用。请勿一稿多投。请各位作者经常登陆 www. gkzdh. cn 查看稿件录用信息及刊物动态。查询稿 件审稿信息请致电 0519- 86998217赵小姐, 查询时请告知稿件编号或者作者姓名。发来修改稿请注明稿件 编号和责任编辑姓名。 1212010 年第 12 期 张申等 物联网与感知矿山专题讲座之三 感知矿山物联网的特征与关键技术