基于物联网的智能矿山体系研究.pdf

第 3期 2 0 1 1 年 3月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ． 3 M a r ．2 Ol 1 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 0 3 0 0 6 3 0 4 DOI CNKI 3 2 1 6 2 7 ／ TP ． 2 0 1 1 0 2 2 6 ． 1 6 0 1 ． 0 0 3 基于物联网的智能矿山体系研究 解 海 东 。 ， 李松 林 ， 王春 雷 ， 周 亮 1 ． 煤 炭科 学研 究 总院经 济 与信息 研究 分 院 ，2 ． 对 外经 济 贸易大 学 国际商 学 院 ， 北 京 1 0 0 0 1 3 摘要 在 分析 智能矿 山建设现 状 的基 础上 ， 提 出 了一种 基 于物 联 网 的智 能矿 山体 系架构 方 案 ； 详 细介 绍 了矿 山物联 网的 结构 及 智 能 矿 山应 用 体 系 的构 建 。该 方 案 对 煤 炭 企 业 建 设 物联 网 系统 具 有 一 定 的 参 考 作 用 。 关键词 物联 网 ；智能 矿 山 ；物 一物 交 流 中 图分 类号 T D 6 7 文献 标识 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 1 0 2 2 6 1 6 0 1 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP． 2 0 1 1 0 2 2 6 ． 1 6 0 1 ． 0 0 3 ． h t ml Re s e a r c h o f I n t e l l i g e n t M i n e Sy s t e m Ba s e d o n I n t e r ne t o f Th i ng s XI E Ha i do n g 一，LI So ng l i n ， W A NG Chu n l e i ， ZH OU Li a n g 1 ． Br a n c h o f Ec o n o mi c s a n d I n f o r ma t i o n Re s e a r c h o f CC RI ． ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a ． 2． Bu s i n e s s S c h o o l o f Un i v e r s i t y o f I n t e r n a t i o n a 1 Bu s i n e s s a n d Ec o n o mi c s ，Be ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t The p a pe r pr o po s e d a s c he me of f r a me wo r k o f i nt e l l i ge n t mi ne s y s t e m ba s e d o n I n t e r ne t o f t hi n gs on t h e b a s i s o f a na l y z i ng c o ns t r u c t i on s t a t u s of i n t e l l i g e n t mi n e．I t i n t r o duc e d s t r uc t ur e o f I nt e r ne t of t h i n gs o f m i ne a nd c o ns t r uc t i o n o f a p pl i c a t i on s ys t e m o f i n t e l l i g e nt m i n e i n de t a i l s ． The s c h e me h a s a r e f e r e nc e f un c t i o n f or c o ns t r uc t i n g I nt e r ne t o f t hi n gs s ys t e m o f c oa l e n t e r p r i s e s ． Ke y wo r ds I nt e r ne t o f t hi n gs ，i n t e l l i g e nt mi ne，c o mm u ni c a t i o n a mon g t h i ng s 0 引言 作为 一个 新兴 产业 ， 物联 网是继计 算 机 、 互 联 网 之后世界信息产业的第三次浪潮 。物联网将各种高 新技术完美融合， 使物 、 人、 计算机形成互通互联 、 信 息 同步 、 信 息共 享 的智 慧 网络 ， 是 各类 传感 器 和现有 互联 网相 互衔 接 的一种 新技 术 。 基 于 物 联 网 的智 能 矿 山建 设 是 在 信 息化 、 自动 化 的基础 上 ， 将 煤矿 企业 涉及 到生 产 、 安全 、 运输 、 销 售 、 机 电 、 物 资 、 供 应 、 统 计 、 人 力 等 的所 有 环 节 集成 为一体 ， 实现各类信息的统一管理和共享 ， 通过对整 体矿 山各类 数据 的存 储 和 分 析 ， 最 终 提 供决 策 信 息 和解决 方案 ， 并 自动 反 馈 给相 应 的 系统 和 设 备 。智 能矿 山建设 相 当于将 原本 各 自运行 的系统体 系 通过 信 息化 的神 经 网络 连 为 一体 ， 并 通 过 云计 算 技 术 集 收 稿 日期 2 O 1 O 一 1 1 1 1 作者简介 解海东 1 9 8 3 一 ， 男 ， 山西大同人， 助理 工程师 ， 硕 士， 现主要从事 软件 研 发 、 网络 安 全、 系 统 集 成 等方 面 的研 究 工 作 。 E ma il x i e h d s ws i ． c o rn． c a 中处理 大量 数据 ， 从 而 为 矿 山装 上 一 个 数 字化 的大 脑 。然 而物 联 网技 术 在煤炭 领域 的相 关研 究还 处于 空 白阶段 。因此 ， 开展 矿 山物联 网 的相 关研 究 ， 实现 重点技术突破， 对提高煤炭行业 的信息化管理水平 和 煤矿企 业 的竞争 能力 具有 重要 意义 。 1物联 网概 念 物联 网是 以 日益发 达 的科 学技 术 为基础 的一 种 新 兴 网络 协作 平 台 。物 联 网可为设 备 供应链 提供前 所未有的、 近乎完美的解决方案 ， 也就是说 ， 通过物 联 网 ， 企业 能 够及 时 知道 每 个 设 备 在设 备 供 应 链 上 任何 时 间的位 置信 息 ， 并 为 管 理 决 策 提供 更 加 准 确 有效 的支 持 。物 联 网 又称 为 E P C 电 子 产 品 代 码 系统 ， 是 一 个 非 常 先 进 的 、 综 合 性 的 、 复 杂 的 系统 。 其最 终 目标是 为每 个 设 备建 立 全 球 的、 开 放 的 标识 标准 ， 主要 由以下 6个 方 面组 成 E P C编码 标 准 L 1 ] 、 E P C标 签 、 识 读 器 、 应 用 层 事 件 A p p l i c a t i o n L e v e l E v e n t ， AL E 中 间 件口 ] 、 对 象 名 解 析 服 务 0b j e e t N a mi n g S e r v i c e ， ONS [ 3 ] 、 E P C 信 息 服 务 E P C 6 4 工矿 自动化 2 0 1 1牟 3月 I n f o r ma t i o n S e r v i c e ， E P C I S E 。E P C系 统 的 发 展 不仅 能够对设 备进 行 实 时跟 踪 ， 而且 能 够 优化 整 个 供应链 ， 因此 ， 物联网就是实现“ 物一物通信” 、 “ 物一 物联动 ” ， 使连 接到 物联 网上 的所 有 物 品 、 设 备 能够 自由地 互相通 信 、 共享 信息 、 互 通状 态 。 2智 能矿 山建 设现状 2 0世纪提出的 自动化矿 山研究的重点是提高 机械与电气设备的自动化水平， 使用于采掘、 输送 的 机械设备和其它设备能够长时间脱离人员操作， 实 现 自动化运行 。 自动 化 矿 山的建 设 ， 一 是 减少 了工 人在井下停留的时间； 二是提高了矿山的生产效率 。 随着网络通信发展提出的数字化矿山理论带来 了矿 山的信息化， 集合了地质勘探 、 规划设计、 建井施工 、 安全生产、 经营管理的全过程， 使许多信息共享 ， 避 免 了信息 孤岛 出现 。并且 该理 论在技 术层面运 用 了 3 D GI S技术 ， 通过三维建模算法、 三维 空间分析、 三维空间信息存储等引擎对矿山进行三维渲染， 使 采煤 、 掘进、 供 电、 运输 、 通风、 给排水等生产系统运 行过程更为具体化 ， 实现了物与人的远程交流。 3 基 于物联 网的智 能矿 山体 系架构 基于物联网的智能矿山建设主要是将矿山 自动 化 技术 和物联 网技术 相 结合 ， 提 出适 用 于矿 山 的数 字矿山智能化体系， 并最终在煤矿企业实现脱离人 为 操作 的物 一物交 流 。 3 ． 1 矿 山物联 网的体 系结构 物联网的经典体系架构分为感知层、 传输层和 应用层 3 层结 构 。由于煤矿 信息化 项 目中的数据采 集频率高、 采集信号的种类繁多， 矿山物联网的传输 层压力很 大 ， 因此在感 知层 获取到设 备状态 信息后 ， 应经过一定的处理再交 由传输层传输 ， 这样可有效 减轻传输层的负载， 提高数据传输的安全性。另外 ， 煤矿信息化系统繁多， 各系统之间相对独立， 数据结 构不 尽相 同 ， 导 致 系 统 之 间 无 法 方 便 地 互 联 互 通 。 因此 ， 应在 应用层 前设计 一种方便 的数 据服务接 口， 使感 知层 与应用层 各个系 统之 间能够更 高效 的互 联 互通 ， 最终实 现物 一 物互 联 的 目标 。笔 者将 矿 山物 联 网的结构体 系划 分 为感 知 层 、 解 析层 、 传 输层 、 处 理层 和应 用层 5层结 构 ， 如 图 1 所示 。 1 感知层 主要功能是信息 的感知与采集 ， 通 过 RF I D标签 读 写 器[ 6 ] 、 条形 码 只读 器 、 传 感 器 温 度感 应器 、 声音感 应 器 、 振 动感 应 器 、 压力 感 应器 、 视 频摄像 头 等设 备 ， 完 成 物联 网应用 的数据采 集 和 图 1矿 山物 联 网 的结 构 体 系 设 备控 制任务 。 2 解析层 对感知层实时采集的数据信息进 行修复、 筛选和编码 ， 将有用的信息上行传送， 重复 的信 息屏 蔽删除 ， 从 而 降低 信 息包 裹 丢失 的概 率 以 及上层对信息的解析压力， 提高传输速度。 3 传输层 包括数 据接入和网络传输 。数据 接入完成对应用末梢节点信息的组网控制和信息汇 集 ， 并通过各种通信网络与物联网形成承载网络 ， 如 2 G网络 、 3 G网络 、 4 G 网络， 或者是互联 网、 移动通 信网、 局域网等 ， 完成物联网层 与层之间的信息通 信 。传输层的功能主要 由传感网 指 由各类传感 器 节点组成 的 网络 来 承担 。 4 处理层 完成对筛选过的数据信息进行分 类存储 、 调取、 上传工作。该环节只传输对应用层 某个系统有用 的信息。 5 应 用层 应 用层 由各种 应用 服 务器组 成 包 括数据库服务器 ， 主要功能包括对数据信息 的汇 聚 、 转换 、 分析 ； 应用 层 最终 实 现 的是 整 个数 字 化 矿 山体系对末梢节点信息的采集、 分析和处理， 并根据 状态指令实现对末梢节点的反 向控制。由于感知层 从末 梢节点 获取 了大量 原 始数 据 ， 且 这 些原 始数 据 对于用户来说只有经过转换、 筛选、 分析处理后才有 实际价值 ， 因此 ， 这些有实际价值 内容的应用服务器 将根 据用户 的不 同需 求 完 成信 息 呈 现 的适 配 ， 并根 据用户设置触发相关 的通告信息。当需要对末梢节 点进行 控制 时 ， 应用 层 还 能 完成 指 令生 成 控 制 和指 令 下 发控制 任务 。 应 用层要 为 用 户 提 供 物 联 网应 用 UI接 口， 包 括用户设备 如 P C 、 手机 、 客户端等。 除此之外 ， 应用层还具有物联网管理中心、 信息 中心提供对海量信息进行智能处理的云计算功能。 原有的单个信息系统接人物联网仅仅在数据采 2 0 1 1年 第 3期 解 海 东等 基 于物联 网的智 能矿 山体 系研 究 6 5 集 的过 程 中能够 节 约 一部 分 成 本 ， 这 显 然 没 有 充 分 发挥物联 网的特点； 只有在各个 信息系统 间通过各 自的物联 子 网系 统 进行 交 互 ， 实 现信 息 和 资 源 的共 享 和整合 ， 在 智能 化 矿 山范 围 内形 成 一 个 开 环 的网 络 ， 才能最大程度地发挥物联网系统的作用 ， 达到提 高生产效 率 、 促进 生产 力 的作用 。如 图 2所示 ， 通 过 植入传感器 、 E P C码 、 嵌 入式系统等方法实现数据 感知层 应用层 的实 时采集 ， 采 集 的信息 通过 P ML 实体标 示 语言 解 码 ， 并通 过传 输层 无 线 网络 或 互 联 网 将 数 据 信 息发送 到 数 据 服 务 器 ， 再 通 过 ONS对 数 据 进 行 解 析 ， 将信 号 及解 决方 案 、 措施 反 馈 给 相 应设 备 ， 从 而 实现信息化 、 智能化控制手段 。因此 ， 各个信息系统 问 的信 息 交 互 在 矿 山 物 联 网 中 有 着 举 足 轻 重 的 作 用 。 。 互 联网、局域网、移动通信网 图 2 基 于物联网的智能矿 山结构 3 ． 2智能矿 山应 用体 系构 建 集 掘进 机 、 采 煤 机 、 胶 带 输送 机 、 通 风 机 、 变 压 器 、 电 相对 于数 字矿 山对 数据 的采集 、 传输 、 应用 与 反 动 机及各 种 照 明设 备 工作 状 态 的数 据 信 息 ， 运 用 物 馈来 说 ， 基 于物联 网 实 现 矿 山智 能交 互 的重 点 在 于 联 网传输 层将 信 息传 送给 处理 中心进 行 统一 管理 和 执行 阶段 ， 这 也是 在 数 字矿 山体 系结 构 的基 础 上搭 控 制 。生产 数据 由各 种业 务 子 系 统 实 时计 算 生成 ， 建 物联 网技术 的关 键所 在 。在整 个智 能矿 山体 系 的 最 后上行 至 中心 数 据 库 共 享 。这 样 ， 各 层 管 理 人员 运作 中 ， 物联 网技 术 主 要 体 现 在 智 能 生 产 、 智 能 监 即可通过 前 台 的应 用 系统 查看 井下 实时 反映上 来 的 控 、 智 能 销 售 、 智 能 管理 、 智 能 决 策 等几 个 方 面 ， 如 数 据 ， 从 而调 整生 产进 度 。 图 3 所 示[ 1 1 1 5 ] 。 2 智 能监 控 生 产 安 全 是 煤 矿 企业 最 为关 心 1 智 能生产 在 生产 运作 环 节 中 ， 通过 实 时采 的环 节 。 在 安 全 监 控 环 节 中 ， 智 能矿 山 系统 通 过 采 6 6 工矿 自动化 2 0 1 1年 3月 图 3智 能 矿 山应 用 体 系 集井下瓦斯传感器、 人员定位、 风机传感器、 水泵传 感器、 顶板压力传感器以及相关各类安全监控设备 的数据， 自动判定工作环境各类安全状态， 自动实施 应急 方案 。更 为关 键 的是 ， 智 能 矿 山 系统 可 通过 各 个传感器的安全数据的变化趋势 ， 自动分析其发展 方 向， 找出产生的原因和解决方案 ， 防患于未然。 3 智能销 售 无论 是铁 路销 售 还是公 路 销售 ， 完成 一次交 易记录都 必须 要经过进 矿 、 计量称 重 、 装 载 、 出矿等几 个过程 ， 对这 些信息 的智 能管理是 实现 智能销售 的重要 手段 。如 车辆进矿 时会对 车辆信 息 进行识别 、 判断是否符合进入称重条件、 判断是否装 载完毕以及对车辆出矿的信息识别， 建立完全无人 值守 的 自动销售环 境 。 4 智 能 管 理 煤 矿 企 业 的 管 理 工 作 涉 及 到 各个方 面 ， 大 到业务 流程 的管理 ， 如 煤矿企 业运 营管 理的人力资源管理、 财务管理 、 物资管理、 供应管理、 销售管理等； 小到食堂管理、 停车场管理、 宿舍管理 、 水电管理等 。智能矿山建设最终将融合煤矿企业所 有的管理信息和资源， 实现管理智能化。 5 智 能决 策 在 实 现 了智 能 管 理 、 智 能销 售 、 智能生产 、 智能监控后 ， 一个煤矿的所有信息基本上 已经实现 了数据层 面的 互 通 和共 享 ， 而 且这 个 共 享 是实时的， 从而最大程度地保证 了数据 的准确性 。 智能 矿 山系统 可通 过 实 时 数 据 库 、 数 据 仓 库 、 B I等 一 系列 数据存储 和 分析 工 具 ， 采 用 行业 先 进 的 数据 分析模 型 ， 对所 收纳 的各种数 据汇 总处理 ， 将原 本互 无 关联 的数据体 系变成 知识 ， 然后 提炼成 决策建 议 ， 最终 为领 导搭建一 个指 挥整个 企业 的驾驶 舱 。 4结语 引入 物联 网 的理论 概 念 ， 将 物联 网与煤 矿 企业 的实 际相结合 ， 探 讨 了搭建矿 山物联 网的可行 性 ， 从 而为煤 矿企业 建设 物联 网系统奠 定理论基 础 。但 要 实现真 正 的智 能矿 山还存 在 以下 问题 1 矿山物联网感知层 的完善问题。煤矿井下 生产环境恶劣、 情况复杂， 依照现有技术还有很多感 知设 备无 法安装 在现 场 设 备上 ， 造 成 物联 网接人 设 备 的不 全 ， 不 能形 成完整 的全矿井 规模 的物联 网 。 2 产业 化 问题 。矿 山物 联 网的产 业化 必然 需 要传感设备商、 系统解决方案商、 移动运营商等上游 厂 商 的通 力配合 ， 而 在 各方 利 益 机制 及 商业 模 式 尚 未成型的背景上 ， 矿山物联网普及仍相当漫长。 参 考 文 献 [ 1] 中国物品编码中心． 产品电子码 E P C 及其物联 网概 述[ E B ／ O L ] ． 2 0 0 4 ～0 9 0 8 ． h t t p ／ ／ ww w． v i s i o n - t e c h ． c o rn． c n ／ d a t a ／ h t ml ／ 2 0 0 4 9 ／ 2 0 0 4 9 8 1 5 1 2 5 5 ． h t m1 ． [ 2] 黎立 ， 朱清新 ， 王芳． E P C系统 中 的中 间件研 究 [ J ] ． 计算机工程与设计 ， 2 0 0 6 1 8 5 6 5 9 ． [ 3] 董晓荔 ， 阎保平． E P 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