面向煤炭精准开采的物联网架构及关键技术.pdf

第 4 3卷 第 1 O期 2 0 1 7年 1 O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 No ．1 0 Oc t ．2 O 1 7 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 0 0 0 0 1 0 7 D OI 1 0 。 1 3 2 7 2 ／ j 。 i s s n ． 1 6 7 1 2 5 I x ． 2 0 1 7 ． 1 0 ． 0 0 1 面向煤炭精准开采的物联网架构及关键技术 袁 亮 1 ． 中国矿业大学 北京共伴生能源精准开采北京市重点实验室 ，北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 中 国矿 业 大学 北京 资源 与安全 工 程学 院 ，北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ． 安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南2 3 2 0 0 0 摘要 在 剖析 煤矿 生产 物 流 系统存 在 问题 的基 础 上 ， 围绕 煤 炭 精 准 开采 科 学构 想 和矿 山物 联 网发展 现 状 ， 提 出 了面 向煤 炭精 准 开采 的物联 网概念 及 内涵 ， 凝练 出其 5种 关键技 术 ， 即多源信 息智 能感 知 、 多 网融 合 传输 、 多参量信息分析处理 、 基 于云技 术的灾害监控预警、 矿井灾害应急救援 ； 指 出基于透明地球的煤炭精准 开采 和基 于物 联 网的 智能 感知是 实现 未来无人 矿 山的 两大技 术体 系， 其 中精 准 开采是技 术核 心 ， 物联 网是技 术保 障 ； 以煤矿 动 力 灾害精 准预 警物联 网为例 ， 阐述 了其 包含 感 知 层 、 网络层 、 应 用 层 和公 共 技 术 的 体 系架 构 ， 并介 绍 了其工程 应 用 ， 为 实现煤 炭精 准 开采科 学构想提 出 了技 术路径 。 关键 词 煤炭精 准开采 ；矿 山物联 网 ； 煤 矿 生产物 流 系统 ；煤矿 动 力 灾害 ；智 能 感 知 ；多 网融合 ； 精 准 预 警 ；应 急救 援 中 图分类 号 TD 7 6 ／ 8 2 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 0 9 2 7 1 3 3 8 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． 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 7 0 9 2 7 ． 1 3 3 8 ． 0 0 1 ． h t ml Fr a me wo r k a n d ke y t e c hn o l o g i e s o f I nt e r ne t o f t h i ng s f o r p r e c i s i o n c o a l mi n i n g YU AN Li a n g ， 。 。 1 ． Be i j i n g Ke y La b o r a t o r y f o r Pr e c i s e Mi n i n g O f I n t e r g r o wn E n e r g y a n d Re s o u r c e s ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Re s o u r c e a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a ；3 ． S c h o o l o f Mi n i n g a n d S a f e t y En g i n e e r i n g，An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t On t he b a s i s o f a n a l y z i n g e x i s t i ng pr o bl e ms of c o a l mi ne pr od uc t i o n 1 og i s t i c s s y s t e m ．c o nc e p t a n d c o n n o t a t i o n o f I n t e r n e t o f t h i n g s I o T f o r p r e c i s i o n c o a l mi n i n g we r e p r o p o s e d a n d f i v e k e y t e c h no l og i e s w e r e c on de n s e d by s u mm a r i z i n g s c i e nt i f i c c o nc e pt i o n o f pr e c i s i o n c o a l m i ni ng a n d d e v e l o pme n t of m i ne I o T ， whi c h we r e i nt e l l i ge n t pe r c e p t i o n o f mul t i s o ur c e i n f o r m a t i on， m u l t i ne t wor k f us i o n t r a ns mi s s i o n，m u l t i pa r a me t e r i nf o r ma t i on a n a l ys i s a n d pr o c e s s i ng，d i s a s t e r mon i t o r i ng a nd e a r l y wa r ni n g b a s e d o n c l o ud t e c hn ol o gy a n d mi ne di s a s t e r e m e r g e nc y r e s c ue． I t wa s p o i nt e d o ut t ha t p r e c i s i on c o a l mi n i n g b a s e d o n t r a n s p a r e n t e a r t h a n d i n t e l l i g e n t p e r c e p t i o n b a s e d o n I o T we r e t wo ma j o r t e c h n i c a l 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 9 0 1 ； 修回 日期 2 0 1 7 - 0 9 1 4 } 责任编辑 李明。 基金项 目 国家重 点研 发计 划 资 助项 目 2 0 1 6 YF C 0 8 0 1 4 0 0 ； 中 国工 程 院重 点 咨询 资 助项 目 2 0 1 5 - XZ - 1 5 ； 国家 自然 科学 基 金 资助 项 目 5 1 4 2 7 8 O 4 。 作者简 介 袁亮 1 9 6 0 一 ， 男 ， 安徽金寨人 ， 中国工程 院院士 ， E - ma i l y u a n l 一 1 9 6 0 s i n a ． c o m。 引用格式 袁亮． 面 向煤炭精准开采 的物联 网架构及关键技术[ 刀． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 0 卜6 ． YUAN L i a n g ． F r a me wo r k a n d k e y t e c h n o l o g i e s o f I n t e r n e t o f t h i n g s f o r p r e c i s i o n c o a l mi n i n g [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7。 4 3 1 0 1 6 ． 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 s y s t e ms t o r e a l i z e f ut u r e unma n ne d m i n i ng， p r e c i s i o n c oa l mi ni ng was t e c hn ol o g y c or e， a n d l o T wa s t e c hn i c a l gu a r a n t e e．Ta ki ng l oT f o r d y na mi c d i s a s t e r p r e c i s i o n e a r l y wa r ni ng of c o a l m i ne a s a n e xa mpl e ， i t s s y s t e m f r a me wo r k wa s e xp ou nd e d i nc l u di ng p e r c e pt i on l a ye r ， ne t wo r k l a y e r ， a pp l i c a t i o n l a y e r a n d pu bl i c t e c hn ol o g y， a n d i t s e ng i ne e r i ng a p pl i c a t i on wa s i nt r o d uc e d， w h i c h di r e c t e d t e c hn ol o gy r o ut e f o r pr e c i s i on c o a l mi ni ng． Ke y wo r d s pr e c i s i on c oa l mi ni ng；m i ne I n t e r ne t of t hi n gs；c oa l mi n e pr o du c t i on l o g i s t i c s s y s t e m ；c o a l m i n e d yn a mi c di s a s t e r； i n t e l l i g e n t pe r c e p t i o n； m ul t i n e t wo r k f us i o n；p r e c i s i o n e a r l y wa r n i ng； em er ge nc Y r esc Ue 0 引言 近年 来 ， 随 着 德 国“ 工 业 4 ． 0 ” 、 美 国“ AMP 2 ． 0 先进制造伙伴计划 ” 和“ 中国制造 2 0 2 5 ” 战略 ] 的 提出， 一种新型的工业发展模式初露端倪 ， 并将引导 全球 工业 与信 息技 术 的深 度 融合 ， 给 工 业 发展 带 来 新一轮的产业革命 。作为“ 工业粮食” 的煤炭行业 ， 信息化的发展极为重要 。自 2 0世纪 8 0年代 以来 ， 中国煤矿在机械化 、 自动化 、 信息化和数字化等方面 取得 了举 世 瞩 目的成 就 ， 特别 是 在 矿 井 灾 害 预警 与 防 控 、 煤 与瓦 斯共 采 、 煤与共 伴 生资 源精 准协调 开 发 等领域取得了重大突破_ 2 ] ， 为煤炭安全高效开采 做 出了 巨大贡 献 。 随着信息技术在中国矿山领域应用范围的不断 扩 大l 7 ] ， 1 9 9 9 年 吴 立 新 等 州提 出 了 “ 数 字 矿 山 ” 的 概 念 ， 2 0 1 0年 张 申 、 丁 恩杰 等 口 叩提 出 了“ 感 知矿 山” 的概念 ， 指出感知矿山是数字矿 山、 矿山综合 自动化 等 概念 的升 华 ， 感 知 矿 山 的核 心 问题 是 通 过 对 矿 山 灾害征兆、 矿工周围环境和矿 山设备状况的“ 3个感 知” ， 实现减 灾保 安全。随后 又有人 提 出“ 智 能矿 山” 、 “ 智慧矿 山” 等概念f 】 。许多 学者对矿 山物 联 网的应用 开 展 了深 入 研 究 ， 中 国矿 业 大学 物 联 网 感 知矿 山 研 究 中心 在 该 领 域 取 得 了诸 多 研 究 进 展[ 1 3 - 1 4 ] ， 为实现矿 山信息化、 保 障矿 山安全 高效开 采 奠 定 了一定 基础 。笔 者结 合煤 炭开 采 面临 的挑战 和现代信息技术发展方 向[ 1 5 1 7 ] ， 于 2 0 1 7 年 1 月提出 了煤 炭精 准开 采科 学构 想 l 1 ， 2 0 1 7年 8 月 国内矿业 类相关高校 、 著名企业及研究机构 ， 共同发起成立了 “ 煤 炭安 全智 能精 准 开 采 协 同创 新 组 织 ” ， 为 实 现 煤 炭精 准 开采从 科 学构想 变 为理论 和技术迈 出了坚 实 的步伐 。 然 而 ， 随 着 煤 炭 资源 开 采 深度 和 开 采 强度 的增 加 ， 冲击地 压 、 煤 与 瓦斯 突 出等 动 力灾 害 已成 为 国 内 外 煤矿 开 采 领 域 面 临 的 主 要 灾 害 之 一[ 】 。灾 害 前兆信息采集传感 、 传输 、 挖掘辨识技术 的落后， 直 接导致了动力灾害预警 的盲 目性 和不确定性_ 2 船 ] ， 但 不容 回避 的是 目前 矿 山物联 网仍普 遍存 在信 息 孤 岛、 系统封闭、 异构融合 、 标准滞 后等问题 ， 亟待 协 同攻 关 ， 开展 煤矿 动力灾 害监 控预警 方 面 的研 究 。 本文在剖析煤矿生产物流系统存在问题的基础 上 ， 结 合煤 炭精 准开 采 科 学 构 想 和矿 山物 联 网 发 展 方 向 ， 论述 了面 向煤 炭 精 准 开 采 的 物联 网概 念 及 内 涵， 并 以煤矿动力灾害精准预警物联 网为例 ， 阐述 了 其架构及关键技术 ， 并介绍了其工程应用， 为实现智 能无 人矿 山 开采提 出 了技术路 径 。 1煤矿 生产 物流 系统 存在 问题 煤炭 生产 主要 包括 采掘 、 运输 、 通风 、 排 水 、 洗 选 及其他辅助工作 。从本质上讲 ， 煤炭生产全过程就 是 一个 完整 的物 流 系统 ， 物流 系统 的 效 率 直接 影 响 煤 矿企 业 的整体 效益 。虽 然 中国煤矿 综合 机械 化水 平得到了大幅度提高， 但生产物流系统仍存在 以下 问题 。 1 系统效率低 ， 安全可靠性差 。中国煤矿 平 均生 产 效 率 远 低 于 发 达 产 煤 国 家 。据 统 计 ， 美 国 2 0 1 4年煤矿生产效率为 5 ． 9 6 t ／ 人 h ， 澳大利亚 2 0 1 3 2 0 1 4年为 4 ． 5 t ／ 人 h ， 而 中 国 国有 重 点 煤矿 不到 1 t ／ 人 h ， 且 中国煤矿 生产 物流 系统 事 故 占煤矿 事故 总数 的 4 0 ， 远 高 于 瓦斯 事 故 。在 煤 炭生 产 中 ， 物 流 成 本 约 占 总成 本 的 3 0 ～ 8 0 ， 辅 助运输工人人 数约 占井下 总人数 的 3 o ～5 0 9 ／ 6 。 可见 ， 煤矿生产物流系统 的低效率严 重制约着煤矿 企业 的经济效 益 。 2 传统辅助运输方式仍 占主体地位。煤矿辅 助运输方式主要有轨道运输和无轨运输两大类 ， 运 输设 备 主要有 电机 车 、 单 轨 吊车 、 卡轨 车 、 无 极绳 绞 车 、 齿轨车、 无轨胶轮车等 。矿井 的运输监控系统基 本实现了车辆运行状态监测 ， 但运输设备未实现辅 助 无人 驾驶 ， 对矿用物资流的管理信息化水平低 。 目前辅助运输仍 以多段分散落后 的运输方式 为主， 2 0 1 7年第 1 O期 袁亮 面向煤炭精准开采的物联 网架构及关键技术 3． 存在设备落后、 安全性差 、 效率低 、 工人劳动强度大 等问题 。因此 ， 需要加强辅助运输系统管理 ， 开发智 能高效的运输设备和运输监控系统， 提高煤矿 生产 效率和管理水平 。 3 系统信息化水平低 ， 智 能感知缺乏。传统 煤炭开采 自动化、 信息化 、 智能化水平低 ， 存在单凭 直觉 和经 验进 行生 产管 理 的情 况 ， 因此 往 往 将 采 矿 视为 技术 而非 科学 _ 9 ] 。动态 、 连 续 、 实 时 的生产 自动 化监测是矿山信息 化发展 的方 向， 但现有传感检测 技术的可靠性 、 及 时性不 能满足需求 ， 智能感 知缺 乏 。煤 矿 地质 条件 复杂 ， 生 产 系统繁 多 ， 采掘条 件 多 变， 需要利用物联网进行监测监控 ， 逐步实现生产物 流各子 系 统 的 自动 化 ， 并 建 立 高 效 、 规 范 的管 理模 式 ， 以适应市场激烈竞争 的需要 。 4 系统封 闭、 数据孤 岛现象依然严重 。尽 管 中 国煤 矿数 字 矿 山建设 与信 息化 改造 取得 了明显 成 效 ， 但传感信息获取方式复杂多样 ， 目前尚未实现在 统一平台下 的全面采集 、 共网传 输。有线传输方式 存 在布 线 困难 、 移 动 灵 活性 差 、 未 全 面覆 盖 等 问题 ， 无线传输方式存在时效性差、 信号覆盖范围小等 问 题 ， 系统 间异构数据无法融合 、 无时间同步 ， 数据通 信可靠性及抗干扰性能差 ， 多源传感信息挖掘分析 与处理困难 ， 不能进行耦合分析 、 综合预警。因此 ， 亟待国内相关行业管理部 门从政策层面推动系统间 的数据 融合 。 2面 向煤炭 精 准 开采 的物 联 网相关概 念 及 内涵 煤炭精准开采是基于当前煤炭开采过程中的现 实性难题及未来深部煤炭开采将面临的技术瓶颈提 出的未 来采 矿科 学 构想 ， 最终 目的是 实现 以智 能 、 少 人 无人 、 安全为核心的煤炭精 准开采 。其基础理 论探 索 是透 明空 间 地 球 物 理 和 多物 理 场 耦 合 等 ， 核 心技 术 支撑 是智 能 感 知 、 智 能 控 制 、 物 联 网、 大数 据 和云技术等 ， 功能平 台构建是风险精准判识 和监控 预警系统等_ 1 。煤炭精准 开采 是煤矿开采技术 的 一 项颠覆性技术创新 ， 是将煤炭开采扰动影响、 致灾 因素等 统筹 考虑 的煤 炭无 人 少人 智 能开采 与 灾害 防控一体化的未来采矿 。煤炭精准开采最大化地利 用 现代 科技 成果 ， 实 现对 煤炭 开发 全 过程 的信 息化 、 数字化及智能化 ， 其框架如图 1 所示 ， 即通过对资源 勘查与评估 、 矿区总体规划 、 矿 井设计建设 、 生产与 管理等与现代信息技术的深度跨界融合 ， 实现煤炭 开 采 由传 统 的高危 劳动 密集 型 向高精 尖技 术密 集 型 转 变 ， 进 而 实现 智 能少人 无 人 开采 ， 因此 煤炭 精准 开采 是 中 国未 来采 矿必 由之 路 矿 山规划 ． 至 】∈ ∈ 竺 星 鋈 0爨 l l霾 I吝 圉 ” 图 1煤 炭 精 准 开 采 框 架 Fi g．1 Fr a me wor k o f pr e c i s i o n c oa l mi ni ng 物 联 网起源 于 美 国麻 省理 工 学 院在 1 9 9 9年 提 出的网络无线射频识别 系统 ， 随后其概念及 内涵发 生了较大变化[ 1 。通常物联 网指通过信息传感设 备 ， 按照约定的协议 ， 将 任何物 品与互联 网连接起 来 ， 进行信息交换和通信 ， 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 互联 网基 础上 延伸和扩展 的网络[ 2 。矿山物联网是信息化在矿 山领 域 的综合 应用 ， 它 利 用感 知 、 传 输 、 信 息 与 控 制 等技术 ， 通过信息空间与矿山物理世界的深度融合 ， 实现对矿 山整体事 物的数字化和矿山物与物、 人与 物 、 人 与 人相 联 的网络化 ， 达 到对 矿 山物理世 界实 时 控制 、 精确管理和科学决策 的 目的[ 1 ， 是通信 网和 互联 网在矿山行业应用的更高境界。 近年 来 ， 新一 轮产业 革命 方兴 未艾 ， 为人 类未 来 采矿指明了方 向， 即通过传统采矿技术与信息技术 的深度融合 ， 最终实现无人 智能 矿 山。其技术体 系支撑为基于透明地球的煤炭精准开采和基于物联 网技术的智能感知、 共 网传输及 信息分析等。煤炭 精准开采是人类社会未来无人矿山的技术核心 ， 为 矿 山物联 网的发展 指 引 了前进 方 向 ； 面 向煤 炭 精 准 开采的物联网是煤炭精准开采 的主要载体， 为实现 智 能感控 与精 准开 采提 供 了技术 支撑 。二者 密切 相 连、 不可分割 ， 共同服务于煤炭的科学开采 ， 助推智 能采 矿与 无人 矿 山建设 。 3面 向煤炭精 准 开采 的物联 网关 键技 术 面向煤炭精准开采的物联网依托互联网与通信 网， 通过多种泛在传感器将煤矿开采条件、 设备健康 状况及人员工作环境联接起来 ， 对煤矿体征进行实 时在线监测、 分析处理及信息服务 。面向煤炭精准 开采 的物 联 网主要 由感 知层 、 传输 层 、 分析层 和应 用 层组成 ， 如图 2所示 。其关键技术主要包括多源信 一 一 一 ～ 固 4 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 息智能感知、 多网融合传输 、 多参量信息分析处理、 基 于 云技 术 的灾 害 监控 预警 、 矿井 灾 害应急 救援 等 。 I 用 数 据 挖 掘 、 评 价 与 预 测 分 析 、 预 防 预 警 、 决 策 支 持 、 智 能 安 监 l 囊 曩 l 企业 机构 企业 机构 机构 业务I 企业信息l I 设备 全生 命I I 安全闭环I I 安全 教育I I 事故 l 应用I 管理l I周期管理 l l 管理I I 培训I I 管理 l 篓 曼 瞿 黎 } 交 换 、 设备 Zi e e s 。 G 数据姊 枷 ■ 摹拳矗 蘑霉 一 采集 矿用产 品 环境参数、 设备健康 安全隐患 全生命周期信息 应力等信息 状态信息 信息 图 2 面 向煤 炭 精 准 开 采 的 物 联 网 架 构 Fi g． 2 I o T f r a me wor k f o r pr e c i s i on c o a l mi ni ng 1 多 源 信 息 智 能 感 知 。利 用 新 型 灵 敏 度 高 、 可靠性好 的采集传感器等对人机环参数信息全面采 集 。主要 包括 矿 山地 测 空 间数 据 深 度智 能 感 知 、 采 场及开采扰动区多源信息采集传感及灾变前兆信息 采集传感等。 2 多网融合传输 。利用通信 网络 ， 安全高效 、 实 时可靠 地进 行多 源信 息交 互 和共享 。主要包 括监 测 数 据组 网布 控 、 非 接触 供 电及 多 制 式 数据 抗 干扰 高保 真 稳 定 传 输 及 灾 害 前 兆 信 息 解 析 及 协 同 控 制等 。 3 多参量信息分析处理 。利用基于大数据的 智能计算技术 ， 对多源海量 的动态感知数据 和信息 进行深度挖掘分析 与融合处理， 实现智能化 的决策 和控 制 。主要 包括 多源 海 量 动 态 信 息 聚合 、 数据 挖 掘模 型构 建与更 新 、 面 向需 求 驱 动 的 灾 害预 警 服 务 知识体系构建 、 基于漂移特征 的潜在煤矿灾 害预测 方 法 与多 粒度 知识 发现 方法 及危 险 区域快 速辨 识及 智 能评 价 等 。 4 基 于云技 术 的灾 害监 控预 警 。利 用 基 于云 技术 的灾 害监 控预 警 系 统 平 台 ， 实 现 矿 井灾 害 的实 时超 前精 准预 警 。 主要 包 括具 有 推理 能力 、 语 义 一 致 性 的灾 害知识 库 构 建 ， 基 于 云 技 术 和深 度 机 器 学 习的灾害风险智能判识及灾害智能预警系统等 。 5 矿井 灾 害应 急救援 。行 之 有 效 的矿 井 灾害 应 急救 援是 减少 人 员 伤 亡 和 财 产损 失 的重 要 保 障 。 主要包 括 井下人 员 精准定 位 、 灾害 源探 测 、 救 灾 通信 及 应急 智 能决策 等 。 煤炭精准开采涉及领域广泛、 内容纷繁复杂 ， 冲 击地压 、 煤与瓦斯突 出等动力灾害是 中国深部 开采 煤矿面临的突出问题之一 ， 普遍存在采集传感可靠 性差 、 多网融合传输手段缺乏 、 多源信息挖掘困难及 大尺度 、 区域性煤 矿 灾害监 控 预警缺 乏等 问题 ， 导致 动力灾害预警的盲 目性和不确定性 ， 对于实现灾害 精准 预警 极为 困难 。本 文 以煤 矿动 力灾 害精 准预警 物联 网为 例 ， 探 讨煤 矿 动 力 灾 害精 准 预 警 物 联 网体 系架 构及 其工 程应 用 。 4 煤矿 动 力灾害 精准预 警 物联 网架构 煤矿 动力 灾害 精准 预警 物联 网是在 煤炭 精准 开 采的理念指导下 ， 利用灾害前兆信息采集传感与多 网融合传输技术 、 多源海量前兆信息提取挖掘方法 ， 实现 煤矿 动力 灾害 前 兆 信 息智 能感 知 、 风 险 判 识及 精 准预警 的新 模 式 、 新 方 法 。其 体 系架 构 主 要 包 括 感知 层 、 网络层 、 应 用层 和公共 技术 ， 如 图 3 所 示 。 网 匿 菜 I J I 窒 旦 兰 鱼 垫 查 lJ中 问 J 萼差 l层 ll 网 络 传 输 技 术 lI ’I l l ； ； ≈ ； ； l l U l 墨 旦 壁 全 堡 ll 堕 望 旦 丝 II 垄 堡 塑 l I 璧 錾 I f f 兰 堡 苎 查 I I 安 全 I 匦圃匦圃区 l l I I 厂 聂 ] l 各 层 I [ 二 j 匿亟甄 厦 尉 1 感知 层 。感知 层是煤 矿 动力 灾 害精 准预 警 物联 网发 展与应 用 的基 础 ， 主 要包 括 前 兆 信 息 采集 技术和多网接入技术 。前兆信息采集技术主要是通 过研制光纤微震传感 、 三轴高灵敏度应力传感 、 分布 式多 点激 光 甲烷 监 测 、 钻 屑 瓦斯 解 吸指 标 和 钻孔 瓦 斯涌 出初 速度测 量 等 泛 在传 感 技 术 及 装备 ， 实 现灾 害前 兆信 息 的深 度感 知 、 高精 度 监 测 。多 网接 入技 术 主要 包 括无线 自组 网技 术 、 路 由管 理技术 、 抗 干扰 技 术 等 。 通 过 研 制 井 下 受 限 空 间 内 Z i g B e e ， 6 L o WP AN， Wi F i 无线 自组网及路由管理技术及装 备 ， 开发基于分布式 总线 的信号连续均匀覆盖 的技 术及装 备 ， 实现 非在线 监测 数据 的灵 活接 入 ； 通过 开 发多 系统 近址共 建 供 电 源 防护 及 空 问 布设 、 多 网 融 合 各 系统 自身抗 电 磁 干扰 、 干扰 源 分 析 及 分 布 规律 建模 等技 术 ， 解 决 系统 及装 备 的高 可靠 、 抗 干扰 2 0 1 7年 第 l O期 袁 亮 面向煤炭 精 准开采 的物联 网架构及 关键 技 术 5 f 司题 。 2 网络层 。网络 层是 煤矿 动 力 灾害 精 准 预警 物联 网数据处理的核心 ， 主要包括 网络传输技术 和 应用平台技术 。网络传输技术主要包括多网融合传 输 、 区域协同控制 、 透 明传输网关等。通过开发电力 载波技术和多制式数据透明传输技术 ， 实现传感数 据透 明接入和共网可靠传输 ； 通过研制相关传输标 准及 区域协同控制技术与装备 ， 实现区域多源信息 的采集、 解析 、 融合及协同控 制。应用平 台技术主要 包括时空数据管理、 灾变前兆发现和模 态 自动构建 与更新等 。针对煤矿井下 多源海量 的传感器数据 ， 创建面向煤矿动力灾害的动态信息快速分析模型与 压缩 算法 ， 实 现动 力 灾 害 精 准 预 警 的 多 源数 据 特 征 保 留、 简约传输 和存储 。通过构建动态潜在煤矿动 力灾害前兆信息分析和反走样模 型， 实现灾变前兆 信息模态 的自动构建与更新 ， 提出面向煤矿动力灾 害预警的多粒度知识发现与预测方法 ， 解决煤矿动 力灾害前兆特征信息提取与模态构建等难题 。 3 应 用层 。应 用层 是 煤矿 动 力 灾害 精 准预 警 物联 网发 展 的 目的 ， 主要包 括 危险 区域 辨识 、 智 能评 价方法和灾害预警服务等 。采用大数据深度学习理 论 ， 提 出面 向灾变 区域 预 测 模 型 的 全 息全 局 学 习方 法 ， 进 而 发现 煤 矿 动 力灾 害事 故 的 内在 规 律 。根 据 煤矿 动力 灾 害致 灾 因 素 的 时空 耦 合 特 性 ， 利 用 煤 矿 动力灾害多元信息数据仓库和 四维时空地理信息系 统 ， 对煤矿动力灾害可能涉及的危险区域进行快速 辨识和动态圈定 ， 提高煤矿动力 灾害危 险区域预测 预报的准确率 。利 用多元数据融合理论 ， 对 圈定 的 危险区域 的隐患 、 风险、 危险程度进行智能评价和定 级 ， 并 进行 预 警和 解警 信息 的实 时生 成 和发 布 。 4 公 共技 术 。公共 技 术是 煤 矿 动力 灾 害精 准 预警 物联 网的跨层 技术 ， 服 务 于 以上 3 个 层 面 ， 主要 包括 中间件 、 标志与解析技术 、 安全技术和各层标准 等。比如多网融合接 口标准、 预警知识库、 模型库、 方法库及行业标准库等。通过构建冲击地压 、 煤与 瓦斯突出等动力灾害知识库 ， 形成区域 内煤矿动力 灾害数 据 的互 联互 通 。研究 基 于并 行计 算模 型 的多 元异构数据的抽取 、 关联、 聚合方法 ， 提取致灾 因素。 探索基于人工神经网络等技术 ， 建立煤矿动力灾害 致灾因素对应 向量 的相似性计算模型。研究基于分 布式并行计算及深度机器学 习算法 ， 建立 区域煤矿 动力 灾害 风 险智 能判识 模 型 。 4 ． 2 工 程 应 用 煤矿动力灾害精准预警物联网利用面向冲击地 压、 煤与瓦斯突出灾 害多源信息融合的挖掘分析技 术及软件 ， 将分析结 果实时反馈至监测预警系统平 台。通过远程在线 区域监控预警 系统平 台， 可实现 灾害远程在线智能预警 ， 进而指导示 范矿井动力灾 害治 理 。 目前已初步建立矿山动力灾害远程在线监测预 警实 验研 究 系统 ， 可 实 现 “ 矿井 一矿业 集 团 ～ 远 程 监 测预警中心” 三级监测 ， 并在陕西煤业化工集团进行 系统综合平台应用示范工程， 运用初步建成的基于 大数据与云技术的冲击一突出复合 型动力灾害多参 量精准预警平 台 图 4 ， 成功预测预警到胡家河煤 矿 2 0 1 6年 1 O月 2 7日冲击地压事件 。在 山东能源 集团建立了冲击地压监控预警平 台系统 ， 成功对现 场冲击地压灾害进行了预警和解危。 l ’。一一‘‘。。。’’一一‘’’。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 集团公司 羞 磊 ⋯ j 建 音I i 警 ． 云技术 一 ＼ ⋯⋯⋯⋯⋯． j ．壅 聱 婆 煎 曼 ． 囊 图 4 冲击一 突 出复合型动力灾害多参量精准预警平 台 Fi g ． 4 Pr e c i s i o n e a r l y wa r n i n g p l a t f o r m o f mu l t i p a r a me t e r s f or r o c k b ur s t ga s o ut bu r s t c omb i n e d d yn a mi c di s a s t e r 5 展 望 实现煤炭精准开采 ， 任重而道远。结合 当前煤 炭工业发展现状和信息化技术水平 ， 面向煤矿精准 开采的物联网关键技术研究紧密 围绕其体系架构 ， 将分 2步实施 第 1步是逐步建设煤炭生产各子系 统 的物 联 网 ， 主 要包 含采 掘 系 统 、 运 输 系统 、 通 风 系 统 、 排水系统、 洗选系统及其他辅助系统等， 实现子 系统装 备 与子 系统 流 程 的智 能 化 ； 第 2步 是 实 现全 矿井 的智 能化 ， 达到 通 信 网与互 联 网在 煤 矿 综 合应 用的最高境界 ， 实现广泛意义上的煤矿设备 自动化 和生产管理智能化。建议政府主管部 门和煤炭行业 高度重视矿山物联 网科技创新 ， 借力新一轮的产业 革命 ， 力争在矿山物联网领域取得颠覆性技术突破 ， 全面提升中国煤矿智能开采与管理水平， 助推煤炭 精准 开采 落地生 花 。 6 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 参考 文献 R e f e r e n c e s [ 1] [2 ] [3] [ 4] [ 5] [6] [ 7] [ 8] [9 ] 王安 ， 杨 真 ， 张农 ， 等． 矿 山工 业 4 ． 0与 “ 互 联 网 矿 业” 内涵 、 架 构 与关 键 问题 [ J ] ． 中国矿 业 大 学学 报 社会科学版 ， 2 0 1 7 ， 1 9 2 5 4 6 0 ． W ANG An，YANG Zhe n，ZHANG No ng，e t a 1 ． Con no t a t i o n，f r a me wor k a n d c r i t i c a l i s s u e s of mi ne i n d u s t r y 4 ． 0 a n d I n t e r n e t p l u s mi n i n g [ J - ] ．J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y S o c i a l S c i e n c