矿山物联网顶层设计.pdf

第 4 3 卷 第 9期 2 0 1 7年 9月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t o m a t i o n Vo 1 ． 43 NO ． 9 Se p ． 2 01 7 【 编 者按 】 煤矿信 息化技 术经历 了单机 自动化 、 矿 山综合 自动化及现 在的矿 山物联 网阶段 。 自 2 0 1 0年 中国矿业 大学首次提 出“ 感知矿 山物联 网” 概 念 以来 ， 经过 几年的发展 ， 目前 国 内已出现 了较 为成 熟的矿 山物 联 网应 用解 决方案和 系统架构 ， 并在徐 州矿 务集 团有 限公 司夹河煤矿 等建成 了矿 山物联 网示 范工程 ， 取得 了较好 的应用效 果。但 总的 来讲 ， 矿 山物联 网仍 存在 感知手段 传 统单 一 、 泛在 感 知 网络 应 用较 少、 不够 开放等 问题 。为 了加快 实现 物与物相联 、 建设真正本质 安全矿 山的矿 山物联 网 目标 ， 工矿 自动化 编辑 部策 划组 织 了“ 矿 山物联 网顶 层 设计” 专栏 。本 期首发 矿 山物联 网顶层设 计 ， 该文从监 管层统 筹规 划、 战略 目标及 建设路 线制定 、 重点发展 领 域概括等 角度 阐述矿 山物联 网设计及 建设 方案 。后期 将从精 准开采对矿 山物联 网的 需求及矿 山物联 网产业 发展 、 关键 技术 、 标 准建设 、 具体应 用等方 面对 矿 山物联 网顶 层设 计 进 行解 读 。特 别感谢 中国矿 业 大 学丁恩 杰教授 在本 专栏 组稿 、 审稿 方面给 予的 大力支持 和协助 ， 衷 心感谢各 专家学者在 百忙之 中为本专栏撰稿 。 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 9 0 0 0 1 1 1 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 7 ． 0 9 ． 0 0 1 矿山物联网顶层设计 丁 恩杰 ， 施 卫祖。 ， 张 申 。 ， 赵 小虎 。 1 ． 中国矿业 大 学 物 联 网 感 知矿 山 研 究 中心 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 矿 山互联 网应 用技术 国家地 方联合 工程 实 验室 ， 江 苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 国家安 全生 产监 督管理 总 局 规 划科 技司 ，北京 1 0 0 7 1 3 摘 要 介 绍 了矿 山物联 网技 术发展 现 状和 产业 发展 模式 ， 指 出矿 山物联 网顶 层设计 的 目的是从 国家安全 生产监 管 的全局 进行 感知 矿 山总体设 计 ， 实现 矿 山物联 网物 与物相 联 ， 并 明确矿 山物联 网的服 务本 质 。探 讨 了矿 山物联 网的发展 趋 势 关键 技 术不 断 突破 ， 服 务承 载模 式 逐 步显 现 ， 政府 与 企 业共 促发 展 。阐述 了矿 山 物联 网发展 重 点领域 核 心 关键 技 术 突破 ， 包括微 型化 智能 装置及 能量 捕 获技 术 ， 矿 山覆盖 网络 、 通信 与灾后 重建技 术 ， 云计 算 、 大数据及 安 全 生产 管理技 术 ， 矿 山语 义 与虚 拟 化 技 术 ， 安 全 、 隐私 与 可信 网络技 术 ； 5 S应 用 ， 即感知人 员 、 感知 灾害 、 感知 设备 、 感 知矿 区、 感 知 管理 ； 云服 务 体 系构建 ； 标 准 化 建设 。提 出 了矿 山 物联 网保 障措施 及 建设路 线 。 关 键词 矿 山物联 网 ； 感 知矿 山 ；顶层 设计 ；物联 网标 准化 ； 智 能感知 ； 服 务 承载 平 台；云服 务 中图分 类号 TD 6 7 文献标 志 码 A 网络 出版 时 问 2 0 1 7 - 0 8 2 8 1 0 O 0 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 8 2 8 ． 1 0 0 0 ． 0 0 1 ． h t ml To p do wn d e s i g n o f mi n e I n t e r ne t o f t h i ng s DI NG En j i e 一， S HI We i z u 。 ， Z HANG S h e n 一， Z HAO Xi a o h u 1． I nt e r ne t o f Thi n g s Pe r c e pt i on M i ne Re s e a r c h Ce n t e r ，Chi n a Uni v e r s i t y of M i n i ng a n d Te c h no l o gy， Xu z hou 2 2 1 0 08，Chi na；2． S a t e Pr o v i nc e U n i t e d Eng i ne e r i ng La bo r a t o r y o n M i ne I nt e r ne t Ap pl i c a t i on Te c hno l o gy，Xuz ho u 2 21 0 0 8，Chi n a；3． De pa r t m e nt o f Pl a n ni n g Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，S t a t e Ad mi n i s t r a t i o n o f Wo r k S a f e t y ，Be i j i n g 1 0 0 7 1 3，Ch i n a Ab s t r a c t Cu r r e nt s t a t us o f mi ne I nt e r ne t of t hi n gs t e c hn ol o g y a n d i t s i nd us t r i a l d e v e l o p m e nt pa t t e r n 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 5 2 5 ； 修 回 日期 2 0 1 7 - 0 7 2 0 ； 责任编辑 李明 。 基金项目 “ 十三五” 国家重点研发计划项 目 2 0 1 7 Y F C 0 8 0 4 4 0 0 。 作者 简介 丁恩杰 1 9 6 2 ～ ， 男 ， 山东青 岛人 ， 教授 ， 博 士 ， 研 究方 向 为监 测监 控与 现场 总线 、 信号 处理 、 矿 山物联 网 ， E - ma i l e n j i e d c u ret e d u ． c n。 引用格式 丁恩杰 ， 施卫祖 ， 张 申， 等． 矿山物联网顶层设计 E J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 9 卜l 1 ． DI NG E n j i e ，S H1 we i z u，Z HANG S h e n ，e t a 1 ．T o p d o wn d e s i g n o f mi n e I n t e r n e t o f t h i n g s [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n 2 O1 7， 4 3 9 1 1 1 ． 2 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 w e r e i nt r o d uc e d．I t wa s p o i nt e d ou t t h a t t o p do wn d e s i gn o f m i ne I n t e r ne t o f t h i ng s wa s f or d e s i g ni ng p e r c e p t i o n mi n e f r o m t h e s t a t e s a f e p r o d u c t i o n s u p e r v i s i o n，r e a l i z i n g o b j e c t s c o n n e c t i o n o f mi n e I n t e r n e t o f t hi ng s，a nd c o nf i r m i n g s e r v i c e e s s e nc e of m i ne I nt e r n e t of t hi n gs ．De v e l o pme n t t r e n d o f mi ne I nt e r ne t o f t hi ng s wa s d i s c u s s e d， na m e l y ke y t e c hno l o gi e s wo ul d b e br o ke n t hr ou gh c on t i nu o us l y， s e r v i c e c a r r y i ng p a t t e r n wou l d a pp e a r gr a du a l l y，a nd t he g o ve r n me nt a nd e nt e r p r i s e s wou l d p r o m o t e de v e l o pme nt o f m i ne I n t e r n e t o f t h i n g s j o i n t l y ．Fo l l o wi n g d e v e l o p me n t f i e l d s o f mi n e I n t e r n e t o f t h i n g s we r e f o c u s e d o n b r e a k t hr ou gh o f c o r e a n d k e y t e c h no l o gi e s i nc l u di n g i n t e l l i g e nt e qu i p m e nt s wi t h m i c r o m a t i o n a n d e n e r gy c a pt ur i n g t e c hno l o gy， mi ne n e t wo r k， c o m mun i c a t i o n a nd p o s t di s a s t e r r e c on s t r u c t i on t e c h no l o gy， c l o ud c o m p ut i n g，bi g d a t a a nd s a f e p r od uc t i o n m a n a g e me n t t e c hn o l o gy， mi ne s e m a nt e m e a n d v i r t u a l i z a t i on t e c h no l og y， a nd s a f e t y， p r i v a c y a nd c r e d i bl e ne t wor k t e c h no l og y； f i v e s e n s i ng a pp l i c a t i o n i nc l ud i ng s e ns i n g mi ne r ， s e ns i n g d i s as t e r， s e ns i n g e q u i pme n t ， s e ns i n g mi ne a r e a a n d s e ns i n g ma na ge m e nt ； c o ns t r uc t i o n o f c l ou d s e r v i c e hi e r a r c hys t a nd a r di z a t i o n c on s t r u c t i o n．S a f e gu a r d me a s ur e s a n d c o ns t r u c t i on r o ut e o f mi ne I n t e r ne t o f t hi ngs we r e pr o po s e d． Ke y wo r d s mi n e I nt e r n e t o f t hi n gs；pe r c e pt i on mi ne；t o p d o wn de s i g n；s t a n da r di z a t i on o f I nt e r n e t of t hi ng s；i nt e l l i ge nt s e ns i ng；s e r v i c e c a r r y i n g pl a t f o r m ；c l ou d s e r v i c e 0 引言 矿 山物联 网是 互联 网 时代 的矿 山安全 生产 公 共 服 务平 台l 1 ] ， 可为矿 山安 全监 管与 科学 执法 、 矿 山 生产 过程监 控 等提 供 必 要 的技 术 支 撑 ， 更 好 地 保 障 矿 山的生产 安 全 、 生 态安 全和 资源 安全l 2 ] 。 “ 十一 五 ” 和 “ 十 二 五” 期 间实 施 的 “ 金 安 ” 工 程 国家 安全 生产 信息 系统 和 国家安 全生 产应 急平 台 等一 批 政务 信息 化 工程 ， 为 各 级 安全 监 管 监 察机 构 开展 安 全监 管提 供 了初 步 的 资源 专 网 及 应用 系统 ； 矿 山“ 六大 系统 ” 和矿 山综 合 自动化 则为 实施 矿 山底 层 安全 监测 监控 、 实 时 掌 控 生 产一 线 信 息 提 供 了充 分保 障口 ] 。然 而 ， 这 些安 全生 产 系 统 建设 于不 同 时 期 ， 服务于不同应用 目的 ， 没有从 国家安全层面统筹 考 虑 。矿 山物联 网技术 的快 速发 展 和应用 为构 建统 一 的 网络化监 管 与执 法 平 台 、 加 强 安 全 监 管监 察 能 力 、 提 高行政 执法 效能 提供 了有 力 的技术 支撑 。 在 国家 能源 安全宏 观 框架 和能 源革命 的新 形势 下 ， 紧 紧 抓 住 “ 互 联 网 行 动 计 划 ” 和 “ 中 国 制 造 2 0 2 5 ” 的政策和技术契机 ， 利用物联网技术提高矿山 自动 化 、 信 息化 水 平 ， 是 对 国 家 战 略需 求 的 积 极 响 应 ， 是增 强安 全管 理部 门监 管能 力 的必 由之路 ， 也是 提高 矿 山生产 效率 、 保 障安全 生 产水平 的必 然选 择 。 1 矿 山物联 网发 展现 状 1 ． 1 矿 山物 联 网技 术发展 现状 从 技术 发 展 角度 看 ， 矿 山物 联 网 目前 尚处 于起 步 阶段 ， 但 是 技术 优势 和应 用前景 已初 步 显现 ， 国 内 已有较成熟的应用解决方案和系统架构 ， 并在 国家 安 全生 产监督 管理 总局 、 国家 发 展 和 改革 委 员 会 等 支 持下 实施 了多个 示范 工程 。理 论研究 与应 用情 况 表 明 ， 矿 山物 联 网具 有 良好 的矿 山适 应 能力 和 广 泛 的应 用前 景 ， 但 是 目前 总体 处 于 “ 感 ” 、 “ 传 ” 关 注 较 多 ， “ 知 ” 、 “ 用 ” 研 究 过 少 阶段 [ ， 需 从 新 型 感 知 手 段、 新颖联网与交互方法 、 深度信息挖掘与服务承载 模式 、 云计算和大数据中心建设 、 标准体系构建等方 面拓宽加深。下面从感知层、 传输层、 应用层和公共 技术 方 面分析 矿 山物联 网技术 的发 展现 状 和存在 的 问题 。 1 感 知 层 。传 感 器 是 矿 山 物 联 网 的最 前 端 ， 担负 着感 知数 据 的重 要 任 务 ] 。然 而 ， 目前 的 矿 用 传感器仍局限于特定子系统， 缺乏分布式和 网络化 矿山传感技术和应用 ， 无法做到以矿 山物联网为平 台实 施分 布 式 监 测 与 控 制 。这 种 违 背 物 物 互 联 的 “ 孤 岛” 式 实 施 方 法 大 大 增 大 了感 知 数 据 融 合 的难 度 ， 并降低 了感 知数 据 的可信 度 。 从原 理上 看 ， 矿 用传感 器 以传统 方法 为 主 ， 如 瓦 斯传感器主要采用催化燃烧 、 红外等技术。这些 传 感 器 不但对 井下 粉尘 、 水雾 等环 境适 应能 力弱 ， 而 且 容易催 化 中毒 。 为此 ， 应 大 力 推 广 ME MS Mi c r o ～ E l e c t r o Me c h a n i c a l S y s t e m， 微 机 电系统 传感 器 ， 但 是该种传感器 目前仅在振动监测中有少数应用 。 矿用光纤传感器技术近年来取得 了长足进步 ， 已研究出一系列矿用光纤传感器 ， 如温度传感器、 震 振 动传感器、 瓦斯传感器等 ， 并成功用于采空区温 度监测 、 微 震监测 、 设 备振 动监测 、 瓦 斯监 测等 场合 。 2 0 1 7年 第 9期 丁恩杰等 矿 山物联 网顶层设 计 3 。 目前 ， 多 家机 构正 在研 制光纤 多气 体传 感器 ， 以取代 目前 的矿 用束 管 系统 。 矿 用 人 员 定 位 系 统 以 R F I D Ra d i o F r e q u e n c y I d e n t i f i c a t i o n ， 射 频 识 别 技 术 为 主 ， 不 仅 不 能 做 到 精 确 定 位 ， 更 不 能 实 现 实 时 跟 踪 ] 。基 于 Wi F i 或 WS N Wi r e l e s s S e n s o r Ne t wo r k ， 无 线传 感 器 网 络 技 术 的人 员定 位 系统 尽 管 有 更 好 的 性 能表 现 ， 但 其 定位精度和稳定性等还有待验证 。其他新型感知设 备 ， 如矿 山人员可 穿戴 设备 等还研 究得 不 多 ， 目前 的 成 熟产 品很 少 ， 且 主要 用于 矿 山救援 。 感 知 层 的 主要 问题 是 矿 山新 型传 感 手段 偏 少 ， 网络化 分布 式监 测 理 论 与方 法 欠 缺 ， 不 能 真 正 满 足 矿山物联 网物物相联 、 泛在感知的要求 ] ， 致使矿山 生 产在 很大 程度 上处 于不透 明状 态 。 2 传输层 。全国层面的矿山物联网传输网络 主要 由 矿 业 集 团 主 干 网 络 与 网 络 运 营 商 的 网 络 组 成 。 矿 业集 团内部各 个矿 山 的主干 网络 采用矿 山综 合 自 动 化 系 统 的 1 0 0 0 Mb i t ／ s 个 别 矿 山 为 1 0 Gb i t ／ s 工业 以太 网， 这些网络不具备全 网精确 时间 同步能 力 ， 无 法 提供基 于 时间 的服务 如对 全矿 井 发生 的事 件进 行实 时跟踪 管 理 __ g ] ， 因此无 法 从 时 空 方 面对矿 山生 产 过 程 进行 四维 化 描 述 ， 需 大 力 进 行 全 网时 间 同步 改造 。 除 了主 干 网络 外 ， 各 矿井 的泛 在 感 知 网络 也是 矿 山物联 网 的重 要 内容 ， 实 现 矿 山对 象 的实 时 感 知 和泛在 应用 口 u ] 。 目前 ， 矿 井泛 在 感 知 网络 主 要 采 用 Wi F i 、 WS N、 智 慧线 等技术 ， 但这 些无线通信技 术难以适应矿山长距离多跳传输、 多业务承载 、 按需 自组成 网、 灾 后 重 构 等需 求L 1 ， 需 研 发 新 型 的 矿 山 泛 在通 信技 术 和感知 网络 。地 面通 用 的 2 G， 3 G， 4 G 等技术 已被移植到矿山井下， 但是应用较少 ， 且与其 他 通信 体 系 相 对 独 立 。随 着 矿 山 物 联 网 的快 速 推 进 ， 矿 井 中 将 会 部 署 大 量 “ 物 体 ” ， 需 大 力 推 进 6 L o wP AN 的使 用 ， 促 进 I P v 4向 I P v 6过渡 ， 以便对 这些“ 物体” 进行有序管理和高效利用 。 3 应用 层 。应 用层 包 括 应 用 平 台 、 业 务 应 用 及基于这些应用的安全预警 。从应用平台角度看 ， 主要采用组态软件 如 i F i x ， I n t o u c h等 进行信息集 成 ， 对 M2 M Ma c h i n e - t o Ma c h i n e ， 机 器 对 机 器 平 台技术 的研 究 与应 用 非 常 匮乏 ， 尚 没有 实 施 矿 用 服 务 支撑 平 台 、 大数 据 平 台、 云计 算平 台l 1 。 从具体业务应用角度看 ， 矿 山综合 自动化系统 旨在实现各子系统应用功能 的集成l_ 】 ， 只实现 了 少数系统或部分信息之间的联动 ， 没有实现多系统 间 的深 度信 息挖 掘 和 融合 应 用 ， 特 别 是没 有 实 现基 于信息挖掘和融合的生产流程网络化管理和集约化 经 营 ， 仅仅 建设 了办 公 自动化 、 矿 山安 全生产 与管 理 体系分析 、 主要生产设备点检系统等应用 。这些孤 立 的管理 应用 与矿 山 实 时数 据 联 系不 紧密 ， 难 以真 正达 到智 能决 策和集 约经 营 的 目的。 从矿 山安 全 角度 看 ， 也 需要 矿 山的物 物 高度 互 联 ， 因为从 机理 而 言 ， 各 种矿 山灾 害 的孕 育 、 发 展 和 发生过程受多种 因子共同制约 ， 灾害前兆信息 的频 带宽 、 类 型广 ， 单 一参 数往 往仅 能揭示 灾 害的片 面原 因 ， 应调度 多个 子 系统实施 聚 焦观测 和融合 分析 ， 方 能充 分揭 示灾 害 的多场耦 合关 系 ， 进 行准确 、 及 时的 灾前预报预警 。然而 ， 当前的各种灾害子系统往往 以灾害种类或监测技术为界 ， 它们各成体系， 难以满 足 聚焦观 测 和融合 分析 的要求 。 4 公 共 技术 。 目前 ， 矿 山 物 联 网公 共 技 术 研 究得不够 ， 特别是制 约矿 山物联网行业健康发展 的 标 准研究 和 制 定不 够 [ 1 。宜 全 局 统筹 考 虑 ， 从 物 体描 述 、 标 志解 析 、 互 联 互通 等 方 面 发 力 ， 形 成 系列 化 的矿 山物联 网标 准 。 1 ． 2矿 山物 联 网产业发 展模 式 矿 山物联 网应 用产业 发展 应打 通上游 、 中游 、 下 游 产业链 ， 使 其彼此 配合 、 协 调 发 展_ 】 。其 中 ， 上 游 为信息传感设备及通信设备供应商 ， 中游为互联 网 及运营商 ， 下游为服务提供商和用户 ， 如图 1 所示。 1 矿山灾害预警1 ] 矿山设备智能 芯 片n 终 端 设 备【 监 控 与 管 理 阵感器 供应商l ． 4 N H } ． 矿井人员定 位 ．． ． ． ． ． _ _ J I 网络设备、 l I 集成商 1 旦 与通信 苎 馋L J 软 件 供 应 商 I l 智 能 开 采 系 统 仟 f I 网 络供应商I 矿区生态 环境 服务提供商 上旃 ’ 中游 ’ F游 图 1 矿 山物联 网产业链 Fi g． 1 I n du s t r i a l c ha i n o f mi n e I nt e r ne t o f t hi ng s 矿 山物联 网为 矿 山提供一 个开放 的服务承 载平 台， 不同专业的专家均可在该平台上开展工作 ， 为矿 山提供更加专业化的服务 。矿山也应从 自己建设、 管理 和维 护 系统逐 步转 向按需 购买 专业化 的物 联 网 服务， 特别是矿山灾害预警、 矿山设备智能监控与管 理 、 矿井人员定位与通信、 矿山智能开采系统 、 矿 山 销售物流管理 、 矿区生态环境监测与治理等知识密 集型、 建 设周 期 长、 维护 和解 析 难度 大 的专业 化 服 务 。 4 工矿 自动 化 2 0 1 7 年 第 4 3卷 1 ． 3 矿 山 物 联 网顶 层 设 计 目的 矿 山物 联 网是一 个 承载 服务 的平 台n 引， 它 利 用 感知技术与智能装置对矿 山物 理世界进行感 知识 别[ 1 ， 通过 网络 传输 、 计 算 处 理 和知 识 挖 掘 ， 实 现 矿 山人与 物 、 物 与物 的信 息交互 和无 缝衔 接 ， 达到 对 矿 山物理世界实时监测、 准确控制 、 精确管理和科学 决策 的 目的 。矿 山物联 网 以高 效 、 安全 、 绿色 开采 为 目标 ， 保证 矿 山安全 生产 、 矿 山经济 可持 续增 长和 矿 山 自然 环境 的 生态稳 定 。 矿 山物联 网顶层 设计 的 目的 1 从 国家安 全生 产监 管 的全 局进 行 感知 矿 山 总体设计 ， 系统 、 全面地对感知矿山物联网进行统筹 考 虑 。 2 从 实 现 矿 山 物 联 网 物 与 物 相 联 的应 用 出 发 ， 避 免 出现各 系统 相互 独立 、 缺乏 标准 、 重 复投资 、 碎 片化 等 问题 。 3 明确 矿 山物 联 网 的本 质 是 服务 ， 矿 山物 联 网是一 个 承载 服务 的 平 台 ， 矿 山企 业 的应 用 需 求 和 专业化厂商的服务提供 能以矿 山物联 网为媒介 ， 实 现 服务 的按 需定 制 和提供 。 2矿 山物联 网发展 的机 遇与挑 战 矿 山安 全生 产与 安全 监管 不仅需 要 科学 的管 理 方 法 ， 也 需要 科学 、 全 面 的现代 技术 手段 。 2 ． 1 矿 山安 全监 管与科 学执 法 需求 物 联 网产生 大数 据 ， 大 数据 助 力 物联 网l 2 。矿 山各类 监控 系统 不 断 产 生 大量 实 时 和 历 史数 据 ， 这 些具有时空特性的海量数据通过矿山物联网汇聚至 各 级监 管 中心 ， 成为 矿 山安 全监 管 、 矿 山安全 态势 分 析 的重 要依 据 。基 于矿 山物联 网 的大数 据 和云计 算 技 术 ， 可实现 异 常 因子 捕 捉 、 事 故 前 兆 挖 掘 、 灾 害 超 前 感知 ， 从 而揭示 灾 害事 故发生 规 律 ， 有 助 于强化监 察 手段 、 提 升监 察效 能 ， 有效 防范 和 减 少 事故 ， 为 安 全 监管 提供 智能 化决 策支 持 。 2 ． 2矿 山安 全 生 产与运 营 需求 矿 山生 产 流程 复 杂 、 系统 众 多 、 环 境 恶 劣 ， 生 产 要素 人员 、 设备 、 车辆 等 集 中在狭窄 的矿井巷 道 内 ； 同时 ， 矿 山生 产 还 面 对诸 多不 确 定 因素 ， 极 易诱 发生产事故 。其 中， 不透明性较大是矿 山安全事故 频 发 的主 因 。 矿 山物联 网致 力 于实 现 矿 山物物 互 联 ， 增 强 矿 山生产 过程 的透 明性 ， 有 助 于 降低 矿 山安 全 事 故 发 生率。它通过向矿山企业 、 科研机构、 服务提供商等 提供服务承载能力 ， 将不 同领域的专 家聚集到统一 平 台 ， 各 自从 事 自己最擅 长 的工作 ， 有助 于实 施多 学 科 交叉研 究 和协 同工 作 ， 共 同解决 矿 山 面临 的 重 大 安 全 问题 ， 逐 步变 未知 为 已知 ， 变 不透 明为半 透 明甚 至全透明， 大幅提高矿山的运营效率和安全水平。 2 ． 3 矿 山物 联 网发展 趋势 1 矿 山物联 网关 键技 术 不断 突 破 。矿 山物 联 网的感 知层 、 网络层 、 应 用层关 键 技术均 不 断取得 突 破 Ⅲ 2 ， 主 要 包 括 感 知 层 关 键 技 术 ， 如 各 种 分 布 式 、 移动 传感 器 ， 矿 井精 确定位 等 ； 网络 层传输 技术 ， 如矿山移动通信 、 矿山 6 L o WP AN等 ； 应用层 关键 技 术 ， 如 矿 山大数 据 、 矿 山云 服务 、 安全 生 产 监 控 预 警 系统 、 管理 决策 与 应 用 ； 公共 技 术 ， 如公 共 中间 件 技术 、 标志与解析技术等。随着相关技术 的不断突 破 ， 矿 山物联 网应 用场 景将会 更加 丰 富 ， 进 而推动 矿 山物联 网技 术 的进 一步 发展 。 2 矿 山物联 网的服务 承 载模 式 逐步 显 现 。矿 山物联 网技术 将打破 原有 的安全生 产监 控与 管理模 式 ， 使得 矿 山企业 逐 步 以 购买 服 务 的 方式 实 现 矿 山 生产与运营。这些服务 由市场上最擅长该领域的专 家 和企业 等第 三方 提 供 和 维 护 ， 保 证 矿 山企 业 能 以 更低 廉 的价格 按 需获 得 更 专业 、 更 深 入 、 更 客 观 、 更 科 学 的安 全 管理服 务 。 3 政府 与企 业共 促矿 山物联 网发展 。矿 山物 联 网建立 在 大数据 的有 效 获取 、 挖 掘 和应 用 基 础 之 上 ， 数据 的开 放 是应 用 这 些 大 数 据 的 首要 前 提 。 目 前 ， 这些数 据和公共 资源 掌握在特 定政府 部 门和企业 手 中。为了有效利用这些 资源 ， 势 必要求 掌控数 据资 源 的政府 部 门与 企业 按 照矿 山物 联 网发展 需 要 和发 展规律向大众逐步开放， 由政府与企业共同提供政策 环境 、 标 准 、 数据资源 和安 全保 障 ， 最终形 成政府 与企 业共促矿山物联网产业有序、 健康发展的格局。 3 矿 山物联 网 战略 目标 3 ． 1 矿 山物 联 网发展 愿景 矿 山物联 网是 物联 网 的一 个有 机组 成部 分 。矿 山环境中具有大量物体 对象 ， 这些物体及生产过 程 不断 产生 大量事 件 ， 利用 物 联 网技 术将 这 些 泛 在 物 互联在 一起 ， 有 助于 它们相 互协 作 ， 产 生新 的应 用 或服务心 。这些真实泛在 的物体 、 数字化属性和事 件 ， 以及 协作 产生 的虚 拟对象 不 断聚合 ， 将 大 幅提升 矿 井智 能决 策水平 ， 促 进智 慧矿 山建设 。 矿山物联网与云计算、 大数据的聚合 ， 将构建一 个 物体 、 使用 者和 消费 者紧 密互联 的网络 ， 并 推 动各 种 矿 山应 用 平 台 及 服 务 的 开 发 和 应 用 。在该 框 架 2 0 1 7年 第 9期 丁恩 杰等 矿 山物联 网顶层 设 计 5 下 ， 各方力量能快速形成合力 ， 共同促进和保障矿山 安全生产 ， 使得服务提供者可以按需提供新业务、 贡 献新应用_ 4 ， 用户则可按照 自身需求按需购买和 使用 服务 ， 实 现矿 山的全 过程安 全 生产监 控 。 3 ． 2矿 山物联 网战略研 究方 向 通过新型传感器 、 分布式测量和能量捕获技术 的应 用 ， 实现 矿 井 的无 盲 区 监 测 与 控 制 ， 给合 先 验模 型 和专家 知识 ， 实现 矿井从 “ 感 ” 到“ 知” 的演变 ， 使矿 山生产过 程逐 步透 明化 。 通过 研究 泛在感 知 l_ 2 、 软件 定 义 网 络 和 网络 灾 后重 构等 技术 ， 实 现矿 井 特 殊 环境 中物 与 物 无缝 连 接 ， 保证数据和其他多媒 体信息的实时、 可靠传输 ， 同时满足灾后救援的通信需求 。 通 过研 究 统 一 的矿 山 物联 网平 台技 术 、 云 计算 服务和大数据技术 ， 实现矿 山物体与感知数据的语 义表达 、 信息融合 、 知识挖掘与语义计算 ， 实现信 息 的有效 利用 与增 值 ， 特 别 是 提 高矿 山安 全 预警 能 力和事件的虚拟再现能力， 大幅提高矿 山生产效率 和安 全水 平 。 同时 ， 通过 矿 山物联 网建设 ， 形 成一个 开放 的网络化 矿 山应 用 服 务平 台 ， 为 矿 山提 供更 专 业 的时空 一体 化服务 。 经过 5 ～ 1 0 a的发展 ， 矿 山新型传感器与智 能 “ 物 ” 快 速 增 长 ， 形 成 基 于 矿 山 智 能 “ 物 ” 的 语 义 We b ； 云 计算 与 大数 据 广 泛 应 用 ， 形成 基 于服 务 的矿 山云 、 雾 服务平 台； 新 型服 务体 系与 价值链 逐 步 完善 ， 矿 山可 持续生 态化 环境初 步形 成 。 4矿 山物联 网发展 重点领 域 4 ． 1 矿 山物 联 网核 心 关键技 术 突破 4 ． 1 ． 1 微 型化 智能装 置及 能量 捕获 技术 1 通过研究传感器原理、 检测方法 、 煤矿瓦斯 重大灾害发生机理等 ， 解决矿山特殊环境条件下 的 安全信息感知和采集 、 传感器抗干扰等问题。 2 通过研究适合移动信息采集平台的新型传 感器 、 多传感器阵列 、 多天线多方向电磁波信号分析 方 法 ， 解决 灾 害准确 预警 与灾 害源定 位 问题 。 4 ． 1 ． 2 矿 山覆 盖 网络 、 通信 与 灾后重 建技 术 1 研究 无 线 电 波 在 巷道 中 的传 播 理 论 ， 包 括 无线多径衰落规律 、 适合矿井无 线传输 的参数 频 率 、 调 制方 式 、 带 宽等 自适 应调 整与 优化 方法 等 。 2 研究 与 改进 矿 山环 境 下 的 W i F i 、 WS N、 认 知 无线电 、MI M0 Mu l t i p l e - I n p u t Mu l t i p l e Ou t p u t ， 多输 入 多输 出 、 M2 M、 矿 山 6 L o WP AN M6 L o wP AN 、 UWB Ul t r a Wi d e B a n d ， 超 宽 带 等技 术 。 3 研 究宽带 无线 接入技 术 和大 规模 异 构协 同 组 网技术 。 4 研 究 局 部 巷 道 发 生 灾 害 后 的 网络 重 构 问 题 ， 包括无 线节 点 的抗毁 能力 、 不 同介 质下 自适应 组 网协议、 传输速率 自适应调整技术 、 不同速率下的 自 组 网技术 等 。 4 ． 1 ． 3 云计算 、 大数 据及 安全 生产 管理技 术 1 研究矿山灾害信息预警云平台系统架构。 2 研究 基 于云计 算和 大数 据分 析 的矿 山灾 害 预警 模 型 。 3 研 究 云 环 境 下 基 于 虚 拟