矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设.pdf

第48卷第7期 2020年 7月 煤炭科学技术 Co a l Sc ienc e a nd Tec h no l o g y Vo l . 48 No . 7 Ju n. 2020 移动扫码阅读 王海波，赵立厂.矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设[J].煤炭科学技术,2020,48刀127-133. d o i 10. 13199/j. c nk i. c st . 2020. 07. 012 WANG Ha ibo, ZHAO Lic h a ng . Ubiqu it o u s f ea t u r e a na l ysis a nd u biqu it o u s c a pa c it y c o nst r u c t io n o f mine Int er net o f Th ing s[ J] .Co a l Sc ienc e a nd Tec h no l o g y,2020,487 127133. d o i 10. 13199/j. c nk i. c st . 2020. 07. 012 矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设 王海波▽，赵立厂1,2 1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州213015；2.天地常州自动化股份有限公司，江苏常州213015 摘要煤矿智能化是推动煤炭行业高质量发展，促进煤炭产业转型升级的核心技术支撑，矿山物联 网技术的深入应用是提升煤矿数字化，实现煤矿智能化的重要基础条件。以煤矿监测监控系统为例， 从传感技术与设备、子系统建设、信息化集成等方面分析了煤矿数字化建设的现状，提出了矿山物联 网实现“万物感知、万物连接、万物智能”所面临的困难，包括传感设备功耗大、稳定性不高、维护工 作量大，标准规范滞后，子系统建设相对封闭、信息化集成应用受限等。结合智慧矿山的整体目标，概 括了矿山物联网泛在感知、泛在连接和泛在智能的技术特性；以矿山物联网的泛在特征为主题，分析 了感知的必要元素和能力，连接的必要标准和服务及智能化应用的方向。以提升矿山物联网的泛在 能力，实现煤矿智慧体系为总体目标，对实现大样本感知、互联互通和应用智能等层面所需关键技术 的国内外现状进行分析，指出泛在感知的实现需要超低功耗的传感技术、位置服务技术和能量捕获 技术的结合，形成无源无线、免标校的感知终端；泛在连接的实现应基于能够与位置服务结合的无线 传输方式,应推进标准体系建设、形成D2D Devic e t o Devic e的互联和D4D Devic e f o r Devic e的服 务;泛在智能的实现是以泛在感知和泛在连接形成的大样本、多参量信息为基础的终端智能和区域智 能。作为一种技术支撑体系，矿山物联网技术的深入应用体现在煤矿各个业务中，需要材料、微电子、 机械制造、信息与通信等多种学科的前端整合。 关键词矿山物联网；泛在特征;泛在能力；煤矿数字化建设;煤矿智能化 中图分类号TD67 文献标志码A 文章编号0253-2336 2020 07-0127-07 Ubiquitous feature analysis and ubiquitous capacity construction of mine Internet of Things WANG Ha ibo12,ZHAO Lic h a ng12 l.CCTEG Changzhou Research Institute f Changzhou 213015, China；2.Tiandi Changzhou Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China Abstract Th e int el l ig enc e o f mine is t h e c o r e t ec h nic a l su ppo r t t o pr o mo t e t h e h ig h -qu a l it y d evel o pment o f c o a l ind u st r y a nd t h e t r a nsf o r ma t io n a nd u pg r a d ing o f c o a l ind u st r y. Th e d ept h a ppl ic a t io n o f mine Int er net o f Th ing s Io T t ec h no l o g y is a n impo r t a nt ba sic c o nd it io n t o pr o mo t e t h e d ig it a l iza t io n o f mine a nd r ea l ize t h e int el l ec t u a l iza t io n o f mine. Ta k ing t h e mine mo nit o r ing a nd c o nt r o l syst em a s a n ex a mpl e, t h e pa per a na l yzes t h e c u r r ent sit u a t io n o f d ig it a l c o nst r u c t io n o f mine f r o m t h e a spec t s o f senso r t ec h no l o g y a nd equ ipment, su bsyst em c o nst r u c t io n, inf o r ma t io n int eg r a t io n a nd o t h er s. Ma ny d if f ic u l t ies o f r ea l izing per c ept io n, c o nnec t io n a nd int el l ig enc e o f ever yt h ing in t h e mine Io T a r e pu t f o r w a r d, inc l u d ing t h e senso r equ ipment h a s h ig h po w er c o nsu mpt io n ,l o w st a bil it y a nd h ea vy ma int ena nc e w o r k l o a d, in t er c o nnec t io n st a nd a r d s a r e l a c k ing, su bsyst ems a r e r el a t ivel y c l o sed, a nd t h e a bil it y o f inf o r ma t io n int eg r a t io n syst em is l imit ed . Aiming a t t h e sma r t mine, t h e pa per su mma r izes t h e t ec h nic a l c h a r a c t er ist ic s o f u biqu it o u s per c ept io n, u biqu it o u s c o nnec t ivit y a nd u biqu it o u s int el l i g enc e o f t h e mine Io T. Th e nec essa r y u biqu it o u s c h a r a c t er ist ic s o f t h e mine Io T a r e a na l yzed ., su c h a s t h e nec essa r y el ement s a nd a bil it ies o f t h e per c ept io n, t h e nec essa r y st a nd a r d s a nd ser vic e o f t h e c o nnec t io n, t h e nec essa r y l evel o f int el l ig enc e a ppl ic a t io ns. Wit h t h e o ver a l l g o a l o f impr o ving t h e u biqu it o u s a bil it y o f t h e mine Io T a nd r ea l izing t h e int el l ig ent syst em o f mines, t h is pa per a na l yzes t h e c u r r ent sit u a t io n o f t h e k ey t ec h no l o g ies need ed t o r ea l ize l a r g e -sa mpl e per c ept io n, int er c o nnec t io n a nd int el l ig enc e a ppl ic a t io n. Th e r ea l iza t io n o f u - 收稿日期2020-04-15;责任编辑代艳玲 基金项目天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项目2019-TD-ZD007 作者简介王海波1975一，男，河南南阳人，高级工程师，现任天地常州自动化股份有限公司副总经理。E-ma ilw h bl s 163.c o m 127 2020年第7期媒尖科学技术第48卷 biqu it o u s sensing r equ ir es t h e c o mbina t io n o f u l t r al o w po w er senso r t ec h no l o g y, l o c a t io n ser vic e t ec h no l o g y a nd ener g y h a r vest t ec h no l o g y t o f o r m pa ssive, w ir el ess a nd c a l ibr a t io n f r ee sensing t er mina l s. Th e r ea l iza t io n o f u biqu it o u s c o nnec t io n sh o u l d be ba sed o n t h e w ir el ess t r a nsmissio n mo d e w h ic h c a n be c o mbined w it h l o c a t io n ser vic e, t h e st a nd a r d syst em sh o u l d be l a u nc h ed, a nd t h e int er c o nnec t io n o f D2D a nd ser vic e o f D4D sh o u l d be est a bl ish ed a nd ma int a ined . Th e r ea l iza t io n o f u biqu it o u s int el l ig enc e is t er mina l int el l ig enc e a nd r eg io na l in t el l ig enc e ba sed o n t h e l a r g e-sa mpl e a nd mu l t i -pa r a me t er s inf o r ma t io n f o r med by u biqu it o u s per c ept io n a nd u biqu it o u s c o nnec t io n. As a t ec h nic a l su ppo r t syst em, t h e in-d ept h a ppl ic a t io n o f t h e mine Io T t ec h no l o g y is r ef l ec t ed in va r io u s bu sinesses, a nd t h e a ppl ic a t io n r equ ir es t h e f r o nt -end int eg r a t io n o f ma t er ia l s, mic r o el ec t r o nic s, ma c h iner y ma nu f a c t u r ing, inf o r ma t io n a nd c o mmu nic a t io n a nd o t h er d isc ipl ines. Key words mine Int er net o f Th ing s; u biqu it o u s f ea t u r e; u biqu it o u s c a pa c it y ； mine d ig it a l c o nst r u c t io n ； int el l ig ent mine 0引 言 2020年3月，国家发展和改革委员会、国家能 源局等八部门联合印发的关于加快煤矿智能化发 展的指导意见进一步明确了煤矿智能化的重要意 义，并发布了煤矿智能化发展的目标和任务，指出 煤矿智能化是推动煤炭行业高质量发展,促进煤炭 产业转型升级的核心技术支撑⑴。王国法等⑵基 于数字矿山技术发展现状给出了智慧矿山概念及内 涵汶献［3-4］分别提出了智慧矿山评价指标体系 和煤矿智能化标准体系建设路径;庞义辉等⑴提出 了以“自主感知与控制-信息传输系统-操作平台- 井下系统平台-生产经营管控平台”为主线的智慧 煤矿建设主体架构;高文［句提出了基于大数据和云 计算的智慧矿山智能决策支持技术架构。从提出煤 矿智能化概念，到确定煤矿智能化目标和评价体系， 再到煤矿智能化主体架构和分层设计实践，煤矿信 息化、数字化被确定为智能化的基础和依托。从实 现可编程控制的单机自动化或单系统自动化，到实 现多系统的信息综合和初级联动的全矿井综合自动 化，到区域业务闭环和多系统融合,再到具备智能感 知、智能决策、自动执行能力的煤矿智能化,煤炭工 业对信息化、数字化程度的要求不断提升⑺。到矿 山智能化阶段，物联网技术在煤矿的深入应用将是 进一步提升煤矿数字化能力，建成煤矿智慧化体系 的重要基础条件张申等叶⑵分析了矿山物联网与综合自动化 系统的区别，分析了各层的关键技术和跨层的公共 技术;葛世荣［⑶较系统地描述了矿山物联网领域的 理论与应用。文献［14-16］总结了煤矿物联网研究 现状及发展趋势、顶层设计方法和“人-机-环”状态 感知关键技术;赵小虎等”］详细分析了人员感知、 环境感知、设备感知3个矿山物联网的感知系统。 笔者以煤矿安全监测监控系统为例,从工程应 用角度分析了国内煤矿信息化建设在传感技术与设 备、子系统建设、信息化集成等方面的现状和不足之 128 处,探讨了物联网技术深入应用面临的困难。以煤 矿智能化为目标，着重分析和归纳了矿山物联网泛 在感知、泛在连接和泛在智能的特征和要求,从感知 层、网络层和应用层分别提出了推进矿山物联网的 泛在能力建设所需的关键技术,提出了关键技术研 究、元部件设计、装备开发制造、煤矿应用和产业升 级发展的主要方向，以期为煤矿智能化发展提供技 术支撑。 1矿山物联网现状及存在的问题 随着电子与信息技术的进步和矿山安全绿色高 效要求的不断提升，矿山数字化得以迅速发展，但其 能力仍无法支撑智慧体系。以煤矿安全监测监控系 统为例,AQ 62012019（煤矿安全监测监控系统通 用技术要求代表了监控系统的最低要求和常规制 造商的技术能力。一方面,AQ 62012019标准对 监控系统的控制执行时间、抗干扰性能和传感器数 字化等方面进一步提高了要求，“多网、多系统融 合”的要求开始引导煤矿信息化子系统建设模式的 升级，以提升煤矿的安全保障能力。另一方面，由 AQ 62012019标准提出的系统和设备的性能要求 可见，煤矿井下环境安全的矿山感知能力受到传感、 供电、通信等基础技术的限制,具体表现在传感器 稳定性不低于15 d ,传感器供电距离不低于2 k m, 备用电源工作时间不小于4 h ,无线传感器蓄电池连 续工作时间不小于24 h ,到分站的传输距离不低于 2 k m,最大巡检周期不大于20 s。 井下环境检测传感器仍多采用传统的催化式、 电化学式传感元件,稳定性差,需要定期标校、维护 工作量大;传感器能耗大，需要稳定的供电电源，多 采用总线式传输方式，供电与传输电缆的铺设与后 期维护工作量大。因此，在监控系统设计和实施过 程中，感知设备的稳定性、能耗、供电与传输方式导 致子系统维护成本居高不下，煤矿用户运维的能力 无法承受更多的传感器部署，部署的测点多仅以满 足相关规程为最低标准，能够提供基本的环境安全 保障,但无法为灾害预测、预警等智能化决策提供充 王海波等矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设2020年第7期 足的数据。 煤矿监测类系统的厂商设计使用不同的传输方 式和私有的通信协议，不同厂商的设备之间无法直 连。因此，监控系统与其他厂商的人员定位、应急广 播等系统融合时，大多仅能采用与综合自动化相似 的地面融合方式。“烟筒式”的子系统建设方式导 致数据集成应用的实时性、稳定性降低，进一步限制 了融合信息的有效性和多系统联动的可靠性。 2018年华为技术有限公司发布的GIV 2025打 开智能世界产业版图中提出唤醒万物感知、升级 联接、点亮数据智能，将成为塑造智能世界的3股合 力。煤矿智能化的实现需要以对矿山“人-机-环” 的全面感知、深度感知、智能感知为基础，但以煤矿 安全监测监控系统的能力可见，目前矿山数字化能 力与“万物感知、万物连接、万物智能”的物联网体 系相距甚远，与智慧体系的要求相距甚远。 2矿山物联网泛在特征分析 参照GIV 2025打开智能世界产业版图的分 析,在煤炭工业的特定环境中，全面提升感知、联接 能力,人与人、人与物、物与物在数据构筑的智能环 境中进行交互，也将是实现煤矿智能化的前提。矿 山物联网技术深入应用的标志可概括为感知层、网 络层和应用层的泛在特征体现。矿山物联网的泛在 特征,是指对矿山“人-机-环”所有对象及关键部件 的身份标识和状态感知，是指“人-机-环”之间无处 不在的连接和交互，是指感知与交互数据的深度利 用，具体如下 1） 感知的泛在一方面，泛在感知应至少包含 身份（Wh o）、位置（Wh er e）、时间（Wh en）和状态 （Ho w）等4个“ W”元素,丢失了任意一个“ W”元素 的感知数据将无法与其他变量和因变量关联，甚至 丢失感知本身的意义;另一方面，泛在感知应具备 “大样本”特征，单一的感知数据来源甚至无法保证 单机自动化的稳定运行，更无法形成对煤矿全局的 数字描述。 2） 连接的泛在一方面，泛在连接是通信的连 接,是信息编码和通信协议的互认，物理层的信号匹 配、链路层的收发握手、应用层的数据包装和解析均 需要声明和标准化;另一方面,泛在连接是信息与通 信的服务。连接的背后是传输信道带宽、设备能耗 和微处理器RAM资源的压力，多数感知终端无法 承受多个并行的连接，需要网关、网络边缘甚至云端 的泛在连接服务。边缘计算、雾计算设备提供的泛 在连接服务不再仅是罗列的感知数据的中转，而是 经过滤、融合后的直接有效信息。 3）智能的泛在一方面，泛在智能是简单终端 设备对自身异常或故障的识别诊断能力;另一方面, 泛在智能是可运行复杂模型的边缘计算设备、雾计 算设备基于泛在感知和连接的自学习、自调节能力。 在具有泛在特征的矿山物联网体系中，一个独立感 知终端的监测数据或许存在较大偏差，部分感知终 端仅能提供一个连接端口，但多个应用业务均可从 体系中实时获得有效的信息。 3矿山物联网泛在能力建设 各煤矿建设与生产的掘进、采煤、运输、通风、排 水、供电等业务因矿井地质条件、开拓方式、采煤工 艺、生产规模、管理模式的不同而产生一定差异，不 同区域、环节所涉及的环境、人员、设备等管控对象 的特征不同。深入应用物联网技术，实现煤矿泛在 的感知和连接，进一步驱动应用的单元智能,再通过 云端的大数据和智能分析决策，有助于整体协同的 煤矿智慧体系的实现。 3.1泛在感知 针对矿山“人-机-环”所有感知对象,建设形成 大样本的全“W”元素的泛在感知需要位置服务、传 感、传输等多种关键技术的支撑。泛在感知的大样 本能力需要免标校的无源无线式感知终端的海量部 署，而传统传感设备电缆传输供电、定期标校，无法 大量使用，因此需要微功耗传感技术，无线传输技术 和自供电技术的集合。 传感技术可以直接检测或等效出感知对象的 “Ho w”，如CH4气体检测直接感知区域的爆炸性风 险，烟雾检测直接感知区域的燃烧,CO气体检测可 等效感知区域的燃烧，振动可等效感知机械部件的 损伤。煤矿井下在用的传感设备，尤其是气体传感 多采用传统的传感元件,难以大量使用,例如催化 式甲烷传感元件、电化学式的CO传感元件均存在 稳定性差问题，需要人工定期标校;山东省科学院激 光研究所、武汉六九传感科技有限公司等推出的新 式激光甲烷传感元件稳定性有一定改善,但功耗高、 成本高，仍难以大量使用。基于MEMS （ Mic r o - El ec t r o - Mec h a nic a l Syst em）的微功耗传感技术发展 迅速，形成的传感元件体积小、功耗低，易于集成和 实现智能化。在环境气体检测方面美国SPEC Senso r s公司推出了多种面向物联网的微功耗气体 传感元件（图l a），其中968-036型IS传感元件和 968-028型CO传感元件的平均功耗1 mW（采样周 期60s）；英国GSS公司的CO传感元件（图l b）的 129 2020年第7期媒農科学技术第48卷 平均功耗3-5 mW采样周期0.5 s ；美国Ga s Cl ip公 司推出了一系列的便携式环境气体检测仪，其中MGC- S-PLUS型4参数检测仪能连续使用3年，无需充电、 无需标校;国内，丁恩杰等冋进行了微纳甲烷传感技术 的研究;沈国杰［闵通过脉冲供电的方式在保证灵敏度 般定性的M下4 步飙 MEMS低功枠化甲烷 传感器的功耗。市场中针对温度、振动、压力、流量等 常规物理特征的MEMS元件已在工业、汽车、消费 电子等行业中大量应用，有利于矿山设备状态感知 的技术实现;针对空气质量的MEMS气体传感元件 产品种类较多，但适用于煤矿的超低功耗、免标校的 环境气体传感技术和国产化元件仍需持续研究 开发。 a SPEC产品 b GSS产品 图1微功耗气体传感元件 Fig .l Lo w ener g y c o nsu mpt io n g a s senso r 煤矿人员定位等传统的煤矿动目标监测子系统 仅提供人员、车辆的定位跟踪，并广泛使用基于 RFID的区域定位技术、基于To FTime o f Fl ig h t 方 法及无线 CSS Ch ir p Spr ea d Spec t r u m或 UWB Ul t r a Wid e Ba nd 的精确定位技术〔断如；其他信息 系统的设备位置管理多通过人工编录的方式实现。 矿山物联网需要每个感知对象的“Wh er e”元素，需 要在矿井中建立类似于GPS Gl o ba l Po sit io ning Syst em 的支撑体系,直接向感知体系提供感知对 象的位置信息。CSS或UWB的电路单元功耗较高, 难以满足终端的低功耗要求。Bl u et o o t h SIG蓝牙 技术联盟在2019年发布的Bl u et o o t h 5.1中推出了 Ao A/Ao D Ang l e o f Ar r iva l / Ang l e o f Depa r t u r e两种 测向功能,可以在保持低能耗传输特征的同时,实现 厘米级精度的精确定位。BLE Bu l et o o t h Lo w Ener g y的测向方法如图2所示。 微弱环境能量的捕获技术概念的提出也已有 10余年历史，但长期受到用电系统较高运行功率的 限制。近年来，微功耗的传感技术、无线传输技术的 出现使得微能量捕获技术迅速发展，按压发电模块、 压电片、光伏电池开始在智能家居、工业控制中应 用。文献［22-24］研究了微型的振动能量收集器、 热电能量收集器，自供电系统如图3所示。 接收方BLE基站 发送方BLE标签 a 到达角测量 发送方BLE基站 接收方BLE标签 b发射角测量 图2 BLE的测向方法 Fig . 2 Dir ec t io n f ind ing met h o d s o f BLE 图3自供电系统 Fig 3 Sel f -po w er ed syst em 在煤矿井下环境中的低速风能、照明微光能、振 动能量、热能也可转换为感知终端的供电电源，实现 低功耗终端的自供电，可进一步提升矿山感知的泛 在能力。冯凯等血］通过井下热电能量收集装置的 研究，显著提升了设备电池供电时间。在煤矿实际 应用中一方面,用电和发电实现整体平衡时才能实 现真正的自供电,需要针对不同的环境能量,收集元 件进行特征和特性的测量分析;另一方面，爆炸性气 体环境下的发电和用电部件中的电能均需要安全防 护，隔爆、浇封等方式可以增强安全性能，但会阻隔 130 王海波等矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设2020年第7期 环境能量的传导,而本质安全的电气设计方式自身 可造成收集能量的消耗。在煤矿井下，环境变化、设 备磨损的表征信号多数是缓变的，允许感知终端通 过间歇工作的方式进行采集和传输,能够进一步降 低能量的损耗和传输的压力。 3.2泛在连接 矿山泛在连接能力的形成需要物联网标准的规 范化,需要多种通信技术的融合,更需要通信与信息 的服务。 在连接标准方面,物联网涉及的标准组织十分 复杂，既有国际、区域和国家标准组织，也有行业协 会和联盟组织国外标准组织开展了电子标签、机器 类通信、传感网、物联网、泛在网等物联网相关标准 研究制定工作;国内的物联网标准发展迅速,物联 网标准化工作指南物联网术语和物联网参考 体系结构等3项标准已发布，具有我国自主知识 产权的物联网标识体系已在农业、林业、交通、卫生、 医疗、公安等物联网应用领域进行应用。矿山物联 网尚未能够作为一个应用体系真正列入国家标准建 设规划，但是一些相关单位已经开始了矿山物联网 标准的研制工作并取得一定进展,例如中国矿业大 学物联网感知矿山研究中心提出了矿山物联网 的标准体系架构，并提出了 10余项信息交互方向的 标准征求意见稿。 在矿井通信方面，以高速工业以太网为主干,以 高速无线局域网、低速无线传感网和现场总线为延 伸的技术方案已经基本成熟［如。高速无线传输技 术中，可承载通话、高清视频的4G、WiFi已经广泛 应用,新一代的5G、WiFi6［勿也已进入矿用化阶段; 在用的末端现场总线和无线传感网呈现技术多样 性。适用于低功耗感知终端的无线传感网络技术 中，Lo Ra 0］、Zig Bee、Wa veMesh、Bl u et o o t h 等技术已 广泛使用,技术各有优劣，但各网络节点容量、吞吐 量、实时性等仍难以满足物联网泛在连接的需求。 跟随高带宽、低时延的5G技术,大连接、低功耗的 5G技术完成后,或将解决煤矿井下的泛在连接技术 难题。 泛在连接的实现,一方面需要一种适应低功耗 感知终端泛在连接的无线通信技术，即D2D Devic e t o Devic e的连接，另一方面需要建立一种为不同连 接链路方式提供互联的信息服务，即D4D Devic e f o r Devic e的连接。为建立和实现泛在连接，笔者 所在的团队正在以0IDObjec t Id ent if ier 编码和一- 种资源受限的应用协议Co AP Co nst r a ined Appl ic a t io n Pr o t o c o l口刃为基础，开展矿山物联网编 码和交互协议的规范化工作;正在开展低功耗、低时 延、高带宽的无线通信技术研究，建立可同时支撑位 置服务和D2D连接的无线通信网络;正在研制网关 设备，实现高速以太网、高速无线网、低速无线网和 现场总线的融合,并承载D4D连接服务。 3.3泛在智能 矿山泛在智能能力的形成需要分布式感知节点 智能、网络边缘智能、区域智能和矿山总体智能的结 合,需要泛在感知与泛在连接的支撑,并以单机装备 甚至成套系统的方式充分体现在煤矿采、掘、机、运、 通等各环节的实际应用中。 感知终端智能化的实现,需要建立自身的参照 元素，或者借助泛在感知与连接获得参照元素，完成 外部的干扰和自身累积误差的过滤和消除，实现自 身的故障识别和诊断，向外提供有效的“W”元素。 例如,矿用气体传感器的传感原理导致气体检测精 度受环境干扰,需要环境参数的补偿,笔者所在团队 开发的无线式激光甲烷传感器通过温度和压力补偿 提高了甲烷检测的精度和灵敏度迦］。在物联网体 系中一方面，基于MEMS的传感元件的尺寸、功 耗、成本进一步降低，感知终端集成多种参照元素的 成本越来越低;另一方面，感知终端可借助泛在连 接，主动从其他终端获取所需的参照元素、并按照 “ Wh er e”和“ Wh en”进行筛选和利用,提高泛在感知 数据的价值。针对矿工无法实时掌握作业环境安全 状况和自身健康状况的问题，笔者所在团队正在研 制能够感知矿工生命特征和周边环境状况,具备定 位跟踪、无线交互、边缘计算能力和自供电能力的矿 用智能穿戴装备，增强矿工的安全保护能力和单兵 作业能力。 边缘智能和区域智能的实现，需要借助边缘计 算、雾计算技术，将网络边缘区域或整个作业单元区 域中的大样本、多参量感知信息进行有机融合，例如 为实现煤矿主要带式输送机的经济运行、无人值守, 笔者所在团队设计了信息支撑系统⑶］。在物联网 体系中，边缘智能和区域智能将形成可实时描述空 间位置、空间对象、空间状态的数字场，为“人-机- 环-管”提供直接、有效的信息，也可在空间云端形 成直观的数字云图，以此实现煤流线协同经济运行 控制的成本和技术难度进一步降低。通过自供电的 无线式传感器,与电动机、减速机、滚筒、托辐等部件 的制造和使用紧密结合，加强对机电部件的温度、震 动、压力等参量的感知，实现机电部件健康状况的诊 断，将进一步提升主运输系统设备自诊断能力和系 统无故障运行时间。 131 2020年第7期媒尖科学技术第48卷 与互联网和工业互联网相比，物联网技术延展 深入到云（Cl o u d ）、管（Ch a nel ）、边（Ed g e ）、端 （Devic e）等不同层面的装备中，需要化学材料（传感 技术）、微电子（MEMS工艺）、信息技术（编码与交 互）等多种学科的支撑，需要电子、机械等不同产业 的设计与加工工艺的前端整合。以此，数据的高效 利用得以向前延伸，泛在的智能得以实现。 4结 论 1） 分析了影响矿山数字化建设程度的因素及 存在的问题,包括瓦斯传感器等设备的标准化身份 编码的缺失、传感器采集的瓦斯浓度等监测参数的 标准化信息编码的缺失、监测信息读取或控制信息 写入等互操作的规范化协议的缺失、传感与传输技 术的滞后、子系统的“烟筒式”建设方法。分析认 为当前的矿山数字化能力与“万物感知、万物连 接、万物智能”的物联网体系相距甚远,与支撑煤矿 智慧化体系的要求相距甚远。 2） 总结了矿山物联网的泛在特征，认为感知 泛在的特征是指感知层对矿山“人-机-环”所有对 象乃至关键部件的身份标识和位置标识，是对感知 对象状态的多参量、大样本监测。网络层连接泛在 的特征是指“人-机-环”之间无处不在的通信连接 和信息服务。应用层智能泛在的特征是指应用层对 感知与交互数据的深度利用。 3） 提出了矿山物联网的泛在能力建设的路径, 认为矿山物联网泛在感知、泛在连接和泛在智能的 实现需要矿山物联网标准规范的制定和推行，需要 进一步研究微功耗传感技术、低功耗无线传输技术、 煤矿环境微能量捕获技术、边缘计算技术等关键技 术，需要材料、微电子、通信、信息、计算机多种学科 的联合,需要煤矿设计、矿用电子与电气装备制造、 矿用机械多种产业的前端整合。 参考文献（References） [1] 王国法，刘 峰,庞义辉，等.煤矿智能化煤炭工业高质量发 展的核心技术支撑[J].煤炭学报,2019,44（2） 349-357. 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