感知矿山物联网与煤炭行业物联网规划建设.pdf

第 1 期 2011 年 1 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No. 1 Jan. 2011 专题讲座 文章编号 1671- 251X 2011 01- 0105- 04 物联网与感知矿山专题讲座之四 感知矿山物联网与煤炭行业物联网规划建设 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 指出感知矿山物联网 M2M 平台应为应用层服务提供开放的接口, 适应完善安全避险“六大系 统“、 领导带班下井、 煤矿灾害监测的需求; 给出了煤炭行业物联网的四层结构, 指出感知矿山物联网建设是 整个煤炭行业物联网建设的重点, 其它层次以煤矿安全管理和资源管理为主, 并分析了矿业集团级、 省级、 国 家级煤炭行业物联网的应用方式; 提出了煤炭行业物联网建设需要注意的问题。 关键词 物联网; 感知矿山; M2M 平台; 安全避险; 六大系统 中图分类号 TD655 文献标识码A Part IV of Lecture of Internet of Things and Sensor Mine Plan and Construction of Internet of T hings of Sensor Mine and Coal Enterprise 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 pointed out that M2M plat of Internet of things of sensor mine should provide open interfaces for services of application layer and suit to requirements of perfecting “six systems“ for safe act of rescue, leaders going into mine and disaster monitoring of coal mine. It gave fourlayer structure of Internet of things of coal enterprise, pointed out that construction of Internet of things of sensor mine is a key of construction of Internet of things of whole coal enterprise and main functions of the other layers should be safety and resource management of coal mine, and analyzed application modes of Internet of things of coal enterprise of mining group, province and the state. At last, it proposed problems which need paying attention to in construction of Internet of things of sensor mine. Key words Internet of things, sensor mine, M2M plat, safe act of rescue, six systems 收稿日期 2010- 12- 16 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 在 物联网与感知矿山专题讲座之三 论感知 矿山物联网的特征与关键技术中指出, 第三方应该 可以方便地在感知矿山物联网应用平台上开发新的 应用服务, 以适应煤矿企业不断变化的需求[ 1]。本 文仅举几个例子来说明感知矿山物联网应用的这种 需求; 然后给出煤矿行业物联网的四层基本架构, 并 简要分析各层的应用; 最后说明煤矿行业物联网建 设中需要注意的一些问题。 1 感知矿山物联网 M2M 平台 物联网的一个重要内容是其 M2M 应用平 台[ 2], 它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, 并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。M2M 平台的核心在 于能为服务商或第三方提供方便的接入服务, 这也 是感知矿山物联网区别于综合自动化的关键点 之一。 这种变化的应用需求随时可能产生。 1. 1 完善安全避险 六大系统的需求 国家安全生产监督管理总局明确要求煤矿在 2013 年 6 月底前完成安全避险 六大系统 即监测 监控系统、 人员定位系统、 紧急避险系统、 压风自救 系统、 供水施救系统和通信联络系统 的建设[ 3], 要 求根据井下采掘系统的变化情况及时补充完善安全 避险 六大系统; 加强培训, 确保入井人员熟悉各种 灾害情况的避灾路线, 并能正确使用安全避险设施。 配备 六大系统后, 这 六大系统是否能够正 常工作, 特别是在灾后能否继续可靠工作, 对于指导 井下人员避险是十分重要的。采用物联网技术, 可 实现与矿工的双向信息传输, 将 六大系统的工作 状况实时反映给矿山管理部门和每个矿工。感知层 网络的灾后重构问题也是需要研究的问题, 研究如 何在灾后监测到 六大系统的状况, 并将正确避灾 路线及时通知到井下每个人, 这就需要感知矿山物 联网的感知层与应用平台是完全开放的, 适合 六大 系统 服务商将其服务提供到网络上, 以供矿山 使用。 1. 2 领导带班下井的需求 2010 年 7 月 19 日, 国务院发布了∀关于进一步 加强企业安全生产工作的通知, 其中明确规定煤 矿、 非煤矿山带班的主体是矿领导 [ 4] 。 矿领导带班 下井制度就是为了促使煤矿及其领导真正重视安 全生产、 切实落实各种安全生产措施。国家煤监局 局长赵铁锤表示 只要煤矿领导坚持带班下井, 相当 一部分事故是完全可以避免的。特别是当煤矿发生 严重险情时, 带班领导在采取立即停产、 排除隐患、 组织撤人等紧急处置措施方面发挥着不可替代的重 要作用。然而, 矿领导的指挥能力在很大程度上依 赖于其对情况的全面了解和快捷便利的通信指挥手 段。为了使矿领导能够在井下充分发挥出指挥能 力, 需要为其提供与地面类似的指挥条件, 如通信、 监测监控、 事故情况、 影响范围、 辅助决策手段等。 如何实现这种新的需求需要众多的科技工作者 进行深入研究和开发, 同时也需要感知矿山物联网 能方便地为他们提供服务开发的应用平台。 1. 3 煤矿灾害监测的需求 煤矿井下灾害危险源分散且随开采活动而变 化, 现有的声发射监测系统、 冲击地压监测系统、 电 磁幅射监测系统等基本上采用集中式监测、 有线传 输的方式, 功能单一。而研究表明, 利用基于煤矿煤 岩结构变形失稳的多参量前兆信息特征参数的相互 耦合关系, 建立统一的冲击地压多参量分级预测准 则及技术体系, 形成基于微震、 电磁辐射系统的多参 量前兆信息识别与预测技术是目前较好的矿山灾害 监测方法。而上述监测系统分别是由不同厂商生产 的, 难于实现多参数的监测。利用物联网分布式感 知技术, 可同时实现微震监测系统、 电磁辐射监测系 统、 声发射系统, 实时感知煤岩动力灾害孕育、 演化 和诱发过程中的异常特征和前兆信息, 并进行各种 信息的融合分析, 实现煤岩动力灾害危险性多特征 信息的实时感知。 2 煤炭行业物联网应用 煤炭行业物联网应用分为 4 个层次, 如图 1 所 示, 每个层次的职能和要实现的目标各不相同。对 于地方煤矿, 有的矿业集团级物联网层由县 市 煤 炭行业物联网来承担。 图 1 煤炭行业物联网四级层次 显然, 图 1 中的感知矿山物联网层是各个矿山 地面和井下的物联网, 是整个煤炭行业物联网建设 的重点和难点, 也是最能体现煤炭行业物联网特征 的内容。 物联网与感知矿山专题讲座之一、 二、 三 中已经阐述了感知矿山物联网的架构、 核心内容和 特征, 这里就不再赘述。 2. 1 矿业集团物联网应用 2. 1. 1 矿业集团自有网络组网格局 矿业集团物联网应用基本以网络化监测和管理 为主。兖矿集团、 淮北矿业集团、 神华集团、 山西潞 安矿业集团等均已实现将煤矿综合自动化系统的信 息上传到集团公司。 集团公司总调度室通过直观、 生动的组态图和 表的形式查看各单位及汇总安全生产监测信息、 工 况信息以及告警、 故障信息。系统监测信息采用 Web 发布, 供用户通过浏览器访问, 同时将实时数 据存储至历史数据库中供通防数据分析系统及其它 专家系统调用。 集团公司领导及专业部室可直接通过桌面计算 机终端查询生产经营、 环境安全监测等文本信息和 图像信息, 将生产现场的安全监测信息和束管监测 ∃106∃工矿自动化2011 年 1 月 数据进行采集处理。例如兖矿集团通过 RPR 监控 数据网络, 将煤业公司所属南屯矿、 兴隆庄矿、 鲍店 矿、 北宿矿、 济二矿、 东滩矿、 济三矿、 杨村矿等 8 个 煤矿共 3 004 个测点的数据上传。 2. 1. 2 租用运营商网络组网格局 随着煤矿资源的重新整合, 加上各集团在外地 并购资源, 建设新的矿井, 同时也有许多矿业集团矿 山分布比较分散, 因此, 矿业集团自己布专网的方式 并不适用, 宜采取从运营商租用线路或信道的方式。 淮北矿业集团、 徐矿集团、 肥城矿业集团、 山西 潞安矿业集团、 神华集团等均采用租用线路的方式, 而且可以预料, 随着全国煤矿资源的不断整合, 各矿 业集团在外地开矿越来越普遍, 租用线路将是必然 的发展趋势。 2. 1. 3 需要增加矿业集团物联网应用范围 目前, 矿业集团物联网主要是将各矿瓦斯监测 信息和部分综合自动化系统的信息联接到集团, 实 现对矿井运行情况的监控。大部分集团已实现了人 事、 财务、 医保、 煤炭营销、 设备租凭管理等网络化管 理和办公自动化, 但仍需要从集团战略发展出发, 使 物联网充分运行在资源整合与分配、 全局科技发展 及人员培训等与全局相关的层面上, 同时对各个矿 山的运行、 安全、 环保、 产量等各个层面进行监督和 管理。 2. 2 省级煤炭行业物联网应用 目前, 省级物联网主要是出于安全监管的目的 而建设, 其功能以瓦斯信息上传至煤矿安全监察机 构为主。 2. 2. 1 省级物联网主要功能 2005 年国 家安全 监督 管理总 局 37 号 文、 2008 年安监总煤装 41 号文等文件均要求煤矿安全 监控必须实现联网, 未联网的应责令停产整顿。 这样各省已建或在建的省级煤炭信息联网, 其 内容几乎无一例外均是以煤矿安全管理为重点的。 例如山西省 2003 年 6 月开始建设省级煤矿瓦斯监 测监控网络系统, 工程建设包括全省高瓦斯和按高 瓦斯管理矿井的瓦斯监测监控系统, 以及各级煤炭 安全管理部门的网络平台建设和软件开发, 建成集 数据、 语音、 视频于一体的多功能综合信息网络, 覆 盖了省煤炭工业局、 10 大煤炭集团公司及子公司, 11 个市、 66个县和 10 个煤矿安全监察分局。 2. 2. 2 近期可能的发展 过去省级联网基本是将各矿业集团的瓦斯监测 信息上传至省里, 但随着国家安全监督管理总局发 布安全避险 六大系统安装使用和监督规定, 预计 井下人员定位系统的信息也将很快被要求上传到省 里。另外, 随着 2010 年 11 月 15 日 煤矿领导带班 下井及安全监督检查规定的执行, 领导下井排班的 信息也将会被要求上传到省里。结合人员定位系 统, 省级安全监察机构里将可直接监督领导下井 情况。 2. 2. 3 需要增加省级物联网的功能 目前, 煤炭行业省级联网主要以实现煤矿安全 监督管理为主, 是按照各种文件的要求被动进行的。 如何发挥省级煤炭行业物联网在省内煤矿资源的管 理、 安全监管和环保监管等方面的积极主动作用, 真 正发挥煤炭行业物联网的作用, 实现绿色、 安全、 环 保、 可持续发展的目标是非常值得关注的课题。 2. 3 国家级煤炭行业物联网应用 目前, 除煤安管理外, 基本上没有形成国家级煤 炭行业物联网, 需要利用物联网技术加强国家对煤 炭资源进行统筹管理和战略性规划。煤炭是一次性 能源, 又是碳排放的主要因素, 从国家层面规划低碳 经济, 监测和管理碳排放是非常必要的。国家级煤 炭行业物联网同时也能对全国煤矿进行安全监督。 利用物联网技术实现对全国煤安产品的监督管 理是一个很好的设想。目前, 煤安管理部门正在酝 酿利用 RFID 技术实现煤安设备从生产、 运输、 使用 直至报废全过程的监控管理。应该说这是煤炭行业 物联网的一个很好的典型应用。这就更需要健全 图 1 所示的四级层次结构的煤炭行业物联网, 同时 将各煤安设备制造企业也纳入到网络中来。 3 煤炭行业物联网建设需注意的问题 3. 1 充分认识和理解感知矿山物联网 煤炭行业应充分认识到感知矿山物联网建设目 的是将煤矿生产成本控制与管理、 物料控制与管理、 设备监控与管理、 生产调度与生产数据统计分析等 技术应用于煤矿经营与生产管理过程, 通过 MES 承上启下作用和计算机网络与数据库支撑系统将 PCS、 MES、 ERP 和企业网服务系统集成, 实现企业 的信息流、 物流、 价值流优化集成, 实现煤矿的优化 控制、 优化运行和优化管理, 提高企业的运行效率和 竞争力, 而不是仅仅为了实现煤矿生产设备的监测 与控制。 因此, 煤炭行业各级领导和各级管理部门、 各级 技术人员要积极参与到感知矿山物联网系统的研究 与学习中来, 从煤矿生产、 安全、 管理和运营的各个 ∃107∃2011 年第 1 期张申等 专题讲座之四 感知矿山物联网与煤炭行业物联网规划建设 方面来理解感知矿山物联网的作用, 提出本矿对物联 网系统的实际要求, 探讨在物联网模式下煤矿运行的 具体模式, 以便尽快适应物联网矿山运行的要求。 3. 2 统一规划设计, 逐步实施 感知矿山物联网模型最主要的特点是可以根据 矿山规模、 现代化水平、 开采方式等进行灵活的调 整, 以适应各种不同类型矿山的需要。因此, 它也适 用于对已投产的矿井进行物联网改造, 其模型适用 于统一规划设计, 逐步实施。要重视网络平台、 数据 平台和应用平台的建设, 进行主要子系统建设或接 入; 对于系统中各子系统接入方式, 采用招承包商方 式, 由承包商来协调各子系统厂商的接入方式问题。 3. 3 运行与管理 已投产煤矿通常己经有一套固定的运行方式和 管理模式, 这些运行方式和管理模式中并未考虑到 物联网的运作方式。而感知矿山物联网系统的实施 将打破煤矿现有的运行与管理方式, 从组织机构到 具体操作模式均会有较大的变化。各个独立子系统 的操作原来由各个区队在各个不同的地点实现, 如 皮带的操作由皮带队负责, 水泵的运行由机电队负 责等。实现感知矿山后, 这些子系统基本上都集中 到监控中心来操作。如何管理这些原属于各个区队 的职能与工作, 是成立相对独立的综合自动化科室 还是简单的集中各个区队的人员, 这些都需要提前 做好准备, 对新的运行方式进行论证和讨论。 随着感知矿山物联网系统的建立运行, 各个管 理部门的职能和工作也将发生相应的变化, 同样需 要提前做好相应的运行准备工作。 3. 4 物联网人才 物联网综合利用了信息技术、 网络技术、 计算机 技术、 控制技术, 又与煤矿生产过程、 管理模式、 运营 方式等紧密结合。应该说煤矿这几年通过人才建设 与积累, 拥有了一些上述各方面的人才, 但这些人才 相对知识较为单一, 综合上述几方面知识的人才还 是严重不足。为避免感知矿山物联网建立后无人维 护与管理, 迟迟不能发挥效率, 在引进人才困难的情 况下, 应通过学习和培训逐步积累综合性人才, 以适 应感知矿山物联网的要求。 3. 5 技术准备 感知矿山物联网是一个系统工程, 其中感知层 与控制层所连接的底层子系统是关键, 需要提前做 好技术上的准备。为此, 需要进行各种子系统的自 动化集成的准备工作, 如各种供电系统均应具备微 机综保装置, 皮带控制系统具备联网接口, 其它泵房 系统等也均用 PLC 进行控制, 以有效避免系统改造 的重复投资和设备浪费。 3. 6 重视标准建设 感知矿山物联网应该是一个开放式应用体系, 可为任意服务提供商及第三方提供标准化的应用服 务供给, 给用户提供方便的服务添加与服务删除, 为 设备供应商提供方便的接口。因此, 加强矿山物联 网关键技术协议与规范、 统一应用平台与中间件等 标准是重要的。 3. 7 重建设更要重应用 物联网是典型的以应用为驱动而迅速发展的, 只有应用才能体现其价值。要避免重建设, 轻应用, 为面子、 迫于政策而建设的情况, 使感知矿山物联网 动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过 程, 实现高效、 安全、 绿色开采的目标, 保证矿山经济 可持续增长。 4 结语 感知矿山物联网 M2M 平台应是一个开放式平 台, 第三方应该能方便地在该平台上开发新的应用 服务, 以适应煤矿企业不断变化的新需求。在煤矿 行业物联网的四层结构中, 感知矿山物联网建设是 重点和难点。各矿业集团、 省级及国家级监管机构 应特别重视对感知矿山物联网的建设, 以建立高效 的煤矿行业物联网。 参考文献 [ 1] 中国矿业大学物联网 感知矿山 研究中心. 感知矿山 物联网总体规划方案. 2010. [ 2] Andr Zimmermann,IngeGronbaek.Machine to Machine Communication[ EB/OL] . [ 2010- 12- 15] . http // www. eurescom. eu/ Public/Projects/. [ 3] 国家安全监管总局 国家煤矿安监局 关于建设完善煤 矿井下安全避险 六大系统的通知安监总煤装[2010] 146 号[ EB/ OL ]. [ 2010- 12- 16]. http / /wenku. baidu. com/view/ 13ee9fc2d5bbfd0a7956732c. html. [ 4] 国家安全生产监督管理总局. 金属非金属地下矿山企 业领导带班下井及监督检查暂行规定[ S]. 2010. 编者按 物联网与感知矿山专题讲座至此结 束。整个讲座详细介绍和分析了物联网基本概念及 典型应用, 感知矿山与数字矿山、 矿山综合自动化, 感 知矿山物联网的特征与关键技术, 感知矿山物联网与 煤炭行业物联网规划建设, 对建立感知矿山物联网, 提高煤炭行业安全生产、 监管水平具有一定的指导 意义。 ∃108∃工矿自动化2011 年 1 月