感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化.doc

物联网与感知矿山专题讲座之二 感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化 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 摘要论述了感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化的关系,指出感知矿山是数字矿山、矿山综合自动化等概念的升华;在数字矿山三层模型的基础上,给出了感知矿山模型;明确提出感知矿山的核心问题是 三个感知,即感知矿山灾害征兆,实现各种灾害事故的预警预报;感知矿工周围安全环境,实现主动式安全保障;感知矿山设备工作健康状况,实现预知维修。感知矿山系统建设的关键是感知层网络建设,建设目标是减灾保安全。 关键词物联网;数字矿山;综合自动化;感知矿山模型;感知灾害征兆;感知环境;感知设备健康状况 收稿日期2010-10-10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。E0 引言 物联网概念是以互联网为骨干,将其用户端延伸扩展到任何物品上,建立起人与人、人与物、物与物之间的内在联系,进行信息交换、通信、控制和管理决策的一种概念。其定义通过各种信息手段,按约定的协议,将把任何物品与互联网相连接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概念[1]。随着物联网概念及知识的逐步普及,相应地出现了 感知中国sensorChina、 感知城市sensorcity、 感知矿山sensormine等一系列物联网应用的概念。然而,什么是感知中国,什么是感知城市,什么是 感知矿山,这些概念并不很明确。本文试图从物联网的定义、数字矿山及矿山综合自动化的定义等出发,探讨感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化的联系与区别。 1感知矿山基本概念与特征 1.1感知矿山的基本概念作为物联网应用的一个重要领域, 感知矿山是通过各种感知手段,实现对真实矿山整体及相关现象的可视化、数字化及智能化,即将矿山地理、地质、矿山建设、矿山生产、安全管理、产品加工与运销、矿山生态等综合信息全面数字化,将感知技术、传输技术、智能技术、信息技术、现代控制技术、现代信息管理技术等与现代采矿及矿物加工技术紧密相结合,构成矿山人与人、人与物、物与物相联的网络,动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程,以高效、安全、绿色开采为目标,保证矿山经济的可持续增长,保证矿山自然环境的生态稳定。 1.2感知矿山的特征及与数字矿山的关系我国矿山近些年提出过许多关于矿山整体描述的概念,如数字矿山、矿山综合自动化、信息化矿山、智能矿山等,现在又提出感知矿山物联网或称感知矿山,它们之间关系如何呢 我国比较早地提出数字矿山概念的是吴立新教授,后经不断的论述补充,逐步形成了较为完整的数字矿山的概念,即数字矿山是对真实矿山整体及相关现象的统一认识与数字化再现,即将矿山生产、安全、矿山地理、地质、矿山建设等综合信息全面数字化,其目的是为了利用信息技术及现代控制理论与自动化技术去动态详尽地描述与控制矿山安全生产与运营的全过程,以高效、安全、绿色开采为目标,保证矿山经济的可持续增长,保证矿山自然环境的生态稳定。 实际上这个概念和信息化矿山、矿山综合自动化等概念已经趋于一致。而感知矿山是在综合了这些概念的基础上,更加具体、全面、动态、详尽地描述真实矿山。感知矿山概念是数字矿山、矿山综合自动化等概念的升华。 比如说,在论述数字矿山时,要花很多的精力去解释数字矿山与地理信息系统的异同,数字矿山要将矿山生产过程、矿山安全信息集成在内。例如,吴立新教授举了智能交通的例子来阐明数字矿山的内涵,就是在做这些解释工作;而在实施矿山综合自动化时,又要花许多时间去解释综合自动化要有统一的网络平台和数据平台,地理信息系统也是综合自动化中的一个重要平台,还要解释网络化控制是一种分布式控制等。 而在物联网矿山的概念下,这些都不需要去作任何解释了。这是由于物联网本身就是基于统一网络的应用;物联网本身就是要在GIS和GPS下实现定位的应用;物联网本身就是控制与网络一体化的应用;物联网本身就是分布式应用;物联网本身就是要对各种目标包括移动目标进行感知等。此外,物联网还明确提出了物与物相联的概念,而在以前的数字矿山等诸多概念中,基本是以人与人、人与物相联的概念为主。因此,以前在综合自动化矿山建设中对移动物体的监控相对较弱。而移动生产过程的监控正是矿山流动作业的特点,要实现矿山物与物相联,需要更大范围的无线自组网的能力,需要基于网络的分布式感知能力。 2感知矿山应用模型基于应用目的提出感知矿山模型,以便将物联网的概念及其作用尽早落实到矿山建设与生产中去。鉴于上述原因,感知矿山的模型势必与数字矿山、矿山综合自动化的模型有很紧密的联系。这是由于数字矿山及矿山综合自动化模型在我国煤矿企业已经有众多的实际应用,从目前来说,感知矿山物联网的建设应该建立在这些已有工作的基础上,充分借鉴已有的经验和系统,而不是全盘推翻,另搞一套。感知矿山应用模型如图1所示。 1感知与控制层感知与控制层由2层网络组成,即骨干传输网络和感知层网络。骨干传输网络通常由千兆工业以太网构成,感知层网络是无线覆盖网络,如WSN、WiFi、Zigbee等。地面广泛应用的感知层网络,如无线3G网络、GPRS等还不能在井下使用。感知与控制层主要实现矿山生产与安全过程中各种传感与控制信息的采集与施用。各生产安全子系统在该层以相对集中方式或全分布方式接入物联网。要构成物与物相联,具有自主网功能的无线网络如无线传感器网络在这一层起着不可或缺的作用。与综合自动化系统相比,感知矿山在感知层更多的是分布式感知与控制,而综合自动化系统更多的是如何将子系统接入骨干网。 2信息集成与MES层信息集成与MESManufacturingcutionSystem层通过千兆工业以太网骨干将信息集成到控制中心进行各种信息处理,如信息融合、信息挖掘等;同时实现MES功能,即图1中用于安全生产监控的终端,它们实现对煤矿安全生产中各个子系统的监测与控制功能。因此,该层也有应用,属于低层应用。同时该层还提供信息对外发布等。 3管理决策与应用层在管理决策与应用层,矿山各个职能部分通过企业Intranet网络可实现更高层次的应用,如矿山安全生产评价与监管、煤矿灾害预警与防治、煤矿供应链管理、大型设备故障诊断、矿山资源环境控制及评价以及地理信息系统等。图1所示模型是感知矿山的一个开放性模型,适用于各种不同类型的矿井,并且基于统一设计、分步实施、逐步完善的原则。感知矿山理所当然是三网合一的系统,除接入各种监测监控系统外,将有线IP电话、无线移动电话、人员定位系统、数字视频系统都接入网络。与基于千兆工业以太网的综合自动化系统相比,感知矿山主要是突出其物与物相联的特征、移动视频及管理层应用。 3感知层网络技术前面说过,矿山流动作业的特点需要实现物与物相联,这需要更大范围的无线自组网能力,需要基于网络的分布式感知能力。因此,感知层是感知矿山的关键。感知矿山的感知层包括数据采集与传输2个子层。数据采集子层主要用于采集煤矿生产过程中发生的物理事件和数据,包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、通信设备等技术。数据采集由网络化传感器、控制器、执行器及无线传感器网络等组成,用于采集煤矿生产过程中发生的事件和数据,包括各类物理量、标识、音频、视频数据。这些传感器、控制器等均可采用无线或有线传输方式,视具体需要配置。 传输子层主要实现传感器、RFID及通信设备所获得数据的传输,它包括2种方式一种是矿山有线通信方式,另一种是矿山复杂环境下无线通信方式。有线、无线网关作为感知层的传输子层,实现矿山复杂环境下无线通信技术传感器、RFID及通信设备所获得数据的传输。无线覆盖区域视具体情况和要求而定,理想情况是实现矿井全覆盖。 传感器节点是感知矿山底层的设备,它负责对数据进行正确的采集和上传,因此,传感器节点是感知矿山的重要基础,着重研究无线传感器节点的能耗、成本、可靠性等方面的内容;研究中高速传感网系统设备及节点;节点专用操作系统技术研发;研究传感器的智能识别技术,如RFID技术、视频识别技术、蓝牙技术、无线技术等;研究有限异质空间环境下自组网技术;研究网络重构技术;研究无线电波在巷道中的传输理论,认知无线电技术、V-MIMO技术、UWB技术在矿井的应用。 遗憾的是,目前地面实用的短距离无线技术并不真正适用于煤矿井下的感知层网络。WiFi网络从速率和传输实时性上能满足感知矿山综合业务传输的需求,但其自组网能力较差,缺乏灾后重构能力。而WSN网络自组网能力和多跳能力较强,但数据传输速率太低,不能适应多媒体信息无线传输。因此,还需要从基础理论及技术上对感知层网络进行深入研究,开发真正适合煤矿环境使用的感知层网络。 4感知矿山中的三个感知 在煤矿综合自动化建设的基础上,感知矿山建设的核心问题是三个感知,即感知矿山灾害风险,实现各种灾害事故的预警预报;感知矿工周围安全环境,实现主动式安全保障;感知矿山设备工作健康状况,实现预知维修。 三个感知的目标是减灾保安全。 为了实现三个感知,需要研究开发矿山特有的感知与测量技术。许多地质参数与岩层运动规律是影响矿山安全的关键因素,如地下水赋存情况、瓦斯与煤突出、岩层受力与冲击地压、采空区发火等。目前对这些影响煤矿安全的重要因素的感知技术还不是很成熟。电磁幅射、声发射、透地成像、微振监测、红外视觉识别等技术是研制矿用感知传感器的热点技术。还应加强各类新型MEMS传感器的研制。 需要利用先进智能传感器与物联网技术对煤矿有关环境与地质参数进行实时采集,根据采集的数据与理论分析,研究煤炭资源开采尤其是深部资源开采中重大灾害的成因、预测预报理论以及防治对策等关键问题;重点研究煤与瓦斯突出、矿井突水、顶板冒落与冲击地压等突发性动力灾害成灾机理、矿山重大灾害应急救援与事故分析理论与技术,为深部资源开发中重大灾害事故的预测、预报和防治提供可靠的理论基础和技术支持。 与煤矿生产密切相关的大型设备有很多,有些设备的运转状况会直接影响工作人员的生命安全,因此,对这些大型设备进行实时的健康状况监测一直是人们关注的热点。煤矿生产过程监测和控制与地面工厂生产线有很大的不同,这就是煤矿生产过程始终需要与许多未知的因素打交道,这些未知因素对煤矿安全生产起着决定性的影响作用。因而需要研究煤矿生产工作面各种设备的联动控制与煤层、顶底板的关系,建立拟人化控制模型。目前,开展了基于传感器网络的煤矿井下采煤装备远程定位、煤岩识别、大型设备姿态控制等技术的研究;在矿山机电设备变载荷的特殊工况、摩擦磨损的监测和诊断方面具有明显特色,形成了系列理论成果,开发了专用的实验装置。 矿工个人周围环境安全状况是保障矿工安全的重要保障,需要建立覆盖煤矿井下,并与千兆工业以太网相结合的无线自组网系统。目前,开发了相应的网络节点、协议及应用软件,实现了移动目标人员、设备的精确定位与管理;开发了基于无线覆盖的移动双向数据信息终端,综合了人员定位、双向数据传输、报警及信息显示等功能,实现了对人员的精密跟踪与信息联络;建立了集调度、监控与管理于一体的煤矿安全生产信息中心,在该信息中心实现了对安全生产各种系统的监控、语音通话、视频监控,即煤矿的MES层;开发了煤矿井下人员安全管理和救灾应急系统平台。 5结语 论述了感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化的关系,从各自的定义上得出感知矿山是数字矿山、矿山综合自动化等概念的升华。对数字矿山三层模型进行了更新,给出了感知矿山模型,明确提出了感知矿山的核心问题是 三个感知,即感知矿山灾害征兆,实现各种灾害事故的预警预报;感知矿工周围安全环境,实现主动式安全保障;感知矿山设备工作健康状况,实现预知维修。文章明确指出,感知矿山系统建设的关键是感知层网络建设,建设目标是减灾保安全。