矿山物联网（共10篇）
矿山物联网 篇1
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。
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。
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
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]AndréZimmermann,Inge Gronbaek.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.
矿山物联网 篇2
作为物流产业链的重要组成部分，港口在现代物流服务系统中发挥着举足轻重的作用，其发展水平在很大程度上是一国物流发展水平的体现。港口的国际化和信息化建设是增强港口核心竞争力的重要手段，也是降低物流成本、提高物流效率的关键所在。目前我国港口的国际化和信息化水平与发达国家港口相比还存在较大差距，这在很大程度上制约了港口自身和物流产业的发展。加快我国港口国际化和信息化建设已成为提升我国港口核心竞争力和物流服务效率的当务之急。
如图1所示，世界港口历经第一代运输中心、第二代服务中心、第三代国际物流中心的发展阶段，目前已开始向第四代供应链中心转型发展。现代港口作为全球综合运输网络的重要节点，未来将成为商品流、资金流、技术流、信息流、人才流汇聚和共生的环保、智能、宜居社区，其功能将更加广泛，并呈现绿色、低碳、联盟、虚拟的特点。
2 第五代物联网港口设想
物联网港口指通过无线射频识别器、红外感应器、全球定位系统、传感器等信息识别和采集设备，按照约定的协议，将港口设备、运输工具、物流对象等接入互联网进行信息交换和通信，从而实现对物流全过程智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的智慧港口。物联网港口充分利用物联网感知、互联和智慧的技术特征，融合绿色环保、节能低碳的先进理念，使参与港口物流的各种资源实现更为广泛的互联互通，是一种全新的港口发展模式。
3 我国港口物联网发展现状
我国港口物联网发展目前仍处于起步阶段，但已经得到政府部门和港口企业的普遍重视：原交通部2005 年出台的《公路水路交通科技发展战略》将智能港口系统作为未来我国智能化数字交通管理技术的主要研究方向；有关科研机构已开始对智能港口系统进行研究；天津港、上海港、深圳港等国内主要港口也开始规划智能港口系统，目前已实现对港口集装箱作业全程的实时监控和实时数据查询。
继2008年上海港包起帆团队成功实施基于无线射频识别技术的集装箱电子标签项目后，江阴港、连云港港、宁波-舟山港、青岛港、大连港、深圳港盐田港区、虎门港等相继提出港口物联网或智能港口项目建设规划并陆续实施示范工程。
物联网在矿山的应用 篇3
徐州铁矿集团吴庄铁矿是江苏省首家物联网试点单位。“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上, 将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间, 进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是:通过射频识别 (RFID) 、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备, 按约定的协议, 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 感知矿山基本概念与特征
“感知矿山”通过全面感知, 对井下人员 (人员定位、无线通讯) 、设备 (综合自动化) 、环境 (安全监控) 等全面感知, 并通过网络实现全面覆盖, 同时还具有直观形象的应用, 通过3DGIS矿区全息展示, 来全面感知矿山。
矿山物联网是指构成矿山中人与人、人与物和物与物互联的网络。具体来说是包括矿工、矿井设备以及矿井环境等信息在内的可感知互联网络。
自动化矿井、信息化矿山、智能矿山、数字矿山、矿山综合自动化、矿山管控一体化等都是矿山信息化的概念, 而矿山物联网提出“感知矿山”, 是对矿山信息化所有概念提法的综合与升华。
2 感知矿山的系统结构
感知矿山的系统主要由硬件系统和软件系统组成, 硬件系统是物联系统的躯干, 是支撑系统运行的基础, 完成数据采集、传输、存储和显示等功能;软件系统是物联系统的中枢神经, 完成数据的综合集成、控制、处理、决策参考以及辅助的人员定位、三维GIS、设备控制、生产报表等功能。
1) 数据采集设备层
数据采集设备层主要用于采集各类物理量、标识、音频、视频数据。该层设备主要包括各种形式的传感器、语音、视频设备。
2) 网络层
实现更加广泛的互联功能, 能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送。
3) 应用层
应用层利用综合视频显示平台、调度电话、广播系统等实现对各类数据的综合显示、存储和处理;
3 感知矿山硬件建设
1) 工业以太环网
为提高矿山生产能力和安全生产管理水平, 多数矿山已安装或即将建设多种自动化系统, 如:提升自动化系统、排水自动化系统、皮带运输自动化系统、通风自动化系统、供电自动化系统、工业电视系统等。这些系统大多是在不同阶段建设, 处于相互独立的状态, 造成了很多为问题, 如:
(1) 通讯线路重复投资、重复建设;
(2) 整体可靠性差, 不利于矿井安全生产;
(3) 各种系统自成体系, 需要专门、独立的值班和维护人员;
(4) 各系统自成一体, 信息不能互通, 不能发挥自动化系统的综合效益;
(5) 系统维护量大, 维修、维护困难。
千兆工业以太环网既可避免网络传输瓶颈, 又大大节省了投资。光纤传输实现同网、同缆、同芯传输数据、音频和视频的业务应用, 可实现视频、IP电话和数据的三网合一。
2) 矿调度室
矿调度室是整个矿山物联系统的核心, 也是生产、管理信息汇聚的中心, 在整个系统中有着举足轻重的核心作用, 矿调度网络必须确保稳定、可靠、安全。
矿调度室的基本功能如下:
(1) 对各类数据、基本软硬件资源的调配和管理;
(2) 提供多种应用服务, 如组态、三维GIS、人员定位、考勤、汽车衡等功能。
(3) 保证对各类生产、安全和管理数据的实时可靠的存储、管理;
(4) 确保网络安全, 对网络访问的安全认证, 尤其在WI-FI接入认证、系统核心业务资源的访问等关键资源的安全认证;
(5) 通过工业电视系统实时显示各监控画面;
(6) 通过数字调度电话系统实现与井下IP电话的通信。
3) 压风机房
系统主要实现如下功能:
(1) 控制功能:风机的启动、停止、反风、风门启闭控制等控制功能;
(2) 具备就地控制/就地集中控制/上位机控制三种工作方式, 就地方式 (检修方式) 时各设备由设备本身的控制按钮操作, 便于设备的检修;就地集中方式由PLC柜完成风机及辅助设备的协调控制;上位机控制方式时可在工控机上完成对风机的远程控制;
(3) 监测功能:实时监测通风机 (设备) 性能参数, 如:矿井负压、流量、全/静压、轴功率等;
(4) 实时显示风机运行性能曲线;
(5) 实时监测风机配用电机的电气参数, 如:电流、电压、功率;
(6) 实时监测设备的状态参数:振动烈度、定子及轴承温度;
(7) 实时监测风门位置。
4) 井下炸药库
井下炸药库主要利用温度和压力传感器采集库房的温度, 网络布局结构简单, 通过CAN转以太网协议转换器直接接入骨干网中。
泵房排水系统:
水泵自动控制系统是由六个部分组成的, 分别是:数据采集系统、水泵自动轮换系统、状态动态显示和故障报警以及数据上传等等, 可以在保证水泵安全运行的同时又实现了运行自动化, 系统的系统主要功能如下:
(1) PLC控制程序采用模块化结构, 系统可按程序模块分段调试, 分段运行。该程序具有结构清晰、简捷、易懂, 便于模拟调试, 运行速度快等特点;
(2) PLC自动检测水位信号, 计算单位时间内不同水位段水位的上升速率, 从而判断矿井的涌水量, 自动投入和退出水泵运行台数, 合理地调度水泵运行;
(3) 系统根据水位和压力控制原则, 自动实现水泵的轮换工作;
(4) 系统具有通讯接口功能, PLC可同时与操作屏及地面监测监控主机通讯, 传送数据, 交换信息, 实现水泵自动监控功能;
(5) 系统可根据投入运行泵组的位置, 自动选择启动射流泵, 若在程序设定的时间内达不到真空度, 便有报警输出;
(6) 在操作屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况, 实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数, 超限报警, 故障点自动闪烁。具有故障记录, 支持历史数据查询等功能;
(7) 超温保护:水泵长期运行, 当轴承温度或定子温度超出允许值时, 通过温度保护装置及PLC实现超限报警;
(8) 流量保护:在水泵正常启动或者运行后, 如果出现流量不能达到正常值的情况, 可以通过保护装置促使本台水泵停止运行, 自动转换为启动另一台水泵;
(9) 电动机故障:利用PLC及触摸屏监视水泵电机的电气故障, 如:低电压、漏电、过电流等等, 并参与控制;
(10) 电动闸阀故障:由闸阀通过检测故障, 并且能够参与到水泵的联锁控制中。
系统控制具有3种工作的方式, 包括:手动检测工作方式、半自动工作方式以及自动方式。手动检修方式主要在手动试车以及故障检修时应用, 当某台水泵以及水泵的附属设备发生故障时, 为了不影响其他泵组的运行, 出现故障的泵组就会自动退出运行。因为PLC柜上都设有该泵的禁止启动按钮, 为了保证安全可靠的系统以及防止其他人员的失误操作, 系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行;半自动方式, 某台或几台泵组都是由工作人员选择投入的, PLC只自动完成已选泵组的监控工作以及启停工作;自动时, 由PLC检测水位、压力及有关信号, 自动完成各泵组运行。
5) 变电所
变电所主要通过温度、电压、电流等传感器监测设备的运行状态。
6) 主副井
主副井主要采用视频监控结合人员定位的功能来监视主井提升设备、副井工作人员出入状态, 实现对设备的实时监控和考勤。
4 感知矿山软件建设
软件平台是物联系统的灵魂, 软件平台负责对所有采集信息的集中接收、存储、处理。这些海量信息主要集中在矿调度室进行分类分析与处理。结合矿调度室网络布局结构和设计功能要求, 将软件平台划分为应用服务子系统、管理子系统、三维GIS子系统和安全子系统四大子系统。其中各系统根据功能进一步划分。
4.1 视频监控
企业视频监控拟建设一套以分布式数字视频软件系统平台和嵌入式视频服务器设备为核心的数字网络工业电视系统, 实现工业生产和矿区安防视频监控数据的采集、数字化、IP传输、高效存储、电视墙实时监控以及WEB访问功能, 并能与集团公司工业电视系统实现无缝连接。具有以下功能特点:
1) 图像显示:可通过计算机显示器显示视频图像, 也可通过解码设备在电视墙显示;
2) 多区域组合显示:提供单画面、4画面、9画面多种视频实时显示界面, 可通过点击编码器名称方便地播放图像;
3) 分布式显示:支持多个客户端同时查看一个监控点的图像;
4) 支持摄像机远程控制功能:可对权限范围内的摄像机进行远程控制, 包括镜头上下左右移动、镜头缩放、光圈调整、调焦 (摄像机支持此功能) ;
5) 提供分布式录像服务:可同时录像的镜头数量不受单一服务器的限制;
6) 站点管理:系统管理员实现站点管理, 设备管理、用户管理等各项管理, 包括配置、修改、删除等。可自动搜索并显示设备服务器、转发服务器、录像服务器的信息, 包括名称、IP地址, 可修改站点名称, 可删除无效站点;
7) 用户授权访问:提供多种用户类型, 包括管理员、超级用户、一般用户和浏览用户, 分别授予不同的权限范围;
8) 应用接口:与其它信息系统实现无缝连接的能力, 建立统一认证系统。
4.2 监测监控
监测监控子系统主要完成泵房、风机、井下环境监测、配电所、主副井等各个安全监控节点传感网络数据的集中接收、存储和处理及反馈控制, 是生产监控的核心部分。主要完成以下功能:
1) 泵房监控:用组态或WEB方式实时显示水泵的开停、转速、温度等传感数据;通过控制指令控制水泵的开停;
2) 风机监控:用组态或WEB方式实时显示风机的风速、压力、温度、转速等传感数据, 通过指令控制风机的转速;
3) 井下环境监测:用组态或WEB方式实时显示井下巷道、工作面的环境参数;
4) 配电房监视:用组态或WEB方式实时显示配电设施的工作参数;
5) 主副井监视:监视主井提升设备的工作状态, 并组态显示提升设备的工作状态, 视频监控设备的运转状态;通过组态显示副井的人员定位信息、进口的视频图像, 结合三维GIS系统显示手持移动设备的三维GIS状态。
4.3 人员定位
人员定位功能是井下作业过程中, 对人员的分布及运动进行实时监视的定位系统。设计中采用WI-FI与人员定位系统相结合的方式, 通过分布在矿井中的若干WI-FI节点和人员定位分站来定位井下人员的空间位置, 结合三维GIS系统实时显示井下人员、机车及传感器的实时工作状态。主要功能有:
1) 身份识别:WI-FI节点和井下人员定位读卡器通过读取移动终端携带的身份识别卡来辨认识别移动对象;
2) 跟踪显示:通过三维GIS实时追踪移动终端的位置;
3) 考勤功能:能够准确统计矿工入井、升井时间, 并可按班次按部门生成日考勤、月考勤统计报表;
4) 定位功能:对井下矿工的分布情况分区域实时监测。实时监测全矿井井下矿工总数, 实时监测采场工作面矿工总数, 实时监测掘进工作面矿工总数以及井下其他区域矿工总数。根据各矿实际情况绘制井下巷道、采区图, 该图是动态的, 随着井下人员的移动, 该图显示的各区域人数会随时更新。输入任意人员的姓名或编号, 可以立即以图形方式显示此人当前所在区域;也可以同时输入多个人员, 以文字方式显示这些人各自在井下的当前位置;
5) 统计查询进入特殊区域人员:对于井下的某些特殊区域, 例如规定不准一般人员进入的危险区域, 在行踪保留时段内可以随时进行查询, 列出进入该区域的人员和出、入时间;
6) 报警功能:对某个区域的人员数量进行限制, 如果超员则告警。当矿工进入禁区时, 系统会告警, 提示管理人员采取相应措施。当矿工在井下停留超出规定时间或没有做够规定时间, 系统将告警并记录。当矿工未按规定的行进路线行走, 行进到禁行区, 系统将告警并给予提示。
4.4 汽车衡子系统
汽车衡作为企业生产管理的重要组成部分之一, 用于称重矿石, 并统计各种销售信息。主要完成以下功能:
1) 数据获取:通过接口网关自动取得仪表实时数据并按照要求换算及运算;
2) 数据调用:称重时自动调用车辆的相关数据, 如驾驶员、皮重等内容;
3) 磅单打印:系统自动按权限及设置打印磅单;
4) 查询:任意方式组合查询;
5) 数据统计:自动统计查询结果的总量合计:包括毛重、皮重、净重、单价、金额及结算重量等。
5 结论
物联网技术在矿山成功应用后, 可达到监、管、控一体化;最大限度地实现“无人值守, 有人巡视”, 达到减员增效;信息资源充分共享化, 达到安全生产、节能增效, 为矿山安全生产、有效预防和及时处理各种突发事故和自然灾害, 提供有效手段。
摘要：本文简要地介绍了物联网的概念以及感知矿山的基本概念与特征, 重点介绍了感知矿山的系统组成和体系建设。
关键词：物联网,感知矿山,自动化
参考文献
[1]古德生.对中国矿业可持续发展问题的思考 (一) [J].世界采矿快报, 1997 (2) .
物联网新应用 篇4
联网脚环被用于跟踪非洲东部和中部濒临灭绝的黑犀牛。脚环提供每个犀牛的地理位置和移动数据并进行加密，以确保偷猎者不会获得这些数据，然后把这些数据发送到云中。如果出现偷猎者，反偷猎团队会获得警报，通过直升机、无人驾驶机和汽车狙击偷猎者。
第9名：智能马桶
智能马桶系统可以自动感应冲水次数和人流量，预知潜在维修需求，分析高峰期设备故障风险，避免乘客登机前排长队，眼巴巴看着两个空空的马桶上挂着“故障中”。
第8名：物联网售水机
售水机内置英特尔传感器进行通信，以生态友好的方式，为公众场所的水站提供经过净化的冷水，并通过网关联网，分析水质、检测泄露、空气污染等。联网售水机拥有太阳能供电的Wi-Fi热点和充电站，还可以帮助清洁你的水杯。
第7名：百事可乐Spire
餐厅老板不仅了解员工，还得熟知用户的购买习惯。百事可乐Spire拥有8个品牌的苏打水和6种额外风味，顾客随意混合。它内置连接到云的4G调制解调器，采用英特尔架构和英特尔客户管理系统，帮助百事可乐了解风味组合和供应比例，跟踪消费者的决策以调整新品研发计划。
第6名：智能健康秤
使用蓝牙连接的智能健康秤通过家庭网关通信，并将收集到的身体数据发送给相关医疗机构，把患者与医疗机构连接起来。这款健康秤里的传感器与基于英特尔Quark系统芯片（SoC）的网关相连。
第5名：物业检测Di-BOSS
Di-BOSS是一项数字建筑运营软件解决方案。纽约市的大型物业管理公司Rudin Management把英特尔物联网网关解决方案集成到几个所属物业中。在几周内，它们就开始在全面集成的控制环境内远程监测供电、供暖和供水设备。
第4名：Sprinkles纸杯蛋糕售货机
在纽约、达拉斯、亚利桑那州斯科茨代尔、拉斯维加斯、洛杉矶等地区，Sprinkles的纸杯蛋糕ATM会及时向公司发出补货提醒以及配送通知。内置英特尔酷睿i5处理器，用户还能远程管理各地的ATM机器，一天24小时都可以吃到美味的蛋糕。对于破产姐妹Max与Caroline来说，Sprinkles纸杯蛋糕售货机会是强劲的对手吗？
第3名：SteadyServ iKeg系统
基于英特尔技术的steadyserv ikeg系统，使用RFID和传感器技术收集啤酒桶数据，为酒吧主人提供有关库存状况的反馈信息，同时汇集市场数据，帮助分销商和酿酒商根据客户的口味推出量身定制的产品，从而更好地服务终端客户。
第2名：车队管理解决方案
英特尔和Vnomics正在为交通和物流行业开发定制解决方案，用于管理和检测车队数据。依托英特尔的集成技术，Vnomics整合了传感器、智能设备和实时数据分析，以提高货车的运行效率。Sala公司是一家领先的跨地区散货拼车运输公司，通过把所有车辆连接到Vnomics网关，使车队油耗降低了6%，每年节约大约400万加仑的燃料。
第1名：联网轮椅
浅析矿山物联网的应用结构 篇5
关键词：矿山,物联网,层次结构,信息采集,数据处理
引言
煤炭是我国重要的一次性非再生能源。在当前的能源生产和消费中, 煤炭占到70%以上。根据专业数据预测, 到21世纪中期, 我国能源消费50%以上仍然要依赖煤炭, 其主要能源地位在一定时期内不会改变。我国煤炭资源丰富, 劳动力成本低廉, 但由于地质赋存条件复杂、自动化程度低、井下人员需求量大、安全监控技术较落后、管理不完善等一系列因素, 导致煤炭产业整体竞争力差, 可持续发展受到很大制约。
随着国家对矿山安全与信息化的不断重视, 物联网逐渐被煤炭行业所关注。它能运用各种感知手段与处理技术, 在统一的平台上实现对矿山的统筹管理, 提高安全生产水平, 降低运行成本, 促进煤炭产业持续稳定发展, 是对现有信息化平台的必要补充。
1 矿山物联网的形成与建设目标
矿山物联网突破以往物理基础设施与信息基础设施相独立的框架, 把煤矿复杂生产环境中的人员、设备、各类基础设施统一标志, 通过芯片、无线和有线网络进行信息资源整合, 以实现更加实时有效的信息反馈, 为正确决策与统筹提供依据。矿山物联网的建设目标是:将矿山地理情况、地质情况、建设格局、生产工艺、安全管理、产品加工与运销、矿山生态等信息全面综合并数字化, 运用传感、现代控制、信息处理、智能计算、可视化等技术与生产链紧密结合, 构成矿山中人与人、人与物、物与物相连的网络系统, 动态详尽地展现并控制矿山安全生产与运营的全过程。
2 矿山物联网建设的核心问题
矿山物联网基于统一的网络平台, 需要在GIS (地理信息系统) 和探测传感技术相结合的环境下实现定位, 以分布式应用为特点, 达到实时控制与网络一体化的效果。在矿山综合自动化的基础上, 矿山物联网的核心问题是三个感知, 即:
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, 感知矿山灾害风险, 实现各种灾害事故的预警预报。
3 矿山物联网的三层结构模型
物联网是一种较典型的应用驱动式网络技术, 结合综合自动化与数字矿山在生产中的建设成果, 充分利用现有系统并提炼应用经验, 可将矿山物联网划分为三层结构:感知与控制层、信息集成与MES层、管理决策与应用层。
示意结构图如图一:
3.1 感知与控制层
主要包含骨干传输网和感知层网络。
(1) 骨干网主要为矿山监测与控制系统、语音信号及视频信号传输与管理提供物理通道。在此网络上建立一个基于统一平台的多子功能监控系统、语音通信系统和多路工业电视监控系统, 将信号引入矿调度指挥控制中心和各生产相关科室。物理线路可使用防爆1000M工业以太网, 把各类采集信号转换为标准数据统一接入, 实现音频、视频、数据的三网合一;采用快速环形冗余结构确保网络故障重构时间严格小于300ms;在监控子系统层面划分虚拟局域网, 保证各子系统相对独立运行;配备丰富的网络管理和诊断功能, 保证故障定位与设备维修的及时准确;系统组件具备模块化与热插拔功能, 保证维护维修期间生产不间断。骨干传输网可借助矿山综合自动化网的物理基础, 实现对已有投资的保护。
(2) 感知层主要依赖无线网络。随着矿山开采的进行, 可能引发矿山事故的灾害源情况在不断变化, 且具有突发性, 无法用固定的接触式传感器直接监测, 只能通过一些处于变化状态的前兆性物理量 (电磁辐射、声发射等) 进行监测和识别处理, 因此可移动的无线分布式感知是有效手段。各种无线接入技术如WiFi、Zigbee等都是构成物联网感知层的重要技术, 具有自组网功能的无线传感器网络在这一层也是重要组成部分。感知层网络通过无线网关分段接入骨干网, 完成对井下主要生产区的无线覆盖, 除用于各种分布式移动监测, 如掘进区瓦斯、水、地压情况监测等, 还可用于人员实时信息的无线接入, 为移动语音和视频传输搭建信息通道。与综合自动化各子系统侧重于网络接入的要求相比, 矿山物联网更注重生产过程的分布式感知与控制, 并实现对已收集信息的分析与利用。
3.2 信息集成与制造执行系统 (MES) 层
MES层由两部分构成, 一是信息集成网络系统, 包括调度控制中心以太网, 冗余热备状态下的数据服务器集群和I/O服务器组。服务器集群的信息传输通道为1000M工业以太网, 采集全矿安全、生产等细节信息, 并将信息集成到调度控制中心进行各种智能信息处理, 如数据挖掘、信息融合与决策等。
二是以信息集成为基础的制造执行系统 (MES) , 包括在调度控制中心以太网平台上配置操作员站, 完成对各子系统的监控:如主运输集控子系统、综采工作面监控子系统、井下供电监控子系统、地面供电监控子系统、安全监控子系统、主通风机在线监控子系统等;以及煤矿生产过程的优化管理, 根据生产流程, 当具体的实时事件发生时, MES系统对此及时做出反映与报告, 用准确的现场生产数据对事件进行指导和处理, 增加企业内部信息利用的附加值, 增加生产效率、生产安全性, 改善物料配送效能。MES层需要信息交互的实时与准确, 依赖连续的信息流实现企业信息全方位集成。
本层所需的支撑性技术之一是统一的数据仓库平台。各子系统采集的信息要有统一的数据描述标准、统一的数据处理格式和统一的数据管理方式, 为数据融合与挖掘打基础。若对矿山进行安全管理评估, 则需要监测监控系统数据、矿压监测数据、井下水位水量数据、通风系统数据等, 如果各子系统没有统一的数据描述标准和存储方式, 信息挖掘等深层次的应用就无法进行。因此, 有效利用数据仓库的海量存储能力, 运用OLAP联机分析处理和数据挖掘技术保障数据处理的效率, 是做出及时有效决策的重要前提。
3.3 管理决策与应用层
管理决策和应用层包括应用基础、中间件及各种软件应用模块。矿山生产的基本信息通过中间层提炼和汇总, 可以动态详尽地反映各类实时情况, 并由此控制生产运营的全过程, 保证矿山经济的可持续增长和自然环境的生态稳定;各种软件应用模块可根据矿山生产需要具体定制, 通过硬件基础、企业内部网络传输, 最终实现各职能更高层次的应用, 如矿山灾害预警及防治、矿山安全生产体系监测、矿山资源环境监测及控制、机电设备管理与故障预警诊断、矿山供应链管理与优化等。
4 结语
矿山物联网是信息化生产模式在煤炭开采过程中的体现, 为减人增效、提高安全性和生产率开辟了新途径。物联网方案、生产设备与生产工艺的结合程度直接影响着物联网在矿山中的应用效果, 因此做好信息化数据的采集校验, 真实反映现场的设备状态并作出各项数据预期和灾害判断, 是实现整个矿山物联网系统达到完备状态的必要条件。物联网系统与生产工艺、环境的逐步匹配必然会促进整个矿山生产模式的改造升级。
参考文献
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感知矿山物联网智慧照明系统设计 篇6
我国煤矿大多数为地下开采, 现有的煤矿巷道里一般每隔20m左右安装一个矿井照明灯。其控制沿用传统的人工控制方式, 需要人为开关, 且通常为“长明灯”状态, 管理方式落后, 在没有人员工作的巷道里, 无形中造成电能的浪费, 存在低智能化、高能耗的问题。随着感知矿山物联网时代的到来, 这种低智能化的矿井照明系统已不能适应“智慧矿山” 的需要。
智能照明系统的控制方法可分为三大类:有线控制、电力线载波控制和无线射频控制, 其中无线射频控制是目前主流的控制方法[1]。这也是煤矿物联网的主流技术, 即所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来, 实现智能化识别和管理[2]。
本文结合矿山物联网相关技术[3]提出建立一套具有感知、传输和控制功能的矿井智慧照明系统。 该系统由内嵌于矿井照明灯中的无线感知模块构成感知层网络, 采集井下移动目标分布信息, 以自主控制照明灯的开启和关闭, 从而避免“长明灯”现象;同时通过传输网络将各节点状态信息上传至地面监控中心, 便于节点的控制和维护;遇险时还可用于避险, 指示逃生方向。
1系统架构
在业界, 煤矿物联网大致被公认为有3个层次: 底层是用来感知数据的感知层, 第2层是数据传输的网络传输层, 最上层是信息应用层[2]。感知矿山物联网智慧照明系统架构基于物联网的3层结构, 如图1所示, 包括地面监控中心、矿井传输网络和无线感知网络3个部分。其中, 无线感知网络既有属于网络传输层的设施也有属于感知层的设施。
(1) 无线感知网络。无线感知网络由Sink节点和无线感知子网组成, Sink节点属于网络传输层设施, 而无线感知子网属于感知层设施。 每个Sink节点对应若干路由节点和终端节点, 路由节点和终端节点构成了自主控制的无线感知子网络[4-5]。
无线感知子网的主要功能:一方面负责采集终端节点分布信息并进行判别, 以完成照明自主控制; 另一方面各子网通过路由节点转发自身位置和状态信息及终端节点信息, 进而汇聚到Sink节点, 实现与无线传感网络的信息交互。
无线感知网络在无线感知子网功能的基础上, 将子网中路由节点上传的信息加上Sink节点的位置及状态信息转发给矿井传输网络。
(2) 矿井传输网络。矿井传输网络属于网络传输层设施, 是无线感知网络和地面监控中心通信的桥梁, 负责把无线感知网络收集的信息传送给地面监控中心, 并把地面监控中心的指令信息传送给无线感知网络中的Sink节点。
(3) 地面监控中心。地面监控中心属于应用层设施, 对无线感知网上传的信息进行相应的逻辑分析、推理、判断, 并将结果按特定的形式进行存储、显示以及反馈控制, 必要时发出应急避险指示, 实现井上与井下的信息交互[6]。
2无线感知子网节点设计
依据该智慧照明系统的架构, 考虑到当前煤矿井下安全避险“六大系统”的建设政策和标准, 避免基础设施建设的浪费, 系统中的地面监控中心、矿井传输网络和无线感知网络的Sink节点均可沿用原有设施, 本文主要设计了无线感知子网。
无线感知子网包括矿井照明灯、无线感知模块和标签3个部分, 如图2所示。照明灯自带开关控制器, 可独立地完成照明状态的控制功能;无线感知模块内嵌于矿井照明灯中, 作为子网的路由节点;标签具有唯一标志号, 由井下移动目标携带, 作为子网的终端节点。
设计中, 终端节点采用通用有源RFID电子标签, 可按需求直接购买产品或者使用矿井原有标签。 路由节点由矿井照明灯、指示灯、照明控制器和无线感知模块组成, 如图3所示。
( 1 ) 照明灯采用矿用隔爆型LED巷道灯 。
( 2 ) 指示灯采用消防疏散LED指示灯 。
(3) 照明控制器采用NCL30082LED驱动器。
(4) 无线感知模块为无源RFID读识器, 采用内核为STM32W108的EMZ3048C芯片。
(5) 整个节点通过所连接矿井照明灯的供电系统进行供电。
3系统控制过程实现
智慧照明系统控制流程如图4所示, 系统控制过程主要包括地面监控中心控制和无线感知子网控制2个部分。地面监控中心的控制自上而下贯穿整个系统, 一方面向井上工作人员展示井下各节点的实时工作状态, 一方面向井下工作人员传达井上发出的工作指示。无线感知子网控制是一个自主的智慧控制子系统, 无线感知子网路由节点根据终端节点的标签号自主控制照明灯的工作状态。
3.1地面监控中心控制
地面监控中心控制实现井上与井下的及时、高效交互, 包括显示控制和避险指示控制2个部分。
(1) 显示控制。显示控制部分将系统中各节点的地理位置及工作状态信息以网页形式输出, 并直观地显示, 当井上工作人员发现有节点不能正常工作时, 便可及时对相应节点进行维护。
(2) 避险指示控制。避险指示控制是矿井下遇到灾难时的一种应急控制。由地面监控中心发出信号, 经矿井传输网络传输给无线感知网络, 并由无线感知网络的Sink节点以广播的形式传送给子网的各路由节点, 再由路由节点中的无线感知模块指示照明灯控制器, 以流水灯模式开启消防疏散指示灯, 为矿工指示正确的逃生方向。
3.2无线感知子网控制
无线感知子网控制过程:装有无线感知模块的路由节点采集进入其覆盖区域的终端节点标签号, 并将这些信息直接或通过多跳路由转发给Sink节点;然后, 由路由节点的无线感知模块对这些标签号进行分析判别, 将相应的工作状态传送给照明灯控制器;最后, 由照明灯控制器设置照明灯的相应工作状态。
(1) 终端节点控制。终端节点每隔2s向感知模块发送一次标签号, 采用多发筛漏防碰撞算法, 无线感知模块收到标签号后返回确认帧。帧格式如图5所示。其中2个字节的标签号格式如图6所示, 动作位没有使用, 为0;后15位为卡号。
(2) 路由节点控制。1标签号采集和转发, 路由节点的无线感知模块EMZ3048C内核STM32W108集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz收发器, 路由节点通过EMZ3048C的内置天线采集终端节点发送的信息, 并加上自身位置及状态信息, 按照无线感知网络的路由协议汇聚到Sink节点[7]。2标签号判别, 子网中的终端节点由井下移动目标携带, 并具有唯一标志号, 因此, 通过标志号可以判断出在照明区域下工作的移动目标是矿工还是移动设备 (如机车) 。标签号判别流程如图7所示, 无线感知模块采集终端节点的标签号, 若无, 照明灯为关闭状态;若有, 进行标签号分析判别, 如果是矿工的标签号, 则照明灯为开启状态, 如果是移动设备的标签号, 则照明灯为关闭状态。
4结语
介绍了感知矿山物联网智慧照明系统的架构, 设计了无线感知子网路由节点, 讨论了系统控制实现的具体流程。
感知矿山物联网智慧照明系统是物联网技术的一个典型应用, 不但可以工作于全自动状态, 根据终端节点标志号自动切换照明状态, 达到节能效果;还可以由地面监控中心进行全局控制, 作为应急照明系统, 指示逃生方向, 具有避险功能。
参考文献
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矿山物联网 篇7
目前,矿山设备管理仍以台帐式管理为主,管理内容主要包括设备型号、价值、折旧、维修维护记录、备品备件等。该种管理方式主要反映矿山设备的静态情况,不能反映设备运行中的动态状态,主要弊端:费时费工费力,人为因素影响大,过维修或欠维修状况明显,不能通过设备管理及时了解运行设备的健康状态等。煤矿设备故障特别是大型关键设备突发性事故时有发生,影响了煤矿安全生产。因此,有必要研究矿山设备动态管理技术。
设备动态管理是将设备实时运行状况作为设备管理的重要内容,并根据设备运行状况动态安排维修计划及备品备件等。现有针对设备动态管理的研究成果中,参考文献[1]主要讨论了设备动态管理的软件架构;参考文献[2]主要从维护资源需求计划的角度,讨论了动态管理集成系统;参考文献[3]讨论了Internet网络在设备远程状态监测与故障诊断中的作用;参考文献[4]提出通过人工点检的方式将煤矿设备的运行状况加入到设备管理中去。除参考文献[4]外,其他文献均不是针对矿山系统的,具有一定的局限性。
矿山物联网的开放式架构为矿山设备动态管理提供了可能。参考文献[5,6]给出了矿山物联网的开放式架构。该开放式架构与具体应用无关,使得第三方能更加专注于自己擅长的服务。基于该开放式架构,本文提出一种设备动态管理系统的设计方案。该系统基于矿山物联网技术,综合有线、无线技术,采用多参数或网络化传感器对矿山设备运行的多参数信息进行监测,通过时空信息分析算法得出设备的整体运行状况。
1 系统功能模块
基于矿山物联网的设备动态管理系统在原静态管理系统的基础上,增加设备运行健康状态监测功能,即对设备的运行状态进行监控,预测设备的可靠性,及时发现设备故障的早期征兆,预报故障发展趋势,并提供维修意见和措施。其主要功能模块如图1所示。
基础管理模块主要实现基本信息维护、系统规范测试与标准制定等功能。状态监测模块主要用于自动监测设备状态,采集设备运行数据。数据趋势曲线模块主要实现设备运行历史数据保存、历史数据查询、设备历史曲线绘制及设备数据曲线的比较功能。设备状态分析模块通过分析采集的设备数据得出设备运行的健康状态,为设备的维修提供决策支持。通信接口模块主要实现系统与其他系统的连接、通信协议的制定等功能。设备台帐管理模块主要实现原静态设备管理系统所具备的功能。系统维护模块主要用于备份数据库,增加、删除、修改、升级系统模块和功能。
2 系统状态感知层设计
设备状态监测的目的是完整地采集、存储、整理、分析设备运行数据,诊断设备健康状况,为状态检修提供有用资料。系统主要针对设备振动、温度、声学3种数据进行采集和分析。设备的声学监测、振动监测、温度监测均由网络化传感器实现。图2为系统状态感知层所采用的网络化传感器结构。该网络化传感器将以太网口直接作为矿山物联网开放式架构中的感知层监测设备,通过矿山物联网传输层平台将数据上传至应用基础平台。
由于物联网应用平台提供了与应用无关的公共数据处理服务,如数据描述、数据通信接口、数据仓库、中间件、报警处理、报表、人机接口等,设备动态管理系统只需从该应用平台中取出数据进行具体应用即可。
3 系统应用层设计
3.1 应用层软件组成及功能
在应用平台数据处理的基础上,应用数据既可在本地工作站上显示,也可通过工业以太环网发送至相关科室以Web方式显示。应用层服务器直接与交换机相连,读取各设备所采集的数据。系统应用层软件分为数据集成层、数据接口层和数据表现层。
数据集成层通过SOAP(Simple Object Access Protocol)实现设备原有台帐信息和健康状况监测信息的数据集成。
数据接口层采用OPC(OLE for Process Control)等通信方式从数据集成层获取相关数据,包括存入数据库的数据和以数据文件形式存在的数据(如实时振动数据)。数据库和数据文件均属于应用基础平台部分,由矿山物联网开放式架构中的应用基础平台部分完成,包括通信的协议格式、数据的接收和用户信息的反馈等。
数据表现层获取数据接口层的信息并将其显示在表现层中,从而达到与用户交互的目的。
应用层软件的主要功能如图3所示。
3.2 设备状态预测
设备状态预测主要通过对在线监测数据、设备历史运行状况、同类设备统计数据等进行综合分析,利用评估算法对设备的健康状况进行评估,对不合格设备给出不合格原因及检修建议。
由于设备温度变化比较缓慢,可以作为直流信号处理,一般按照常规门限判别方法进行判别。声学或振动信号均属于波形变化信号,只是监测的传感器不同,可归并成一类信号进行监测与分析。
由于声学或振动信号均为瞬变交流信号,在保证一定的频率分辨率下,要求1次采样的点数比较多,对系统的实时处理要求较高。因此,设备状态监测的设计要点:① 设计满足实时性要求的数据采集模块。传统的利用上位软件实现判决的方法一般很难保证实时性,建议构建基于宽带参数监测、结合频率选择性监测算法进行设备状态预测的信息采集平台。对于变化性较大的机器振动信号,采用在现场机箱中集成的FPGA(Field-Programmable Gate Array)进行采集,从而使系统具有硬件级的执行速度和稳定性。② 引入设备运行状况模式库的概念,通过研究模式库的自学习与自动建立技术,为煤矿设备状态分析与诊断提供依据。矿山机械设备与其他行业(如电力行业)机械设备的不同之处在于矿山机械设备很少有故障报道,因此,对其故障模式未知。设备运行状况模式库是通过对设备的长期监测,在得到大量数据的基础上进行分析总结,结合设备现场运行情况而逐步建立的,能为设备运行的健康状况提供有效的判别依据。
设备运行状况模式库的模式个体可选择振动信号的有效值、峰值、峭度、烈度值等统计特征参数。在进行大量数据统计后对特征参数设定阈值,联合几组特征量对设备运行状态进行诊断,将阈值之外的模式个体抛弃,将健康的模式个体存入模式库。
为了衡量设备的运行状况,模式库选择振动烈度[7]作为判别标准。振动烈度定义为10～1 000 Hz范围内振动速度的均方根值,能够简明、综合、实用、有效地反映一台机器的振动状态。通常取在规定的测量点和测量方向上测得的最大值作为机器的振动烈度。
根据以上原则设计的设备状态预测流程如图4所示。
3.3 数据处理显示
图形化系统设计平台LabVIEW结合了图形化编程软件及模块化、开放的硬件,对工程师开发和部署声音和振动测量的解决方案进行了重新定义,从而减少了开发时间,降低了系统成本。此外,LabVIEW提供了机器状态监控(MCM)资源包,该资源包包含了机器状态监测相关的Demo程序、应用演示等,为进行MCM监测应用提供了最佳选择。因此,选择LabVIEW软件作为上位开发软件,并结合MCM资源包开发上位程序。
上位程序按照一定的规则和算法对数据进行处理、清洗,以动画、图片、文字、表格等方式显示数据。上位程序显示内容主要包括各种数据分析工具、报表工具、查询工具、数据挖掘工具及各种基于数据仓库的应用。
3.4 信息发布
信息发布的目的是供矿山各相关科室使用设备动态管理信息,这与组态监控是不同层次的应用。组态监控通常要求更好的实时性,而信息发布更强调信息的大范围使用。信息发布程序以Visual Studio 2010为开发工具,采用Express Blend4开发UI(User Interface)。
Silverlight技术是一种富互联网应用技术,是为了提高用户体验的丰富性而推出的新型互联网应用技术,具有高度的交互性和丰富的UI功能[7,8]。基于Windows平台的应用,系统选用Silverlight技术实现设备动态管理信息的发布。客户端只要根据提示信息正确安装Silverlight插件即可。
4 结语
基于矿山物联网的设备动态管理系统只需在物联网感知层接入适当的传感器即可在应用平台上获得数据,从而实现相关应用。该开放式应用体系是矿山物联网应用的典型方式,代表了矿山设备管理信息化的发展方向。另外,系统的数据采集与处理部分采用LabVIEW软件设计,信息发布部分采用Silverlight技术,大大增强了系统的友好性及易用性,符合矿山物联网Web应用的发展趋势。
摘要：针对现有的台帐式矿山设备管理系统存在人为因素影响大、过维修或欠维修状况明显、无法及时了解运行设备状态等问题,提出了一种基于矿山物联网的设备动态管理系统的设计方案。该系统在原有台帐式设备管理系统的基础上增加了设备运行状况的分析处理功能,实现了矿山设备的动态管理;基于矿山物联网的开放式架构,只需在感知层接入相应的传感器即可在应用平台上获得数据;采用LabVIEW软件实现数据采集与处理,采用Silverlight技术实现信息发布,增强了系统的友好性及易用性。
关键词：矿山设备,设备动态管理,设备状态监测,矿山物联网,开放式架构,感知层,网络化传感器
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矿山物联网 篇8
1.1 物联网的基本概念
“物联网是指通过信息传感设备, 按照约定的协议, 把需要联网的物品与网络连接起来, 进行信息交换和通讯, 以实现智能化识别、定位、跟踪监控和管理的一种网络, 它是在网络基础上的延伸和扩展应用”。
1.2 物联网基础架构
图1 (a) (b) 和 (c) 分别示出了不同形式的物联网三层结构示意图。
感知层:是物联网发展和应用的基础, 实现的是对真实世界中的物体的感知与监控。RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信、GPRS技术等等是感知层涉及的主要技术。
网络层:将建立在现有网络的基础上, 互联网或/和移动通信网。物联网通过各种接入设备与传输网相联。网络层也包括信息存储查询, 网络管理等功能。三种模型无一例外均有应用平台:包括感知数据管理与处理技术, 数据的存储、查询、分析、挖掘、理解, 以及基于感知数据决策等。这个应用平台是本文的重点。
应用层:各种各样的应用均架构在上述统一应用平台上, 如智能家居、智能交通、智能电网、物流管理、远程医疗等等。各种应用充分利用经过分析处理的感知数据, 为用户提供丰富的特定服务。
感知矿山物联网整体解决方案是根据矿山应用实际, 将通用物联网的三层架构更改为感知矿山物联网的三层架构模型, 并分析各层在感知矿山中的地位和作用, 分析物联网中的这些关键技术。
1.3 物联网初期应用存在问题
物联网的应用几乎是无所不包, 典型应用如上海推进物联网产业发展十大应用示范工程:环境监测;智能安防;智能交通;物流管理;楼宇节能管理;智能电网;远程社区医疗;精准控制农业;世博园区;应用示范区和产业基地。可见物联网可应用于各行各业, 当然也可用于煤炭行业和矿山企业, 即感知矿山物联网。
尽管上述这些系统大都以Internet为骨干传输网络, 然而存在一些明显的问题:
1) 这些系统的无线覆盖感知层网络是各行其是, 缺乏统一规划和标准规范。长此以往, 随着物联网应用系统越来越多, 势必会出现同一地区存在多个无线感知网络, 而相互之间不能开放共用, 形成子系统孤岛的现象。
2) 缺乏统一数据平台, 私有数据不能在系统间充分利用, 难以真正实现物与物相联。
3) 缺乏统一的应用平台, 各种应用均是各自独立的平台, 不能开放地为第三方服务提供商提供方便。
4) 造成重复投资、资源浪费, 形成新的信息孤岛。
5) 各系统之间缺乏统一的标准, 难以互联。
煤矿生产、监控与管理涉及数十个系统, 从煤矿生产流程及安全形势评价上来说, 这些系统间存在着千丝万缕的联系。显然, 感知矿山物联网必须避免上述物联网初期应用中存在的这些问题。这就必须对感知矿山物联网进行总体规划设计。
2 感知矿山物联网M2M平台的作用与意义
2.1 煤矿生产过程简介
煤矿生产涉及的系统多, 战线长, 综掘设备、综采设备、胶带运输、提升机、辅助运输系统等;为了保障煤矿安全生产, 还有排水、通风、供电、供压、安全监测等辅助系统;煤矿生产还要面对复杂的地质条件、矿山压力、瓦斯、一氧化碳、地下水及煤尘等。表1列出了感知矿山物联网总体方案设计中的部分子系统。
煤矿综合自动化系统实现了现有系统的网络化集成, 实现了煤矿生产与安全系统的网络化监控, 这为实现感知矿山打下了良好的基础。综合自动化系统基本是矿山原来各种系统的简单集成, 虽然比较好地做到了减人提效, 但基本还是实现了1+1=2。矿山集成网络的价值没得到应有的提升, 也没有给矿山安全带来明显的改善。在矿山安全生产监控及灾害风险预警中仍存在诸多问题:
1) 感知手段传统单一:如瓦斯传感器还是以传统笨重的催化元件为主, 基本没有MEMS微机电化集成传感器。
2) 缺乏泛在感知网络:基本没有统一的地下无线覆盖感知层网络, 因此, 现有的一些传感器和监测系统基本是基于有线网络的, 能监测固定设备和环境的状态。不能适用于煤矿流动作业, 危险源位置、分布及其流动规律均不确定的场合。存在很大的感知盲区, 不能做到无处不在, 不能保证安却感知的全覆盖。
3) 缺乏应用层面的信息融合:煤矿综合自动化实现了先用应用系统的网络化集成, 但是应用系统之间的联动与信息融合、决策融合还没有开展。
4) 多学科交叉研究不够:重大灾害产生的机理, 煤矿设备故障诊断, 地质、测量、水文、监测监控、智能信息处理技术等多学科研究融合不够。
2.2 感知矿山M2M平台
2.2.1 感知矿山M2M平台的作用
感知矿山系统中各种应用众多, 并且各种应用均需架构在一个应用平台之上, 这个平台就是感知矿山M2M平台。M2M平台的主要作用:
1) M2M平台使得各种传感器、执行器及子系统能够方便灵活的接入感知矿山系统 (综合自动化系统中是子系统形式接入) , 从而能方便快捷地布署所需要的逻辑子系统, 适应煤矿动态布署、流动作业的需求。
2) 方便地为服务提供商或第三方提供感知层与应用层接入便利, 真正实现系统与应用的开放, 实现服务与数据协议及网络元素的解耦, 提高系统的互操作性和可移植性, 更有利于实现物与物相联, 提高专业化服务水平。
3) M2M平台采用统一的数据描述方法来描述各个子系统的信息, 实现统一数据服务平台和应用平台, 这为数据融合应用提供了方便。为矿井生产安全可靠, 有效地预防和及时处理各种突发事故和自然灾害提供可能。
4) 感知矿山物联网M2M平台实现异构数据融合、传输、监视、管理与控制的一体化应用。实现井下和地面各个生产系统和大型机电设备、供电系统、管网等的监控。
5) 实现全矿井的各种数据采集, 使生产调度、经营管理、决策指挥网络化、信息化、科学化。便于在地面调度室直接实现对关键设备的状态监测和故障分析。
6) 实现企业的经营、生产决策、安全生产管理和设备控制等信息的有机集成, 达到减人增效和提高矿井安全水平的目的。
2.2.2 感知矿山M2M平台的组成及主要功能分析
M2M平台主要实现的功能包括, 矿山异构协议融合、融合矿山实时数据库、融合矿山历史数据库、数据的实时监测与实时报警、历史监测数据的查看、统计、分析、历史报警记录查看、视频、音频联动、统计、用户管理、权限体系等。
感知接入层:为各种传感器、执行器及子系统提供接入服务, 包括无线接入和有线接入。
数据通信层:实现各种数据在网络上的双向传输, 以及各种数据接口, 网络化操作系统等。
数据采集层:包括实时和历史数据库, 数据应用接口服务, 数据中间件等。
应用平台层:建立具体共性的各种应用所需的模块, 如各种报表、数据趋势分析、音视互与数据互动、应用平台软件接口等等。
HMI人机接口:为各种应用提供方便的模块化编程方式, 快捷地构建具体应用。
用户权限管理:主要实现对用户、用户组以及程序模块 (资源) 的统一灵活管理。是为“应用框架”和网站查询服务的。
3 感知矿山物联网M2M标准建设
感知矿山物联网必须是一个开放式的网络, 以便于各种服务提供商和第三方为煤矿提供各种各样的服务。同时也为煤矿今后不断增长的需要提供可能。因此, 感知矿山物联网建设过程中, 标准建设是非常重要的。这也是感知矿山物联网有别与煤矿综合自动化系统建设的地方。
感知层综合业务服务。无线覆盖网络必须能为井下所有移动物体提供感知服务, 包括各种设备、人员、环境及工况监测等等, 真正实现物与物相联。随着感知层应用的扩大, 多个系统共同组成物与物相联的WSN网络, 这些系统可能是由多个厂商来实现的。因此需要解决如标准化、服务发现、移动Agent等问题, 使感知矿山从开始就向着标准化的方向发展。这就需要各层之间的M2M标准, 以适应设备层的移动。感知矿山M2M标准主要是8个接口规范。
接口1:为服务提供商或第三方提供应用服务。
接口2:为煤矿各种子系统远程监控提供标准接入。
接口3:为各类信息集成用户提供接口, 主要基于XMLWeb服务。
接口4:接入工业以太主干网的接口, 与OSI低三层相关。
接口5:支持各种接入的物体, 其包含OSI高四层的功能。包括描述对象的本体, 将动态的反映不同应用对信息的共同理解。是M2M平台的核心内容。
接口6:支持WSN等无线感知方式及协议。
接口7:支持煤矿有线子系统的接入。
接口8:支持WiFi无线感知方式及协议。
摘要：介绍物联网的基本概念, 指出目前物联网应用中存在的问题, 这些问题提醒我们, 在感知矿山物联网建设中不能照搬地面应用模式, 否则我们将会面临新的信息孤岛和子系统问题孤岛。在此基础上讨论了感知矿山物联网平台的作用与意义, M2M平台的构成。
关键词：物联网,感知矿山,体系架构,M2M平台,标准
参考文献
[1]张申, 丁恩杰, 赵小虎等.数字矿山及其两大基础平台建设.煤炭学报, 2007.
物联网改变执法 篇9
可以说，物联网不仅能提升执法人员的办案能力，还能加强责任感和公共安全，已成为一种切实可靠的解决方案。
下面这几个案例可以表明物联网产品和服务给执法界带来的影响。
Yardarm Technologies
最近一家名为Yardarm Technologies的初创企业颇受关注。其智能枪支概念配备了方向感应器、陀螺仪、无线GSM和蓝牙低功耗技术，每当枪支开火，它都会监测并记录数据。
Yardarm是一家加州武器技术研发创业公司，从面向消费者市场的“智能”枪支做起，几经战略转型，升级成为现在这套面向军队、警察、安保以及私营军事公司的智能枪支“云”管理系统 。
警员使用武器时，这项技术能同时确保警员的安全性和透明度。传感器和定位装置可以跟踪枪支的方位以及确切的开火时间，有助于在警员使用武器时消除部分神秘性，还能自动发送警报，通知调度员及其他警员具体何时提供支援、哪里需要支援。
而所收集的数据经加密后会发送到Yardarm的云（RTCC），然后由警方的定制软件加以处理，警方可以针对自己的具体要求来设计该软件。通过RTCC，监控者可以查看手枪的所在位置、手枪内是否有弹匣、手枪是否和警员分开，以及通过内置的传感模块提供的大致的射击方向。加利福尼亚州圣克鲁斯和得克萨斯州卡罗尔顿的警察部门已经在开始测试这项技术。Yardam计划在2015年年初正式推出该技术。
其实，该技术诞生的也是有背景事件的。2014年8月，美国密苏里州弗格森一名18岁男子在警察执法过程中遭到枪击导致身亡。由于警察自己以及周边单位没能够提供枪击发生时拍摄的视频，民众对于警察执法权利产生了非常强的不信任，最终导致大量民众聚集在弗格森进行抗议，一些民众在白宫网站上发起请愿，要求强制执法者在执法时配搭相机，从而能够在出现类似事件的时候提供足够的证据。
给每一位警官都配上GoPro或类似的可穿戴式执法记录仪并非难事，事实上美国警察的巡逻车中都已经配备了执法记录仪。而Yardarm的解决方案则为执法者提供了另一种思路。这样一来，警察、军队等有大规模枪支管理需求、并且可能会遇到类似争议的组织，就可以利用RTCC来统一对枪支进行管理了，能够随时监控枪支状态，还能避免随身携带GoPro等附加设备的麻烦。
实时监控枪击
ShotSpotter系统由一家名为SST的公司研发而成，它依赖安装在整个城市、小镇或大学校园的众多联网麦克风，可识别枪支在公共场所何时开火，帮助警方找出开火的枪支可能在哪里。该公司表示，这些麦克风可以覆盖多达10平方英里的范围，旨在测量“本质上是爆炸声的音量大小”。麦克风将听到枪响时记录的数据发送到警察部门的计算机上，然后计算机计算枪声传到麦克风所用的时间，从而估算出枪支方位。
对警方来说，这项技术意味着调查人员不会只接到来自目击者的枪击报告，有望帮助警员更迅速地锁定作案中的枪手的位置。该技术有望推动长远变化，在地图上标出枪击事件在哪些地区频发。目前，这一项技术已经部署在美国的几个主要城市，包括加利福尼亚州奥克兰、威斯康星州密尔沃基和印第安纳州南本德。奥克兰市长Jean Quan表示，“奥克兰市在2013年美国各大城市凶杀案中降幅最明显，这一部分要归功于该市部署了ShotSpotter。”
可穿戴设备
目前，一些警察部门已开始测试谷歌眼镜，看其是否有助于执法工作。近日有消息称，迪拜警方已向广大警员发放谷歌眼镜，与警方自己定制开发的面部识别软件配合使用。
有些人认为谷歌眼镜太贵（每付1500美元），可能不适合执法领域，为此摩托罗拉已开发出了机械战警式的HC1头戴式电脑。该设备配备降噪麦克风和耳塞系统，让那些处于密集人流或其他嘈杂环境中工作的人可以清晰地沟通。如果用户需要获得身边区域的全部视野，可调整微型显示屏，显示屏还能响应语音命令，启动文档或应用程序。
佩带在身体上的摄像头似乎即将成为全美警员的必备装置，有些摄像头可以将视频直接发送到云端数据库。密苏里州弗格森镇的一线警员已开始佩戴摄像头。而一项向白宫请愿的活动呼吁出台《Michael Brown法》，要求各个级别的警员必须佩戴摄像头，目前已有15.7万多人签名。
矿山物联网 篇10
1.1 背景
人们普遍认为煤炭属于高危险行业, 发生事故是必然的, 但是如果从业人员在工作中处处按照标准、规程作业, 把事故发生率降到最低、甚至实现零事故, 那么矿山发生事故就是偶然的, 而不发生事故是必然的, 这就是一般意义上的“矿山本质安全”。矿山本质安全的实现不仅要靠管理, 还需要依靠先进的科学技术手段, 科技手段和管理手段已并列成为支撑矿山企业安全水平的两大基础。
随着我国科技兴安战略的逐步深入, 对矿山安全生产工作和安全信息化水平提出了新的、更高的要求, 目前我国安监部门正以科技兴安战略为牵引, 以大力发展物联网技术为契机, 全面推进矿山安全生产信息化建设, 充分发挥物联网技术在源头防范、事故预防等方面的技术支撑作用, 通过各种感知、信息传输与智能处理等先进的物联网技术, 实现矿山安全生产管理的可视化、数字化及智能化, 实现从监测监控向“超前感知”方向发展, 从被动式安全向主动式安全转变。
目前基于设备安全感知开展矿山本安物联网建设已具备了较好基础。自1990年起我国对矿用设备就实施了安全标志管理制度, 矿用产品安全标志管理已成为贯彻国家安全生产法律法规、标准规范的有力手段, 强化安全生产源头管理和过程控制的有力措施。矿山企业也具有相当的设备管理意识, 大型矿山企业均制定了一系列的规章制度, 这些都为基于设备安全感知的矿山本安物联网的建设奠定了良好的基础条件。
1.2 基于设备安全感知的矿山本安物联网的概念
1.2.1 基于设备安全感知的矿山本安物联网的概念
在矿山本质安全中, 物指的就是设备、设施等硬件, 是矿山生产力的重要组成部分, 是矿山企业进行生产的物质基础。设备、设施等硬件状况的好坏, 将直接影响矿山企业的安全生产。我国因设备原因导致的矿山安全生产事故的比例一直居高不下, 这就要求国家监管部门、矿山企业需要从源头管控上将物的不安全状态消灭在萌芽阶段。物的不安全状态包括设计、制造和使用三个阶段, 消除物的不安全状态就要从以上三个方面着手解决。
因此, 基于设备安全感知的矿山本安物联网是充分借助RFID技术、自动控制、通讯、计算机技术、信息技术和现代管理技术, 把矿用设备的生产、采购、使用、维修、报废等环节集成在一起作为一个整体进行监控与管理, 利用前端多途径设备感知和后台大规模信息智能处理的方式, 基于网络传输平台将矿用设备“物物相连”的综合智能感知系统, 是一种新的矿用设备管理模式。基于设备安全感知的矿山本安物联网的提出, 是从强调以技术为核心到强调以技术为安全生产服务为核心的一种转变。
1.2.2 基于设备安全感知的矿山本安物联网的特征
基于设备安全感知的矿山本安物联网应该具备三个特征:一是全面感知, 即利用RFID、传感器等技术随时随地获取矿用产品的信息;二是可靠传递, 通过各种网络与互联网的融合, 将矿用产品的信息实时准确地传递出去;三是智能处理, 即利用云计算, 模糊识别等各种智能计算技术, 对海量的数据和信息进行分析和处理, 对矿用产品实施智能化的管理。基于物联网技术, 可以真正地实现矿用安标设备“产、运、发、用、修、废”全生命周期环节上的信息化和自动化, 建立矿用产品使用安全隐患排查、整治、监测、预防、监控一体化的管理模式, 从而达到矿用设备管理精细化、使用安全合理的目的。 (见图1)
2 矿用设备管理的基础及现状及管理需求
2.1 我国矿用产品执行安全标志管理制度的情况
为彻底改变我国煤矿矿用产品的安全管理状况, 我国自1990年起对煤矿用设备、材料、仪器仪表执行安全标志管理制度, 为保障这一制度的实施, 原能源部、原煤炭部、原国家经贸委、国家煤矿安全监察局制定了一系列的管理规定。自1990年煤矿矿用产品执行安全标志管理制度以来, 安全标志已成为鉴别合格产品和使用安全产品的重要依据。煤矿矿用产品执行安全标志管理制度, 为煤矿安全生产起到了十分重要的作用, 自1992年以来煤矿的多起重特大恶性事故中, 未发现一例是由已获安全标志的产品造成的, 安全标志管理制度在煤矿用产品生产企业和煤矿用户中有很高的权威地位。
2.2 矿用设备管理中遇到的问题
2.2.1 矿用设备未实现全生命周期管理, 无法为监管监察提供全流程数据支撑
近年来全国各地、各矿山相继建设本省、本市、本地区、本行业的物联网示范工程, 这些示范工程容易出现建设范围较小、建设内容不统一、信息交互较少或没有信息交互等问题, 这不仅不一定能满足生产管理的需要, 同时也不利于监管部门统一监管。
矿用设备全生命周期的环节包括设备生产、设备采购、设备运输、设备仓储、设备使用、设备维护、设备报废等环节。虽然目前各方资料、文献和改建工程中都提到矿用设备全生命周期管理, 但因没有牵头部门监管, 各部门只关注自身管理的数据, 没有形成真正的矿用设备全生命周期环节数据闭环, 不能有效的监管部分提供监管及决策数据。
2.2.2 矿用设备安全管理标志的真伪难辨
目前矿用设备安全管理标志, 均为铜质金属标牌, 易被复制造假, 矿山企业采购、检验部门难以有效判断安标设备的真实性, 可能导致假冒安标产品投入到矿山使用中, 埋下安全隐患。
2.2.3 矿用设备生产环节, 设备质量监管信息非闭环管理
目前在矿用设备生产环节中设备质量监管, 信息获取非闭环管理, 有些取得安全标志的生产单位, 擅自降低产品生产标准、降低生产条件或修改产品设计, 不按安全标志管理规定从事煤矿矿用设备的生产, 监察部门无法及时在生产环节获取这类不合格产品信息, 使得不合格矿用设备流入市场, 造成不安全隐患, 极易导致事故发生。
2.2.4 对矿山企业使用非标设备缺乏技术手段监管
个别矿山企业对某些安标设备识别度不够, 或使用国家明令淘汰和禁用的矿用设备, 不重视安标产品与普通产品差异, 采购无安全标志的产品, 导致使用不合格产品引发重大事故。而监管部门没有技术手段及时有效获取矿山企业采购、生产数据, 难以发现个别矿山企业使用非标设备进行生产。
2.2.5 矿山企业安标设备老旧, 未按要求定期检测、校验
目前我国部分矿山企业所使用的安标设备是在20世纪八九十年代投入使用的。虽然已经有部分国有大中型煤矿对这些设备进行了升级改造, 安装了新一代数字化的矿用设备, 但大多数煤矿还在使用老式的设备和机器, 如果不定期、按时进行设备的检查和维护就容易造成安全事故。
2.2.6 无法全面掌握矿用设备维护信息和状态信息, 难以做到有效监督
随着煤矿开采机械化程度的提高, 设备种类、型号增多, 规格加大, 对设备使用情况日常维护和修理提出了更高的要求, 目前设备使用情况主要存在以下问题。
(1) 设备状况信息获取不及时:矿山企业对老旧设备状态信息隐报、瞒报, 监管部门不能及时获取上述信息不及时, 不能及时处理, 是发生事故隐患。
(2) 设备检修不到位:设备陈旧再加上煤矿职工整体素质不高, 没有按规定时间进行检查、检修, 日常维护保养, 所以对设备的检查维修只能是哪坏修哪。
2.2.7 缺少矿山设备故障预知手段
因为缺少有效的预知手段, 又由于煤矿井下环境复杂, 造成设备的故障率都比较高, 而设备一旦发生故障, 再去维修或者是定期去维修, 都会造成巨大的经济损失和人员伤亡。目前矿山所采用的机械设备管理的好坏、安全设施配备是否齐全、设备维护及设备运行情况好坏等都没有较先进技术手段进行提前预知, 不能在事故没发生时就发现并处理。
2.3 矿用设备安全管理的需求
2.3.1 源头管理, 隐患排查
通过基于设备安全感知的矿山本安物联网的建设, 加强对矿用产品安全许可标志的有效防伪和深度管理, 防止可能给煤矿安全带来隐患的产品进入煤矿生产过程, 从矿用设备的源头上防止煤矿灾害的发生。
依托矿用设备安全标志, 利用先进传感设备、网络传输技术获取设备生产信息和运行状态信息, 以人工隐患排查为主, 系统自动排查为辅的方式, 为矿山企业和政府部门提供综合检查、专业检查、季节性检查、节假日检查、日常检查等多种隐患排查手段。对排查出来的事故隐患, 根据隐患等级、类别登记、建档, 详实分析, 并采取有针对性的措施及时处置, 保障煤矿工人的生命安全与健康, 促进煤矿安全生产。
2.3.2 有效跟踪, 掌握流向
矿用设备从生产、采购、运输、使用、维修、报废所经历的全部过程都应纳入监管流程, 对设备由生产开始直到设备报废的整个过程开展管理, 形成矿用设备的全生命周期有效跟踪和管理。从设备生产环节开始采集生产基础信息, 约束生产企业严格按照标准生产, 避免企业降低生产条件或修改产品设计, 不按安全标志管理规定从事煤矿矿用产品的生产。通过安全标志RFID标签控制安标设备生产总量, 确保每台设备全生命周期都在安监局监管范围内。
2.3.3 超前感知, 防患未然
由于矿山环境复杂, 造成设备的故障率比较高, 而设备一旦发生故障再去维修会造成较大的经济损失, 同时还可能造成人员伤亡使矿山蒙受巨大损失。为切实加强矿山企业的设备事故管理, 必须通过对设备状态的监测和诊断, 及早了解设备故障症兆, 实行预防维修, 做到防患于未然, 最大限度地减少设备事故, 提高设备的运转周期和可靠性, 以期实现设备全生命周期最经济、最高效的目标。在提高安全程度的基础上做到“预测、预知、预警、预报、预防”, 实现设备的超前感知。
2.3.4 科学查处, 完善标准
基于设备安全感知的矿山本安物联网的建立, 加强技术装备、人力升级, 实现事故排查、发现、处理、查处的科学化、自动化、及时化。确保在事故发生后使用科学手段快速发现事故原因, 并快速响应处理。对事故相关信息 (发生原因、发生地点、发生时间、处理方式、事故印象等) 进行有效整合、处理记录到数据库中。系统根据大量的事故数据, 对事故进行分类处理。针对不同类型的事故总结相应教训、处理方式。对于因管理漏洞的产生的事故, 管理部门可通过系统提供的数据、信息等资料完善现有法律、法规及标准, 为预防事故、事故处理提供法律依据。
3 国内外现状
3.1 徐州“感知矿山”物联网示范工程
2011年9月, 徐州夹河矿成功建设我国首个“感知矿山”物联网示范工程, 工程的主要建设内容包括矿井信息化改造和矿山物联网建设, 利用无线传感器网络建立覆盖煤矿井下, 并与千兆工业英特网相结合的无线自组网系统, 通过设备工况监测监控、灾害环境信息监测、人员定位、机车管理、语音通信、工业电视等, 形成完善的无线感知平台。
3.2 南非采矿业利用R F I D技术管理矿用设备
作为南非最大的电子公司之一Allied Electronics公司的分公司, Willard Batteries公司, 通过为矿灯配备RFID标签, 可以对矿灯的使用以及维护情况进行跟踪。该技术也能够跟踪使用者以及他们的进出矿井情况 (见图2) 。
3.3 澳大利亚利用R F I D提高采矿业安全水平
“NL科技” (NL Technologies) 是加拿大一家专业矿业地下照明与数字通信设计制造商, 它准备利用433 MHz主动式RFID标签追踪和管理地下作业的矿工和车辆。NL科技采用的主动式RFID标签利用矿工戴着的用于矿帽顶灯供电的电池供电, 每个标签的唯一识别码在NT科技开发的“北部数字照明软件套装” (Northern Light Digital Software Suite) 中与各自的矿帽灯关联。这种标签也可以安装在矿井内的运输车辆上, 用以监控车辆的位置。
3.4 A CT申请美国产品煤安认证欲在采矿业大展拳脚
Active Control Technology Inc;ACT) 正向美国煤矿安全和健康工作组 (MSHA) 申请A c t i v e M i n e产品的煤安认证。Active Mine是一套完全无线化 (Wi-Fi) 网络的煤矿双向通讯和定位系统。A C T已正式向MSHA申请他们有源RFID Wi-Fi标签的煤安认证。RFID Wi-Fi标签是Active Mine系统组成部分, Active Mine系统用于精确、实进追踪人员或资产。
4 系统设计
4.1 系统总体设计
总体架构的设计思想遵循平台化、组件化设计理念, 通过在底层软硬件环境上搭建构件化软件平台, 系统平台向应用系统提供基础服务和通用的应用服务, 可实现安监部门的信息系统横向联动, 系统管理与业务应用的无缝集成, 提高基础设施的标准化, 消除信息沟通的空间障碍, 以统一的门户平台为用户提供服务, 实现安全生产信息化服务的集中式协调调度和分布式管理运作的目的 (见图3) 。
4.2 业务信息流设计 (见图4)
安标设备生产企业向安标中心申请安标授权, 安标中心向生产企业提供授权及电子芯片。生产企业完成授权标签制作和RFID信息关联, 并把管理信息传输至数据中心。同时安装安标标签的设备生产、采购、运输、仓储、发放、报废全生命周期管理信息传输数据中心并与安标标签上的RFID进行信息关联, 关联完成信息传输至巡检系统作为手动巡检及智能巡检的基础数据。巡检后数据传输至数据中心, 以备信息统计、查询, 决策支持。数据中心通过将采集的数据进行上传同步, 完成一次采集多部门共享。
4.3
系统部署设计 (见图5)
4.4 安标设备传感网设计
传感器是各种信息系统获取信息的重要途径。通过RFID, 感知查询设备的基本信息;如设备的使用寿命、使用环境指标等) ;通过一系列专业感知设备;如温度传感器等) 监测设备的运行环境;通过摄像头、相机等视图工具实时查看设备的运行状况。通过全方位建立感知系统, 为监管人员做出合理决策提供依据。
由矿区内网、互联网、安监专网、安监局内网组成安标设备监管数据传输网络, 实现安标设备在生产、运输、使用、存储、报废的全生命周期中产生的设备基础信息、设备采购信息、物流仓储信息、运行状态信息、运行环境信息、设备报废信息的共享和传递。为矿区安全保障系统和安标设备监管系统等提供网络支撑。当发生矿难或因其它原因导致灾区网络无法联通时, 通过卫星通讯等技术进行信息传输, 保障安监工作及应急救援工作的顺利进行 (见图6) 。
4.5 应用支撑服务平台设计
安标设备物联网应用支撑服务平台主要包括安标设备信息基础库和基础运行支撑平台。应用支撑服务平台主要基于以下几点建立:
(1) 安全保障体系和标准规范体系的建立;
(2) 数字化和物联网等最新技术, “云存储+云计算”模式;
(3) 与已建应用系统的业务协同。
4.6 应用方案设计
基于设备安全感知的矿山本安物联网利用矿用设备安全标志管理制度, 以矿用设备安全标志为技术纽带, 对获得安全标志的矿用产品加上RFID电子标签, 并将安全标志信息与产品进行关联, 从而形成矿用产品的唯一电子标识。通过此电子标识打通安标设备生产、采购、仓储、使用、维修、报废的全生命周期管理, 通过RFID、视频、多媒体传感等物联网技术实现对重要矿用安标设备的有效巡检和智能监测, 实现对设备运行状态、维修和保养的掌控。利用数据挖掘、三维GIS等信息技术实现多种模式的安标设备状态展示及数据分析, 实现矿用产品使用事故的隐患排查、整治、监测、预警的综合性管理, 为监管部门、中介机构、矿山企业等用户提供有效服务。
5 结论
物联网技术是当前我国大力推广的智能监控技术, 其应用范围越来越广泛, 该项技术在矿用设备安全管理中的广泛应用将能够有效地解决我国煤矿安全生产中的问题, 实现对矿用设备安全从监测监控向“超前感知”的转变, 实现矿山安全生产从被动式安全向主动式安全的转变, 全面提高我国煤矿安全生产的信息化管理水平。
摘要：煤矿安全生产是当前全社会关注的焦点问题, 利用物联网技术实现矿用设备“物物相连”的综合智能感知, 是一种全新的矿山安全生产管理模式。本文探讨了基于设备安全感知的矿山本安物联网的设计与实现方法。
关键词：物联网,RFID,矿山本质安全,智能监控,智慧矿山
参考文献
[1]基于物联网的智慧矿山安全生产模型研究[J].信息工程, 2012 (10) .