物联网在煤矿中的应用现状及展望*

赵 炬，吴佩利，孟 然

(1.陕西能源职业技术学院 煤炭与化工产业学院，陕西 咸阳 712000；
2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

由于开采深度的增加，地应力、瓦斯突出等对煤矿安全生产的影响日益突出[1]，对保证煤矿安全生产，促进煤矿信息化发展十分重要，物联网作为信息时代的产物，虽然在我国出现较晚但受到高度的重视，国家应急管理部曾指出加快矿山物联网的建设，对提升煤矿安全监管和事故防范能力至关重要[2]。随着物联网在矿区的投入使用，实现了井下多源信息的采集融合，在一定程度上缓解了井下信息孤岛的状态，而且物联网所具备的信息的实时采集传输能力，实现管理人员对煤矿信息更加全面、准确、实时地了解[3]；
对及时发现排除事故隐患，制定相应防灾减灾措施等提供强力的保障。

物联网(Internet of Things，IoT)概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出[4]，早期的物联网是指依托射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术和设备，按约定的通信协议与互联网相结合，使物品信息实现智能化识别和管理，实现物品信息互联而形成的网络[5]。随着科技的发展，物联网得到了加强和完善，它的定义也出现了许多不同的版本。总体来说，物联网可以概括为：通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或者将生产生活过程中所需要的各类信息进行采集分析，通过各种可能的网络接入，实现物与物、物与人的连接，从而实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网的主要技术见表1。

表1 物联网主要技术介绍

物联网主要包括3个层次：感知层、网络层、应用层[6]。感知层是物联网应用、发展的基础，主要功能是帮助人们获取物理世界的各类信息，例如对外界环境压强、气压、温度、湿度等信息的采集，并通过对这些信息的采集，实现对物体的识别和与物体相关的各类物理信息的感知。网络层主要用来实现更加广泛的互联功能，它建立于现有的通讯网和互联网之上，它能够将感知层收集到的信息进行无障碍、高可靠性、高安全性的传输。随着通信技术的快速发展，网络层的服务能力也越来越强，其稳定高速的传输能力确保了感知层采集信息的时效性、稳定性，对于物联网的构建是不可缺少的一环。应用层是物联网的核心与发展潜力的关键，它的作用在于对采集的信息进行处理、分析，然后根据使用者的需要将这些信息应用到不同的方面[7]。

2.1 物联网在矿井设备管理中的应用

矿井设备在煤矿安全生产中占据着十分重要的地位，是煤矿生产的重要保障，井下设备一旦出现问题，轻则停产，重则可能导致严重的事故，造成大量的人员伤亡和财产损失，所以对井下设备的监测监控十分重要。传统的监控检测存在着不全面、实时性差、设备之间独立检测信息不互通等问题，通过物联网的使用不仅实现了对设备的全面监控，而且可以将设备进行统一管理，在加强对设备监测能力的同时，还提高了设备的管理效率，实现设备的协同管理，达到降低能耗和延长设备使用寿命的效果。设备信息的及时获取如图1所示。

图1 设备监控系统示意Fig.1 Schematic diagram of equipment monitoring system

潘文忠[8]针对了人工检测往往对井下机电设备发生故障的部分不能做出精准的判断，提出利用物联网技术对设备实行全面监测，并指出通过物联网的全面监测，及时对设备进行维修，不仅可以降低维修成本，更能减少因设备故障引起的事故，在一定程度上保证了人员生命安全和提高了矿井的安全程度。刘杨等[9]论述了基于RFID射频技术的智能矿车和智能矿灯的研究，提出了利用物联网中的RFID射频技术和信息传输技术，使矿方可以精确地了解井下矿车的数量和所在位置。李敬兆等[10]提出了通过物联网对矿山大型机电设备协同管理，不仅提高了设备的使用效率，而且减少了机电设备在生产过程中的耗电量。

2.2 物联网在矿井人员管理中的应用

矿工作为煤矿生产的主要参与者，保障他们的安全不仅是国家以人为本的要求，也是企业长期稳定发展的保障，所以对人员的管理一直是煤矿企业的重点工作之一。由于生产工作面远离地面且工作环境复杂，人员管理方面一直存在着考勤困难、违章操作发现不及时、人员信息获取难等问题，通过物联网的引入，使得人员的身份信息、位置信息、身体状态等信息，可进行及时获取和处理，降低了人员管理的难度，同时加强了管控力度，大大减少违章操作行为的发生，具体如图2所示。

图2 人员信息识别系统Fig.2 Personnel information identification system

王亚琴等[11]结合国内外RFID技术的研究经验，利用物联网中的RFID技术与CAN总线相结合设计了井下人员定位系统，可以实时收集井下人员信息，在一定程度上给井下从业人员提供了生命安全的保障。韩臻[12]描述了亭南煤业使用有源和无源的RFID卡来实施人员定位与考勤，从一定程度上减少了代刷的发生，增加了考勤的准确度。孙继平[13]利用物联网对特种作业人员是否持证上岗和是否有权进行操作进行监控，将作业人员的证件编号与姓名、人脸或虹膜等个人信息绑定，在作业人员入井时可自动检查人员是否持证上岗，在其操作设备时，也可通过设备识别系统判断其有无权限，若无权限，禁止其进行操作并选择报警。

2.3 物联网在井下环境监控中的应用

由于井下的环境复杂多变，通常的监测手段往往是对单一信息的监测，且存在着传输的滞后性，这样导致得到的环境信息准确度不高，且信息无法得到充分的利用，物联网的引入实现多元监测，全面测得各类环境信息，及时上传统一处理，增加了环境信息的关联性，使得判断更加准确，同时及时地获取处理制定相应的政策,使得信息利用率得到极大地提升，工作原理如图3所示。

图3 环境监测系统示意Fig.3 Schematic diagram of environmental monitoring system

徐江陵[14]利用物联网技术进行井下瓦斯的监测与报警，当井下布置的瓦斯传感器检测出井下瓦斯浓度超标后，将检测到的信息发往报警系统，系统在数据分析的基础上进行风险判定，一旦得出当前瓦斯浓度已经达到事故设定的浓度时，立刻报警提醒井下作业人员。孙继平[15]在分析瓦斯爆炸事故的基础上，提出了利用物联网技术对矿井瓦斯实施多级监管，保证在煤矿一些防护措施未能发挥作用的情况下，上级管理部门可以对井下的信息有所了解，及时发现矿井中存在的安全隐患，并且针对具体情况制定相应的措施。王军号等[16]针对当前煤矿瓦斯监测数据存在着模糊、不精确等问题，提出将物联网感知技术应用到煤矿瓦斯监测中，除了对瓦斯进行数据采集外，同时对风速、温度、粉尘浓度等信息实施采集，然后利用信息融合算法，实现信息互补和协同感知。使得监测信息的精准程度得到了很大的提升，为煤矿的生产安全提供了更好的保障。

2.4 物联网在煤矿绿色发展中的应用

物联网的构建可实时监控在采煤过程中的各类消耗，同时可以监测排出有毒有害物质和污染物的量，加以控制达到节能减排的要求。何新洲等[17]针对环保问题提出了利用ZigBee技术与传感器，对温度、水质、有害气体等环境信息进行实时监控，并将监控数据反映到监控平台，实现节能减排、保护环境的目的。吴立新等[18]论述了基于数字矿山和矿山物联网的智能采矿技术，表示该技术不仅是提高生产能力和矿区的安全水平的保障，也是实现矿山可持续发展、绿色发展的基础。高彬等[19]基于物联网设计了物资管理系统，在矿用物资上装配RFID标签，通过网络传输实现对物资使用寿命、所处位置进行监测，从而减少物资的浪费。

2.5 物联网在应急救援中的应用

应急救援是煤矿事故的最后一道防线，是保障遇险矿工生命安全的重要工作。矿山事故救援的成功关键因素之一就是对井下灾区信息的充分准确掌握，其次就是信息的快速获取。传统手段存在着信息监测不全面，信息获取相对滞后等问题，使得救援过程中灾情信息存在一定的模糊性和难预测性。利用物联网技术，可以对井下各类信息实施全面采集、实时上传，可提高灾情信息获取的准确性、及时性，缩短救援的准备时间，提高决策的科学性和及时性，从而大大地提高救援效率。

西安科技大学郑学召等[20]总结了以往的矿山救援中存在的问题，提出了矿山救援需根据当时情况，灵活地选取并组合各种救援设备，并分析了RFID技术、ZigBee技术、Wi-Fi技术、UWB技术在人员定位方面的优缺点，为救援方面应用提供了指导。最后提出了煤矿探测机器人技术，不仅可以保证救援人员安全，同时还提高了救援效率。王吉龙等[21]提出在应急救援物品上装RFID的标签，这样一方面可以增强日常设备管理的效率，另一方面在发生事故时能准确地了解到设备的位置、状态，不仅提高了救援的效率，而且在一定程度上增强了应急救援的作用。

随着物联网的发展，在煤矿上的应用越来越普遍，体现出了非常大的优越性，但是在煤矿的应用中还存在着一些问题，一定程度上制约了物联网在煤矿上的发展。

3.1 多数物联网相关设备对煤矿复杂环境适应性差

当前市面上的物联网设备种类非常多，设备的功能基本可以满足矿山的要求。但是很多物联网设备在细节上存在着问题，如防爆、防尘等性能，将其应用在井下本身就存在着安全隐患，而且部分设备功能性单一，无法实现多种信息的同时采集，大量铺设既不方便，又增加成本。

3.2 矿山物联网信息安全性较差

随着矿山物联网的构建，大量的信息需要传输，信息泄露很可能对企业带来大量的损失。虽然许多商家也开始着眼于信息的保护，但是多数企业的逐利性导致物联网的信息安全不能得到重视[22]，推进缓慢，技术上的不成熟也是提高信息安全性的一个阻碍。

3.3 矿山物联网的相关标准不统一

矿山物联设备接口、通信协议等还缺乏一个统一的标准，导致各系统之间无法形成有效的信息联通、交互，“信息孤岛”现象无法得到根本上的解决[23]。物联网的性能不能充分发挥，它的优越性也不能得到充分体现，使得矿方在使用过程中无法达到预期的目的，严重制约了矿山物联网的发展。

3.4 物联网普及和利用率不高

部分煤矿企业领导对技术革新认识不清，缺乏应对的手段，更习惯于传统的煤矿发展模式[24]，对物联网的建设积极性不高。另外矿井从业人员素质参差不齐，有的人员对新技术的学习、使用缺乏动力，导致物联网的使用率较低，不能完全发挥矿山物联网的价值。

4.1 矿山物联网问题的解决对策

煤矿生产因政策、生产条件、市场需求的变动，其发展方式也发生着变革，物联网随着煤矿发展的改变越来越广泛地应用到煤矿生产中，物联网在煤矿应用中呈现良好的发展趋势。针对当前煤矿物联网应用中存在的问题，应加大生产厂商与煤矿企业的合作力度，使煤矿的技术人员参与到厂商的设备研发生产过程中，提出煤矿所需物联网设备的要求，让生产厂商按照要求进行研发生产，同时需要加强物联网相关人才队伍的建设，提高物联网相关技术的研发能力，保证可以按照要求生产出相适应的设备。在法律上进行严格要求，打击窃取信息的犯罪行为。聘用专业人才对信息进行加密处理，帮助企业构建防火墙，保证信息在传播过程中的安全性，对关键信息进行备份防止丢失，加强负责网络安全人员的管理，杜绝监守自盗。发挥政府的职能，与高校、科研机构、生产厂商进行协商，对各类标准进行统一规定，同时也要考虑生产企业的生存状况，对物联网生产厂商加大扶持力度，推进技术革新，保证物联网的发展，也是促进标准统一的重要保障。政府应引导企业，鼓励企业应用物联网技术，研发部门推动物联网技术的发展，推动矿山物联网的智能化，以及相关设备操作维护的简易化，同时企业开展员工培训，让员工了解、熟悉物联网相关设备的操作，做到设备能用、工人会用。

4.2 矿山物联网的研究展望

随着煤矿物联网的发展，相关技术、设备的更新，煤矿也朝着监控一体化、救援智能化、生产少人化的方向发展。

4.2.1 监控一体化

利用先进的传感设备构建人、机、环境的感知网络，保证对人、机、环境信息的实时采集，统一通信协议，增加各个监测系统间的信息交互，通过当前开发出的5G和光纤等先进的传输手段，保证信息的及时上传。结合数据融合、云计算、风险分级、WebGIS和一张图模式的展示等技术，构建统一的监控平台。不仅方便管理人员查看井下的各类信息，时刻了解井下的安全状况，而且通过平台建立、通信协议的统一使之前相互独立的人员、设备、环境信息结合成有机整体，可以更加科学精准地对井下的风险等级进行评估，及时发现隐患，减少事故的发生。同时可以将平台和广播系统、井下各类防灾装置相连接，在判断出可能发生事故时可以结合实时上传的人员、设备、环境和巷道信息，规划撤离路径，组织人员撤离，启动相应的防灾设备防止事故扩大，如图4所示。

图4 监控一体化示意Fig.4 Schematic diagram of monitoring integration

4.2.2 救援智能化

事故发生后迅速开展有效的救援行动对减少人员伤亡和财产损失有着十分重要的作用，井下信息的获取则是制定救援行动的重要支撑，当前关于救灾机器人的研究越来越多。可以将救灾机器人并入矿山物联网，将救灾机器人作为感知工具深入井下，构成灾后的感知层，同时通过便携式的有线/无线的通信设备保证信息传递和指导机器人的行动。利用统一的救灾平台，结合大数据、云计算、辅助决策系统，对采集的信息进行分析处理，并得出相应的救援方案，辅助救援工作的开展。在节省救援时间的同时增加了救援的科学性、准确性，使得救援工作可以发挥更大的作用。智能救援方案如图5所示。

4.2.3 生产少人化

当前自动化设备的应用越来越普遍，煤矿生产由于生产环境复杂、工作面随时移动因而需要各个设备之间更加紧密的配合，利用煤炭物联网，可以使各自动化设备的位置信息、设备状态等信息进行实时交互。结合AI智能随时协调各设备的生产状态，随时调整指令，使各设备之间配合更加密切，实现井下的自动化开采，从而减少煤矿的从业人员。

图5 智能救援Fig.5 Intelligent rescue

物联网在煤矿的应用，呈现着良好的发展状况，不仅大大提高了煤矿生产的安全程度，同时为煤矿的智能化发展奠定坚实基础。虽然当前物联网的应用还存在着相关设备适应性差、信息安全、相关标准不统一、人员观念滞后等问题，但是随着物联网的发展，厂商煤矿合作力度的加大，各类标准的规范、网络安全的提高以及人工智能的进步，物联网在煤矿上的应用也越来越普及，越来越完善。希望随着物联网的发展与完善，煤矿生产的安全程度可以得到进一步的提升，煤矿智能化生产可以早日实现。

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