智能氣礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究

金琦 夏金龍 楊崴 王妍蘇 韓霄杰 劉佩鑫

摘要：氣礦是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，智能氣礦概念自2010年在國(guó)內(nèi)興起，即刻在礦業(yè)界引起極大震動(dòng)。我國(guó)氣礦技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了原始階段到機(jī)械化，再到數(shù)字化，現(xiàn)在正全力向智能化邁進(jìn)，然而在該領(lǐng)域自動(dòng)化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究還處于空白階段。因此，想要提高氣礦行業(yè)的信息化水平和氣礦企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力，進(jìn)一步提高工作效率，需要充分借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的支撐。本文首先介紹氣礦的相關(guān)內(nèi)容，再分析目前存在的問(wèn)題，最后論述自動(dòng)化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣礦行業(yè)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);射頻識(shí)別;無(wú)線傳感網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP311 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）32-0124-02

Research on Application of Intelligent Gas Mineral Network

JIN Qi， XIA Jin-long， YANG Wei， WANG Yan-su， HAN Xiao-jie， LIU Pei-xin

（Southwest Petroleum University， Chengdu 610000， China）

Abstract： Gas ore is an important resource for social and economic development and the concept of intelligent gas mining has been rising in China since 2010， which immediately caused a great shock in the mining industry. The development of China's gas mining technology has gone through the primitive stage to mechanization and then to digitalization. Now it is moving forward to intellectualization with all its strength. However， the application research of automation technology and Internet of Things technology in this field is still in the blank stage. Therefore， in order to improve the information level of the gas mining industry and the competitiveness of gas mining enterprises， and further improve work efficiency， it is necessary to make full use of the support of Internet of Things technology and automation technology. This paper first introduces the relevant content of gas mining， then analyzes the existing problems， and finally discusses the specific application of automation technology and Internet of Things technology in the gas mining industry.

Key words： automatics; internet of things; radio frequency identification; wireless sensor network

物聯(lián)網(wǎng)在采礦業(yè)上的應(yīng)用率先出現(xiàn)在國(guó)外，2002年芬蘭科學(xué)家佩卡普基在APCOM發(fā)表了名為“智能氣礦及其實(shí)現(xiàn)”的論文，其介紹了芬蘭、美國(guó)、加拿大等國(guó)家在智能采礦技術(shù)方面的成果。通過(guò)論文介紹，可以看出發(fā)達(dá)國(guó)家的采礦業(yè)已經(jīng)向智能化全方位推進(jìn)，并取得了高效率、高安全的業(yè)績(jī)。在國(guó)內(nèi)，智能氣礦概念于2010年興起，隨即在礦業(yè)界引起極大震動(dòng)，許多氣礦、設(shè)備研發(fā)制造廠家、科研單位和大學(xué)紛紛推出了各自對(duì)智能氣礦的理解。山東省更是明確將建設(shè)智慧氣礦定為基本省策，并制定了一系列建設(shè)智能氣礦的規(guī)范、規(guī)定，成為智慧氣礦省的首創(chuàng)。

1 存在的主要問(wèn)題

（1）國(guó)內(nèi)在氣礦物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)卡方面的研究起步較晚，技術(shù)還未成熟，標(biāo)識(shí)過(guò)程未能與管道、礦燈緊密結(jié)合，且標(biāo)識(shí)卡功能較單一，無(wú)法適應(yīng)井下復(fù)雜多變的環(huán)境。目前市場(chǎng)上的標(biāo)識(shí)卡一般是基于RFID、WSN等技術(shù)，未能將多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，導(dǎo)致定位精度不高，數(shù)據(jù)傳輸距離過(guò)短。

（2）智能控制方面。智能控制的思想出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，但是早期的智能控制系統(tǒng)采用初級(jí)的智能方法，如模式識(shí)別和學(xué)習(xí)方法等，發(fā)展速度十分緩慢。而具有高度的非線性和復(fù)雜的任務(wù)要求以及不確定性的數(shù)學(xué)模型是智能控制研究對(duì)象的主要特點(diǎn)。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)可根據(jù)被控動(dòng)態(tài)過(guò)程特征識(shí)別、學(xué)習(xí)并組織自身的控制模式的智能控制器，以改變控制器結(jié)構(gòu)和調(diào)整參數(shù)，使其具有多模式、變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)等特點(diǎn)。

2 自動(dòng)化氣礦技術(shù)

自動(dòng)化氣礦技術(shù)是通過(guò)提高電氣設(shè)備與機(jī)械的自動(dòng)化水平，使用于輸送、采掘的機(jī)械設(shè)備和其他設(shè)備可以長(zhǎng)時(shí)間脫離人員的操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。自動(dòng)化氣礦的建設(shè)，一是縮短了工人在停留在井下的時(shí)間;二是使氣礦的生產(chǎn)效率得到了提高;三是保證了人身安全、設(shè)備安全、平穩(wěn)供氣及保護(hù)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展提出的數(shù)字化氣礦理論推動(dòng)了氣礦的信息化進(jìn)步，經(jīng)營(yíng)管理、建井施工、集合地質(zhì)勘探、安全生產(chǎn)、規(guī)劃設(shè)計(jì)的全過(guò)程，不但成功實(shí)現(xiàn)了信息共享，避免了信息孤島的出現(xiàn)，還使供電、通風(fēng)、掘進(jìn)、運(yùn)輸、給排水等生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程更加具體，完成了物與人的遠(yuǎn)程交流。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、無(wú)線傳感網(wǎng)WSN（Wireless Sensor Network）等技術(shù)，全面感知油氣田設(shè)備、設(shè)施等實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)信息，并與網(wǎng)絡(luò)相互連接進(jìn)行通信和信息交換，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化管理、定位、監(jiān)控、識(shí)別和跟蹤，提高油氣生產(chǎn)效率和決策能實(shí)力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提升安全保障水平。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能氣礦建設(shè)主要是將氣礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，提出氣礦的數(shù)字氣礦智能化體系的應(yīng)用，并最終在油氣礦產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)脫離人為操作的物-物交流。某氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了設(shè)備、儀表的基本臺(tái)賬、儀表參數(shù)、圖片、手冊(cè)等動(dòng)/靜態(tài)信息管理，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)區(qū)日常工作規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)、查詢;實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，支撐了作業(yè)區(qū)日常巡檢、問(wèn)題提報(bào)、臨時(shí)任務(wù)、檢修維護(hù)、屬地監(jiān)督等任務(wù)制定、下達(dá)、跟蹤、評(píng)價(jià)、總結(jié)的閉環(huán)管理流程。

4 智能氣礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用流程

（1）基于射頻識(shí)別（RFID）、無(wú)線傳感網(wǎng)WSN（Wireless Sensor Network）等技術(shù)，通過(guò)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)上加裝智能多元傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的自動(dòng)計(jì)數(shù)。

（2）利用集成了模擬信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)采集和無(wú)線數(shù)據(jù)通信于一體的高性能測(cè)控裝置的智能信息采集終端完成模擬信號(hào)的采集、量值轉(zhuǎn)化等。

（3）一方面使用手持終端掃描設(shè)備RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)或者3G/4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。另一方面依靠HART數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集設(shè)備動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)井場(chǎng)及井口RTU/PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚，并借助生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

（4）通信業(yè)務(wù)利用三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在上述兩個(gè)環(huán)網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由（OSPF）尋址，從而保證通信傳輸?shù)目煽啃?，滿足井場(chǎng)無(wú)人值守生產(chǎn)的需要。

（5）利用無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線工況的實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及多種形式的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

（6）為了實(shí)現(xiàn)物-物互聯(lián)的目標(biāo)，使感知層與應(yīng)用層各個(gè)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)更高效的互聯(lián)互通，在應(yīng)用層前設(shè)計(jì)一種方便的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。將物聯(lián)網(wǎng)信息采集、處理、傳輸、挖掘、分析技術(shù)應(yīng)用于氣礦機(jī)械制造與氣礦生產(chǎn)管理，將新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械制造工藝緊密融合，顛覆傳統(tǒng)的粗獷型生產(chǎn)及管理模式，讓設(shè)備具有自我感知、自動(dòng)控制、故障預(yù)警報(bào)警等智能化功能，整條生產(chǎn)流水線具有負(fù)荷自動(dòng)協(xié)同功能，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)線的目的。

5 結(jié)論

綜上所述，本文介紹了智能物聯(lián)網(wǎng)氣礦應(yīng)用研究，主要通過(guò)射頻識(shí)別、無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)加裝智能多元傳感器全面感知設(shè)備設(shè)施等實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)信息，并與網(wǎng)絡(luò)相互連接進(jìn)行通信和信息交換，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化管理、定位、監(jiān)控、識(shí)別和跟蹤，提高油氣生產(chǎn)效率和決策能力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全保障水平。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】

收稿日期：2021-04-12

作者簡(jiǎn)介：金琦（2000—），女，四川資中人，西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù);夏金龍（1999—），男，四川廣安人，西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：物聯(lián)網(wǎng)工程;楊崴（2001—），男，四川成都人，西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：軟件工程;王妍蘇（2000—），女，四川南充人，西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù);韓霄杰（2000—），男，山東東營(yíng)人，西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：軟件工程;劉佩鑫（2000—），男，四川資陽(yáng)人，西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：軟件工程。