物聯(lián)網(wǎng)在智能礦山建設(shè)中的應(yīng)用研究

丁鵬

安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)南山礦業(yè)有限公司 安徽 馬鞍山 243000

1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用架構(gòu)

1.1 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，特別是鐵礦、煤礦等特殊行業(yè)中，首先要全面了解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。其涵蓋的基本技術(shù)類型有：傳感器技術(shù)，它對實際場景的研發(fā)及精度有明確的需求。通常是應(yīng)用具有較高穩(wěn)健性的特種傳感器設(shè)備。標(biāo)簽技術(shù)，如RFID標(biāo)簽或二維碼檢測，已有效用于物體的識別。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它用于在物聯(lián)網(wǎng)上傳輸信息。傳輸系統(tǒng)對物聯(lián)網(wǎng)使用至關(guān)重要。內(nèi)部系統(tǒng)技術(shù)，用于數(shù)據(jù)的分析和處理，是綜合了計算機(jī)與軟件設(shè)備、傳感器、集成電路等的復(fù)雜技術(shù)。如把物聯(lián)網(wǎng)比喻為人體，那智能傳感器就如同人類的感官一樣，對傳遞信息的各路神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合處理。云計算技術(shù)，它用于處理物聯(lián)網(wǎng)，有提高資源利用率，降低成本的作用。

1.2 智慧礦山建設(shè)的應(yīng)用架構(gòu)

智慧礦山是采礦業(yè)在大數(shù)據(jù)等技術(shù)基礎(chǔ)上，為提高礦山信息化和自動化水平而提出的新概念和應(yīng)用。智慧礦山建設(shè)是技術(shù)、制度和管理綜合創(chuàng)新的有機(jī)結(jié)合，也是采礦生產(chǎn)和管理模式的重大轉(zhuǎn)變。它基于一個綜合平臺，通過智能化控制生產(chǎn)和管理兩大系統(tǒng)，并對整個生產(chǎn)、經(jīng)營進(jìn)行數(shù)字化描述，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程。通過數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)源進(jìn)行共享、統(tǒng)計和自動分析，使業(yè)務(wù)管理實現(xiàn)透明化，實時掌控相關(guān)機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

代表性智慧礦山框架分為基礎(chǔ)層、控制層、執(zhí)行層、經(jīng)營層和決策層?；A(chǔ)層是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源?？刂茖邮钱a(chǎn)控一體化集成系統(tǒng)，完成對各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成和控制，提供相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和可視化。生產(chǎn)層服務(wù)于生產(chǎn)經(jīng)營單位，分為業(yè)務(wù)和技術(shù)功能。經(jīng)營層是為業(yè)務(wù)管理提供數(shù)據(jù)，實現(xiàn)管理通道的模塊化管理。

2 物聯(lián)網(wǎng)在智能礦山體系的重要作用

為加快物聯(lián)網(wǎng)在礦石開采過程中的應(yīng)用，礦山企業(yè)努力探索其開采方式的新模式。無論是普通采礦機(jī)械數(shù)字化改造、聯(lián)網(wǎng)化還是綜合機(jī)械化應(yīng)用，都進(jìn)行了數(shù)字信息化的改革。目前在智能應(yīng)用方面已取得較大進(jìn)步。如電力集控、無人采掘、無人抓斗、電機(jī)車無人駕駛、智能充填等已經(jīng)取得成功應(yīng)用，針對礦山突出的“3D”問題（Dangerous 風(fēng)險大、Dusty 環(huán)境臟、Duplicate 重復(fù)勞動），不斷提升安全水平，實現(xiàn)了安全管理模式的創(chuàng)新。在礦石開采中提高礦產(chǎn)品位、優(yōu)化運(yùn)營管理、降低生產(chǎn)成本方面，對機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用需求非常高。而以前對設(shè)備使用的效率一直存在較大問題。因此，采礦企業(yè)通過升級改造，提高了裝備精度，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時市場因素對企業(yè)生產(chǎn)成本控制造成一定壓力，所以采礦企業(yè)要緊跟市場步伐，把握智能升級、機(jī)械化更換的時機(jī)。不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)，逐漸向智能化方向發(fā)展。通過有效控制產(chǎn)品質(zhì)量，以及減少安全風(fēng)險因素，提高生產(chǎn)效率。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，各種技術(shù)、材料的應(yīng)用持續(xù)更新，企業(yè)要將重點放在滿足當(dāng)前需求和長遠(yuǎn)發(fā)展上。全面進(jìn)行智能化更新升級，完善物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)，優(yōu)化管理模式。提升企業(yè)長期規(guī)劃中存在的問題，對于促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)智能化管理采礦，提升企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效率具有重要意義。

3 物聯(lián)網(wǎng)采礦生產(chǎn)經(jīng)營過程中的規(guī)劃原則

在數(shù)字化生產(chǎn)中使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要進(jìn)行綜合規(guī)劃，并全面堅持發(fā)展、可靠和便利的基本原則，適當(dāng)?shù)貙Σ傻V設(shè)備存儲、使用、加工、維護(hù)等環(huán)節(jié)進(jìn)行全面管理。如從購買設(shè)備開始就充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將設(shè)備創(chuàng)建唯一的“識別碼”，而該“識別碼”將伴隨于設(shè)備后續(xù)全部的使用周期。通過智能化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在能源、材料消耗、配件設(shè)置、尺寸等方面進(jìn)行優(yōu)化選擇。在設(shè)備整個生命周期中，時刻保持與無線采礦系統(tǒng)進(jìn)行通信。通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)控，以及運(yùn)行數(shù)據(jù)分析。通過對智能測控平臺的數(shù)據(jù)提取，合理滿載、提高效率，降低運(yùn)維成本。

4 智慧采礦企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營要點

4.1 要根據(jù)地區(qū)生產(chǎn)情況，嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)定執(zhí)行

在建設(shè)智慧礦山時，要嚴(yán)格按照部門的具體要求，在保證生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，避免建設(shè)中的失誤，滿足地區(qū)的管理需求，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如在智慧礦山建設(shè)過程中，企業(yè)要嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)開采。同時應(yīng)積極鼓勵企業(yè)實施地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測，提供全面可靠的技術(shù)支持，不斷完善企業(yè)開采計劃編制，為智慧礦山的建設(shè)提供支撐。

4.2 全面推廣和使用先進(jìn)的自動化采掘技術(shù)

在礦山行業(yè)，通過對自動化設(shè)備加大投入，許多企業(yè)逐步實現(xiàn)了對開采、運(yùn)輸、選別生產(chǎn)進(jìn)行自動控制，還有的企業(yè)已經(jīng)完成了自動采掘。自動采掘與生產(chǎn)計劃自動對接?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場工況提供指令，監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。礦山企業(yè)應(yīng)積極推廣自動化采、運(yùn)、選技術(shù)，完善地質(zhì)層識別技術(shù)，以及遙感技術(shù)等。

4.3 提高信息化技術(shù)在采、運(yùn)、選生產(chǎn)中的應(yīng)用

智慧礦山建設(shè)中，以信息化技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，對各項指標(biāo)和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確保生產(chǎn)系統(tǒng)在運(yùn)行中的順利開展，確保礦石生產(chǎn)中各項指標(biāo)分析和提取，并實現(xiàn)快速分揀，以及分析完整的信息化管理系統(tǒng)，并從多個維度進(jìn)行監(jiān)控和管理。信息化技術(shù)在智慧采礦中的應(yīng)用，體現(xiàn)在遠(yuǎn)程控制、地理信息系統(tǒng)、設(shè)備維護(hù)、礦石加工等。

4.4 做好決策管理工作，確保其執(zhí)行的科學(xué)性

礦業(yè)企業(yè)要做好智慧礦山的管理工作，就要對礦產(chǎn)開采以及建設(shè)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，規(guī)劃好下一步建設(shè)工作，確保礦山生產(chǎn)工作穩(wěn)定順利進(jìn)行。智慧礦山以決策系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將規(guī)劃和管理系統(tǒng)結(jié)合起來，全面促進(jìn)了智慧礦山建設(shè)工程的順利完成。

5 物聯(lián)網(wǎng)在智慧礦山建設(shè)中的具體運(yùn)用

5.1 建設(shè)礦山無線網(wǎng)絡(luò)

使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提供可靠的信息非常重要。傳統(tǒng)有線傳輸方式已完全不符合物聯(lián)網(wǎng)在礦建生產(chǎn)中的要求。在物聯(lián)網(wǎng)中，企業(yè)要建設(shè)和完善以無線方式為傳輸?shù)男畔⒒到y(tǒng)，以實現(xiàn)高速度、低延遲的服務(wù)管理。隨著無線通信的發(fā)展，5G技術(shù)得到了全面提升。在智慧礦山建設(shè)中，可以在礦山建設(shè)5G私有網(wǎng)絡(luò)，全面覆蓋和形成完整的地下信息化系統(tǒng)，以及高速Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以有效實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集，接入、處理、分析以及二次分發(fā)等，實現(xiàn)控制設(shè)備使用效率和延長服務(wù)的目的。并通過設(shè)備周期管理，利用無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同場所間的實時通信，從現(xiàn)場操作員的終端設(shè)備收集操作數(shù)據(jù)，以為管理控制平臺提供支持。

5.2 基于5G技術(shù)的智能礦建巷道掘進(jìn)

巷道施工約占井下礦采掘總工程量的70%，在工作面掘進(jìn)過程中，對設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求高，要多臺設(shè)備協(xié)同作業(yè)。由于工作面空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，嚴(yán)重影響操作人員的視線。如果操作人員沒有準(zhǔn)確觀察工作面情況，易發(fā)生人身傷害事故。為打造極具競爭力的井下開采方式，采礦企業(yè)要以物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，以5G技術(shù)作為支撐，加快智能化礦建工程的應(yīng)用實施，并全面啟動智能礦業(yè)建設(shè)規(guī)劃，同時開發(fā)和組建智能化井巷工程施工團(tuán)隊。

5.3 5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用

巷道掘進(jìn)工作要基于5G通信技術(shù)進(jìn)行升級，以滿足掘進(jìn)頭設(shè)備的通信要求。整個操作系統(tǒng)要加載導(dǎo)航系統(tǒng)、可變光學(xué)技術(shù)、熱成像技術(shù)、巷道掘進(jìn)技術(shù)，同時還要配備先進(jìn)的運(yùn)輸設(shè)備改造、連續(xù)自動切割技術(shù)，以實現(xiàn)對智能礦建工程視覺控制和自動轉(zhuǎn)向功能。 5G系統(tǒng)由地面5G設(shè)備、5G礦用基帶控制單元（BU）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、礦用無線基站，實現(xiàn)各種安全信息及數(shù)據(jù)的傳輸和管理，促進(jìn)智能掘進(jìn)的有效進(jìn)行。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能礦建中的應(yīng)用，其目的是要滿足采礦、數(shù)字生產(chǎn)、機(jī)電管理、安全生產(chǎn)，以及傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和處理技術(shù)管理的需求。并結(jié)合實際生產(chǎn)，形成貫穿礦建過程的人與設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)生產(chǎn)的智能化和數(shù)字化管理。能根據(jù)建設(shè)過程的情況分析做出輔助決策，提升礦山企業(yè)的管理水平，提高采礦生產(chǎn)效率，支持采掘行業(yè)健康發(fā)展[1]。

5.4 智能運(yùn)輸與保障系統(tǒng)

采掘企業(yè)要全面應(yīng)用全自動雙臂組合智能錨桿施工臺車，它具有智能化支撐、自動設(shè)置排間距等功能，實現(xiàn)了全自動的錨桿支撐裝置。它主要由實驗室網(wǎng)絡(luò)、伸縮架、鉆機(jī)、控制臺、舷梯、電纜架以及智能控制系統(tǒng)組成。另外，輸送機(jī)負(fù)載通過集中控制，也實現(xiàn)了可視化操作。它可在掘進(jìn)系統(tǒng)的控制平臺上，合理計算電流、負(fù)載狀態(tài)。系統(tǒng)能自動啟動并識別輸送機(jī)實時的負(fù)載運(yùn)行，并自動計算負(fù)載的運(yùn)行時間。礦渣從輸送帶上卸下，都是通過目視控制有效進(jìn)行的。經(jīng)過智能測試，連續(xù)巷道掘進(jìn)過程中，還有一些需要改進(jìn)的地方。如通常情況下，激光導(dǎo)向裝置的延伸方向通常在40m左右，在生產(chǎn)中設(shè)備每次移動過程都非常頻繁。因此要進(jìn)一步研究和增加應(yīng)用指數(shù)的范圍。同時視頻設(shè)備只實現(xiàn)監(jiān)測電纜的轉(zhuǎn)移，但沒有實現(xiàn)電纜回縮裝置，須技術(shù)人員通過用手動操控連切電纜。當(dāng)?shù)管嚂r，由相機(jī)無線傳輸。雙臂組合智能鉆機(jī)有待完善[2]。

6 ICT站建設(shè)

6.1 基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)

基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)通過系統(tǒng)的信息交換，能全面支持ICT、智慧礦山和相關(guān)子系統(tǒng)的綜合控制。包括網(wǎng)絡(luò)5G寬帶、拓?fù)湟蕴W(wǎng)以及現(xiàn)場共信息收集點。能擬在距礦區(qū)5公里范圍內(nèi)建設(shè)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。提供集群通信、視頻監(jiān)控、移動辦公等功能。能過穩(wěn)定的無線傳輸通道，實現(xiàn)對礦建設(shè)備的管理和控制[3]。

6.2 數(shù)字化

管理平臺數(shù)字化，讓智能礦山數(shù)據(jù)庫從掘進(jìn)過程的數(shù)據(jù)中整合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時轉(zhuǎn)換和整合數(shù)據(jù)語言。同時將數(shù)據(jù)整合到組件中，形成集成接口，并將整體系統(tǒng)和信息轉(zhuǎn)換為管理結(jié)構(gòu)。信息存儲在數(shù)據(jù)組件的查詢庫中，以有效提供和實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)服務(wù)，以及準(zhǔn)確計算能力接口的智能系統(tǒng)。

6.3 智能運(yùn)營中心

采礦智能運(yùn)營中心，它是全面應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)智能、互聯(lián)網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)的數(shù)字化信息應(yīng)用技術(shù)。使用GIS、2D/3D等技術(shù)，可以實現(xiàn)全面有效監(jiān)控智能礦山設(shè)備運(yùn)行、故障監(jiān)測和預(yù)警跟蹤等功能，同時也實現(xiàn)了對智能礦區(qū)階段數(shù)據(jù)及現(xiàn)場的可視化管理，全面提升了礦山智能化管理水平，實現(xiàn)整合數(shù)據(jù)，礦建設(shè)計修正，完善了礦區(qū)掘進(jìn)的整合。

7 結(jié)束語

總體來說，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施及智能化網(wǎng)絡(luò)水平較低，在礦山生產(chǎn)中，難以近期實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用改造。技術(shù)裝備水平有待提高。同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷完善。因此要加大力度研究開發(fā)專用的技術(shù)裝備，提高智能化水平，以有效降低技術(shù)裝備成本。另外，物聯(lián)網(wǎng)在智慧礦山的應(yīng)用，無論是使用維修、設(shè)備的研發(fā)制造，都要不斷提升其專業(yè)性，加強(qiáng)對企業(yè)員工和技術(shù)人員的培訓(xùn)。