智慧矿山应用研究

一、研究目的 3二、主要结论 3第一章智慧矿山发展概述 4 4 4三、应用现状 4 5第二章智慧矿山业务需求 一、业务特点 7二、业务需求 8 一、总体架构 二、应用层架构 三、平台层架构 四、网络层架构 五、感知层架构 第四章新一代信息技术在智慧矿山中的应用 二、应用重点 三、典型场景 一、对于政府 二、对于厂商 三、对于用户 2一、神华集团数字矿山 二、刘庄煤矿感知矿山 三、开滦集团数字矿山 智慧矿山概念的提出，打破了之前的传统思维。在智慧矿山时代，瓦斯等传感器、电缆、电气机械设备、钢筋混凝土等等，所有这些将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，基于物联网可以对矿山复杂环境下生产系统内的人员、机器、设备和基础设施实施更加实时有效的协同管理和控制。利用物联网技术可以解决矿山企业生产中人员的安全环境、矿山灾害状况的预测预报、重大灾害事故的减少或避免、安全生产的智能控制等问题。在此背景下，如何科学、有效构建智慧矿山，成为推动我国智慧矿山快速发展与应用的首要问题。为此，研究团队围绕智慧矿山应用领域开展研究，对智慧矿山的定义、发展历程、应用现状与发展趋势进行了深入分析，对智慧矿山的业务需求进行了总结，同时给出了智慧矿山的整体架构。在研究国内智慧矿山建设的基础上，立足我国发展实际，提出了推动我国智慧矿山发展的建议，希望能通过此研究为我国智慧矿山科学、高效的建设提供参考。1、随着智慧矿山应用技术的不断发展和创新，矿山的生产和组织方式将会变得越来越“安全、绿色、智能、高效”。因此，智慧矿山建设将呈现出以下主要趋势：第一，支持更透彻感知的实现；第二，支持更全面的互联互通；第三，支持更深入的智能化。2、智慧矿山建设可遵循如下策略：对于政府：积极引导矿山企业向智能化发展；加大对智慧矿山建设的扶持力度；对于厂商：重视一体化信息平台的建设；重视新一代信息技术的应用；对于用户：推动关键项目建设，保障智慧矿山建设顺利进行；加强应用效果评估，不断优化和提高。第一章智慧矿山发展概述一、定义智慧矿山就是利用物联网、云计算、移动互联网等新一代信息技术将管理者最为关心的各类信息进行横向整合，使得矿山企业管理人员可以随时随地查看监测监控、超限预警、人员定位、井下视频监控、安全隐患管理等方面的信息，从而为生产、经营、管理和安全进行快速决策。智慧矿山的本质是安全矿山、高效矿山和清洁矿山。矿山的数字化和信息化是智慧矿山建设的基础。二、发展历程矿山技术的发展主要分为四个阶段，包括原始开采阶段、机械化阶段、数字化阶段和智慧化阶段，目前矿山的建设正在从数字化阶段向智慧化阶段迈进。1、原始开采阶段：这一阶段人们主要通过手工和简单的工具稿刨、锨挖进行矿山的采掘活动，生产方式主要靠人力，效率极低。2、机械化阶段：这一阶段矿山在采掘、运输、提升以及生产辅助方面采用大量机械设备和爆破技术进行施工，生产效率得到大大提高，矿井用人数量大大减少。3、数字化阶段：这一阶段就是将矿山地面和井下的矿产资4、智慧化阶段，当前发达国家在各个领域都快速的向智慧时代迈进。智慧就是具有人类一样的思维能力，可以代替人类处理复杂的工作，智慧矿山就是能够主动感知、自动分析并能够正确快速处理相关工作的矿山系统。三、应用现状我国智慧矿山的应用主要体现在智慧生产、智慧监控和智慧管理三个方面，下面分别介绍在智慧生产、智慧监控和智慧管理的应用现状。早期我国引进了一些国外的无人采煤工作面系统，包括2000年铁法小青矿、2003年马兰矿、2005年大同引进DBT刨煤机自动工作面。2005年神华神东公司先后建成榆家梁煤矿哈拉沟半截深、补连塔全截深工作面。在自主研发方面，我国积极投入无人采煤工作面的研发，已经有十多个智能工作面装备。但是仍然存在问题，我国煤矿地质条件复杂，需要针对不同地质条件研发不同的设备，在远程控制、环境探测、数据分析等方面还有一些关键技术需要突破。在非煤矿山方面，主要采用爆破采矿技术。实现智慧化的方向是智慧无人爆破系统和智慧机械开采两个方向。集中控制系统、无人压风系统、无人提升系统、主风机无人系统等在一些煤矿安装使用。山东能源集团等在矿井调度指挥、通讯方面进行了智能化建设，实施了“e”矿山工程、矿井“一卡通、物联网”工程，在通讯技术方面，装备了井下无线通讯、有线通讯、广播通讯以及井下千兆光纤环网通讯系统。神华、中煤等大型国有煤矿也实施了一些智能生产辅助系统。煤矿安全事故频发有人的因素、设备的因素以及环境的因素。智慧矿山应用的核心问题主要就是矿山安全问题，即：感知矿山灾害风险，实现对各种灾害事故的预警、预报；感知矿山周围安全环境，实现主动式安全生产保障；感知矿山设备工作健康状况，实现设备的预知维修和智能控制。目前，我国大部分矿山已经构建了矿山安全相关的系统，如平庄煤业集团井下安全监测系统、枣庄煤矿井下紧急避险系统、开滦煤矿瓦斯监控系统等，这些系统的构建使矿山的安全管理和监测监控有了较大提升。3、在智慧管理和运营方面需要进一步集成和整合智慧管理和运营方面的应用主要是指针对矿山的智慧化ERP系统、办公自动化系统、供应链管理系统等对管理和运营支撑的应用系统。目前，在智慧矿山的智慧管理和运营方面的应用还主要是单一系统的应用相对成熟，系统间的整合应用、协同应用方面比较弱，难以达到业务协同、产业协同的效果。因此，在智慧管理和运营方面还需要深度整合和加强应用。随着管理与控制集成水平的提高，产供销集成、财务与业务集成、决策支持等水平显著提升。在管控集成基础上实现产供销集成、财务业务集成和智能决策支持等，才能够真正建立现代生产管理模式，推动企业高质、高效增长和转型、创新发展。推动管控集成的关键是有效实施制造执行管理系统，构建管理与控制的中间层次，搭建自动化层、信息管理层之间的桥梁和纽带，从而有力支撑实现过程精细化和经营管理集约化，大幅提升企业竞争能力和综合效益。随着新一代信息技术在智慧矿山建设中的应用和创新，矿山的生产和组织方式将会变得越来越“安全、绿色、智能、高效”。因此，智慧矿山建设将呈现出以下主要趋势：通过运用各种感知技术，能够更加全面、准确、实时地感知矿山生产中人、设备和环境的信息。如：在矿山生产数据采集方面，将从手工录入向自动采集，并且实现一次录入，全员共享方向发展；在矿山采掘装备方面，将会更加可靠、更加智能，故障修复将从人工经验诊断、人工修复向系统自我诊断、系统自愈方向发展等。运用网络、通信、交互、集成等技术，实现人与人、人与物、物与物间的信息交互，系统间的横向集成和纵向互通。如：在矿山通信与网络技术方面，将会从有限的互联互通向泛在的互联互通方向发展，带宽将会越来越宽，网络将会越来越稳定可靠；在矿山生产执行控制方面，将会从二维平面向三维立体方向转变，并且支持多种终端界面，例如：PDA、iPad、手机等；在矿山信息系统建设方面，将会从烟囱式、孤岛式信息系统向集成统一平台方向发展，支持开放的协议，运用数据挖掘、知识发现、专家系统等人工智能技术，实现生产调度指挥、资源预测、安全警示、突发事件处理等决策支持功能，实现矿山的智能化。如：在控制技术方面，将会从手动干预、有人值守向自动控制、无人值守方向发展，从局部的、有限的控制向全局的、泛在的控制方向发展；在安全管理方面，将会由被动的、事后响应式管理向主动的、事先预警、预控方向发展；在决策支持方面，将会从经验决策向智能化决策方向发展。第二章智慧矿山业务需求我国矿山资源储存条件复杂，自动化水平低，井下用人多，生产安全监控系统采用的技术比较落后，功能单一，再加上管理等因素，使得生产成本高，安全形势不容乐观。采矿业不同于其他行业，受地质、埋藏条件的约束大，并且影响安全的因素多。大部分矿山为地下开采，地下作业场狭小、阴暗、潮湿、多变，生产环节多，过程复杂，导致灾害的因素多，如地下开采的矿山主要受顶板、水、火瓦斯、煤尘、有毒有害的物质危害。露天开采的矿山主要受到滑坡、排土场垮塌等危害。金属矿山还受到尾矿库垮塌等灾害的影响。液态、气态矿床的开采，则受到井喷、可燃气体爆炸的威胁。因此，矿山的各种危害比其他行业严重而且频繁，安全问题一直是困扰采矿业发展的重大课题。随着国家对矿山安全的重视程度不断加强，矿山企业在各种安全、生产监控系统方面的投入逐年加大，对保证矿山的安全和正常生产起到了重要作用。但是在目前的装备和技术水平下，无法根除各种安全隐患，矿山灾害时有发生。2、矿山生产过程复杂且协作性要求高由于矿山地质条件的复杂性和不确定性，生产过程中不可控的因素较多，导致生产计划的不准确和材料消耗的随机性。生产过程复杂，存在多种辅助生产系统，在这些系统中有以自动化系统为主的系统，也有以人工管理劳动为主的系统，信息源多、信息形态多样、信息关系复杂，各个系统的协调运作，依赖于对大量复杂信息的综合处理。井下作业环境的独特复杂性，使行业生产技术具有特殊专业要求，涉及面广，管理难度大。矿山生产配套的工程生产环节多，工程协作性要求高。3、矿山企业管理复杂且难度大矿山企业主要是从事矿产资源的勘探、开采、加工、销售等活动。要使这些活动能够正常、安全、顺利地进行，管理活动是要贯穿于始终的，而且要进行科学、安全的管理。矿山企业为保证稳步生产，必须有秩序地安排生产探矿、开拓、采准、切割和回采等工作。生产经验证明，必须遵循“采掘并行，掘进先行”和必须经常保持“三级矿量”有一定的比例，才能保证正常、均衡的生产。因此，如何有效管理来保障矿山安全、有序的生产就成为矿山企业面临的重要问题，而且矿山管理涉及的内容有很多方面，诸如管理组织、管理手段等。同时还要考虑企业所处的外部环境对矿山企业的影响，这也增加了矿山管理的难度。智慧矿山概念的提出，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和信息基础设施分开。对矿山安全生产而言，在智慧矿山时代，瓦斯、CO等各类传感器、电缆、电气机械设备、钢筋混凝土等等，所有这些将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，基于物联网络可以对矿山复杂环境下生产系统内的人员、机器、设备和基础设施实施更加实时有效的协同管理和控制。利用物联网技术解决了矿山企业生产中人员安全环境的问题，解决了矿山灾害状况的预测预报，减少或避免重大灾害事故的发生，解决了安全生产的智能控制等问题。因此，基于智慧矿山的需求主要体现在以下几个方面：矿山井下生产过程中，主要的危害有岩体破坏、有毒有害气体、火灾等。近年来，我国矿山伤亡事故频发，给人身安全和国家财产造成严重危害，所以加强矿山企业安全生产已成为了矿山管理关注的焦点。因此，必须建立起有效的安全监控与预警机制，通过传感器对井下各种气体进行及时预测、预报，而且能及时、准确、连续的监测现场瓦斯、CO变化情况及设备运行参数，对瓦斯超限实行自动报警和断电控制，对井下环境参数连续监测，为生产调度提供及时准确的信息，并可通过对所存储的数据进行曲线分析，对研究瓦斯、CO、风速等变化规律，掌握气体变化动态，及时消除事故隐患具有重要参考价值，提高矿井“一通三防”的管理水平。同时通过专业的分析及预警系统进行分析，及时发现和预测灾害，使采矿在更加安全、高效、低耗的条件下进行。2、生产方面的需求矿山是以自然资源为对象的生产企业。矿产资源的存储与地质环境的复杂性密切相关，而且其空间位置、形态、元素品位分布等均极富变化。由于资源分布的复杂性、不确定性，制约了勘探工程控制，人们对资源的认知程度就会随着开采的不断进行而渐渐变化。同时，随着市场价格和开采技术条件的变化，矿体的边界和形态也会随之变化，并需要及时变更和修正。矿山生产环境恶劣、作业空间狭小。对地下矿山而言，由于通道狭长、电磁屏蔽性强、噪音大，正常通讯难以实现，导致生产过程控制十分困难。在矿山企业中，不仅生产系统内部存在大量的多源、异质信息流动，而且系统内部与外部环境之间也存在着信息的交换和流动。与其它工业企业相比，矿山企业的信息化、智能化、可视化、可控化工作更难实现。矿山企业的这些特征，使其决策、设计、生产计划、生产调度与过程控制等各个方面均非常复杂。因此，需要构建智慧矿山系统，使矿山企业生产经营过程中全面实现信息化、可视化、智能化、自动化和决策与管理科学化。有效的矿山管理是实现矿山高效生产的重要保障。智慧矿山的建设主要以矿山地质、资源储量、采矿技术计划、设计、矿山地理信息和矿山全息数据信息、矿山安全监测、矿山生产工艺监控等项目为主要管控目标，实现企业对矿山资源、采选工艺、安全系统的可查、可控、可追逆、可优化，实现企业领导对矿山系统信息的即时掌控，达到即时、全面、准确地掌握矿山的安全和生产经营状况，提高矿山生产和管理的时效性、有效性、资源优化配置水平，从而实现精细化管理、促进矿山可持续发展的目标。第三章智慧矿山架构一、总体架构智慧矿山总体架构分为感知层、网络层、平台层和应用层。感知层实现物体的识别和信息采集。感知层包括RFID标签和读写器、二维码标签和识读器、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关、摄像头等。网络层，负责将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到平台层，包括三网融合下的移动通信网、互联网、卫星网、广电网以及移动互联网等。网络层主要关注感知层初步处理的数据经由各类网络的传输问题、不同网络传输协议的互通以及自组织通信等多种网络技术。平台层实现对智慧矿山数据资源进行存储、分析和处理，对基础信息、流程、系统参数进行配置和管理等。应用层，负责结合战略管控需要进行业务管理创新，实现矿山生产指挥调度、安全生产检测、生产经营智能决策、矿山资源储量存量监控与预测等业务应用。标准体系、安全体系和管理体系保障了智慧矿山的稳定运行。应用层应用层勤探勤探平台层平台层网络层感知层管理体系安全体系管理体系安全体系监控标准体系标准体系移动通信资料来源：研究团队2013,03智慧矿山应用层涵盖了勘探、采选、冶炼、加工等整个产业链的信息应用系统，应用层支撑了企业的生产、经营和管控活动。应用层主要包含三个层面的应用系统：生产服务支持系统、生产经营支持系统和决策支持系统。这些应用系统主要包括：生产综合监控系统、生产执行系统、经营管理系统和决策支持系统等。应用层实现了对矿山生产指挥调度、安全生产检测、生产经营智能决策、矿山资源储量存量监控与预测等业务的支撑。图2应用层架构生产调度系统生产计划管理工作面控制系统井下胶带机控制系统供电系统压风系统运输管理系统通风系统主副井提升系统排水系统瓦斯抽放系统生产资料来源：研究团队2013,06生产综合监控系统的内容包括剥离、采装、运输、生产等主要生产流程，也包括供电、供水、排水等辅助生产流程，还有其它的安全保障系统。图3生产综合监控系统框架图火区监测环境监测工业电视系统束管监测系统边坡稳定监测卡车盲区监测水纹监测系统供配电控制炸药混装车监控矿压监测系统车辆智能调度安全监测系统节能管理党群管理造价管理决策安全管理系统控统监系系统历史查询连续工艺集控供配电监控取水工程集控卡车智能调度疏干水集控洗煤厂集中监控半连续工艺集控供水监控装车系统监控炸药厂生产集控外购煤监控炸药混装车监控采暖锅炉房集控疏干水复用工程集控边坡稳定监测吊斗铲远程诊断卡车盲区监测道路修筑监视车辆预警车载视频监控加油车油量监控火区监测油库监测水文地质监测环境监测工业电视系统调度通信系统排土场边坡稳定监测单斗挖掘机远程诊断信息联动分析业务分析报警分析统计报表资料来源：研究团队2013,06生产执行系统包括从生产计划制定、生产计划执行到生产计划执行跟踪全过程的闭环管理，包含了三维展示、生产管理、生产智能调度管理、生产辅助设计、机电管理、安全管理、质量管理、节能环保管理及综合分析管理。图4生产执行系统框架图实时监测控制操作日志前端展示前端展示生产计划执行设备运行生产管理地质管理生产计划标准化作业油品管理技术资料管理三维场景三维地理信息三维地测查询设备效能分析煤质管理媒质指标体系煤质预测煤质计划外购煤辅助设计爆破设计边坡稳定设计线路变更设计管网变更设计[道路变更设计调度管理调度指挥调度值班管理应急处理安全管理综合分析节能环保牛念建设综合利用机电管理设备采购管理故障诊断管理基础数据管理安全生产综合监控系统数据技术资料管理本安考核评价事故事件管班指标分析统计报表矿山三维隐患分析煤种煤质应急管理能耗管理其他资料来源：研究团队2013,06生产执行层的系统包括综采工作面监控系统、主运输集控系统、地面供电监控系统、井下供电监控系统、主通风机监控系统、自动化监控系统、安全监控系统等各种系统的监控以及生产过程的优化管理，并能根据生产流程，当某个实时事件发生时，MES对此及时做出反应、报告，并用当前准确数据有效地指导生产运作过程，提高生产力、增强生产安全性、改善物料的流通性能，从而提高生产经营效率。经营管理系统建设主要包括计划与全面预算管理、ERP系统(涵盖财务管理、人力资源管理、销售管理、物资管理、生产计划管理、设备管理和项目管理等业务)、供应商关系管理系统(SRM)、制度管理系统、本质安全管理系统、办公自动化系统(OA)、审计管理系统、科技管理系统、节能减排管理系统、综合统计系统、档案管理系统、知识管理系统、行政后勤管理系统、党群管理系统、煤炭安全监管系统等。4、决策支持系统决策支持系统是基于数据仓库/商业智能技术对信息进行收集、整合、分析和展现，为高层及管理人员提供及时、准确的分析报表和数据，提升企业整体生产经营决策水平，增强企业的核心竞争能力。平台层主要实现网络层信息到应用层信息的转换，网络设备的管理、设备信息和业务信息的呈现。平台有效地屏蔽底层设备及网络的复杂性和多样性，统一数据的接口、标准和模型。平台采用组件化的构建方式，通过对组件的组态、编排、策略调度等手段支持各种应用场景。平台层是应用层各种应用和服务统一部署的技术平台。网络层解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，通常是长距离的传输问题。这些数据可以通过移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等网络传输。特别是当三网融合后，有线电视网也能承担物联网网络层的功能，有利于物联网的加快推进。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。五、感知层架构感知层划分为两个子层，首先是通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。感知层的关键技术包括检测技术、短距离有线和无线通信技术等。感知层实现了生产过程中设备、生产、人员、安全信息以及生产技术和运营数据的自动化采集。感知层主要完成以下功能：1、安全生产井上下动态实时信息的采集。主要包括生产环境在线检测信息(如水、火、瓦斯、顶板、人员定位等)、自动化生产信息(如综采工作面控制信息、胶带机集控信息等)以及其他生产指挥信息(井下工业电视信息等)。2、生产技术和运营管理数据的采集。主要采集非实时的生产数据(如钻孔、地震、机电设备、通风阻力测定成果等)和运营管理数据(如财务管理、运销管理、人力资源管理等)。“智慧矿山”是矿山信息化发展高级阶段，是新经济、新技术时代下，新型矿山企业转变发展方式、实现科学发展的必经之路。将移动互联网、光纤网络(FTTH)、物联网、云计算等新一代信息技术与智慧矿山建设紧密结合，可以实现矿山企业管控智能、安全可靠、经济高效、绿色环保和可持续发展等目标。矿山是一个复杂的动态时空巨系统，其地理空间要素、资源环境信息和生产经营信息的内容广泛、综合、复杂、变化迅速。而云计算的海量分布式存储、高性能计算、数据管理等优势为智慧矿山的实现提供了基础保障。对于矿山来讲，地质条件复杂多变，加上长期的地质生产勘探、矿山生产建设，必将积累大量的信息数据，并且随着地质工作的深入和矿山生产的不断发展，还要产生大量新的数据资料，常规的数据存储与管理方法将无法经济的满足海量数据存储与管理的需求，面对智慧矿山在生产过程中产生的海量数据，云计算采用分布式存储方式进行存储，并采用冗余存储与高可靠性软件的方式保证了数据的可靠性。矿山系统存在大量多源、异质、异构的数据，这些数据很多以独立的形式存在，即使在同一个矿企内部，不同部门之间这种现象也普遍存在。这些“信息孤岛”的存在对于矿山企业中的数据统一管理、各部门间的协同工作造成诸多不便，同时造成数据库的重复建设，造成人才财力的浪费。云计算的数据管理技术能够满足智慧矿山信息平台对多源、异质、异构的矿山数据进行处理和分析的需要。海量基础数据必须经过处理才能增值利用，所以智慧矿山必须支持丰富的数据处理方法库，一般处理方式有数据本身的统计分析、数据挖掘和专业分析处理。专业的分析处理需要研究采掘、供电、运输、通风、给排水等各生产子系统的工作原理，然后研究建立相关数学模型，制定良好的访问接口，为其他应用系统服务。这些大规模的专业分析处理计算已超出普通计算系统的承受能力，云计算可以为智慧矿山计算提供高性能的并行处理能力，并提供并行编程模式。矿山建设中各信息系统大多是基于本业务或本部门的需求，存在不同的平台、应用系统和数据格式，导致信息与资源分散，异构性严重，横向不能共享，上下级间纵向贯通困难。例如，存在采掘、通风、运输、供电、市场运营、ERP等各类信息系统，大多处于相互分离状态，彼此不能有效结合，数据信息不能集成共享。云计算可以充分整合矿山的业务数据信息与计算资源，建立业务协同和互操作的信息平台，满足智慧矿山对信息与资源高度集成与共享的需要。智慧矿山的基础设施规模庞大，数量众多且分布在不同地点，同时运行着多种应用。如一个矿企通常由多个矿区构成，而一个矿区又通常由多个矿井构成。如何有效管理这些基础设施、减少数据中心的运营成本是一个巨大挑战。云计算满足智慧矿山信息平台中数据中心建设的需求，云计算的平台管理技术能够使大量的服务器协同工作，方便进行业务部署和开通，快速发现和恢复系统故障，通过自动化、智能化的手段实现大规模系统的可靠管理。同时，云计算技术通过文件复制并且存在不同的服务器，解决了硬件意外损害的潜在难题。2、物联网在智慧矿山中的应用物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别(RFID)技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网将各种信息传感设备，如二维码、射频识别(RFID)、全球定位系统(GPS)等装置与网络结合起来，从而给物体赋予智能，实现人与物、物与物相互间的沟通和对话，实现智能管理。因此，物联网技术可以广泛应用于智慧矿山的建设。(1)利用物联网技术构建的人员定位系统、设备点检系统、瓦斯监控系统等已经陆续应用网络视频技术等已经能够很好的应用于矿井。(2)基于二维码、RFID射频识别技术，WiFi射频定位、GPS定位技术，网络视频技术等，通过无线以太网与工业以太网，把人员、设备与网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能应用。(3)利用物联网技术将物的定位与人的定应用于矿山企业的安全生产管理，是物联网技术在矿山企业安全生产工作中创新应用的核心。(4)利用物联网技术采集各大系统的数据，使集成整合后的系统大大的提高生产效率。系统整合后可以提高设备的复用率，减少材料浪费，克制人员主观性操作所造成的损失，同时能整合从开采、设备采购、设备使用、销售等一体化的数据对企业效益进行分析，为高层领导分析决策提供了很大方便。3、移动互联网在慧矿山中的应用通过井下无线感应器，智慧矿山系统能实时监测井下瓦斯、风速、温度、负压、一氧化碳等环境参数和各种机电设备开停、断电状态等设备运行参数。矿山每名矿工都随身配备一部矿用3G手机，既能当电话，又能当对讲机。遇有突发事件，安全生产管理人员在指挥手机上一喊，所有人都能听到，可迅速采取相应逃生措施。而且通过井下人员定位系统，在有信号情况下，系统可准确定位人员具体位置，便于救援。因此，基于物联网、移动互联网、云计算、光纤通信等信息通信技术在智慧矿山的应用，促进信息化与工业化深度融合，确保矿山生产安全。智慧矿山系统集成应用各类传感感知、信息通讯、自动控制、智能决策等技术，具有井上井下一体化通信调度、井上井下全球眼视频监控等多种功能，为矿山安全生产和效率提升提供技术保障。井下通信信号易受干扰、普通2G手机辐射量高难用于高瓦斯矿井，制约矿山安全生产和管理。矿用本安3G手机具有信号绕射能力强、抗干扰能力强、辐射低等特点，可安全用于井下采掘工作面等高瓦斯区域无线通信。智慧矿山系统通过在井下设置3G无线通讯基站和无线感应器，实现井下CDMA3G网络全覆盖，井下监控“一目了然”。同时，通过在CDMA手机上集成无线数字集群功能，手机和对讲机结合，管理人员通过一键式操作，就可立即与井下任何地方的个人或群组直接通话，实现高效的应急指挥。移动化安监巡检实现隐患排查整改及时高效。传统井下安监巡检发现隐患后要通过纸质记录，回到地面后再交给管理部门，安排人员进行整改。利用移动互联网井下安监巡检系统，安全巡检员在井下巡检发现隐患，可通过手机登录系统及时录入隐患信息。系统根据隐患的危险等级、责任单位、发生地点等进行汇总，自动传输到相关责任单位限期整改，经复查人员核实后方可闭合销号，形成一套完整流程，提高了隐患处理的时效性。利用移动互联网技术构建的智慧矿山系统，可以对瓦斯突出、突水透水等危险因素进行实时监测分析，对各种安全隐患进行超前预测预报，对不安全因素进行提前整改，对危险性较大的区域进行重点监控，对无法避免的灾害可快速启动应急预案进行紧急救援。智慧矿山系统利用手机一卡通，还能实现矿区人员考勤、门禁、就餐、购物等多种功能，实现下井矿工身份识别。利用移动互联网技术在采矿领域的突破和发展，利用井上井下通信调度一体化和快速应急指挥功能，提高了工作效率和应急事件反应速度，对矿山事故救援有重要意义。矿井危险性事故时有发生，井下复杂的环境给人员撤离和事故抢救带来极大困难。若能及早确定井下人员所处的位置，会给营救工作带来极大方便，将人员伤害减少到最小。现有的识别技术，无论是IC卡、手纹识别技术还是红外线编码识别技术只能实现简单的人员考勤，无法很好解决对多个移动的物体和人员进行快速识别和跟踪。采用基于物联网技术的RFID自动识别技术，对井下人员、设备进行跟踪定位在一定程度上能够保障人员生命安全、减少财产的损失。将阅读器安装在井下一些重要的峒室、危险区等需要监控的地方，分布区域的大小可视井下具体环境而定。射频识别卡可以内嵌在安全帽中，无需附加携带装备。在井下，员工只要穿过感应区域，阅读器就将接收到的数据经传输电缆传送到地面中心站，处理后保存到数据库服务器中。基于RFID的井下人员定位系统可实现如下功能：1、井下人员查询功能。实时查询当前井下人员的分布情况(分布区域的大小由阅读器的分布情况而定);查询任一人员某一时刻所处的位置；查询任一人员当日或某日的活动踪迹。2、安全保障功能。发现人员丢失或发现井下人员超过规定时间，自动报警提示并提供相关人员的名单；对事故现场被埋人员进行搜寻和定位，以便及时救护。3、统计考勤功能。对下井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统计，便于考核；与此相应的中长期数据储存和有关报表的打印。4、信息联网功能。作为矿山局域网的信息源，具有功能完善的数据库。可向MIS网提供所需与人员有关的实时统计数据。矿山机车的实时定位对拓展矿山轨道网现存容量，提高矿山机车的出行密度，提高矿山机车运作的安全性等都有着重要的意义。准确地了解每辆机车在任一时刻的位置就等于在任何时候都能够动态地调整机车的启程和到站时间，并且提高机车对不能预见情况的反应，从而大大提高矿山运输的质量，有力保障矿山运输的安全。目前，RFID技术运用于矿山机车定位跟踪系统的技术已基本形成。其工作频率可达125kHz,使用可读写标签时，其阅读速度可达300km/h,并可将有关信息下载至标签的空闲内存中。对于干线机车定位系统，可将无源标签以100m的间距固定于枕木上，标签读写器及通讯设备安装于车上，并联至车载微机。该系统由地面信标、移动读标器、无线数传、可视调度、无线对讲、声光报警等部分组成。运行中，如果两个机车太靠近(小于或等于3个信标器间隔)时，机车变成红色显示，如果允许声音报警，则同时发出报警声。通过安装于矿用机车上的定位分站读取标识卡，定位精度可以达到1m~3m。安装于矿用机车上的移动定位分站与固定安装在巷道中的矿用无线通信分站之间，采用无线以太网协议通信，可以支持视频、语音、数据等多业务，可以实时接收调度中心下传的各种指令，支持在机车上安装摄像机，实现移动机车上摄像机视频信号的实时无线上传；通过机车定位通讯分站的串行通信或I/0端口，可将机车本身的运行监测数据实时无线上传。而且通过交通信号灯控制系统，地面调度中心可以根据机车位置情况实时控制道口的红绿灯。3、炸药流向与运输监控炸药流向管理系统采用二维码识别与管理技术，适用于矿山企业对低值设备或材料的日常管理。炸药流向管理以矿山企业从公安部门取得炸药为起始点，由矿山企业为领到的炸药加贴二维码标签，并进行相应后续领用、运输、下井等流程的管理至炸药按规程使用完毕。炸药的流向管理与人员定位系统可以协同工作，管理炸药的出入库、领用；领用人员的身份鉴别；使用炸药的火工人员的运行轨迹；放炮时间点危险区域内人员、车辆隔离等工作，实现安全生产管理的功能。矿区内炸药运输车辆管理系统，采用具备GPS定位、Wi-Fi传输功能的车载DVR系统实现，可以实时监控与记录炸药运输车辆的位置、工况、运输物品及驾驶人员的视频，大大提高了井下炸药运输的安全性。通过该系统可以监控炸药的领用、运输、实施等各环节的合规性，对于爆破操作的现场环境、人员与设备条件进行监控与记录，对于违规或潜在的危险行为给出告警纠正。4、矿井综合自动化管理矿井综合自动化管理系统是建立在综合数据平台基础之上，通过对统一的数据仓库提取数据后再进行多方面的分析，如：经济分析、设备优化分析、区域环境分析、设备寿命分析、通风安全分析等。经过对矿井机电设备数据的分析，使全矿设备电能负荷、机械损耗最优化，达到节能减排，合理的利用资源；经过对矿井机电、安全数据的分析，使矿井人员分配最优化，减少生产不必要的环节，用设备代替工人，用自动控制代替手动操作；经过对矿井机电、安全数据的分析，使矿井生产管理流程化，用生产管理流程提高生产效率，减少生产中的间接环节，促进生产的连续性，管理的实时性和直观性。矿井综合自动化系统实现了真正意义上的“管控一体化”。综合自动化系统的“控”,通过平台服务器对所有可执行的各子系统职能执行元件或设备进行远程控制，实现无人值守。其综合自动化系统的核心是控制层的管控服务器，综合自动化系统的“管”是在建立各个子系统之上的数据平台管理模块，是综合自动化的核心，具有了管理功能的系统才是一个完善的全矿井自动化系统，才能达到“管控一体化”的境界。矿井综合自动化系统结合实时数据、过程组态画面，提供关于作业进程、现场环境、设备状态、能耗生产实绩、生产现场监视与跟踪等实时、历史的综合信息平台，并实现对自动化的分析处理和知识挖掘系统，形成智能化和自动化的企业级专家知识库和专家决策支持系统，为公司的安全、生产、经营和管理提供决策支撑平台。在集成的自动化平台下调用所有矿井的自动化控制画面，可检测到所有的传感器，并整合不同部门甚至不同矿井的数据，实现跨部门、跨系统的采矿过程自动化，最大限度地发挥自动化综合效能。安全监控系统是一个综合性的监控系统，它可以将安全与生产监测信息等各种信息综合在一起，实现了信息的综合利用，同时系统还可以方便汇接其他监测系统(提升装置等),实现了信息共享和局部环节的自动化控制。根据矿山安全监测系统的技术要求，系统在采掘工作面、掘进工作面、井下主变电所、主通风机、总回风巷、主运输巷、辅助运输巷等范围内配置监测分站。各类传感器将采集到的各种环境及生产信息传送给分站，分站将预处理过的各类传感器信息上传给监测主机实时显示、存储、并实现控制、报警等。通过各类执行器来完成超限时的瓦斯电、风电闭锁功能和区域声光报警功能。一、对于政府积极引导矿山企业深化应用云计算、物联网等新一代信息技术，全面提升矿山安全的自动监测和预警能力，提高矿山企业的信息数字化、管理智能化水平，推动矿山企业向智能化方向发展。智慧矿山是实现矿山高效生产、保障矿山安全、提高经济效益的重要手段。政府部门要深刻认识推进智慧矿山建设的重要意义，制定包括资金、人才、技术、管理等方面政策，加大对智慧矿山建设的扶持力度。目前，矿山企业都不同程度的构建了信息化系统，但是相对独立，信息孤岛严重，因此，很难达到信息共享，实现企业的一体化管控。在这种情况下需要厂商更加重视矿山一体化信息平台建设，为用户提供高质量的智慧矿山解决方案。智慧矿山建设必须与物联网、云计算、移动互联网等新一代信息技术紧密结合，才能实现矿山的管控智能、安全可靠、经济高效等目标。因此，厂商应加强新一代信息技术在矿山建设中的深入应用，以满足矿山企业智慧化建设的需求。关键项目的成功能够帮助企业建立信心，从而保证智慧矿山建设工作顺利推进。对于用户要重点关注智慧矿山建设中关键项目的实施和管理，保证项目建成后的应用效果，这样才能使智慧矿山的建设长期顺利推进。2、加强应用效果评估，不断优化和提高企业在进行智慧矿山项目建设后，要阶段性的对应用效果进行评估，对神华集团有限责任公司(简称神华集团)是于1995年10月经国务院批准设立的国有独资公司，是中央直管国有重要骨干企业，是以煤为基础，电力、铁路、港口、航运、煤制油与煤化工为一体，产运销一条龙经营的特大型能源企业，是我国规模最大、现代化程度最高的煤炭企业和世界上最大的煤炭经销商。建设神华数字矿山规划研究项目依托神华集团承担的国家高技术研究发展计划(863计划)《数字矿山关键技术及应用研究》,紧密结合神华集团建设世界一流煤矿的要求。通过规划和建设，形成系列核心技术和标准，支撑神华集团建设具有国际竞争力的世界一流综合能源企业的战略目标。1)应用计算机技术、网络技术、信息技术、控制技术、智能技术和煤矿生产工艺技术。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。2)通过应用软件，实现经营管理科学化，生产计划、生产安全调度、生产过程控制最优化。3)保证煤矿生产安全，提高产量和质量，提高企业经济效益和竞争能力。4)提高对客户多种要求的响应能力。神华集团数字化矿山建设以“安全、高效、绿色、智能”为目标，应用国内外成熟先进的自动化和信息化技术，建设世界一流矿山，实现企业生产经营管理数字化、智能化，并引领行业发图5神华集团数字矿山架构持层综合控制层火区监环境监测工业电视系统水文地质监测边坡稳定监测卡车盲区监测疏干水系统集控供配电控制炸药混装车监控财务管理党群管理审计管理档案管理造价管理安全管理行层自动化网络车辆智能调度资料来源：研究团队2013,06包括生产综合监控平台和生产执行系统平台1)生产综合监控平台：集成露天矿各监控、监测系统的实时数据，做到对生产现场的监测、控制、数据共享和系统联动。2)生产执行系统平台：集成生产、调度、机电等生产执行层各子系统的过程管理数据，做到各子系统间的数据共享、子系统联动、现场与管理数据联动。基于互联网技术，通过互联网上异构、自治的服务为神华集团公司矿山提供按需即取的服务，使每个矿山都能够按需、易扩展的方式获得所需服务。云计算技术在数字矿山建设中应用有以下几个方面：1)laaS:为数字矿山提供IT基础设施服务，通过网络为区域用户提供IT基础设施服务。包括计算存储和网络资源出租、灾备、负载均衡、网络加速、综合信息等服务。2)PaaS:数字矿山在线开发服务平台，通过网络为区域用户提供可定制、可开发的平台服务。例如，应用开发环境、数据库服务等。3)SaaS:为数字矿山提供软件应用服务，通过网络向最终区域用户提供软件应用服务，为用户提供一站式服务。创新特点三：矿山三维信息系统为解决真三维可视化环境下的矿山生产远程指挥与控制，实现生产过程管理的数字化与智能化，需要对矿山真三维信息动态更新进行研究，具体研究内容包括：1)矿山环境场景多源数据融合技术与实现；2)面向采矿特征的局部快速实时建模技术与实现；3)增量更新和大场景整体缝合技术与实现；4)后台真三维渲染技术与实现；5)前端大场景快速展现技术与实现。煤矿坑上下物与物、物与人、所有物品与网络的连接，实现识别、管理和控制。其中：1、智能安全应用实现(1)矿井作业面人员考勤及定位；(2)高危作业安全自动监控；(3)工程基建现场安全质量远程监控；(4)重大基础设施安全防护；(5)重点企业门禁系统。2、智能物流应用实现(1)产成品仓储物流智能管理；(2)运输车辆智能调度与监控。3、智能环保应用实现(1)企业排污智能化远程监测监控；(2)烟尘黑度分析及智能预警。神华集团通过集成世界先进科技，建设安全绿色智能数字化矿山，实现神华集团的矿山整体运营效益、效率世界一流，引领了煤炭行业的发展。神华集团的数字化矿山建设，对其他煤矿企业的数字化矿山建设作出了很好的基础尝试，并具有很深的启示意义。当前，“数字化”已成为行业发展建设的主流和企业发展的标志，国内各大煤企都在实施和建设数字化矿井。在这种压力态势下，其他煤矿企业应高定位、高起点、高投入，充分吸取借鉴行业先进技术和成功的建矿经验，以建设国内一流，国际领先的数字化现代化矿井为目标，从根本上提高煤矿的生产能力，改善作业环境、提高抗灾能力，增强企业的竞争力。二、刘庄煤矿感知矿山刘庄煤矿是国投新集能源股份有限公司在新区开发建设的第一对矿井，项目是国家和省“十五”重点建设工程和省“861”计划重点项目，同时也是国家能源战略开发新形势下，两淮煤炭基地开工兴建的第一对特大型矿井。刘庄煤矿在生产、经营过程中对各种信息的采集、传输、应用和反馈是个闭环控制过程，所有的信息都将以数字的方式表现出来，实现了管控一体化。数字化刘庄煤矿的建设，实现全过程自动化无人采煤的理念和模式，填补了我国复杂工业状况下的全矿井综合自动化控制的空白，成为我国煤炭企业综合自动化控制系统建设的开发与应用示范工图6物联网应用架构资料来源：研究团队2013,06刘庄煤矿基于物联网模式下的自动化系统建设从矿井生产各环节的工艺选择和基础设备选型开始，通过引入大量的传感器、可靠的控制元件，实现各生产过程的可视化，最终达到远程监视和控制。图7物联网应用示意图执行机构地面集中控制中心矿井千兆工业以太环网总线资料来源：研究团队2013,06刘庄煤矿通过自动化建设，实现用简单的管理线条代替复杂的管理机构，用先进的自动化技术提高矿井的劳动生产效率。通过自动化系统的实施和应用，生产工艺的变革等在生产组织上创造出新的管理模式，对公司未来矿井自动化建设起到了突出的示范作用。接口标准和协议的统一是实现各系统可视化是公司各矿井实现过程控制的重要先决技术条件，刘庄煤矿深入应用标准化的技术和工序、高效的自动化设备、快速的自动化网络，在建设矿级过程控制自动化的基础上，继续完善公司自动化集控中心建设，从而实现跨部门、跨系统的采矿过程自动化，最终在公司集控中心实现对各矿井所有关键设备的远程监控、远程监视和远程操作。刘庄煤矿自动化建设相比国内传统煤矿自动化有了更进一步的提升。国内传统煤矿自动化侧重在对现有控制系统的集成和对现场设备的集中控制上，但受现场控制系统状况的限制，基础设备控制层未能采集远程监控时所需的足够信息，在进行远程控制时存在不安全因素，这是国内传统煤矿自动化系统未能发挥更大效益的原因所在。而刘庄煤矿自动化在设计规划阶段就遵循了从基础设备的自动化控制出发的设计理念，从矿井生产各环节的工艺选择和基础设备选型开始，通过引入大量的传感器、可靠的控制元件，实现各生产过程的可视化，最终达到远程监视和控制。通过物联技术的应用刘庄煤矿自动化集控中心可实现对采煤工作面、皮带运输、井下主排水系统、地面110KV变电所、主井、副井、矸石井、制冷站、压风系统、抽风系统、锅炉房、瓦斯抽排站、选煤厂、地面装车系统等生产子系统和车间的远程监控；并实现对运输系统、主井装卸载等10余个井下生产系统及23个生产车间进行远程监视；同时在集控中心可实现对瓦斯监控系统、下井人员虹膜考勤系统、井下小灵通等系统的远程监控和信息集成；在公司集控中心还可实现对公司核心传输系统、网络系统、数据中心机房设备及各类信息化系统的运行状况进行远程监控。刘庄煤矿自动化建设，充分应用了物联网技术、信息技术、控制技术，实现了刘庄煤矿的设备监控、安全、生产和经营管理等信息的有机集成，并通过刘庄煤矿生产过程的自动化、管理流程的信息化、优化了生产过程控制和生产调度手段，使生产计划及经营管理更加科学合理。刘庄煤矿综合自动化控制系统建设逐步实现从设备集中控制向综合应用型的转变，为全国同类型矿井的综合自动化建设积累了宝贵的经验。开滦(集团)有限责任公司是中国特大型煤炭企业，始建于1878年，享有“中国煤炭工业源头”、“北方民族工业的摇篮”等盛誉。1999年由开滦矿务局改制为开滦(集团)有限责任公司，是中国500强企业，河北省煤炭、煤化工、现代物流领军企业。2010年开滦在全国企业500强中，名列第103名；在煤炭企业100强排名中，上升到第8位。目前，开滦集团已经发展成为一个集煤炭生产、洗选加工、煤化工、现代物流、电力、装备制造、建筑施工、建材化工、文化旅游等多产业并举的大型企业集团。形成了以唐山总部经济为统领的多区域发展布局，目前已形成五大区域，七大战略基地，分布在河北唐山、河北张家口蔚州、内蒙古鄂尔多斯、新疆伊犁和准东、山西介休地区和海外加拿大盖森地区。在册员工7万多人。2010年，产原煤6087万吨，营业收入930亿元，企业利润12.65亿元。开滦集团近年来在企业信息化、自动化方面进行了积极探索和大胆实践，取得了显著成效。在科学规划、统一设计的基础上，对所属各矿均进行了矿井安全监测系统的升级换代，在水文地质和矿井顶板压力检测方面也进行了大量的实践，建立了相应的监控系统。集团的生产、通风、地测等部门在与诸多厂商合作过程中，开发了许多矿山安全生产方面的检测、监控系统，在矿山安全生产管理方面取得了一定的成绩，积累了丰富的经验，初步实现了安全生产管理方式和管理手段的变革。下一步工作重点将是对影响矿井安全生产的重大危险源进行集中监测，并通过软、硬件开发和创新对危险源的信息进行预测和预警，提升安全管理水平到一个新的层面。2011年开滦集团基于国家工业与信息化部两化融合项目“煤矿井下重大事故危险源识别、检测及灾变预测、预警技术的研究”,以钱家营矿为示范矿井建设完成煤矿井下重大危险源检测、识别及预测、预警系统。钱家营煤矿创新性地开展煤矿井下水、火、瓦斯、顶板重大危险源检测、识别及预测、预警技术的研究，以提高煤矿重大危险源预警能力，降低重大危险源事故发生率，进而提高煤矿整体安全管理水平。该系统包括：煤矿井下重大危险源及其评价指标体系、煤矿井下重大危险源检测系统与平台的搭建、煤矿井下重大危险源的识别、水害危险源预测、预警系统、火灾危险源预测、预警系统、瓦斯危险源预测、预警系统、顶板危险源预测、预警系统、煤矿重大危险源决策支持系统、三维可视化集成数据平台。系统实现重大危险源在线检测，实时采集重大危险源数据，建立重大危险源指标体系库，运用先进的预警模型，实现对煤矿井下水、火、瓦斯和顶板等重大危险源的集成管理和超前预警。图8开滦集团数字矿山架构(用户可自己建立)资料来源：研究团队2013,06建立基于GIS的三维可视化集成数据平台，实现水、火、瓦斯、顶板等重大危险源三维动态数据的显示，实现了二维专用GIS和三维可视化系统数据的共享和动态更新。注氮系统瓦斯抽放系纥选煤厂系统地面排矸系统压风系统锅炉系统井下排水子系统采煤工作面子系统通风子系统井下胶带运输子系统副井提升子系统主井提升子系统人员定位系纯车辆肺助运物系统紧急电话系统系统实现煤矿井下水、火、瓦斯和顶板重大危险源在线检测，建立了基于工业以太网的水、火、瓦斯、顶板实时数据采集与数据仓库存储机制。(1)全面推进矿井信息化、综合自动化基础建设，提升传统产业生产、安全水平。(2)加大科技创新力度，推进信息化、综合自动化重点科研项目的研究与应用(3)建设了矿井井下重大危险源检测、识别及预测、预警系统。实现了重大危险源在线检测，实时采集重大危险源数据，建立重大危险源指标体系库，运用先进的预警模型，实现对煤矿井下水、火、瓦斯和顶板等重大危险源的集成管理和超前预警。中国国电平庄煤业(集团)有限责任公司(以下简称平庄煤业)是中国国电集团公司控股的特大型煤炭企业，前身为1959年成立的平庄矿务局，总部位于于东北经济区与环渤海经济圈结合部的内蒙古赤峰市境内，企业员工2.3万人，资产总额177亿元，2011年生产原煤3776万吨，全国煤炭产能排名21位。平庄煤业坚持以