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实现“无人化采煤”,煤矿领域第四次技术革命——感知矿山物联网 精选

已有 2948 次阅读 2017-6-19 09:38 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记|关键词:感知矿山理论与应用 葛世荣 丁恩杰 科学出版社 感知矿山

进入21 世纪以来,以信息技术为代表的技术革命迅猛发展,为实现矿山的全面感知提供了成熟的技术支撑。数年来,工业界一直处于一场重大而根本性的变革之中,这一变革在德国被称为“工业4.0”,在中国称为“中国制造2025”,而推广到矿山领域,我们称之为“感知矿山”,它将是“互联网+”这一概念应用在矿山行业的最佳模式。


感 知 矿 山


人类早在几千年前就对矿山有了一定的了解,并开始对矿石进行开采和利用,如中国夏商时期对青铜、春秋战国时期对铁矿石的开采和冶炼;在欧洲,希腊学者在公元前约300 年就记载有煤的性质和产地,而古罗马更是在大约2000 年前就开始用煤进行加热。在矿石的开采过程中,人类对矿山形成了初步的感知,掌握了掘进、支护、开采、运输等一系列的生产流程,并沿用至今。随着科技的发展和进步,现代化开采需要新的感知手段,去更全面地了解矿山,从而更好地指导人们进行生产,由此,感知矿山的概念就应运而生了。



为了保证矿山的安全开采,管理者希望能够了解矿山开采每一个环节、每一道工序、每一台设备的运行情况,能够全面感知矿山的地质、环境、采掘设备状态等信息,就像人们利用感觉器官可以全面感知我们的身体状态一样。但是,矿山开采是一个复杂的过程,涉及大量的电气和机械设备,还难以做到有效监测监控。因此,感知矿山的内涵,就是要利用现代的传感技术、通信技术和信息处理技术,实现矿山生产过程中资源环境、地质灾害、人员安全、设备健康的全面监测。


矿山开采系统主要包括:综掘设备、综采设备、胶带运输、提升系统、辅助运输、煤的洗选、装车等矿山采掘、生产、运输过程中所涉及的一系列生产系统。同时,矿山开采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,需要排水、通风、供电、压风等生产辅助系统。大量的开采系统、辅助系统独立运行,不成体系,造成了矿山生产监控难、调度难、安全事故多等问题。


钱学森等3 位中国学者于1990 年发表了题为“一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论”一文,提出了开放的复杂巨系统的概念,揭开了开放的复杂巨系统研究的序幕。钱学森在复杂性理论的研究中将系统分为简单系统和巨系统两大类,巨系统又分为简单巨系统和复杂巨系统,进而提出开放的复杂巨系统概念。他指出开放的复杂巨系统具有以下四个特征:第一,系统是开放的,也就是系统本身与系统外部环境有物质、能量和信息的交换;第二,系统包含很多子系统,成千上万甚至是上亿万,所以是巨系统;第三,系统的种类繁多,有几十、上百甚至几百种,所以是复杂的;第四,正因为以上几个特征,整个系统之间的结构是多层次的,每个层次都表现出系统的复杂行为,甚至还有作为社会人的参与。


我们认为,矿井生产系统就是一个典型的开放的复杂巨系统。首先,矿井系统所包含的子系统种类繁多,数量庞大,如矿井地质、巷道开拓、巷道掘进、围岩支护、工作面回采、供电线路、电器设备、监测监控、瓦斯抽放、矿井通风、排水、井底车场、运输、提升、地面设施等子系统,这些子系统本身又包含许多子系统,层次很多,规模宏大,可以划分为成千上万个系统,所以称为“巨”系统;其次,影响安全生产的因子众多,各因子之间具有强烈的非线性相互作用,复杂是矿山安全生产系统的基本特征。最后,这些系统本身显然都与系统周围的环境有物质的交换、能量的交换和信息的交换,且有人的参与,由于有这些交换,所以是“开放的”。




开放的复杂巨系统的一个典型特点是人对其子系统不能完全认识、了解,子系统内部还有更深、更细的子系统无法完全认知,难以掌握其完全信息。例如对于矿井生产系统,我们无法确定矿井每一个地方的地质构造、瓦斯含量等。这些问题如何解决?钱学森院士在提出开放的复杂巨系统同时,还给出了现在能用的、唯一能有效处理开放的复杂巨系统的方法,这就是从定性到定量的综合集成方法,该方法强调人的重要性及人的聪明才智与实践活动经验的重要性,将科学理论、经验知识和专家判断力相结合,提出经验性假设(判断或猜想);而这些经验性假设不能用严谨的科学方式加以证明,往往是定性的认识,但可以用经验性的数据和资料以及几十、几百、上千个参数的模型对其确定性进行检测,而这些模型也必须建立在经验和对系统的实际理解上,经过定量计算,反复对比,最后形成结论,这个结论就是从定性上升到定量的认识。由此可见,从定性到定量的综合集成方法,其实质是利用各种通信网络,将井下传感器的监测数据结合起来,形成物与物的交互;再把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来,分析这些监测数据,形成物与人的交互,利用专家群体的优势(各类有关专家)解决生产过程中出现的问题。


20 世纪90 年代初,微计算机技术、互联网技术飞速发展,这就为矿山开采系统的信息采集和通信提供了技术上的保证。为了保证矿山开采这个复杂巨系统的稳定性,我国的科研工作者开始将这些新技术引入到矿山开采系统中,用于采集各类设备和环境参数,初步实现矿山开采的自动化,自动化采掘、支护、开采、运输,使得矿石的产量及开采的安全性得到了质的飞跃。但是,人类对矿山的感知不全面,生产过程中伴随的冲击地压、岩爆、矿震、岩土工程失稳、泥石流、煤与瓦斯突出、矿井火灾、突水等灾害仍是造成矿山生产事故的主要因素。因此,如何运用新兴的信息技术、网络技术,感知矿山开采过程中的人员信息、设备信息、灾害信息及环境信息,预知自然灾害及生产事故,保证井下工人的生命安全、设备的运行安全以及开采环境的安全,即为感知矿山的内涵。


矿 山 物 联 网


矿山物联网是物联网技术在矿山领域应用的重要突破。其概念最早由中国矿业大学成立物联网(感知矿山)研究中心提出。其目的是以矿山物联网的“三层应用模型”(图1)、“骨干网络模型”(图2)为基础,形成对矿山生产的整体感知,完善矿山现有的监控、监测系统,使矿山生产向自动化、信息化、智能化的智慧型矿山迈进。其核心是“四个感知”,即对工作人员的身体参数、工作环境、位置环境等信息进行主动感知,实现主动式的人员安全保障;对矿山的机械、电子设备工作健康状况进行感知,实现设备的预知维修;对矿山常见的灾害风险进行预报预警,实现灾害的主动感知;对矿区的环境信息进行感知,实现矿区生态环境的主动感知。



图1 矿山物联网的三层应用模型



图2 矿山物联网的骨干网络模型


2011 年11 月,全球第一个基于物联网架构和技术的智慧矿井示范工程在徐州夹河矿山建设成功。由中国矿业大学物联网研究中心提出的矿山物联网“三层应用模型”“骨干网络模型”“四个感知”技术体系等关键技术,首次在工程中应用实施,并取得了良好效果。系统运行后,矿山安全生产水平从本质上得到了提高,同时,也带动了生产效率和产量的提升,给企业带来了更大的经济效益。这在当时是世界首例。


近几年随着科学的进步和技术的发展,越来越多的智能化产品涌现出来,“智能家居”“智能交通”“智能电网”“智慧城市”等,使我们的生活更加轻松、更加智能。作为物联网在矿业领域的应用,感知矿山的理念和要求也已经悄然发生变化,它不应再是简单的物物相连。



首先,未来的物联网矿井应该是一个少人化、甚至是无人化的工业自动化矿井,因为矿山开采“无人更安”,这就要求更高的自动化和智能化,如采煤机摇臂的自动调整、液压支架的自动前进、运输皮带的启停时序自动控制、提升系统的自动可控制、除尘系统的自动开启等,这些信息能够让矿山管理和决策者在调度室一目了然,随时根据井下实际情况,调整和协调各个开采、运输、提升系统,确保煤炭的最优化开采。其次,未来的矿井应该是一个信息化的矿井,全矿井瓦斯、突水、通风、矿震等矿山灾害信息的实时监测与预报,井下调度室、泵房、配电室、避难硐室的信息与设备运行状态也能随时随地进行存储和查询。最后,未来的矿井应该是一个智慧矿井、人工智能矿井,具有自主判断、自主控制能力,能够实现全矿开采、提升、运输等生产过程的无人值守,管理者或调度员可以随时通过各种终端设备,连入矿山感知网络,掌握各个系统的实时动态;当设备运转异常或环境信息异常时,能够第一时间发送报警消息,甚至在矿难发生后,能够根据最后时刻的井下各位置信息,判断灾难的类型、影响范围,规划救援路线,指导矿难救援。


“感知矿山”是通过各种感知、信息传输与处理技术,实现对真实矿山整体及相关现象的数字化、虚拟化、智慧化,三者之间的关系如图3所示。真实的物理矿山与数字矿山之间存在着物的集成关系,物理矿山与虚拟信息矿山之间存在着描述物与活动之间的语义集成关系,数字矿山与虚拟信息矿山之间存在着数据的集成关系,三者之间的集成关系共同形成了矿山物联网的知识集成关系。



图3 数字矿山、虚拟矿山及智慧矿山之间的关系


感知矿山的总体目标是:将矿山地理、地质,矿山建设、矿山生产、安全管理、产品加工与运销、矿山生态等综合信息全面数字化,将感知技术、传输技术、信息处理、智能计算、现代控制技术、现代信息管理等与现代采矿及矿物加工技术紧密结合,构成矿山中人与人、人与物、物与物相连的网络,动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程。以高效、安全、绿色开采为目标,保证矿山经济的可持续增长,保证矿山自然环境的生态稳定。






《感知矿山理论与应用》

主编:葛世荣

副主编:丁恩杰

责编:胡凯 李涪汁

北京:科学出版社,2017.3

ISBN:978-7-03-052166-8



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随着物联网技术的发展,将物联网技术应用到煤矿,将带来煤矿领域的第四次技术革命。《感知矿山理论与应用》介绍矿山物联网领域的理论与应用,按照“源、流、岛”的体系去认知矿山生产及环境全过程;利用“三个感知”诠释矿山物联网的本质;从信息的获取、传输、处理和应用示范方面详细描述作者对矿山物联网理论与技术的认识。本书包括感知矿山技术体系、感知矿山的信息源、感知矿山的信息岛、感知矿山的信息流、感知矿山的传输网、感知矿山的智能化、矿山灾害感知、矿山人员环境感知、矿山装备感知、感知矿山云平台、井下灾变感知以及感知矿山工程实践12章内容。


(本期责编:李文超)



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