创新工业物联网技术手段

近日，八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（以下简称《指导意见》），对智能化煤矿应用全面感知、实时互联的工业物联网技术提出了要求。

我主要从事煤矿自动化及物联网研究工作，主持或参与研发过综合自动化系统、监测监控系统、物联网关键技术研究等与煤矿智能化建设相关的工作，现就此领域谈一些个人看法。

经过多年发展，我国煤矿智能化建设取得了令人瞩目的成就，装备智能化及系统自动化程度得到了较大提升，尤其在综采工作面，国内开采条件较好的煤矿实现了综采工作面自动化开采，监控中心远程干预；主煤流运输系统实现了远程集中控制与应急联动，有些生产环节的固定岗位已实现无人值守；在安全保障方面，对五大灾害水、火、煤尘、瓦斯、顶板配备了相应的监控及预警系统，尤其在对井下有害气体监测和人员定位方面，国家出台了相应的强制标准，目前全面实现了数字化，系统及装备可靠性有了较大提升，以安全保障促智能化生产的局面已经初步形成。

我们也要清醒地认识到目前存在的短板，尤其是作为基础技术支撑的物联网技术还有较大发展空间。

目前，传感技术以传统工艺、激光传感为主，由于供电、有线传输、成本等问题导致作业现场传感器数量少、维护不方便，难以做到全面感知；协议的开放性、标准化程度不够，局部无线网络带宽和容量不能满足大容量数据传输要求，无法做到实时互联；有些生产环节的故障检测由于传统传感技术无法安装只能由人工巡检替代。这些短板客观上影响了煤矿智能化的发展。

《指导意见》指出，智能化煤矿需要深度融合人工智能、工业物联网、云计算、大数据等技术，并具有全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的能力。这就要求智能化煤矿的高级阶段将类似于人具有独立自主学习、自我判断的能力，并能根据实际情况及时反馈，而所有这些高级能力都离不开海量数据和人工智能的支撑，高度依赖于煤矿物联网技术。

因此，必须创新物联网技术手段，从根本上突破目前煤矿物联网的应用瓶颈，有效提升感知能力，为煤矿智能化提供全面、透明、实时、可靠的数据，进一步推动煤矿智能化向更高级阶段发展。

智能化煤矿的感知能力需要从感知节点的数量、智能化程度、对外交互能力等方面来体现。

首先，要在煤矿作业现场布置大量的感知节点。这就需要感知节点成本低、功耗低、体积小、能够长时间免标校和维护，基于MEMS工艺的传感技术明显具备这些特征，且易于集成和实现智能化，目前已经在消费电子、空气质量检测等领域大量应用，这种传感技术如果在煤矿井下大量应用，将有利于提升煤矿井下作业现场的全面感知能力。当感知节点数量增加后就需要解决维护问题，一方面要通过配备电池加合适的能量捕获技术解决传感器长时间供电问题；另一方面通过在井下设置边缘计算装置，利用算法实现感知节点的自动标校。

其次，要提升感知节点的智能化水平。煤矿智能化是通过分布式体现的，必须先解决末端的智能化，因此，必须在井下构建类似地面GPS的位置服务系统，保证感知节点能够随时知道自己的位置信息，同时感知节点内置足够量的故障探针，能及时将自身的健康状况和实时信息准确无误地主动发送出来，这样对于提高整体运维效率具有重大意义。

在其次，要提升感知节点的对外交互能力。实时互联能力是智能化煤矿必须具备的一项能力。一方面，感知节点要被其它装置自动识别，就要有身份识别机制，无论是通过总线还是无线传输，发出的信息都需要被其它装置读懂，还要有标准规范的链路协议，因此解决感知节点的编码标识和链路协议的标准规范化必须先行。另一方面，煤矿井下作业现场，尤其是工作面布置有线线路非常不方便，当感知节点数量达到一定规模时，末端的无线传输能力必须与之相匹配，包括可支持的网络节点容量、数据吞吐量、传输实时性、路由能力、满足感知节点的功耗要求等。因此，要研究满足煤矿井下大容量、高带宽、低时延、低功耗的无线网络技术手段，来解决感知节点的大样本数据实时传输问题。

可喜的是煤矿工业物联网技术已经取得了阶段性研究成果，譬如中国煤科常州研究院基于类GPS服务的煤矿井下精确定位技术已将静态定位精度提升到30厘米，并成功应用于人员定位系统；传感器已经设计嵌入了故障探针技术，并通过在单位建立运维监控管理平台实现对贵州多个煤矿安全生产监控系统的远程故障诊断和运维指导。国外已有公司采用微功耗感知技术将4参数便携式环境气体检测仪的性能做到可连续使用2年，无需充电和标校。该技术如果应用到煤矿井下感知节点，将有利于提升智能化煤矿的感知能力。

下一步，煤矿工业物联网将围绕煤矿井下高精度位置服务、MEMS无线微功耗传感技术、故障检测探针技术、交互协议标准、智能矿山基础信息软件平台等煤矿智能化卡脖子技术持续进行研究攻关，不断创新工业物联网检测手段，提升煤矿智能化安全保障能力。

（作者系 天地（常州）自动化股份有限公司研发中心主任工程师 ，贺耀宜《矿山物联网关键技术与标准规范研究》项目负责人）