物聯網在主膠帶運輸系統中的應用

張志強

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司機電信息部，山西 長治 046600）

山西霍爾辛赫煤礦主膠帶運輸系統在實際生產運輸過程中，當井下某些隱患出現時無法實現驅動其他系統或設備做出相應動作，主膠帶運輸系統的安全性和可靠性不夠。為建設高效高產安全型煤礦，基于數字化煤礦的建設要求，該礦對主膠帶運輸系統進行了物聯網技術的應用。

1 工程概況

山西霍爾辛赫煤礦成立于2005年6月，位于山西省長子縣丹朱鎮南鮑村境內，設計生產能力每年300萬t，所開采煤層厚度穩定，結構簡單，為穩定型全區可采煤層。

針對霍爾辛赫煤礦主膠帶運輸系統實施物聯網建設。與主膠帶運輸相關的系統已有KJ69J人員位置監測系統、K95N安全檢測系統、主膠帶集控系統、無線通信系統、IP廣播系統等。本次物聯網建設的目的主要是對各個相關系統數據深度融合，消除信息孤島，增加延伸功能；通過標準協議和數據接口將各系統的數據進行實時處理，并根據相應的預案及時地進行信息傳遞。霍爾辛赫煤礦主膠帶運輸系統物聯網平臺如圖1所示。

圖1 主膠帶運輸系統物聯網平臺

2 物聯網平臺結構設計

2.1 系統硬件配置

針對主膠帶運輸系統，設置1臺I/O服務器，用于采集、發送全部數據；設置1臺web服務器，負責Web發布，把信息傳送到局域網；設置1臺數據庫服務器，負責存儲信息，生成實時和歷史數據庫，供數據查詢與分析；設置1臺工作站，用于監控物聯網系統的工況、設備的狀態、控制各種設備的運行。

2.2 系統架構設計

物聯網分三層架構設計：

（1）感知與控制層設計。主要是分布式感知與控制，實現礦山生產與安全過程中各種傳感與控制信息的采集與施用。

（2）信息集成層設計。本層設計是要建立一個統一的數據倉庫平臺，各種系統的數據應有統一的數據描述形式、統一的數據處理格式和統一的數據管理方式，便于信息的挖掘和融合。

（3）管理與決策層設計。系統數據在信息集成層得到整合后，目的是為了利用這些信息去實時詳盡地描述與控制主膠帶運輸，由此實現主膠帶運輸的安全生產評價與監管、災害預警與防治、輸送機設備故障診斷、輸送機沿線資源環境控制及評價等。

3 物聯網平臺的功能設計

（1）人員感知。提取人員定位系統數據，實現膠帶運輸巷內人員準確定位，落實崗位人員在崗狀態。同時，結合輸送機的設備感知傳感器和環境感知傳感器采集的信息，告知作業人員設備的故障點，或是在環境發生危險的時候，通過人員定位系統及時告知工作人員信息。

（2）設備感知。在基本保護和裝置的基礎上增加了設備感知傳感器，實現對輸送機設備及輔助系統的感知。主要包括以下幾方面：

① 輸送帶接頭定位感知。在輸送帶的接頭處，植入無源標識卡，通過系統修正計算實現輸送帶接頭的精確定位，可在膠帶輸送機正常運行的情況下，實時反饋接頭的位置給檢修人員，大大提高檢修效率。

② 機架振動感知。在膠帶輸送機機架沿線，分布增裝振動傳感器，監測機架的工作狀態，當有大的振動時可以發出告警信息或停機。

③ 大塊矸石感知。采用非接觸方式自動測量物體間的位移量、傳感器距物體間距離，監測物體的長度、寬度、厚度，實時顯示采集結果，根據采集到的數據與設定數據進行比較，實現對“大矸石”的檢測，及時停車或通知工作人員前去處理。

④ 設備可視化感知。在膠帶運輸巷沿線定點分布安裝高清網絡投像儀，實時監控輸送機的運行圖像，把圖像集成到輸送機的控制保護集成平臺，達到設備全線“看得到”的目的。

（3）環境安全感知。提取安全監測監控系統數據，實時監測巷道的環境參數。

（4）集成具備預警聯動、生產數據中心、視頻監控功能的智能管控平臺。生產智能管控平臺不只是傳統意義上對設備簡單地實時監測及遠程控制，物聯網能實現生產自動化的預警聯動控制及三維立體展示；結合生產自動化系統預警機制快速自動切換視頻監控畫面，定位預警位置。針對礦井管理人員對全礦安全生產情況的實時、綜合監管需求，以管理要素為核心，結合二維、三維、GIS、綜合分析圖表等多種信息展現手段，通過網絡將物聯網實時數據在統一界面中集中呈現，并進行綜合分析、預警。

（5）集成統一信息管理平臺。信息管理平臺統一了手機信息及桌面信息，將所有的信息采集、處理、預測進行集中管理，分級處理，能有效地提高工作效率。

（6）智能數據決策輔助支持。利用數據倉庫、數據挖掘、神經網絡等數據處理技術，實現人員定位、設備故障、環境安全的智能分析檢測，為高層決策提供依據。

4 物聯網平臺建設關鍵技術分析

霍爾辛赫煤礦主膠帶運輸系統的物聯網平臺建設對礦井運輸安全生產起到了有力的保障，該平臺建設中主要涉及以下主要關鍵技術。

4.1 異構系統數據之間的聯動技術研究與實現

一個大的信息化項目，可能由多個單位來分步實施，這就會造成異構系統出現，而要將多個不同業務類型的系統集成到同一個平臺上，需要（1）在信息系統內部進行數據、編碼以及系統程序等多層次的縱向“整合”，實現“縱向貫通”；（2）應用集成/業務流程集成，建立統一、共用的信息平臺，實現信息系統的“橫向集成”；（3）“縱向貫通”和“橫向集成”實現數據資源一體化管控。

4.2 實時3DGIS（三維地理信息系統）

為后期物聯網擴展做測試，針對煤礦地下開采的特點，在存儲地質勘探數據和測量數據的前提下，運用三維建模技術將采礦設計的圖紙進行矢量化處理，將處理后的點集按照三維模型的集合來存儲，并提供模型管理工具、模型三維構建的圖形算法插件，供其他系統調用查看。

4.3 適合煤礦特征的數據挖掘技術研究與實現

數據挖掘，首先涉及高效的數據抽取技術，需要快速高效地將數據進行提取并填充到數據模型中；同時還必須對數據進行清洗和篩選，只有高質量的數據，才會生成高質量的結果。要想數據挖掘真正應用到煤礦，最關鍵的是在于建立反應煤礦業務需求的數據挖掘模型，通過正確的業務模型，結合相關的數據挖掘算法，才有可能分析出有意義的結果。在本項目中，提出了作業區域環境安全等級判定、報警防范及聯動管理、生產環節能耗監測與效能分析、在線設備管理等方面的數據挖掘模型，并進行驗證和示范應用。

5 實踐應用效果分析

物聯網在霍爾辛赫煤礦主膠帶運輸系統中進行了實踐應用，效果顯著。

（1）人員感知。能夠快速定位人員位置、確認目標區域人員分布情況，利用廣播系統可實現井上下對講，提高檢修、應急效率。

（2）設備感知。融合主膠帶所有監測數據，并以現場LED屏、手機短信、廣播、上位視頻聯動、上位語音報警等方式將報警信息分類、分級發送，應用效果良好。其中，大塊矸石視頻聯動報警應用效果最明顯。監測傳感器安裝在落煤點前50m處，膠帶輸送機運行速度為2.5m/s，留有20s的反應時間，當有報警時，相應視頻畫面即時彈出，上位語音報警需要3s，上位膠帶輸送機司機有17s的反應時間，通過視頻畫面監控大塊矸石經過落煤點的全過程，發現隱患及時停機，并聯系現場巡檢人員及時處理，從發現落煤點卡矸到膠帶輸送機停機只需要6s，保證了膠帶輸送機的安全，利用人員定位和廣播聯系巡檢人員處理卡矸，只需要3～5min，保證了膠帶輸送機的開機率。應用1年，共處理卡矸2次，未發生撕帶或堆煤等問題。

（3）環境安全感知。能夠實時監測巷道的環境參數。

（4）數據聯機分析。將膠帶輸送機的張力傳感器人為調動大小（忽大忽小，但不超過報警值），3s后，系統根據張力報警設定的級別及發送方式進行報警發送。

（5）智能數據決策輔助支持。系統集成了便于操作的人機界面，便于各種條件的數據檢測，為設備檢修、運行、故障處理提供便捷有效的技術支持，在人員組織、設備定期檢修管理中發揮了很大的作用。

6 結語

論文對物聯網在霍爾辛赫煤礦主膠帶運輸系統中的實踐應用進行了研究。采用多信息融合、海量數據挖掘、嵌入式實時分析、故障診斷、信息共享等技術，對現場功能傳感器進行擴展，融合現有自動化系統數據，并對數據進行深度融合、處理，形成物聯網，為霍爾辛赫煤礦主膠帶集控系統的無人值守提供了保障。