礦山安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的信息感知增加現(xiàn)實(shí)的理論與方法概覽

1、礦山安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的信息感知增加現(xiàn)實(shí)的理論與方法 一：研究現(xiàn)狀礦山綜合自動(dòng)化己實(shí)施了十多年， 初步實(shí)現(xiàn)了礦山己有各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的 網(wǎng)絡(luò)化集成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、語(yǔ)音及視頻傳輸?shù)摹叭W(wǎng)合一” ，實(shí)現(xiàn)了用統(tǒng)一的數(shù) 據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)各種子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)， 具備進(jìn)一步提升為礦山物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)， 但是與“中 國(guó)制造 2025 “互聯(lián)網(wǎng) +”及“工業(yè) 4. 0 ”的發(fā)展要求相比，還有很大的差距。 據(jù) 2005-2015 年煤礦安全生產(chǎn)事故統(tǒng)計(jì)分析， 人的不安全行為、 物的不安全狀態(tài)、 環(huán)境的不安全條件、管理缺陷等事故致因 4 要素中，人、物、環(huán)境 3大因素導(dǎo)致 的事故起數(shù)占總事故起數(shù)的 89% 。多年來(lái)，許多礦山安全領(lǐng)

2、域的專家學(xué)者都在致力于研究這些影響礦山安全的 不確定性因素， 提出了一些理論與方法。 如對(duì)災(zāi)害源的不確定性， 很多參考文獻(xiàn) 提出了多場(chǎng)藕合的煤礦動(dòng)力災(zāi)害研究方法， 以及多參量的災(zāi)害評(píng)估分級(jí)預(yù)警方法 對(duì)于設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境的不確定性，比如煤巖分界，國(guó)內(nèi)外也進(jìn)行了多年的研究， 取得一些成果 ; 對(duì)于人員的不規(guī)范行為也有一些分析研究困。遺憾的是，這些研 究成果基本還停留在理論或?qū)嶒?yàn)室階段， 也就是說(shuō)， 基本是在各種因素可控的環(huán) 境下去研究諸多非確定的因素。因此，這些研究成果很難應(yīng)用到礦山現(xiàn)場(chǎng)。1.具體國(guó)內(nèi)礦山物聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀在體系架構(gòu)研究方面， 吳立新等指出應(yīng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)數(shù)字礦山集成平 臺(tái)、礦山自動(dòng)

3、化系統(tǒng)、井下精確定位與導(dǎo)航系統(tǒng)以及采礦環(huán)境的智能感知系統(tǒng)。 張申等提出感知礦山建設(shè)的核心問(wèn)題為“ 3 個(gè)感知” : 感知礦山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn) 各種災(zāi)害事故的預(yù)警預(yù)報(bào) ;感知礦工周圍安全環(huán)境， 實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式安全保障 ;感知礦 山設(shè)備工作健康狀況，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修。張申等在分析煤礦綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)上， 提出采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其平臺(tái)性來(lái)實(shí)現(xiàn)礦山物理世界的實(shí)時(shí)控制、 精確管理和科 學(xué)決策，指出礦山物聯(lián)網(wǎng)是一種開(kāi)放式平臺(tái)， 且該平臺(tái)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性平臺(tái)和服務(wù) 性平臺(tái) 2 個(gè)方面。解海東等，在分析智能礦山建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上， 提出了一種基 于物聯(lián)網(wǎng)的 5層智能礦山體系架構(gòu)方案， 并提出了基于該架構(gòu)的智能礦山應(yīng)用體 系，指

4、出該體系可用于指導(dǎo)煤礦企業(yè)建設(shè)礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。 張科利等， 提出了智 能生產(chǎn)系統(tǒng)概念， 在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上， 提出了一個(gè)彈性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。 張 長(zhǎng)江等， 指出將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到礦山， 可以實(shí)現(xiàn)礦井的全面感知、 智能控制和 綜合管理，并能較好地消除礦山企業(yè)存在的“信息孤島”現(xiàn)象。孫彥景等，提出 構(gòu)建動(dòng)態(tài)感知煤礦災(zāi)害狀況、 設(shè)備健康狀態(tài)、 人員安全環(huán)境的煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián) 協(xié)同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在感知層研究方面， 丁恩杰等， 研制了具有礦工定位、 周圍環(huán)境信息感知及 雙向通信功能的智能信息終端。 王繼水等，針對(duì)礦山實(shí)際需求， 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 通過(guò)建立基于 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦山環(huán)

5、境的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 李繼云、張春輝， 分別就礦山物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)， 對(duì) 礦山物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)有一定的參考和指導(dǎo)作用。在傳輸層研究方而，邵國(guó)強(qiáng)等，針對(duì)常用的礦井 WiFi 通信系統(tǒng)、人員定位 系統(tǒng)均采用獨(dú)立布網(wǎng)方式而存在重復(fù)布網(wǎng)的問(wèn)題，提出了一種將 WiFi 和 RFID（Radio Frequency Identification ，射頻識(shí)別 ） 相結(jié)合的一體化礦用無(wú)線通 信及人員定位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。 孫彥景等， 設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的安全信息系統(tǒng) 模型，并研發(fā)了適用于煤礦環(huán)境的綜合接入網(wǎng)卡及環(huán)網(wǎng)防爆交換機(jī)。 太平研究了 礦山物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量框架，用來(lái)解決礦山物

6、聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障問(wèn)題。在應(yīng)用層研究方而， 趙安新等， 設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山機(jī)電設(shè)備 遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷平臺(tái)，使其在保障企業(yè)安全生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。 陳鐸等，提出了一種基于礦山物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。趙志軍等， 指出了物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模化運(yùn)用中的關(guān)鍵技術(shù)， 并給出了利用智能信息處理理論的煤礦 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在工程應(yīng)用方面，夾河煤礦、霍爾辛赫煤礦應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建井下通風(fēng)、 排水、應(yīng)急救援三大系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、供電的無(wú)人化或 少人化作業(yè)， 從而形成新型煤礦安全技術(shù)體系。 神華寧煤集團(tuán)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用 于數(shù)字化礦山建設(shè)中， 并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用成效進(jìn)

7、行了論述， 同時(shí)提出了神華 寧煤集團(tuán)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究的新方向。2.國(guó)外煤礦物聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀 近年來(lái)，國(guó)外煤礦井下無(wú)線通信也有很大發(fā)展，如加拿大、美國(guó)、德國(guó)、澳 大利亞等產(chǎn)煤大國(guó)都對(duì)井下無(wú)線通信進(jìn)行了深入研究， 基本上都實(shí)現(xiàn)了井下無(wú)線 通信。大多數(shù)礦業(yè)公司都在積極研究現(xiàn)代化的無(wú)線通信系統(tǒng)， 如超低頻透地系統(tǒng)、 小靈通通信系統(tǒng)等技術(shù)。 美國(guó)賓漢頓大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究室通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)接口協(xié) 議的研究，在 2005 年前后分別提出了物聯(lián)網(wǎng)中的各類協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而規(guī)范了物 聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3.煤礦物聯(lián)網(wǎng)存在的問(wèn)題物聯(lián)網(wǎng)在煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步， 還沒(méi)有從頂層形成適應(yīng)礦山特 點(diǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架，相

8、關(guān)的技術(shù)瓶頸問(wèn)題尚未解決 :1是礦山安全感知技術(shù)落后，難以達(dá)到對(duì)人員、設(shè)備、設(shè)施和環(huán)境等信息的 全面感知，比如，礦山采掘工作面生產(chǎn)監(jiān)測(cè)與關(guān)鍵設(shè)備的工作狀況缺乏可靠的在 線感知技術(shù)手段。2是普通傳感設(shè)備的密封性、耐用性、安全性等技術(shù)性能尚未滿足井下特殊 工況要求。3是安全生產(chǎn)各子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)不夠，不具有互操作性。4是井下無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸距離短、穿透性差等。 工作面采掘機(jī)、斜巷絞車、無(wú)極繩絞車等的監(jiān)控技術(shù)還不完善（三機(jī)） 。（1）缺乏低功耗智能傳感器及裝置。高能效是煤礦物聯(lián)網(wǎng)傳感器與裝置設(shè)計(jì) 的必要條件。礦山現(xiàn)有傳感器以有線供電、傳輸為主，其體積及功耗大，移動(dòng)、 維護(hù)困難。 傳感器的低功耗技術(shù)

9、一直是研究的重點(diǎn)， 己取得了一定進(jìn)展， 如中國(guó) 礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng) （感知礦山 ） 研究中心開(kāi)發(fā)的 MEMS（Micro-Electro-Mechanical System,微機(jī)電系統(tǒng)）瓦斯傳感器功耗可降低 30沖上。智能裝置基本功能組件 （ 通信與處理單元 ） 可采用能量捕獲組件為連續(xù)運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)裝置供電。（2）缺乏礦井環(huán)境能量捕獲技術(shù)。煤礦井下存在很多可利用的能量,如礦井 通風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)能, 帶式輸送機(jī)、 采煤機(jī)等產(chǎn)生的動(dòng)能等。 如果能夠捕獲這些能量, 就可為煤礦物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)充電。 振動(dòng)能量采集裝置的能量密度有望從 10 到 30 pW/g，頻率響應(yīng)范圍加大，可做到即插即用，有望解決煤礦采掘

10、工作而智能 裝置的供電問(wèn)題。(3)缺乏數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)安全方法。隨著煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，與當(dāng)前互 聯(lián)網(wǎng)一樣， 都會(huì)存在安全漏洞。 安全方而不容許存在弱點(diǎn)。 煤礦物聯(lián)網(wǎng)要得到廣 泛應(yīng)用，就需要獲得企業(yè)、 政府和用戶的認(rèn)可， 但不安全的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)環(huán)境無(wú)法得 到認(rèn)可。同時(shí)由于物聯(lián)網(wǎng)改變了物物相聯(lián)的關(guān)系， 數(shù)據(jù)的不安全性可能會(huì)為企業(yè) 帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 不安全的網(wǎng)絡(luò)、不保護(hù)個(gè)人隱私的網(wǎng)絡(luò)不可能得到推廣的。(4)缺乏公共服務(wù)平臺(tái)。煤礦物聯(lián)網(wǎng)最終會(huì)形成真實(shí)物理礦山、數(shù)字礦山和 虛擬信息礦山的三者合一， 形成一個(gè)由智能傳感器、 智能裝備與礦山智能環(huán)境組 成的Web服務(wù)平臺(tái)。但目前大多數(shù)的煤礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要是

11、垂直型的應(yīng)用， 局限 在某個(gè)企業(yè)內(nèi)部， 屬于企業(yè)信息化應(yīng)用。 只有形成公共服務(wù)平臺(tái)， 采用大數(shù)據(jù)及 云計(jì)算技術(shù)，才能有效地處理海量的數(shù)據(jù)及產(chǎn)生的應(yīng)用服務(wù)。(5)缺乏煤礦物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。隨著煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，礦山物聯(lián)網(wǎng)、 礦業(yè)集團(tuán)物聯(lián)網(wǎng)、 省級(jí)礦山物聯(lián)網(wǎng)和國(guó)家礦山物聯(lián)網(wǎng)將得到大量應(yīng)用， 若要增加 煤礦物聯(lián)網(wǎng)的可擴(kuò)展性， 使更多的信息可以共享、 物物互動(dòng)， 煤礦物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是 核心問(wèn)題。二礦山物聯(lián)網(wǎng)可能的發(fā)展方向從技術(shù)發(fā)展的模式來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)多種技術(shù)聚合發(fā)展的模 式，如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)的聚合發(fā)展，并在聚合發(fā)展中出現(xiàn)新的需求、新 的研究與發(fā)明、新的市場(chǎng)份額。煤礦物聯(lián)網(wǎng)主要涉及

12、3 類技術(shù)的發(fā)展。(1)嵌入式智能信息傳感技術(shù)。 針對(duì)礦山有限空間中的高效智能化環(huán)境感知， 著重研究嵌入式智能信息感知技術(shù)， 從而智能獲取與礦山裝備運(yùn)行相關(guān)的語(yǔ)義數(shù) 據(jù)。通過(guò)在井下環(huán)境中嵌入多種感知、計(jì)算設(shè)備，形成智能環(huán)境。該方而主要涉 及新材料、新型傳感器、 微電子技術(shù)、語(yǔ)義互操作、嵌入式軟件和操作系統(tǒng)、 M2M、 低功耗網(wǎng)絡(luò)與通信、能量捕獲等技術(shù)。(2)基于大數(shù)據(jù)的礦山安全生產(chǎn)云服務(wù)平臺(tái)。研究基于大數(shù)據(jù)時(shí)空行為分析 等技術(shù)，提供高可靠、高擴(kuò)展、高存取性能的多礦山大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式。通過(guò)構(gòu)建 的基于云計(jì)算的統(tǒng)一服務(wù)平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)信息的跨區(qū)域?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與 共享服務(wù)。 該方而主要涉及云計(jì)

13、算 (包括霧或微云 ) 、大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)的聚合、 數(shù) 據(jù)發(fā)現(xiàn)與搜索等技術(shù)。(3)安全性。如何解決煤礦物聯(lián)網(wǎng)的安全與隱私保護(hù)問(wèn)題，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進(jìn) 程中重要兼必要環(huán)節(jié)。該方而主要涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)安全、 RFID 安全、核心網(wǎng)安 全、移動(dòng)通信接入安全、 無(wú)線接入安全、 數(shù)據(jù)處理安全、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全、 云安全、 安全管理等技術(shù)。三主要技術(shù)1.信息感知在礦山“人 -機(jī)-環(huán)”應(yīng)用實(shí)現(xiàn)理論：信息感知為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了信息來(lái)源，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ) 信息感知最基本的形式是數(shù)據(jù)收集， 即節(jié)點(diǎn)將感知數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚 節(jié)點(diǎn)但由于在原始感知數(shù)據(jù)中往往存在異常值、 缺失值， 因此在數(shù)據(jù)收集時(shí)要 對(duì)原始感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)

14、清洗， 并對(duì)缺失值進(jìn)行估計(jì) 信息感知的目的是獲取用 戶感興趣的信息， 大多數(shù)情況下不需要收集所有感知數(shù)據(jù)， 況且將所有數(shù)據(jù)傳輸 到匯聚節(jié)點(diǎn)會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)大，因此在滿足應(yīng)用需求的條件下采用數(shù)據(jù)壓縮、生產(chǎn)環(huán)境 危險(xiǎn)環(huán)境人員定位人員狀態(tài)裝備狀態(tài)裝備控制感知裝備數(shù)據(jù)聚集和數(shù)據(jù)融合等網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高效的信息感知圖2“三令感XiT結(jié)構(gòu)閨結(jié)合感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的主要特征，在煤礦綜合自動(dòng)化建設(shè)基礎(chǔ)上，感知礦山 建設(shè)的核心問(wèn)題是“三個(gè)感知”，即感知礦山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害事故的預(yù) 警預(yù)報(bào)；感知礦工周圍安全環(huán)境，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式安全保障；感知礦山設(shè)備工作健 康狀況，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修?！叭齻€(gè)感知”旨在減災(zāi)保安全。

15、為了實(shí)現(xiàn)“三個(gè)感知”，需要研究開(kāi)發(fā)礦山特有的感知與測(cè)量技術(shù)。許多地 質(zhì)參數(shù)與巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律是影響礦山安全的關(guān)鍵因素， 如地下水賦存情況、瓦斯與 煤突出、巖層受力與沖擊地壓、采空區(qū)發(fā)火等，而目前對(duì)影響煤礦安全重要因素 的感知技術(shù)還不是很成熟。電磁輻射、聲發(fā)射、透地成像、微振監(jiān)測(cè)、外視覺(jué)識(shí) 別等技術(shù)是研制礦用感知傳感器的熱點(diǎn)技術(shù)， 因此，需要加強(qiáng)各類新型MEMS傳 感器的研制。需要利用先進(jìn)智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)煤礦有關(guān)環(huán)境與地質(zhì)參數(shù) 進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與理論分析，研究煤炭資源開(kāi)采尤其是深部資源 開(kāi)采中重大災(zāi)害的成因、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論以及防治對(duì)策等關(guān)鍵問(wèn)題； 重點(diǎn)研究煤與 瓦斯突出、礦井突水、

16、頂板冒落與沖擊地壓等發(fā)性動(dòng)力災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理、 礦山重大 災(zāi)害應(yīng)急救援與事故分析理論與技術(shù)，為深部資源開(kāi)發(fā)中重大災(zāi)害事故的預(yù)測(cè)、 預(yù)報(bào)和防治提供可靠的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。此外，與煤礦生產(chǎn)密切相關(guān)的大型設(shè)備有很多， 有些設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況會(huì)直接 影響工作人員的生命安全，因而需要研究煤礦生產(chǎn)工作面各種設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制與 煤層、頂?shù)装宓年P(guān)系，建立擬人化控制模型，“三個(gè)感知結(jié)構(gòu)圖展基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下采煤裝備遠(yuǎn)程定位、煤巖識(shí)別、大型設(shè)備姿態(tài)控制等技術(shù)研究。礦 工個(gè)人周圍環(huán)境安全狀況是保障礦工安全的重要保障，因此，還需建立覆蓋煤礦井下，并與千兆工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)。技術(shù)分析感知礦山物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)主

17、要包括感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、應(yīng)用層技術(shù)和 公共技術(shù)。感知層感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的感知層包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)與接入技術(shù) 2個(gè)子層。這里的數(shù) 據(jù)采集是廣義的，包括采集煤礦生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)， 生產(chǎn)與安全 的各類物理量、標(biāo)識(shí)、音頻、視頻數(shù)據(jù)。感知礦山建設(shè)的核心內(nèi)容中“3個(gè)感知”， 主要在這一層實(shí)現(xiàn)。感知層中的接入技術(shù)主要是為各種分布式、移動(dòng)傳感器、RFID 以及其他生產(chǎn)與安全設(shè)備提供接入主干網(wǎng)的環(huán)境， 主要分為有線接入和無(wú)線接入2 種方式。有線接入可以是綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用的通過(guò)子系統(tǒng)接入方式， 也可以 是分布式接入方式。無(wú)線接入基本是分布式接入。目前 , 煤礦井下無(wú)線信道有移 動(dòng)通信 WiFi網(wǎng)

18、絡(luò)、PHS網(wǎng)絡(luò),還有WSh網(wǎng)絡(luò)、人員定位的RFID網(wǎng)絡(luò)等，這些網(wǎng) 絡(luò)存在的主要問(wèn)題是覆蓋區(qū)域有限，只實(shí)現(xiàn)了局部地區(qū)的覆蓋，存在監(jiān)測(cè)盲點(diǎn) , 不利于安全與減災(zāi)信息的監(jiān)測(cè)；信道容量低，不利于多種信息的寬帶綜合應(yīng)用； 種類單一、重復(fù)建設(shè)，通常無(wú)線通信、人員定位、工況與環(huán)境監(jiān)測(cè)分別使用不同 的覆蓋網(wǎng)絡(luò)， 不能形成統(tǒng)一的感知網(wǎng)絡(luò)。 因此，感知層的關(guān)鍵技術(shù)主要是構(gòu)建真 正符合井下需求的無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)， 開(kāi)發(fā)新型的無(wú)線系統(tǒng)， 使其適應(yīng)煤礦井下長(zhǎng)距 離、多跳、寬帶、自組網(wǎng)、低功耗的要求。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層分網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)和應(yīng)用平臺(tái) 2 個(gè)子層。網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)就是感知礦山物 聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、煤礦移動(dòng)通信技

19、術(shù)、M2M技術(shù)以及礦山6Low PAN（M6LoPAN技術(shù)，把感知到的信息實(shí)時(shí)、無(wú)障礙、高可靠性、高安全性地進(jìn) 行傳送，因此， 需要進(jìn)一步研究傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 工業(yè)控制以太 網(wǎng)技術(shù)、 RFID 以及其它數(shù)據(jù)集成技術(shù)。應(yīng)用平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)信息集成， 包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)描述、統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)中間件技術(shù)、虛擬邏輯系統(tǒng)構(gòu)建等，在 此基礎(chǔ)上構(gòu)成服務(wù)支撐平臺(tái)，為應(yīng)用層各種服務(wù)提供開(kāi)放的接口。應(yīng)用層應(yīng)用層分為 2 個(gè)內(nèi)容 ：一是綜合自動(dòng)化， 即對(duì)礦山各生產(chǎn)安全子系統(tǒng)的實(shí) 時(shí)監(jiān)控，保障礦山的正常運(yùn)行，或稱作礦山 MES 層，包括在調(diào)度指揮控制中心 以太網(wǎng)上設(shè)計(jì)多臺(tái)操作員站， 用于監(jiān)控子系統(tǒng)， 如

20、綜采工作面監(jiān)控子系統(tǒng)、 主運(yùn) 輸集控子系統(tǒng)、地面供電監(jiān)控子系統(tǒng)等，以及對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化管理 ；二 是高層應(yīng)用， 即管理決策與應(yīng)用， 主要是各種軟件應(yīng)用模塊。 它可應(yīng)用于礦山安 全生產(chǎn)形勢(shì)評(píng)估、 煤礦災(zāi)害預(yù)警與防治、 煤礦安全隱患排查、 礦山資源環(huán)境控制 及評(píng)價(jià) ；煤礦供應(yīng)鏈管理；大型設(shè)備故障診斷；實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)礦山的優(yōu)化管理與 安全動(dòng)態(tài)跟蹤。根據(jù)礦山具體應(yīng)用的不同，這些模塊可增減。標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)感知礦山物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用方面。 感知礦山物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括感 知礦山物聯(lián)網(wǎng) M2M 接口標(biāo)準(zhǔn)、感知礦山物聯(lián)網(wǎng)信息 （ 數(shù)據(jù) ） 描述標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線 覆蓋網(wǎng)絡(luò)必須能為井下所有移動(dòng)物體提供感知服務(wù)， 包括各種

21、設(shè)備、 人員、環(huán)境 及工況監(jiān)測(cè)等，真正實(shí)現(xiàn)物與物相聯(lián)需要的各層之間M2M 標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)設(shè)備層移動(dòng)。2.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在礦山“人 -機(jī)-環(huán)”應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將虛擬物體或信息加入到真實(shí)環(huán)境中， 實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與真實(shí) 環(huán)境的結(jié)合。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展， 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將為煤礦安全生產(chǎn) 提供新的技術(shù)手段。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息 “無(wú)縫”集成的新技術(shù)， 是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息 （視覺(jué)信息 , 聲音, 味道, 觸覺(jué)等 ）, 通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)， 模擬仿真后再疊加， 將虛擬的信息應(yīng) 用到真實(shí)世界， 被人類感官所感知， 從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

22、 真實(shí)的環(huán)境 和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間同時(shí)存在。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)， 不僅 展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息 , 而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、 疊加。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器 融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、 場(chǎng)景融合等新技術(shù)與新手段。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供了在一般情 況下，不同于人類可以感知的信息。利用 AR 技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)主體的識(shí)別、 定位、信息顯示與各類交 互操作。在 AR 環(huán)境里能實(shí)現(xiàn)各種不同類型的物聯(lián)網(wǎng)主體交互， 其基本方式可分 為視覺(jué)交互和物理交互。 視覺(jué)交互包括虛實(shí)物體相互間的陰影、 遮擋、各類反射、 折射和顏色滲透等。 物理

23、交互包括虛實(shí)物體間運(yùn)動(dòng)學(xué)上的約束、 碰撞檢測(cè)和受外 力影響產(chǎn)生的物理響應(yīng)等。 在物聯(lián)網(wǎng)中要實(shí)現(xiàn)主體之間自然的交互， 需要通過(guò)傳 感設(shè)備獲取數(shù)據(jù)以確定用戶對(duì)主體發(fā)出的行為指令并給出相應(yīng)的反饋， 其中數(shù)據(jù) 手套作為一種用戶手部傳感設(shè)備， 可以實(shí)時(shí)精確地獲取人手的動(dòng)作與姿態(tài)， 佩戴 方便舒適，可以在某些有用戶參與的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更為自然的主體交 互。物聯(lián)網(wǎng)中的某些真實(shí)物體可以在其可視表面的適當(dāng)部位附加具有唯一性的 二維平面標(biāo)識(shí)物， 其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中保存有該物體的類型、 屬性及狀態(tài)等相關(guān)信 息。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中， 通過(guò) AR 技術(shù)采用模式識(shí)別的方法對(duì)二維平面標(biāo)識(shí)物進(jìn)行 圖像匹配， 即對(duì)攝像機(jī)采集的

24、圖像進(jìn)行預(yù)處理之后， 利用模板數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存的圖 像模板和采集到的圖像進(jìn)行匹配， 得出匹配結(jié)果， 識(shí)別出二維平面標(biāo)識(shí)物， 從而 獲取對(duì)應(yīng)物體的類型、屬性、狀態(tài)、空間位置等所需要的相關(guān)信息。3.霧計(jì)算技術(shù)霧計(jì)算簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是比較底層的網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算。 霧計(jì)算與云計(jì)算相比更強(qiáng)調(diào)其 實(shí)時(shí)性。以瓦斯超限斷電為例， 煤礦安全規(guī)程要求當(dāng)瓦斯監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)到甲烷 超限時(shí)，應(yīng)立即控制斷電。然而是什么原因造成的甲烷超限 ?是個(gè)別點(diǎn)還是一個(gè) 區(qū)域?是不是干擾誤報(bào) ?是不是瓦斯傳感器失限等 ?這些問(wèn)題都難以判斷。 盡管煤 礦安全規(guī)程規(guī)定“每秒必須對(duì)甲烷超限斷電功能進(jìn)行測(cè)試” ，但也難以防比瓦 斯傳感器誤報(bào)情況的發(fā)生。 利用霧計(jì)

25、算， 可以將相鄰的幾個(gè)瓦斯傳感器和其他相 關(guān)傳感器作為信息源來(lái)判斷各個(gè)瓦斯信息源的可信度、 識(shí)別瓦斯超限區(qū)域、 繪制 瓦斯場(chǎng)的分布、給出是否斷電及斷電范圍的決策。顯然，類似這樣的底層計(jì)算在礦山有大量的需求。 與云計(jì)算相比， 霧計(jì) 算并非由性能強(qiáng)大的服務(wù)器組成， 而是由更為底層的嵌入式系統(tǒng)、 網(wǎng)絡(luò)及分散的 異構(gòu)計(jì)算資源組成。霧計(jì)算通過(guò)強(qiáng)化獨(dú)立節(jié)點(diǎn)間的局部實(shí)時(shí)交互和分布式智能， 使節(jié)點(diǎn)具備自組織、 自計(jì)算、 自反饋的計(jì)算功能， 將眾多的局部應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理 和應(yīng)用程序分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的本地設(shè)備， 而非集中在數(shù)據(jù)中心， 從而更加廣泛地 適應(yīng)礦山不同的應(yīng)用形態(tài)和服務(wù)類型。 礦山霧計(jì)算平臺(tái)在礦山物聯(lián)網(wǎng)中所處的位 置如圖所示。霧計(jì)算平臺(tái)可以通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)的方式對(duì)不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的霧計(jì)算 進(jìn)行調(diào)度、配置，也可以實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制和子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)級(jí)計(jì)算與協(xié)調(diào)。 因此，礦山霧