基于矿山物联网的矿井突水感知关键技术研究

从感知矿山理念与物联网三层架构出发,以网络化测量、智能传感器、地球信息科学、数据挖掘等新兴学科与水文地质、采矿、地球物理等传统矿山学科相互交叉为手段,分析了矿井突水信息采集、传输、处理与预警技术现状,论述了矿山物联网条件下实现矿井突水感知的关键技术。在感知层,以网络化测量与智能传感器为关键技术,构建多物理场网络化分布式监测系统;在网络层,利用空间数据仓库、三维地学模拟系统和云计算搭建突水云服务平台,实现矿井突水多源异构信息的高效存取与三维复合分析,为构建突水专家云提供基础;在应用层,以多源信息融合为关键技术,提出了一种多模型组合的矿井突水预警方法,将静态预测与实时预警相结合,充分利用历史与实时数据,增大突水预警判据的信息量。最后指出了建设整个系统需要分3个阶段逐步实施。

压缩感知技术在矿山物联网中的应用研究

针对矿山井下环境的特殊性导致井下监测到的海量信息的获取受到限制等问题,对目前备受关注的基于信号稀疏性的新型采样理论——压缩感知理论进行研究,以矿山物联网为研究对象,介绍了压缩感知基本理论及关键技术,分析了压缩感知理论在这个应用环境中的优势,理论上满足矿山物联网应用的需求。最后,利用Matlab仿真软件,对煤矿井下采集到的瓦斯浓度数据进行稀疏性分析、压缩与重构,结果表明压缩感知技术可以较精确地恢复原始瓦斯浓度信号。

矿山物联网人-机-环状态感知关键技术研究

物联网技术的多学科交叉融合特性为解决矿山安全生产问题提供了全新的途径,矿山"人-机-环"状态信息的实时精准感知是矿山物联网应用的基础。分析了矿山安全生产物联网技术体系架构,围绕矿山物联网感知理论、智能传感技术、标准化方法、大数据分析服务几个关键问题,建立了基于信息物理系统和数字孪生的虚实融合感知理论模型,提出了矿山"人-机-环"信息统一描述方法,研究了矿用光学等多参数传感与能量自动捕获技术,规范了矿山物联网编码与交互协议标准,设计了矿山物联网融合通信网络服务架构,构建了矿山物联网大数据高效接入与深度分析应用服务体系,实现矿山安全生产状态信息的全面精准感知、实时高效交互与智能分析应用。为提升矿山安全预防准备、监测预警、态势预判、综合保障技术水平,提高矿山安全生产效率提供有力的科技支撑。

物联网与感知矿山专题讲座之二——感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化

论述了感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化的关系,指出感知矿山是数字矿山、矿山综合自动化等概念的升华;在数字矿山三层模型的基础上,给出了感知矿山模型;明确提出感知矿山的核心问题是"三个感知",即感知矿山灾害征兆,实现各种灾害事故的预警预报;感知矿工周围安全环境,实现主动式安全保障;感知矿山设备工作健康状况,实现预知维修。感知矿山系统建设的关键是感知层网络建设,建设目标是减灾保安全。

物联网与感知矿山专题讲座之一--物联网基本概念及典型应用

介绍了物联网的发展、基本概念、体系结构、标准及典型应用,同时指出了目前物联网应用中存在的问题,提出在感知矿山物联网建设中不能照搬地面应用模式,以避免出现新的信息孤岛和子系统问题孤岛。该文讨论的内容是理解将在本刊连续发表的"物联网与感知矿山"系列文章的基础。

物联网与感知矿山专题讲座之三——感知矿山物联网的特征与关键技术

指出了感知矿山物联网是在煤矿综合自动化基础上的延伸和扩展应用,因而,感知矿山物联网在很大程度上有别于综合自动化系统;由于煤矿应用的特点,感知矿山物联网与目前地面物联网应用也有一些不同之处;介绍了感知矿山物联网的特征,它主要表现在多系统综合应用、感知层开放、应用平台开放和适合构建逻辑子系统等几个方面;分析了感知层、网络层、应用层的关键技术和跨层的公共技术;给出了感知矿山物联网的开放性要求和标准建设。该文对更好地理解感知矿山物联网的建设具有一定的参考价值。

感知矿山物联网愿景与发展趋势

给出了矿山物联网的愿景,即实现矿山物与物相连,减少甚至消除监测盲区,运用云计算和大数据技术提取有用的监测信息,真正实现本质安全矿山;从技术和服务模式2个方面梳理了矿山物联网的发展趋势,阐述了雾计算技术、网络分形结构、矿山物体的本体描述与知识化、云计算与大数据技术等概念及其在矿山物联网中的应用与发展,对协同工作模式和购买服务模式进行了展望。

基于物联网的矿山机械设备状态智能感知与诊断

矿山生产机电设备是机械、电气、液压、控制等多形式系统的复杂耦合结构,工作过程中环境和工况条件变化多样,缺乏有效的技术手段解决矿山设备运行健康状态的实时感知问题。借助物联网、工业互联网、人工智能和大数据挖掘技术,研究矿山设备状态知识建模与在线诊断方法,将传统的“人-机”交互监控模式提升为“传感—机器认知—机器决策”的智能化监控模式。分析了基于物联网的矿山设备状态感知系统架构,定义了多源信息感知层、边缘智能层、大数据分析层和数据与知识共享迁移层的4个层次的作用,提出了设备状态知识共享与迁移模式;结合本体语义、置信规则库和数字孪生技术,设计了面向矿山机械设备系统状态知识建模的信息描述、知识表示、决策融合方法,提出了面向矿山设备运行全过程的实时感知、演化分析与智能交互的“虚实融合”感知模型,实现虚、实系统运行过程的“精准映射、信息对偶、融合交互、协同演进”。分析了数据驱动的矿山机械设备状态诊断方法研究现状、技术架构、存在问题和研究趋势,提出结合数字孪生、深度学习、迁移学习等方法,构建机理模型、经验知识与数据深层特征相融合的矿山设备状态诊断模式,研究矿山设备状态大数据分析与应用技术,研发矿山设备状态诊断与全生命周期管理等智能化应用服务系统。形成了矿山设备运行信息感知、知识建模与状态在线判识方法体系,以实现矿山机械设备故障状态自诊断、早期隐患预知维护、智能调度与协同管控,为矿山生产智能化、无人化提供技术支撑。

物联网与感知矿山专题讲座之四——感知矿山物联网与煤炭行业物联网规划建设

指出感知矿山物联网M2M平台应为应用层服务提供开放的接口,适应完善安全避险"六大系统"、领导带班下井、煤矿灾害监测的需求;给出了煤炭行业物联网的四层结构,指出感知矿山物联网建设是整个煤炭行业物联网建设的重点,其它层次以煤矿安全管理和资源管理为主,并分析了矿业集团级、省级、国家级煤炭行业物联网的应用方式;提出了煤炭行业物联网建设需要注意的问题。

互联网+感知矿山安全监控系统研究

针对煤矿安全事故频发、现有煤矿安全监控系统不足的现状,进行了基于互联网+的感知矿山安全监控系统研究,分析了当前煤矿安全监控系统存在的问题;建立了互联网+感知矿山模型的安全监控系统架构,该架构具有3层结构,分别是感知层、信息集成与数据库层和决策应用层。指出煤矿安全监控系统的重点在于感知层,分析了感知层实现数据采集与数据传输所用到的关键技术。最后讨论了当前制约煤矿互联网+发展的关键技术。将互联网+技术应用在煤矿安全监控系统上,可减少重大灾害安全事故的发生,降低人员事故伤亡,提高灾后救援能力。

论感知矿山物联网与矿山综合自动化

系统分析了感知矿山物联网与矿山综合自动化的关系及区别,从矿山综合自动化的概念、实施案例出发,讨论矿山综合自动化建设与运行10余年来的成果,并总结了其存在的问题:感知手段传统单一,缺乏泛在感知网络,重硬集成,轻软集成,多学科交叉不够以及标准建设不足等。而感知矿山物联网技术正是解决这些问题的有效方法,提出了矿山物联网建设的主要内容为网络平台、应用平台、3个感知核心内容(人员感知、设备感知、灾害感知)和应用系统4个方面。指出综合自动化是矿山物联网的基础,矿山物联网是综合自动化概念的升华。

感知矿山物联网云计算应用探索

从云计算的概念、服务模式及云计算的优势出发,澄清一些对云计算的误解,在此基础上,给出矿山行业物联网的4层结构与云计算间的关系。明确在矿山物联网中云服务应主要由专业的服务商来提供。根据云计算中资源池与服务的概念,指出专家云是云服务的一种形式,结合几种矿山物联网中云计算的应用场景,讨论了感知矿山物联网中云计算的必要性与合理性。

基于DCS的矿山物联网微震数据重构算法研究

煤矿物联网是近几年兴起的热点研究领域。针对煤矿物联网分布式环境下微震数据量大的问题,引入分布式压缩感知理论对微震数据进行压缩以减小数据传输量。以分布式微震信号为对象,通过傅里叶变换基对其进行稀疏性分析,论证了可以用压缩感知相关理论对微震数据进行压缩处理。基于广义正交匹配追踪算法及稀疏度自适应匹配追踪算法,提出了一种改进的分布式稀疏度自适应正交匹配追踪重构算法。基于MATLAB仿真平台,用改进的算法重构稀疏测量后的分布式微震信号,仿真结果表明,该算法在减少计算量的前提下有效地恢复了原始微震信号。

矿山物联网统一标识编码标准研究

目前,我国在大力推行矿山的智能化建设,矿山物联网是实现矿山智能化建设的核心技术支撑。矿山物联网技术的核心是形成对矿山生产过程的整体感知,即对工作人员身体参数、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;对矿山机械、设备的工作状况进行感知,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,以及实现灾害的主动感知;对矿区的环境信息进行快速提取、即时分析和有效控制,以及实现矿区生态环境的主动感知;对矿山的运行管理和发展进行信息挖掘与分析,建立动态立体感知、智能信息管理、智慧决策应用为一体的综合服务管理云平台。

矿山物联网中的时间同步影响因素研究与实测

精确的时间同步是准确反应感知信息的时序特征和内部规律的关键。提出了矿山物联网精确时间同步的网络模型,引入PTP协议作为时间同步的核心算法;探讨了矿山物联网环境同步精度的影响因素,包括网络延时、节点时钟漂移、节点故障和上下行流量不对称等,并根据影响因素的成因给出了可行的解决办法。实测数据表明,同步精度尽管受多种因素的影响,但是能够满足多数矿山物联网应用的需求,且主、从时钟之间的时间偏移具有明显的正态分布特征。进一步提高同步精度有赖于硬件的配合,实现数据链路层或物理层层面的同步。

改进型CS图像算法在感知矿山物联网的应用

针对煤矿井下无线传感网络因信息传输量大而导致传感节点能量消耗快、设备寿命缩减的问题,在分析矿山物联网的特点和小波变换系数层的基础上,提出一种基于小波域分块的多层小波变换自适应压缩感知图像处理算法。该方法首先采用bior4.4小波变换对煤矿井下图像信号进行多层分解,针对小波域中不同的区域采用不同的测量矩阵对稀疏化的图像数据进行测量,得到测量数据,然后利用稀疏自适应匹配追踪算法(SAMP)恢复高频系数,最后将高频系数和低频系数一起进行小波逆变换重构图像。仿真实验表明:与传统的压缩感知算法相比,该算法不仅能够以更低的采样率获得高质量的重构图像效果,压缩了图像大小,且能够快速地还原图像。

三论数字矿山——借力物联网保障矿山安全与智能采矿

在简要总结我国数字矿山建设成效的基础上,梳理了数字矿山内涵及其不同理解,讨论了自动采矿、遥控采矿、矿山物联网、感知矿山、智能采矿等相关概念及其与数字矿山的联系。结合采矿科技进步,采用数字化、信息化与自动化3条主线对数字矿山等概念进行了矩阵描述。指出:数字化、信息化、自动化是智能采矿的3项关键技术,数字化与信息化相辅相成,共同支撑矿山自动化;数字矿山是感知矿山与智能采矿的基础,感知矿山是智能采矿的保障。以当前煤矿安全避险六大系统建设和金属矿无人采矿系统技术发展为例,明确了数字矿山借力物联网的新任务。并面向矿山安全与智能采矿,分析提出了"十二五"期间数字矿山的5个主攻方向,即数字矿山集成平台、采矿模拟仿真系统、露天矿全自动化系统、井下定位与导航技术、采场环境智能感知技术。

矿山物联网顶层设计

介绍了矿山物联网技术发展现状和产业发展模式,指出矿山物联网顶层设计的目的是从国家安全生产监管的全局进行感知矿山总体设计,实现矿山物联网物与物相联,并明确矿山物联网的服务本质。探讨了矿山物联网的发展趋势:关键技术不断突破,服务承载模式逐步显现,政府与企业共促发展。阐述了矿山物联网发展重点领域:核心关键技术突破,包括微型化智能装置及能量捕获技术,矿山覆盖网络、通信与灾后重建技术,云计算、大数据及安全生产管理技术,矿山语义与虚拟化技术,安全、隐私与可信网络技术;5S应用,即感知人员、感知灾害、感知设备、感知矿区、感知管理;云服务体系构建;标准化建设。提出了矿山物联网保障措施及建设路线。

物联网、大数据及云计算技术在煤矿安全生产中的应用研究

阐述了物联网、大数据及云计算技术的研究现状,指出3种技术之间的关系,即物联网产生大数据,大数据助力物联网;大数据需要云计算,云计算增值大数据。结合煤矿综合自动化的建设发展历程,研究了3种技术在煤矿安全生产保障中的作用和地位,提出了3种技术在煤矿生产安全保障中的关系:物联网是煤矿各个子系统建设的技术框架和路线图,大数据是矿山物联网建设的产物,云计算则是对大数据处理利用的技术手段,并指出基于物联网、大数据及云计算技术的煤矿安全生产监测监控系统将是主动式、多参数融合、具备预警功能的监测监控系统,可有效提升煤矿安全生产水平。

物联网环境下煤矿安全监控系统体系架构研究

分析了传统煤矿安全监控系统存在的问题,探讨了物联网环境下的煤矿安全监控系统的结构、性能、工作原理、分层架构及关键技术,并详细阐述了系统主要部件的变化及逻辑分站的概念和意义,指出要真正实现煤矿安全监控系统的物联网化,还需要解决规程和标准、传感器的低功耗等问题。