進(jìn)入21 世紀(jì)以來，以信息技術(shù)為代表的技術(shù)革命迅猛發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)礦山的全面感知提供了成熟的技術(shù)支撐。數(shù)年來，工業(yè)界一直處于一場(chǎng)重大而根本性的變革之中，這一變革在德國(guó)被稱為“工業(yè)4.0”，在中國(guó)稱為“中國(guó)制造2025”，而推廣到礦山領(lǐng)域，我們稱之為“感知礦山”，它將是“互聯(lián)網(wǎng)+”這一概念應(yīng)用在礦山行業(yè)的最佳模式。

感知礦山

人類早在幾千年前就對(duì)礦山有了一定的了解，并開始對(duì)礦石進(jìn)行開采和利用，如中國(guó)夏商時(shí)期對(duì)青銅、春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期對(duì)鐵礦石的開采和冶煉；在歐洲，希臘學(xué)者在公元前約300 年就記載有煤的性質(zhì)和產(chǎn)地，而古羅馬更是在大約2000 年前就開始用煤進(jìn)行加熱。在礦石的開采過程中，人類對(duì)礦山形成了初步的感知，掌握了掘進(jìn)、支護(hù)、開采、運(yùn)輸?shù)纫幌盗械纳a(chǎn)流程，并沿用至今。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)代化開采需要新的感知手段，去更全面地了解礦山，從而更好地指導(dǎo)人們進(jìn)行生產(chǎn)，由此，感知礦山的概念就應(yīng)運(yùn)而生了。

為了保證礦山的安全開采，管理者希望能夠了解礦山開采每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一道工序、每一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行情況，能夠全面感知礦山的地質(zhì)、環(huán)境、采掘設(shè)備狀態(tài)等信息，就像人們利用感覺器官可以全面感知我們的身體狀態(tài)一樣。但是，礦山開采是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及大量的電氣和機(jī)械設(shè)備，還難以做到有效監(jiān)測(cè)監(jiān)控。因此，感知礦山的內(nèi)涵，就是要利用現(xiàn)代的傳感技術(shù)、通信技術(shù)和信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程中資源環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、人員安全、設(shè)備健康的全面監(jiān)測(cè)。

礦山開采系統(tǒng)主要包括：綜掘設(shè)備、綜采設(shè)備、膠帶運(yùn)輸、提升系統(tǒng)、輔助運(yùn)輸、煤的洗選、裝車等礦山采掘、生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中所涉及的一系列生產(chǎn)系統(tǒng)。同時(shí)，礦山開采還要面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件、礦山壓力、瓦斯、一氧化碳、地下水及煤塵等，需要排水、通風(fēng)、供電、壓風(fēng)等生產(chǎn)輔助系統(tǒng)。大量的開采系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，不成體系，造成了礦山生產(chǎn)監(jiān)控難、調(diào)度難、安全事故多等問題。

錢學(xué)森等3 位中國(guó)學(xué)者于1990 年發(fā)表了題為“一個(gè)科學(xué)新領(lǐng)域——開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)及其方法論”一文，提出了開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的概念，揭開了開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)研究的序幕。錢學(xué)森在復(fù)雜性理論的研究中將系統(tǒng)分為簡(jiǎn)單系統(tǒng)和巨系統(tǒng)兩大類，巨系統(tǒng)又分為簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)和復(fù)雜巨系統(tǒng)，進(jìn)而提出開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)概念。他指出開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)具有以下四個(gè)特征：第一，系統(tǒng)是開放的，也就是系統(tǒng)本身與系統(tǒng)外部環(huán)境有物質(zhì)、能量和信息的交換；第二，系統(tǒng)包含很多子系統(tǒng)，成千上萬甚至是上億萬，所以是巨系統(tǒng)；第三，系統(tǒng)的種類繁多，有幾十、上百甚至幾百種，所以是復(fù)雜的；第四，正因?yàn)橐陨蠋讉€(gè)特征，整個(gè)系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)是多層次的，每個(gè)層次都表現(xiàn)出系統(tǒng)的復(fù)雜行為，甚至還有作為社會(huì)人的參與。

我們認(rèn)為，礦井生產(chǎn)系統(tǒng)就是一個(gè)典型的開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)。首先，礦井系統(tǒng)所包含的子系統(tǒng)種類繁多，數(shù)量龐大，如礦井地質(zhì)、巷道開拓、巷道掘進(jìn)、圍巖支護(hù)、工作面回采、供電線路、電器設(shè)備、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、瓦斯抽放、礦井通風(fēng)、排水、井底車場(chǎng)、運(yùn)輸、提升、地面設(shè)施等子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)本身又包含許多子系統(tǒng)，層次很多，規(guī)模宏大，可以劃分為成千上萬個(gè)系統(tǒng)，所以稱為“巨”系統(tǒng)；其次，影響安全生產(chǎn)的因子眾多，各因子之間具有強(qiáng)烈的非線性相互作用，復(fù)雜是礦山安全生產(chǎn)系統(tǒng)的基本特征。最后，這些系統(tǒng)本身顯然都與系統(tǒng)周圍的環(huán)境有物質(zhì)的交換、能量的交換和信息的交換，且有人的參與，由于有這些交換，所以是“開放的”。

開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的一個(gè)典型特點(diǎn)是人對(duì)其子系統(tǒng)不能完全認(rèn)識(shí)、了解，子系統(tǒng)內(nèi)部還有更深、更細(xì)的子系統(tǒng)無法完全認(rèn)知，難以掌握其完全信息。例如對(duì)于礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，我們無法確定礦井每一個(gè)地方的地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯含量等。這些問題如何解決?錢學(xué)森院士在提出開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)同時(shí)，還給出了現(xiàn)在能用的、唯一能有效處理開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的方法，這就是從定性到定量的綜合集成方法，該方法強(qiáng)調(diào)人的重要性及人的聰明才智與實(shí)踐活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)的重要性，將科學(xué)理論、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和專家判斷力相結(jié)合，提出經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)（判斷或猜想）；而這些經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)不能用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方式加以證明，往往是定性的認(rèn)識(shí)，但可以用經(jīng)驗(yàn)性的數(shù)據(jù)和資料以及幾十、幾百、上千個(gè)參數(shù)的模型對(duì)其確定性進(jìn)行檢測(cè)，而這些模型也必須建立在經(jīng)驗(yàn)和對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際理解上，經(jīng)過定量計(jì)算，反復(fù)對(duì)比，最后形成結(jié)論，這個(gè)結(jié)論就是從定性上升到定量的認(rèn)識(shí)。由此可見，從定性到定量的綜合集成方法，其實(shí)質(zhì)是利用各種通信網(wǎng)絡(luò)，將井下傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來，形成物與物的交互；再把各種學(xué)科的科學(xué)理論和人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)結(jié)合起來，分析這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形成物與人的交互，利用專家群體的優(yōu)勢(shì)（各類有關(guān)專家）解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題。

20世紀(jì)90年代初，微計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，這就為礦山開采系統(tǒng)的信息采集和通信提供了技術(shù)上的保證。為了保證礦山開采這個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我國(guó)的科研工作者開始將這些新技術(shù)引入到礦山開采系統(tǒng)中，用于采集各類設(shè)備和環(huán)境參數(shù)，初步實(shí)現(xiàn)礦山開采的自動(dòng)化，自動(dòng)化采掘、支護(hù)、開采、運(yùn)輸，使得礦石的產(chǎn)量及開采的安全性得到了質(zhì)的飛躍。但是，人類對(duì)礦山的感知不全面，生產(chǎn)過程中伴隨的沖擊地壓、巖爆、礦震、巖土工程失穩(wěn)、泥石流、煤與瓦斯突出、礦井火災(zāi)、突水等災(zāi)害仍是造成礦山生產(chǎn)事故的主要因素。因此，如何運(yùn)用新興的信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，感知礦山開采過程中的人員信息、設(shè)備信息、災(zāi)害信息及環(huán)境信息，預(yù)知自然災(zāi)害及生產(chǎn)事故，保證井下工人的生命安全、設(shè)備的運(yùn)行安全以及開采環(huán)境的安全，即為感知礦山的內(nèi)涵。

礦山物聯(lián)網(wǎng)

礦山物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山領(lǐng)域應(yīng)用的重要突破。其概念最早由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成立物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心提出。其目的是以礦山物聯(lián)網(wǎng)的“三層應(yīng)用模型”（圖1）、“骨干網(wǎng)絡(luò)模型”（圖2）為基礎(chǔ)，形成對(duì)礦山生產(chǎn)的整體感知，完善礦山現(xiàn)有的監(jiān)控、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使礦山生產(chǎn)向自動(dòng)化、信息化、智能化的智慧型礦山邁進(jìn)。其核心是“四個(gè)感知”，即對(duì)工作人員的身體參數(shù)、工作環(huán)境、位置環(huán)境等信息進(jìn)行主動(dòng)感知，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式的人員安全保障；對(duì)礦山的機(jī)械、電子設(shè)備工作健康狀況進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)知維修；對(duì)礦山常見的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的主動(dòng)感知；對(duì)礦區(qū)的環(huán)境信息進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的主動(dòng)感知。

圖1 礦山物聯(lián)網(wǎng)的三層應(yīng)用模型

圖2 礦山物聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)模型

2011 年11 月，全球第一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和技術(shù)的智慧礦井示范工程在徐州夾河礦山建設(shè)成功。由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)研究中心提出的礦山物聯(lián)網(wǎng)“三層應(yīng)用模型”“骨干網(wǎng)絡(luò)模型”“四個(gè)感知”技術(shù)體系等關(guān)鍵技術(shù)，首次在工程中應(yīng)用實(shí)施，并取得了良好效果。系統(tǒng)運(yùn)行后，礦山安全生產(chǎn)水平從本質(zhì)上得到了提高，同時(shí)，也帶動(dòng)了生產(chǎn)效率和產(chǎn)量的提升，給企業(yè)帶來了更大的經(jīng)濟(jì)效益。這在當(dāng)時(shí)是世界首例。

近幾年隨著科學(xué)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能化產(chǎn)品涌現(xiàn)出來，“智能家居”“智能交通”“智能電網(wǎng)”“智慧城市”等，使我們的生活更加輕松、更加智能。作為物聯(lián)網(wǎng)在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，感知礦山的理念和要求也已經(jīng)悄然發(fā)生變化，它不應(yīng)再是簡(jiǎn)單的物物相連。

首先，未來的物聯(lián)網(wǎng)礦井應(yīng)該是一個(gè)少人化、甚至是無人化的工業(yè)自動(dòng)化礦井，因?yàn)榈V山開采“無人更安”，這就要求更高的自動(dòng)化和智能化，如采煤機(jī)搖臂的自動(dòng)調(diào)整、液壓支架的自動(dòng)前進(jìn)、運(yùn)輸皮帶的啟停時(shí)序自動(dòng)控制、提升系統(tǒng)的自動(dòng)可控制、除塵系統(tǒng)的自動(dòng)開啟等，這些信息能夠讓礦山管理和決策者在調(diào)度室一目了然，隨時(shí)根據(jù)井下實(shí)際情況，調(diào)整和協(xié)調(diào)各個(gè)開采、運(yùn)輸、提升系統(tǒng)，確保煤炭的最優(yōu)化開采。其次，未來的礦井應(yīng)該是一個(gè)信息化的礦井，全礦井瓦斯、突水、通風(fēng)、礦震等礦山災(zāi)害信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)，井下調(diào)度室、泵房、配電室、避難硐室的信息與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)也能隨時(shí)隨地進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢。最后，未來的礦井應(yīng)該是一個(gè)智慧礦井、人工智能礦井，具有自主判斷、自主控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)全礦開采、提升、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)過程的無人值守，管理者或調(diào)度員可以隨時(shí)通過各種終端設(shè)備，連入礦山感知網(wǎng)絡(luò)，掌握各個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)；當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)異常或環(huán)境信息異常時(shí)，能夠第一時(shí)間發(fā)送報(bào)警消息，甚至在礦難發(fā)生后，能夠根據(jù)最后時(shí)刻的井下各位置信息，判斷災(zāi)難的類型、影響范圍，規(guī)劃救援路線，指導(dǎo)礦難救援。

“感知礦山”是通過各種感知、信息傳輸與處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的數(shù)字化、虛擬化、智慧化，三者之間的關(guān)系如圖3所示。真實(shí)的物理礦山與數(shù)字礦山之間存在著物的集成關(guān)系，物理礦山與虛擬信息礦山之間存在著描述物與活動(dòng)之間的語義集成關(guān)系，數(shù)字礦山與虛擬信息礦山之間存在著數(shù)據(jù)的集成關(guān)系，三者之間的集成關(guān)系共同形成了礦山物聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)集成關(guān)系。

圖3 數(shù)字礦山、虛擬礦山及智慧礦山之間的關(guān)系

感知礦山的總體目標(biāo)是：將礦山地理、地質(zhì)，礦山建設(shè)、礦山生產(chǎn)、安全管理、產(chǎn)品加工與運(yùn)銷、礦山生態(tài)等綜合信息全面數(shù)字化，將感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理、智能計(jì)算、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代信息管理等與現(xiàn)代采礦及礦物加工技術(shù)緊密結(jié)合，構(gòu)成礦山中人與人、人與物、物與物相連的網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)詳盡地描述并控制礦山安全生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)的全過程。以高效、安全、綠色開采為目標(biāo)，保證礦山經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)增長(zhǎng)，保證礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定。