進入21 世紀以來，以信息技術為代表的技術革命迅猛發(fā)展，為實現(xiàn)礦山的全面感知提供了成熟的技術支撐。數年來，工業(yè)界一直處于一場重大而根本性的變革之中，這一變革在德國被稱為“工業(yè)4.0”，在中國稱為“中國制造2025”，而推廣到礦山領域，我們稱之為“感知礦山”，它將是“互聯(lián)網+”這一概念應用在礦山行業(yè)的最佳模式。
感知礦山
人類早在幾千年前就對礦山有了一定的了解，并開始對礦石進行開采和利用，如中國夏商時期對青銅、春秋戰(zhàn)國時期對鐵礦石的開采和冶煉;在歐洲，希臘學者在公元前約300 年就記載有煤的性質和產地，而古羅馬更是在大約2000 年前就開始用煤進行加熱。在礦石的開采過程中，人類對礦山形成了初步的感知，掌握了掘進、支護、開采、運輸等一系列的生產流程，并沿用至今。隨著科技的發(fā)展和進步，現(xiàn)代化開采需要新的感知手段，去更全面地了解礦山，從而更好地指導人們進行生產，由此，感知礦山的概念就應運而生了。
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環(huán)節(jié)、每一道工序、每一臺設備的運行情況，能夠全面感知礦山的地質、環(huán)境、采掘設備狀態(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，礦山開采是一個復雜的過程，涉及大量的電氣和機械設備，還難以做到有效監(jiān)測監(jiān)控。因此，感知礦山的內涵，就是要利用現(xiàn)代的傳感技術、通信技術和信息處理技術，實現(xiàn)礦山生產過程中資源環(huán)境、地質災害、人員安全、設備健康的全面監(jiān)測。
礦山開采系統(tǒng)主要包括：綜掘設備、綜采設備、膠帶運輸、提升系統(tǒng)、輔助運輸、煤的洗選、裝車等礦山采掘、生產、運輸過程中所涉及的一系列生產系統(tǒng)。同時，礦山開采還要面對復雜的地質條件、礦山壓力、瓦斯、一氧化碳、地下水及煤塵等，需要排水、通風、供電、壓風等生產輔助系統(tǒng)。大量的開采系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)獨立運行，不成體系，造成了礦山生產監(jiān)控難、調度難、安全事故多等問題。
錢學森等3 位中國學者于1990 年發(fā)表了題為“一個科學新領域——開放的復雜巨系統(tǒng)及其方法論”一文，提出了開放的復雜巨系統(tǒng)的概念，揭開了開放的復雜巨系統(tǒng)研究的序幕。錢學森在復雜性理論的研究中將系統(tǒng)分為簡單系統(tǒng)和巨系統(tǒng)兩大類，巨系統(tǒng)又分為簡單巨系統(tǒng)和復雜巨系統(tǒng)，進而提出開放的復雜巨系統(tǒng)概念。他指出開放的復雜巨系統(tǒng)具有以下四個特征：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、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，所以是復雜的;第四，正因為以上幾個特征，整個系統(tǒng)之間的結構是多層次的，每個層次都表現(xiàn)出系統(tǒng)的復雜行為，甚至還有作為社會人的參與。
我們認為，礦井生產系統(tǒng)就是一個典型的開放的復雜巨系統(tǒng)。首先，礦井系統(tǒng)所包含的子系統(tǒng)種類繁多，數量龐大，如礦井地質、巷道開拓、巷道掘進、圍巖支護、工作面回采、供電線路、電器設備、監(jiān)測監(jiān)控、瓦斯抽放、礦井通風、排水、井底車場、運輸、提升、地面設施等子系統(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系統(tǒng)，所以稱為“巨”系統(tǒng);其次，影響安全生產的因子眾多，各因子之間具有強烈的非線性相互作用，復雜是礦山安全生產系統(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”。
開放的復雜巨系統(tǒng)的一個典型特點是人對其子系統(tǒng)不能完全認識、了解，子系統(tǒng)內部還有更深、更細的子系統(tǒng)無法完全認知，難以掌握其完全信息。例如對于礦井生產系統(tǒng)，我們無法確定礦井每一個地方的地質構造、瓦斯含量等。這些問題如何解決?錢學森院士在提出開放的復雜巨系統(tǒng)同時，還給出了現(xiàn)在能用的、唯一能有效處理開放的復雜巨系統(tǒng)的方法，這就是從定性到定量的綜合集成方法，該方法強調人的重要性及人的聰明才智與實踐活動經驗的重要性，將科學理論、經驗知識和專家判斷力相結合，提出經驗性假設(判斷或猜想);而這些經驗性假設不能用嚴謹的科學方式加以證明，往往是定性的認識，但可以用經驗性的數據和資料以及幾十、幾百、上千個參數的模型對其確定性進行檢測，而這些模型也必須建立在經驗和對系統(tǒng)的實際理解上，經過定量計算，反復對比，最后形成結論，這個結論就是從定性上升到定量的認識。由此可見，從定性到定量的綜合集成方法，其實質是利用各種通信網絡，將井下傳感器的監(jiān)測數據結合起來，形成物與物的交互;再把各種學科的科學理論和人的經驗知識結合起來，分析這些監(jiān)測數據，形成物與人的交互，利用專家群體的優(yōu)勢(各類有關專家)解決生產過程中出現(xiàn)的問題。
20世紀90年代初，微計算機技術、互聯(lián)網技術飛速發(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上的保證。為了保證礦山開采這個復雜巨系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我國的科研工作者開始將這些新技術引入到礦山開采系統(tǒng)中，用于采集各類設備和環(huán)境參數，初步實現(xiàn)礦山開采的自動化，自動化采掘、支護、開采、運輸，使得礦石的產量及開采的安全性得到了質的飛躍。但是，人類對礦山的感知不全面，生產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、突水等災害仍是造成礦山生產事故的主要因素。因此，如何運用新興的信息技術、網絡技術，感知礦山開采過程中的人員信息、設備信息、災害信息及環(huán)境信息，預知自然災害及生產事故，保證井下工人的生命安全、設備的運行安全以及開采環(huán)境的安全，即為感知礦山的內涵。
礦山物聯(lián)網是物聯(lián)網技術在礦山領域應用的重要突破。其概念最早由中國礦業(yè)大學成立物聯(lián)網(感知礦山)研究中心提出。其目的是以礦山物聯(lián)網的“三層應用模型”(圖1)、“骨干網絡模型”(圖2)為基礎，形成對礦山生產的整體感知，完善礦山現(xiàn)有的監(jiān)控、監(jiān)測系統(tǒng)，使礦山生產向自動化、信息化、智能化的智慧型礦山邁進。其核心是“四個感知”，即對工作人員的身體參數、工作環(huán)境、位置環(huán)境等信息進行主動感知，實現(xiàn)主動式的人員安全保障;對礦山的機械、電子設備工作健康狀況進行感知，實現(xiàn)設備的預知維修;對礦山常見的災害風險進行預報預警，實現(xiàn)災害的主動感知;對礦區(qū)的環(huán)境信息進行感知，實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的主動感知。
圖1 礦山物聯(lián)網的三層應用模型
圖2 礦山物聯(lián)網的骨干網絡模型
2011 年11 月，全球第一個基于物聯(lián)網架構和技術的智慧礦井示范工程在徐州夾河礦山建設成功。由中國礦業(yè)大學物聯(lián)網研究中心提出的礦山物聯(lián)網“三層應用模型”“骨干網絡模型”“四個感知”技術體系等關鍵技術，首次在工程中應用實施，并取得了良好效果。系統(tǒng)運行后，礦山安全生產水平從本質上得到了提高，同時，也帶動了生產效率和產量的提升，給企業(yè)帶來了更大的經濟效益。這在當時是世界首例。
近幾年隨著科學的進步和技術的發(fā)展，越來越多的智能化產品涌現(xiàn)出來，“智能家居”“智能交通”“智能電網”“智慧城市”等，使我們的生活更加輕松、更加智能。作為物聯(lián)網在礦業(yè)領域的應用，感知礦山的理念和要求也已經悄然發(fā)生變化，它不應再是簡單的物物相連。
首先，未來的物聯(lián)網礦井應該是一個少人化、甚至是無人化的工業(yè)自動化礦井，因為礦山開采“無人更安”，這就要求更高的自動化和智能化，如采煤機搖臂的自動調整、液壓支架的自動前進、運輸皮帶的啟停時序自動控制、提升系統(tǒng)的自動可控制、除塵系統(tǒng)的自動開啟等，這些信息能夠讓礦山管理和決策者在調度室一目了然，隨時根據井下實際情況，調整和協(xié)調各個開采、運輸、提升系統(tǒng)，確保煤炭的最優(yōu)化開采。其次，未來的礦井應該是一個信息化的礦井，全礦井瓦斯、突水、通風、礦震等礦山災害信息的實時監(jiān)測與預報，井下調度室、泵房、配電室、避難硐室的信息與設備運行狀態(tài)也能隨時隨地進行存儲和查詢。最后，未來的礦井應該是一個智慧礦井、人工智能礦井，具有自主判斷、自主控制能力，能夠實現(xiàn)全礦開采、提升、運輸等生產過程的無人值守，管理者或調度員可以隨時通過各種終端設備，連入礦山感知網絡，掌握各個系統(tǒng)的實時動態(tài);當設備運轉異?；颦h(huán)境信息異常時，能夠第一時間發(fā)送報警消息，甚至在礦難發(fā)生后，能夠根據最后時刻的井下各位置信息，判斷災難的類型、影響范圍，規(guī)劃救援路線，指導礦難救援。
“感知礦山”是通過各種感知、信息傳輸與處理技術，實現(xiàn)對真實礦山整體及相關現(xiàn)象的數字化、虛擬化、智慧化，三者之間的關系如圖3所示。真實的物理礦山與數字礦山之間存在著物的集成關系，物理礦山與虛擬信息礦山之間存在著描述物與活動之間的語義集成關系，數字礦山與虛擬信息礦山之間存在著數據的集成關系，三者之間的集成關系共同形成了礦山物聯(lián)網的知識集成關系。
圖3 數字礦山、虛擬礦山及智慧礦山之間的關系
感知礦山的總體目標是：將礦山地理、地質，礦山建設、礦山生產、安全管理、產品加工與運銷、礦山生態(tài)等綜合信息全面數字化，將感知技術、傳輸技術、信息處理、智能計算、現(xiàn)代控制技術、現(xiàn)代信息管理等與現(xiàn)代采礦及礦物加工技術緊密結合，構成礦山中人與人、人與物、物與物相連的網絡，動態(tài)詳盡地描述并控制礦山安全生產與運營的全過程。以高效、安全、綠色開采為目標，保證礦山經濟的可持續(xù)增長，保證礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定。
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轉型的最終目的 -提質降本增效
