煤礦智能化是推動煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心技術(shù)支撐,礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入應(yīng)用是提升煤礦數(shù)字化,實現(xiàn)煤礦智能化的重要基礎(chǔ)條件。以煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)為例,從傳感技術(shù)與設(shè)備、子系統(tǒng)建設(shè)、信息化集成等方面分析了煤礦數(shù)字化建設(shè)的現(xiàn)狀,提出了礦山物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)"萬物感知、萬物連接、萬物智能"所面臨的困難,包括:傳感設(shè)備功耗大、穩(wěn)定性不高、維護工作量大,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范滯后,子系統(tǒng)建設(shè)相對封閉、信息化集成應(yīng)用受限等。結(jié)合智慧礦山的整體目標(biāo),概括了礦山物聯(lián)網(wǎng)泛在感知、泛在連接和泛在智能的技術(shù)特性;以礦山物聯(lián)網(wǎng)的泛在特征為主題,分析了感知的必要元素和能力,連接的必要標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)及智能化應(yīng)用的方向。以提升礦山物聯(lián)網(wǎng)的泛在能力,實現(xiàn)煤礦智慧體系為總體目標(biāo),對實現(xiàn)大樣本感知、互聯(lián)互通和應(yīng)用智能等層面所需關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行分析,指出:泛在感知的實現(xiàn)需要超低功耗的傳感技術(shù)、位置服務(wù)技術(shù)和能量捕獲技術(shù)的結(jié)合,形成無源無線、免標(biāo)校的感知終端;泛在連接的實現(xiàn)應(yīng)基于能夠與位置服務(wù)結(jié)合的無線傳輸方式,應(yīng)推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、形成D2D（Device to Device）的互聯(lián)和D4D（Device for Devic... 

【文章來源】：煤炭科學(xué)技術(shù). 2020,48(07)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

BLE的測向方法

圖2 BLE的測向方法在煤礦井下環(huán)境中的低速風(fēng)能、照明微光能、振動能量、熱能也可轉(zhuǎn)換為感知終端的供電電源，實現(xiàn)低功耗終端的自供電，可進(jìn)一步提升礦山感知的泛在能力。馮凱等[25]通過井下熱電能量收集裝置的研究，顯著提升了設(shè)備電池供電時間。在煤礦實際應(yīng)用中:一方面，用電和發(fā)電實現(xiàn)整體平衡時才能實現(xiàn)真正的自供電，需要針對不同的環(huán)境能量，收集元件進(jìn)行特征和特性的測量分析;另一方面，爆炸性氣體環(huán)境下的發(fā)電和用電部件中的電能均需要安全防護，隔爆、澆封等方式可以增強安全性能，但會阻隔環(huán)境能量的傳導(dǎo)，而本質(zhì)安全的電氣設(shè)計方式自身可造成收集能量的消耗。在煤礦井下，環(huán)境變化、設(shè)備磨損的表征信號多數(shù)是緩變的，允許感知終端通過間歇工作的方式進(jìn)行采集和傳輸，能夠進(jìn)一步降低能量的損耗和傳輸?shù)膲毫Α?

傳感技術(shù)可以直接檢測或等效出感知對象的“How”，如CH4氣體檢測直接感知區(qū)域的爆炸性風(fēng)險，煙霧檢測直接感知區(qū)域的燃燒，CO氣體檢測可等效感知區(qū)域的燃燒，振動可等效感知機械部件的損傷。煤礦井下在用的傳感設(shè)備，尤其是氣體傳感多采用傳統(tǒng)的傳感元件，難以大量使用，例如:催化式甲烷傳感元件、電化學(xué)式的CO傳感元件均存在穩(wěn)定性差問題，需要人工定期標(biāo)校;山東省科學(xué)院激光研究所、武漢六九傳感科技有限公司等推出的新式激光甲烷傳感元件穩(wěn)定性有一定改善，但功耗高、成本高，仍難以大量使用�；贛EMS(MicroElectro-Mechanical System)的微功耗傳感技術(shù)發(fā)展迅速，形成的傳感元件體積小、功耗低，易于集成和實現(xiàn)智能化。在環(huán)境氣體檢測方面:美國SPEC Sensors公司推出了多種面向物聯(lián)網(wǎng)的微功耗氣體傳感元件(圖1a)，其中968-036型H2S傳感元件和968-028型CO傳感元件的平均功耗1 m W(采樣周期60 s);英國GSS公司的CO2傳感元件(圖1b)的平均功耗3.5 m W(采樣周期0.5 s);美國Gas Clip公司推出了一系列的便攜式環(huán)境氣體檢測儀，其中MGC-S-PLUS型4參數(shù)檢測儀能連續(xù)使用3年，無需充電、無需標(biāo)校;國內(nèi)，丁恩杰等[18]進(jìn)行了微納甲烷傳感技術(shù)的研究;沈國杰[19]通過脈沖供電的方式在保證靈敏度和穩(wěn)定性的條件下進(jìn)一步降低MEMS低功耗催化甲烷傳感器的功耗。市場中針對溫度、振動、壓力、流量等常規(guī)物理特征的MEMS元件已在工業(yè)、汽車、消費電子等行業(yè)中大量應(yīng)用，有利于礦山設(shè)備狀態(tài)感知的技術(shù)實現(xiàn);針對空氣質(zhì)量的MEMS氣體傳感元件產(chǎn)品種類較多，但適用于煤礦的超低功耗、免標(biāo)校的環(huán)境氣體傳感技術(shù)和國產(chǎn)化元件仍需持續(xù)研究開發(fā)。煤礦人員定位等傳統(tǒng)的煤礦動目標(biāo)監(jiān)測子系統(tǒng)僅提供人員、車輛的定位跟蹤，并廣泛使用基于RFID的區(qū)域定位技術(shù)、基于ToF(Time of Flight)方法及無線CSS(Chirp Spread Spectrum)或UWB(Ultra Wide Band)的精確定位技術(shù)[20-21];其他信息系統(tǒng)的設(shè)備位置管理多通過人工編錄的方式實現(xiàn)。礦山物聯(lián)網(wǎng)需要每個感知對象的“Where”元素，需要在礦井中建立類似于GPS(Global Positioning System)的支撐體系，直接向感知體系提供感知對象的位置信息。CSS或UWB的電路單元功耗較高，難以滿足終端的低功耗要求。Bluetooth SIG(藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟)在2019年發(fā)布的Bluetooth 5.1中推出了AoA/AoD(Angle of Arrival/Angle of Departure)兩種測向功能，可以在保持低能耗傳輸特征的同時，實現(xiàn)厘米級精度的精確定位。BLE(Buletooth Low Energy)的測向方法如圖2所示。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]礦山物聯(lián)網(wǎng)人-機-環(huán)狀態(tài)感知關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 袁亮,俞嘯,丁恩杰,趙小虎,馮仕民,張達(dá),劉統(tǒng)玉,王衛(wèi)東,黃艷秋.  通信學(xué)報. 2020(02)
[2]煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系框架與建設(shè)思路[J]. 王國法,杜毅博.  煤炭科學(xué)技術(shù). 2020(01)
[3]智慧礦山與5G和WiFi6[J]. 孫繼平,陳暉升.  工礦自動化. 2019(10)
[4]智慧礦山基本內(nèi)涵、核心問題與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 羅香玉,李嘉楠,郎丁.  工礦自動化. 2019(09)
[5]煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中無線激光甲烷傳感器的研究與設(shè)計[J]. 王璐.  煤炭技術(shù). 2019(08)
[6]智慧煤礦主體架構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)平臺建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 龐義輝,王國法,任懷偉.  煤炭科學(xué)技術(shù). 2019(03)
[7]煤礦智能化——煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[J]. 王國法,劉峰,龐義輝,任懷偉,馬英.  煤炭學(xué)報. 2019(02)
[8]井下熱電能量收集裝置研究與設(shè)計[J]. 馮凱,郭雨,趙端,翟勃,王衛(wèi)龍.  電子技術(shù)應(yīng)用. 2018(12)
[9]煤礦主運輸煤流線信息支撐系統(tǒng)設(shè)計[J]. 蔣偉,吳高鎮(zhèn).  工礦自動化. 2018(10)
[10]智慧礦山發(fā)展與展望[J]. 呂鵬飛,何敏,陳曉晶,鮑永濤.  工礦自動化. 2018(09)



本文編號：3385060