矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设
发布时间：2021-09-05 09:03
煤矿智能化是推动煤炭行业高质量发展,促进煤炭产业转型升级的核心技术支撑,矿山物联网技术的深入应用是提升煤矿数字化,实现煤矿智能化的重要基础条件。以煤矿监测监控系统为例,从传感技术与设备、子系统建设、信息化集成等方面分析了煤矿数字化建设的现状,提出了矿山物联网实现"万物感知、万物连接、万物智能"所面临的困难,包括:传感设备功耗大、稳定性不高、维护工作量大,标准规范滞后,子系统建设相对封闭、信息化集成应用受限等。结合智慧矿山的整体目标,概括了矿山物联网泛在感知、泛在连接和泛在智能的技术特性;以矿山物联网的泛在特征为主题,分析了感知的必要元素和能力,连接的必要标准和服务及智能化应用的方向。以提升矿山物联网的泛在能力,实现煤矿智慧体系为总体目标,对实现大样本感知、互联互通和应用智能等层面所需关键技术的国内外现状进行分析,指出:泛在感知的实现需要超低功耗的传感技术、位置服务技术和能量捕获技术的结合,形成无源无线、免标校的感知终端;泛在连接的实现应基于能够与位置服务结合的无线传输方式,应推进标准体系建设、形成D2D（Device to Device）的互联和D4D（Device for Devic...
【文章来源】：煤炭科学技术. 2020,48(07)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
BLE的测向方法
图2 BLE的测向方法在煤矿井下环境中的低速风能、照明微光能、振动能量、热能也可转换为感知终端的供电电源，实现低功耗终端的自供电，可进一步提升矿山感知的泛在能力。冯凯等[25]通过井下热电能量收集装置的研究，显著提升了设备电池供电时间。在煤矿实际应用中:一方面，用电和发电实现整体平衡时才能实现真正的自供电，需要针对不同的环境能量，收集元件进行特征和特性的测量分析;另一方面，爆炸性气体环境下的发电和用电部件中的电能均需要安全防护，隔爆、浇封等方式可以增强安全性能，但会阻隔环境能量的传导，而本质安全的电气设计方式自身可造成收集能量的消耗。在煤矿井下，环境变化、设备磨损的表征信号多数是缓变的，允许感知终端通过间歇工作的方式进行采集和传输，能够进一步降低能量的损耗和传输的压力。
传感技术可以直接检测或等效出感知对象的“How”，如CH4气体检测直接感知区域的爆炸性风险，烟雾检测直接感知区域的燃烧，CO气体检测可等效感知区域的燃烧，振动可等效感知机械部件的损伤。煤矿井下在用的传感设备，尤其是气体传感多采用传统的传感元件，难以大量使用，例如:催化式甲烷传感元件、电化学式的CO传感元件均存在稳定性差问题，需要人工定期标校;山东省科学院激光研究所、武汉六九传感科技有限公司等推出的新式激光甲烷传感元件稳定性有一定改善，但功耗高、成本高，仍难以大量使用。基于MEMS(MicroElectro-Mechanical System)的微功耗传感技术发展迅速，形成的传感元件体积小、功耗低，易于集成和实现智能化。在环境气体检测方面:美国SPEC Sensors公司推出了多种面向物联网的微功耗气体传感元件(图1a)，其中968-036型H2S传感元件和968-028型CO传感元件的平均功耗1 m W(采样周期60 s);英国GSS公司的CO2传感元件(图1b)的平均功耗3.5 m W(采样周期0.5 s);美国Gas Clip公司推出了一系列的便携式环境气体检测仪，其中MGC-S-PLUS型4参数检测仪能连续使用3年，无需充电、无需标校;国内，丁恩杰等[18]进行了微纳甲烷传感技术的研究;沈国杰[19]通过脉冲供电的方式在保证灵敏度和稳定性的条件下进一步降低MEMS低功耗催化甲烷传感器的功耗。市场中针对温度、振动、压力、流量等常规物理特征的MEMS元件已在工业、汽车、消费电子等行业中大量应用，有利于矿山设备状态感知的技术实现;针对空气质量的MEMS气体传感元件产品种类较多，但适用于煤矿的超低功耗、免标校的环境气体传感技术和国产化元件仍需持续研究开发。煤矿人员定位等传统的煤矿动目标监测子系统仅提供人员、车辆的定位跟踪，并广泛使用基于RFID的区域定位技术、基于ToF(Time of Flight)方法及无线CSS(Chirp Spread Spectrum)或UWB(Ultra Wide Band)的精确定位技术[20-21];其他信息系统的设备位置管理多通过人工编录的方式实现。矿山物联网需要每个感知对象的“Where”元素，需要在矿井中建立类似于GPS(Global Positioning System)的支撑体系，直接向感知体系提供感知对象的位置信息。CSS或UWB的电路单元功耗较高，难以满足终端的低功耗要求。Bluetooth SIG(蓝牙技术联盟)在2019年发布的Bluetooth 5.1中推出了AoA/AoD(Angle of Arrival/Angle of Departure)两种测向功能，可以在保持低能耗传输特征的同时，实现厘米级精度的精确定位。BLE(Buletooth Low Energy)的测向方法如图2所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]矿山物联网人-机-环状态感知关键技术研究[J]. 袁亮,俞啸,丁恩杰,赵小虎,冯仕民,张达,刘统玉,王卫东,黄艳秋. 通信学报. 2020(02)
[2]煤矿智能化标准体系框架与建设思路[J]. 王国法,杜毅博. 煤炭科学技术. 2020(01)
[3]智慧矿山与5G和WiFi6[J]. 孙继平,陈晖升. 工矿自动化. 2019(10)
[4]智慧矿山基本内涵、核心问题与关键技术[J]. 罗香玉,李嘉楠,郎丁. 工矿自动化. 2019(09)
[5]煤矿安全监控系统中无线激光甲烷传感器的研究与设计[J]. 王璐. 煤炭技术. 2019(08)
[6]智慧煤矿主体架构设计与系统平台建设关键技术[J]. 庞义辉,王国法,任怀伟. 煤炭科学技术. 2019(03)
[7]煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J]. 王国法,刘峰,庞义辉,任怀伟,马英. 煤炭学报. 2019(02)
[8]井下热电能量收集装置研究与设计[J]. 冯凯,郭雨,赵端,翟勃,王卫龙. 电子技术应用. 2018(12)
[9]煤矿主运输煤流线信息支撑系统设计[J]. 蒋伟,吴高镇. 工矿自动化. 2018(10)
[10]智慧矿山发展与展望[J]. 吕鹏飞,何敏,陈晓晶,鲍永涛. 工矿自动化. 2018(09)
本文编号：3385060
【文章来源】：煤炭科学技术. 2020,48(07)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
BLE的测向方法
图2 BLE的测向方法在煤矿井下环境中的低速风能、照明微光能、振动能量、热能也可转换为感知终端的供电电源，实现低功耗终端的自供电，可进一步提升矿山感知的泛在能力。冯凯等[25]通过井下热电能量收集装置的研究，显著提升了设备电池供电时间。在煤矿实际应用中:一方面，用电和发电实现整体平衡时才能实现真正的自供电，需要针对不同的环境能量，收集元件进行特征和特性的测量分析;另一方面，爆炸性气体环境下的发电和用电部件中的电能均需要安全防护，隔爆、浇封等方式可以增强安全性能，但会阻隔环境能量的传导，而本质安全的电气设计方式自身可造成收集能量的消耗。在煤矿井下，环境变化、设备磨损的表征信号多数是缓变的，允许感知终端通过间歇工作的方式进行采集和传输，能够进一步降低能量的损耗和传输的压力。
传感技术可以直接检测或等效出感知对象的“How”，如CH4气体检测直接感知区域的爆炸性风险，烟雾检测直接感知区域的燃烧，CO气体检测可等效感知区域的燃烧，振动可等效感知机械部件的损伤。煤矿井下在用的传感设备，尤其是气体传感多采用传统的传感元件，难以大量使用，例如:催化式甲烷传感元件、电化学式的CO传感元件均存在稳定性差问题，需要人工定期标校;山东省科学院激光研究所、武汉六九传感科技有限公司等推出的新式激光甲烷传感元件稳定性有一定改善，但功耗高、成本高，仍难以大量使用。基于MEMS(MicroElectro-Mechanical System)的微功耗传感技术发展迅速，形成的传感元件体积小、功耗低，易于集成和实现智能化。在环境气体检测方面:美国SPEC Sensors公司推出了多种面向物联网的微功耗气体传感元件(图1a)，其中968-036型H2S传感元件和968-028型CO传感元件的平均功耗1 m W(采样周期60 s);英国GSS公司的CO2传感元件(图1b)的平均功耗3.5 m W(采样周期0.5 s);美国Gas Clip公司推出了一系列的便携式环境气体检测仪，其中MGC-S-PLUS型4参数检测仪能连续使用3年，无需充电、无需标校;国内，丁恩杰等[18]进行了微纳甲烷传感技术的研究;沈国杰[19]通过脉冲供电的方式在保证灵敏度和稳定性的条件下进一步降低MEMS低功耗催化甲烷传感器的功耗。市场中针对温度、振动、压力、流量等常规物理特征的MEMS元件已在工业、汽车、消费电子等行业中大量应用，有利于矿山设备状态感知的技术实现;针对空气质量的MEMS气体传感元件产品种类较多，但适用于煤矿的超低功耗、免标校的环境气体传感技术和国产化元件仍需持续研究开发。煤矿人员定位等传统的煤矿动目标监测子系统仅提供人员、车辆的定位跟踪，并广泛使用基于RFID的区域定位技术、基于ToF(Time of Flight)方法及无线CSS(Chirp Spread Spectrum)或UWB(Ultra Wide Band)的精确定位技术[20-21];其他信息系统的设备位置管理多通过人工编录的方式实现。矿山物联网需要每个感知对象的“Where”元素，需要在矿井中建立类似于GPS(Global Positioning System)的支撑体系，直接向感知体系提供感知对象的位置信息。CSS或UWB的电路单元功耗较高，难以满足终端的低功耗要求。Bluetooth SIG(蓝牙技术联盟)在2019年发布的Bluetooth 5.1中推出了AoA/AoD(Angle of Arrival/Angle of Departure)两种测向功能，可以在保持低能耗传输特征的同时，实现厘米级精度的精确定位。BLE(Buletooth Low Energy)的测向方法如图2所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]矿山物联网人-机-环状态感知关键技术研究[J]. 袁亮,俞啸,丁恩杰,赵小虎,冯仕民,张达,刘统玉,王卫东,黄艳秋. 通信学报. 2020(02)
[2]煤矿智能化标准体系框架与建设思路[J]. 王国法,杜毅博. 煤炭科学技术. 2020(01)
[3]智慧矿山与5G和WiFi6[J]. 孙继平,陈晖升. 工矿自动化. 2019(10)
[4]智慧矿山基本内涵、核心问题与关键技术[J]. 罗香玉,李嘉楠,郎丁. 工矿自动化. 2019(09)
[5]煤矿安全监控系统中无线激光甲烷传感器的研究与设计[J]. 王璐. 煤炭技术. 2019(08)
[6]智慧煤矿主体架构设计与系统平台建设关键技术[J]. 庞义辉,王国法,任怀伟. 煤炭科学技术. 2019(03)
[7]煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J]. 王国法,刘峰,庞义辉,任怀伟,马英. 煤炭学报. 2019(02)
[8]井下热电能量收集装置研究与设计[J]. 冯凯,郭雨,赵端,翟勃,王卫龙. 电子技术应用. 2018(12)
[9]煤矿主运输煤流线信息支撑系统设计[J]. 蒋伟,吴高镇. 工矿自动化. 2018(10)
[10]智慧矿山发展与展望[J]. 吕鹏飞,何敏,陈晓晶,鲍永涛. 工矿自动化. 2018(09)
本文编号：3385060
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