图1 矿山物联网产业链
Fig.1 Industrial chain of mine Internet of things
“矿山物联网顶层设计”专栏
丁恩杰1,2， 施卫祖3， 张申1,2， 赵小虎1,2
(1．中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心， 江苏 徐州 221008；2．矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室， 江苏 徐州 221008；3．国家安全生产监督管理总局 规划科技司， 北京 100713)
摘要：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。
关键词：矿山物联网； 感知矿山； 顶层设计； 物联网标准化； 智能感知； 服务承载平台； 云服务
矿山物联网是互联网+时代的矿山安全生产公共服务平台[1]，可为矿山安全监管与科学执法、矿山生产过程监控等提供必要的技术支撑，更好地保障矿山的生产安全、生态安全和资源安全[2]。
“十一五”和“十二五”期间实施的“金安”工程(国家安全生产信息系统)和国家安全生产应急平台等一批政务信息化工程，为各级安全监管监察机构开展安全监管提供了初步的资源专网及应用系统；矿山“六大系统”和矿山综合自动化则为实施矿山底层安全监测监控、实时掌控生产一线信息提供了充分保障[3]。然而，这些安全生产系统建设于不同时期，服务于不同应用目的，没有从国家安全层面统筹考虑。矿山物联网技术的快速发展和应用为构建统一的网络化监管与执法平台、加强安全监管监察能力、提高行政执法效能提供了有力的技术支撑。
在国家能源安全宏观框架和能源革命的新形势下，紧紧抓住“互联网+行动计划”和“中国制造2025”的政策和技术契机，利用物联网技术提高矿山自动化、信息化水平，是对国家战略需求的积极响应，是增强安全管理部门监管能力的必由之路，也是提高矿山生产效率、保障安全生产水平的必然选择。
1.1 矿山物联网技术发展现状
从技术发展角度看，矿山物联网目前尚处于起步阶段，但是技术优势和应用前景已初步显现，国内已有较成熟的应用解决方案和系统架构，并在国家安全生产监督管理总局、国家发展和改革委员会等支持下实施了多个示范工程。理论研究与应用情况表明，矿山物联网具有良好的矿山适应能力和广泛的应用前景，但是目前总体处于“感”、“传”关注较多，“知”、“用”研究过少阶段[4-5]，需从新型感知手段、新颖联网与交互方法、深度信息挖掘与服务承载模式、云计算和大数据中心建设、标准体系构建等方面拓宽加深。下面从感知层、传输层、应用层和公共技术方面分析矿山物联网技术的发展现状和存在的问题。
(1) 感知层。传感器是矿山物联网的最前端，担负着感知数据的重要任务[6]。然而，目前的矿用传感器仍局限于特定子系统，缺乏分布式和网络化矿山传感技术和应用，无法做到以矿山物联网为平台实施分布式监测与控制。这种违背物物互联的“孤岛”式实施方法大大增大了感知数据融合的难度，并降低了感知数据的可信度。
从原理上看，矿用传感器以传统方法为主，如瓦斯传感器主要采用催化燃烧、红外等技术。这些传感器不但对井下粉尘、水雾等环境适应能力弱，而且容易催化中毒。为此，应大力推广MEMS(Micro-Electro Mechanical System，微机电系统)传感器，但是该种传感器目前仅在振动监测中有少数应用。
矿用光纤传感器技术近年来取得了长足进步，已研究出一系列矿用光纤传感器，如温度传感器、震(振)动传感器、瓦斯传感器等，并成功用于采空区温度监测、微震监测、设备振动监测、瓦斯监测等场合。目前，多家机构正在研制光纤多气体传感器，以取代目前的矿用束管系统。
矿用人员定位系统以RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术为主，不仅不能做到精确定位，更不能实现实时跟踪[7]。基于WiFi或WSN(Wireless Sensor Network,无线传感器网络)技术的人员定位系统尽管有更好的性能表现，但其定位精度和稳定性等还有待验证。其他新型感知设备，如矿山人员可穿戴设备等还研究得不多，目前的成熟产品很少，且主要用于矿山救援。
感知层的主要问题是矿山新型传感手段偏少，网络化分布式监测理论与方法欠缺，不能真正满足矿山物联网物物相联、泛在感知的要求[8]，致使矿山生产在很大程度上处于不透明状态。
(2) 传输层。全国层面的矿山物联网传输网络主要由矿业集团主干网络与网络运营商的网络组成。
矿业集团内部各个矿山的主干网络采用矿山综合自动化系统的1 000 Mbit/s(个别矿山为10 Gbit/s)工业以太网，这些网络不具备全网精确时间同步能力，无法提供基于时间的服务(如对全矿井发生的事件进行实时跟踪管理)[9]，因此无法从时空方面对矿山生产过程进行四维化描述，需大力进行全网时间同步改造。
除了主干网络外，各矿井的泛在感知网络也是矿山物联网的重要内容，实现矿山对象的实时感知和泛在应用[10-11]。目前，矿井泛在感知网络主要采用WiFi、WSN、智慧线等技术，但这些无线通信技术难以适应矿山长距离多跳传输、多业务承载、按需自组成网、灾后重构等需求[12]，需研发新型的矿山泛在通信技术和感知网络。地面通用的2G，3G，4G等技术已被移植到矿山井下，但是应用较少，且与其他通信体系相对独立。随着矿山物联网的快速推进，矿井中将会部署大量“物体”，需大力推进6LoWPAN的使用，促进IPv4向IPv6过渡，以便对这些“物体”进行有序管理和高效利用。
(3) 应用层。应用层包括应用平台、业务应用及基于这些应用的安全预警。从应用平台角度看，主要采用组态软件(如iFix，Intouch等)进行信息集成，对M2M(Machine-to-Machine，机器对机器)平台技术的研究与应用非常匮乏，尚没有实施矿用服务支撑平台、大数据平台、云计算平台[13]。
从具体业务应用角度看，矿山综合自动化系统旨在实现各子系统应用功能的集成[14-15]，只实现了少数系统或部分信息之间的联动，没有实现多系统间的深度信息挖掘和融合应用，特别是没有实现基于信息挖掘和融合的生产流程网络化管理和集约化经营，仅仅建设了办公自动化、矿山安全生产与管理体系分析、主要生产设备点检系统等应用。这些孤立的管理应用与矿山实时数据联系不紧密，难以真正达到智能决策和集约经营的目的。
从矿山安全角度看，也需要矿山的物物高度互联，因为从机理而言，各种矿山灾害的孕育、发展和发生过程受多种因子共同制约，灾害前兆信息的频带宽、类型广，单一参数往往仅能揭示灾害的片面原因，应调度多个子系统实施聚焦观测和融合分析，方能充分揭示灾害的多场耦合关系，进行准确、及时的灾前预报预警。然而，当前的各种灾害子系统往往以灾害种类或监测技术为界，它们各成体系，难以满足聚焦观测和融合分析的要求。
(4) 公共技术。目前，矿山物联网公共技术研究得不够，特别是制约矿山物联网行业健康发展的标准研究和制定不够[16-17]。宜全局统筹考虑，从物体描述、标志解析、互联互通等方面发力，形成系列化的矿山物联网标准。
1.2 矿山物联网产业发展模式
矿山物联网应用产业发展应打通上游、中游、下游产业链，使其彼此配合、协调发展[18]。其中，上游为信息传感设备及通信设备供应商，中游为互联网及运营商，下游为服务提供商和用户，如图1所示。
图1 矿山物联网产业链
Fig.1 Industrial chain of mine Internet of things
矿山物联网为矿山提供一个开放的服务承载平台，不同专业的专家均可在该平台上开展工作，为矿山提供更加专业化的服务。矿山也应从自己建设、管理和维护系统逐步转向按需购买专业化的物联网服务，特别是矿山灾害预警、矿山设备智能监控与管理、矿井人员定位与通信、矿山智能开采系统、矿山销售物流管理、矿区生态环境监测与治理等知识密集型、建设周期长、维护和解析难度大的专业化服务。
1.3 矿山物联网顶层设计目的
矿山物联网是一个承载服务的平台[15]，它利用感知技术与智能装置对矿山物理世界进行感知识别[19-20]，通过网络传输、计算处理和知识挖掘，实现矿山人与物、物与物的信息交互和无缝衔接，达到对矿山物理世界实时监测、准确控制、精确管理和科学决策的目的。矿山物联网以高效、安全、绿色开采为目标，保证矿山安全生产、矿山经济可持续增长和矿山自然环境的生态稳定。
矿山物联网顶层设计的目的：
(1) 从国家安全生产监管的全局进行感知矿山总体设计，系统、全面地对感知矿山物联网进行统筹考虑。
(2) 从实现矿山物联网物与物相联的应用出发，避免出现各系统相互独立、缺乏标准、重复投资、碎片化等问题。
(3) 明确矿山物联网的本质是服务，矿山物联网是一个承载服务的平台，矿山企业的应用需求和专业化厂商的服务提供能以矿山物联网为媒介，实现服务的按需定制和提供。
矿山安全生产与安全监管不仅需要科学的管理方法，也需要科学、全面的现代技术手段。
2.1 矿山安全监管与科学执法需求
物联网产生大数据，大数据助力物联网[21]。矿山各类监控系统不断产生大量实时和历史数据，这些具有时空特性的海量数据通过矿山物联网汇聚至各级监管中心，成为矿山安全监管、矿山安全态势分析的重要依据。基于矿山物联网的大数据和云计算技术，可实现异常因子捕捉、事故前兆挖掘、灾害超前感知，从而揭示灾害事故发生规律，有助于强化监察手段、提升监察效能，有效防范和减少事故，为安全监管提供智能化决策支持。
2.2 矿山安全生产与运营需求
矿山生产流程复杂、系统众多、环境恶劣，生产要素(人员、设备、车辆等)集中在狭窄的矿井巷道内；同时，矿山生产还面对诸多不确定因素，极易诱发生产事故。其中，不透明性较大是矿山安全事故频发的主因。
矿山物联网致力于实现矿山物物互联，增强矿山生产过程的透明性，有助于降低矿山安全事故发生率。它通过向矿山企业、科研机构、服务提供商等提供服务承载能力，将不同领域的专家聚集到统一平台，各自从事自己最擅长的工作，有助于实施多学科交叉研究和协同工作，共同解决矿山面临的重大安全问题，逐步变未知为已知，变不透明为半透明甚至全透明，大幅提高矿山的运营效率和安全水平。
2.3 矿山物联网发展趋势
(1) 矿山物联网关键技术不断突破。矿山物联网的感知层、网络层、应用层关键技术均不断取得突破[22-23]，主要包括：感知层关键技术，如各种分布式、移动传感器，矿井精确定位等；网络层传输技术，如矿山移动通信、矿山6LoWPAN等；应用层关键技术，如矿山大数据、矿山云服务、安全生产监控预警系统、管理决策与应用；公共技术，如公共中间件技术、标志与解析技术等。随着相关技术的不断突破，矿山物联网应用场景将会更加丰富，进而推动矿山物联网技术的进一步发展。
(2) 矿山物联网的服务承载模式逐步显现。矿山物联网技术将打破原有的安全生产监控与管理模式，使得矿山企业逐步以购买服务的方式实现矿山生产与运营。这些服务由市场上最擅长该领域的专家和企业等第三方提供和维护，保证矿山企业能以更低廉的价格按需获得更专业、更深入、更客观、更科学的安全管理服务。
(3) 政府与企业共促矿山物联网发展。矿山物联网建立在大数据的有效获取、挖掘和应用基础之上，数据的开放是应用这些大数据的首要前提。目前，这些数据和公共资源掌握在特定政府部门和企业手中。为了有效利用这些资源，势必要求掌控数据资源的政府部门与企业按照矿山物联网发展需要和发展规律向大众逐步开放，由政府与企业共同提供政策环境、标准、数据资源和安全保障，最终形成政府与企业共促矿山物联网产业有序、健康发展的格局。
3.1 矿山物联网发展愿景
矿山物联网是物联网的一个有机组成部分。矿山环境中具有大量物体(对象)，这些物体及生产过程不断产生大量事件，利用物联网技术将这些泛在物互联在一起，有助于它们相互协作，产生新的应用或服务[24]。这些真实泛在的物体、数字化属性和事件，以及协作产生的虚拟对象不断聚合，将大幅提升矿井智能决策水平，促进智慧矿山建设。
矿山物联网与云计算、大数据的聚合，将构建一个物体、使用者和消费者紧密互联的网络，并推动各种矿山应用平台及服务的开发和应用。在该框架下，各方力量能快速形成合力，共同促进和保障矿山安全生产，使得服务提供者可以按需提供新业务、贡献新应用[4,25]，用户则可按照自身需求按需购买和使用服务，实现矿山的全过程安全生产监控。
3.2 矿山物联网战略研究方向
通过新型传感器、分布式测量和能量捕获技术的应用[26]，实现矿井的无盲区监测与控制，给合先验模型和专家知识，实现矿井从“感”到“知”的演变，使矿山生产过程逐步透明化。
通过研究泛在感知[27]、软件定义网络和网络灾后重构等技术，实现矿井特殊环境中物与物无缝连接，保证数据和其他多媒体信息的实时、可靠传输，同时满足灾后救援的通信需求。
通过研究统一的矿山物联网平台技术、云计算服务和大数据技术，实现矿山物体与感知数据的语义表达[28]、信息融合、知识挖掘与语义计算，实现信息的有效利用与增值，特别是提高矿山安全预警能力和事件的虚拟再现能力，大幅提高矿山生产效率和安全水平。同时，通过矿山物联网建设，形成一个开放的网络化矿山应用服务平台，为矿山提供更专业的时空一体化服务。
经过5～10 a的发展，矿山新型传感器与智能“物”快速增长，形成基于矿山智能“物”的语义Web；云计算与大数据广泛应用[29]，形成基于服务的矿山云、雾服务平台；新型服务体系与价值链逐步完善，矿山可持续生态化环境初步形成。
4.1 矿山物联网核心关键技术突破
4.1.1 微型化智能装置及能量捕获技术
(1) 通过研究传感器原理、检测方法、煤矿瓦斯重大灾害发生机理等，解决矿山特殊环境条件下的安全信息感知和采集、传感器抗干扰等问题。
(2) 通过研究适合移动信息采集平台的新型传感器、多传感器阵列、多天线多方向电磁波信号分析方法，解决灾害准确预警与灾害源定位问题。
4.1.2 矿山覆盖网络、通信与灾后重建技术
(1) 研究无线电波在巷道中的传播理论，包括无线多径衰落规律、适合矿井无线传输的参数(频率、调制方式、带宽等)自适应调整与优化方法等。
(2) 研究与改进矿山环境下的WiFi、WSN、认知无线电、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)、M2M、矿山6LoWPAN(M6LowPAN)、UWB(Ultra Wide Band,超宽带)等技术。
(3) 研究宽带无线接入技术和大规模异构协同组网技术。
(4) 研究局部巷道发生灾害后的网络重构问题，包括无线节点的抗毁能力、不同介质下自适应组网协议、传输速率自适应调整技术、不同速率下的自组网技术等。
4.1.3 云计算、大数据及安全生产管理技术
(1) 研究矿山灾害信息预警云平台系统架构。
(2) 研究基于云计算和大数据分析的矿山灾害预警模型。
(3) 研究云环境下基于虚拟技术的系统资源管理。
4.1.4 矿山语义与虚拟化技术
(1) 研究矿山物体与事件等资源的实时动态语义描述与解析，其反映矿山物理世界的时空变化特性和动态关联性。
(2) 研究基于语义描述的数据质量和可靠性检测，以识别资源的来源和可信度。
(3) 研究分布式数据存储、查询及语义服务。
(4) 研究基于语义的矿山安全隐患发现及预警。
4.1.5 安全、隐私与可信网络技术
(1) 物理安全。研究传感器、控制器、网络传感等设备的安全问题，包括信号干扰、屏蔽、截获等。
(2) 运行安全。主要研究信息系统的软件运行安全。
(3) 数据安全。要求在感知、传输、处理过程中信息不被干扰、窃取、篡改、伪造等。
4.2 矿山物联网5S应用
矿山物联网应用主要围绕“人、机、环、管”4个方面展开，基本架构如图2所示。
4.2.1 感知人员(Sensing Miner)
(1) 智能穿戴设备。研制定位传感器，获取矿工位置及活动轨迹；研制运动传感器，获得矿工运动姿态，再现井下人体运动；研制体征传感器，监控矿工生命体征。研制集成化智能穿戴设备，开发多种新型矿用低功耗微型传感器，实现实时精确定位、可视化监控、智能化感知。研制智能安全行为分析系统，分析矿工行为危险性。
(2) 人员通信与移动视频。组建泛在通信网络，实现人员通信与无线视频监测。
(3) 智能应急救援系统。研制多媒体应急指挥系统，快速组建应急网络和部署救援系统，实现事故现场的远程、实时、准确监控和指挥。研制可视化三维立体灾害推演系统，构建具有物理规则和灾害推演规则的真三维场景，以便确定最佳救援方案和实施灾害精准救援。
图2 矿山物联网应用基本架构
Fig.2 Basic structure of mine Internet of things application
(4) 紧急避险系统。研制紧急避险装备、紧急避险设施定位系统和紧急避灾路线规划系统。
4.2.2 感知灾害(Sensing Disaster)
建立基于矿山物联网的灾害隐患辨识模型，研究灾害隐患智能感知与防治技术，形成井下安全信息实时采集、智能判识、自动预警与控制的灾害防治技术和装备，如图3所示。
图3 矿山物联网环境下灾害智能防控规划设计
Fig.3 Planning design of intelligent disaster prevention and control in mine Internet of things environment
(1) 多场信息的同步采集。在矿山物联网框架下，在感知层以网络化测量、智能传感器和无线传感器网络为关键技术，对矿井灾害可能释放的各种灾害先兆信息(如水文、应力应变、瓦斯)进行同步采集，以有线或/和无线通信方式对传感终端进行组网，与井下工业以太环网对接，实现多场信息网络化分布式监测。
(2) 灾害数据挖掘与智能预警。在应用层，以空间数据仓库、三维地学模拟系统与云计算为关键技术，搭建矿井灾害云服务平台，为灾害预警提供数据存储、分析与计算服务。将多传感器信息、历史勘测资料与各种灾害生成、孕育与发展机理相结合，利用模式识别、数据挖掘、空间分析等方法融合多源异构信息，动态预测、识别灾害类型并判定危险级别，实现智能预警。
4.2.3 感知设备(Sensing Equipment)
(1) 矿山设备故障特征信息提取与定位技术。重点研究基于多测点、多传感器的故障信息采集技术，以及基于大数据的网络化矿山设备故障特征提取、识别与定位算法，如基于盲源分离的矿山设备故障信息提取算法、基于高阶统计量的矿山设备早期故障信号智能检测技术、基于多传感器的设备故障定位算法。
(2) 矿山设备采集数据的压缩编码方法。重点研究海量监测数据的实时采集和传输技术，突破上位软件难以实时获得决策数据进而无法保证实时决策的现状；研究矿山设备监测数据编码方法和快速重构方法，降低数据传输和存储需求。
(3) 面向复杂系统的矿山设备全生命周期状态感知理论。以矿山可靠通信和自组网络技术为依托，重点研究、建立和完善复杂系统全生命周期时间状态感知理论；结合健康状态模式库理论，研究矿山设备健康模式库的建立和更新方法；研究基于粒矩阵的知识简约和基于相似度的搜索推理算法，建立面向复杂系统的矿山设备全生命周期诊断维护理论体系。
(4) 基于开放式公共服务平台的矿山设备物联网综合接入与管控平台。将分布式测量理论、云计算、人工智能、情景计算融入矿山复杂设备状态感知领域，重点研究基于知识和大数据的智能状态感知理论、技术及系统架构，为矿山企业、矿山设备制造企业等机构构建统一的矿山设备物联网综合接入与管控平台，提高设备的利用率和维护水平。
4.2.4 感知矿区(Sensing Mine Area)
矿产资源作为国家的战略资源，是国民经济发展的命脉。目前，私挖乱采行为屡禁不止，造成资源破坏、环境破坏和污染，产生一系列生态环境与地质灾害问题，如矿区大气污染、酸雨、废渣、地面沉陷、植被破坏、水土流失、土地沙化、耕地减少等，矿区生态安全和国家资源安全遭到威胁，严重影响和制约中国社会经济发展。
目前，矿区环境监测主要采用2种方式:① 验证监测：在矿山开采后对可能造成的污染指标进行监测与验证。② 污染事故监测：对已造成的污染进行污染源监测及污染程度指标检测。这2种监测方式以实地取样和实验室检测为主，监测时间不连续，取样工作繁琐，难以实现矿山环境的在线实时监控和信息处理。
基于物联网技术、空间信息技术及传统的环境监测技术，构建矿区生态环境实时、动态集成监测技术与方法，实现矿区生态环境与灾害信息精准提取、及时分析和有效控制，如图4所示。为此，需研究：① 矿区地表几何、覆盖、环境等变化及岩石受力温度变化规律。② 矿区环境与灾害监测数据在线挖掘与实时预警技术。
图4 基于物联网技术的矿区环境监测技术方案
Fig.4 Technical scheme of mine area environment monitoring based on Internet of things
4.2.5 感知管理(Sensing Management)
对矿山运行、管理、发展等各类信息进行深入挖掘与分析，对资源进行优化整合，建立集“动态立体感知、智能信息管理、智慧决策应用”于一体的新型扁平化矿山综合服务管理云平台。
(1) 结合各业务管理流程及信息服务的需求建立矿山信息共享平台，实现数据资源的优化与整合，建设矿山运行管理与发展决策的“智慧知识库”。
(2) 整合子系统指标，及时反映矿山运行状况，评价矿山健康指数，提示矿山运行管理风险，量化跨部门协作管理考核指标，为矿山管理者提供智能化决策手段，实时掌握整个矿山运行管理“晴雨表”，为矿山管理者诊断矿山运行、改善矿山运行效率提供可量化的支撑数据。
(3) 建立矿山管理与公众服务于一体的互动平台，以及服务于矿山管理和矿山安全的新型管理模式，为矿山运行管理提供实时、准确、科学的信息决策手段。
4.3 矿山物联网云服务体系构建
4.3.1 矿山物联网云服务系统
利用云计算和大数据技术构建统一的矿山物联网云服务系统，替代现有独立分散的矿山灾害预警系统，具有明确而重大的实用价值。
矿山物联网云服务系统按照“一次投资、按需使用、分散监测、异地会诊、集中维护、多矿通用”的模式建设和运行，因此具有极强的扩展能力和适应能力，如基于位置的矿工行为分析、应急情况下逃生方案快速生成等系统可以作为子服务快速融入矿山云服务系统平台，从而使得服务的大规模、高效应用成为可能，大大降低了各矿单独建设和维护系统的难度和成本。同时，开展矿山物联网云服务系统研发，可以显著提高矿山的安全水平和生产效率，提高矿山企业的社会形象，从而获得稳定、持续的后续发展动力。
矿山物联网云服务架构如图5所示。需突破的关键技术包括：
(1) 利用云计算和大数据技术，建立统一的矿山灾害远程预警信息化平台。
(2) 组建矿山灾害专家组和专家云，建设专家协同工作平台，以便对发生在不同矿山不同类型的矿山灾害进行深入分析研究，揭示其发生机理、影响因素。
(3) 突破矿山灾害预警关键理论与技术，以便准确地监测和预警矿山灾害的发生地点、类型、强度，并提供决策支持。
中国感知矿山云服务中心规划架构如图6所示。矿山行业物联网分为4个层次，每个层次的职能和目标各不相同。感知矿山云服务中心架构在这4层之外，各专项云服务平台一般由专门的服务商来提供，如矿山灾害监测与预警云平台由某个矿山灾害监测云服务商通过汇聚矿山安全专家(专家云)来提供，设备健康状况诊断云平台则由矿山设备诊断云服务商通过汇聚矿山设备提供商来提供。这些云端的服务均按服务收取费用，充分体现专业化服务和云平台的服务价值。但是部分云服务平台也可由政府部门来建设与管理，如矿山安全与煤安产品管理云平台。这种政府云不以营利为目的，而是为了加强管理和提高管理效率。
图5 矿山物联网云服务架构
Fig.5 Cloud service structure of mine Internet of things
图6 中国感知矿山云服务中心规划架构
Fig.6 Planning structure of cloud service center of China perception mine
鉴于平台的服务性质，宜在国家层面统筹考虑，尽快试点。
4.3.2 矿山微云(雾计算)
为了解决大数据量传输与数据实时性问题，雾计算应运而生。与云计算相比，雾计算并非由性能强大的服务器系统组成，而是由性能较弱、更为分散的异构计算资源组成，涉及矿山智能装置、传感器、控制器、调节器等底层设施。雾计算通过强化局部独立节点间的即时交互和分布式智能，使节点具备自组织、自计算、自反馈功能。雾计算扩展了以云计算为特征的网络计算模式，将数据、数据处理和应用程序迁移到网络边缘的本地设备，而非集中在数据中心，从而更加广泛地运用于不同的应用形态和服务类型。
雾计算的上述特征与矿山物联网诸多要求一脉相承、互为呼应，可在一定程度上取代矿山综合自动化系统的网络化计算与监测监控功能，如由分散在不同位置的智能装置相互交换本地瓦斯浓度、湿度、温度等信息，并借助事先建立的数学模型进行分布式协同计算，进而得到本区域瓦斯报警阈值，最终决定是否采取报警、加大通风量或撤离等措施。矿山雾计算需实现以下目标：
(1) 实时、低延迟。矿山煤与瓦斯突出、顶板冒落、突水、热害、煤尘等灾害感知数据具有显著的时空特性，只在特定时间和特定空间内才有意义。
(2) 位置感知及更大范围的移动性。矿山井下生产属于流动作业，人员及设备等对象的空间位置及工作面的空间形态不断变化[30]，需对灾害源、设备健康状况等进行全面感知。
4.4 矿山物联网标准化建设
4.4.1 物联网标准现状
目前，国内外都在制定物联网通用标准与行业应用标准[31-32]。国家安全生产监督管理总局已经组织编写了矿山安全生产物联网信息交互技术标准，主要解决矿山物联网信息交互问题，为推进矿山物联网的标准化迈出了第一步。
4.4.2 矿山物联网标准体系
矿山物联网标准体系如图7所示，目的是规范化矿山物联网的应用，实现矿山物与物相联。
总体共性标准从矿山物联网体系结构、矿山物体描述、共性技术等方面进行规范；感知层标准对数据采集与信息交互进行规范；传输层标准从信息传输及协同互联方面进行规范，便于矿山物联网对象的互联互通；数据处理层标准对面向应用的数据处理需求进行规范，为具体应用服务；应用层标准则对架构于矿山物联网之上的具体应用模式进行规范。
5.1 保障措施
(1) 加大财政支持力度。加大国家和地方财政投入，中央财政通过加大转移支付力度，支持矿山物联网产业发展和国家级应用示范。国家安全生产监督管理总局、省、市设立相应专项资金，为矿山物联网基础设施建设、技术创新、应用示范和产业化发展提供支持；充分利用国家科技重大专项、国家科技计划、产业化专项等渠道，大力支持矿山物联网产业发展。
图7 矿山物联网标准体系
Fig.7 System of mine Internet of things standard
(2) 加强融资政策支持。综合运用贷款贴息、保费补贴、风险补偿等手段，鼓励金融机构加大支持矿山物联网企业发展的力度，引导商业银行支持中国矿山物联网协同创新联盟自主创新和产业化。探索建立多种担保方式，加快建立包括财政出资和社会资金投入在内的多层次担保体系，加大对矿山物联网企业的融资担保支持力度。对技术先进、优势明显、支撑和带动作用强的重大矿山物联网项目优先给予信贷支持。鼓励设立矿山安全物联网股权投资基金，通过国家新兴产业创投计划设立一批矿山物联网创业投资基金。
(3) 加强税收政策扶持。将矿山物联网纳入国家支持高新技术产业和战略性新兴产业发展的税收优惠政策范畴，中国矿山物联网协同创新联盟内符合条件的物联网高新技术企业、科研机构，可以按规定享受相关税收优惠。结合矿山物联网的特点，研究完善鼓励创新、引导投资和消费的税收支持政策，将现有软件和集成电路、高新技术产业等有关优惠政策逐步延伸到矿山物联网领域，在有条件的示范区内先行先试。
(4) 加大产业政策支持。研究制订财政、土地、税收、政府采购等方面的政策措施，对矿山物联网重大项目建设、示范应用推广、关键技术研发及人才培养和引进给予重点支持，对符合高新技术企业认定条件的矿山物联网企业进行优先认定，将物联网产品与服务列入各地政府采购目录，使用财政性资金采购时优先购买；加强政策规划宣传和舆论引导，及时发布相关信息。建立健全中介服务体系，积极搭建产业服务平台，为物联网企业提供便捷高效服务；拓宽投融资服务渠道，鼓励国内外风险投资及社会资金投向物联网产业，创造有利于创新型企业成长的产业政策环境。
(5) 加强人才队伍建设。建立多层次、多类型的物联网人才培养和服务体系；支持相关高校和科研院所加强多学科交叉协作，加快培养矿山物联网相关专业人才；依托国家重大专项、科技计划、示范工程和重点企业，培养物联网高层次人才和领军人才；鼓励和支持引进国内外物联网高层次人才和领军人才，完善配套服务，对做出突出贡献的人员给予奖励。
(6) 积极开展国际合作。发挥各种合作机制的作用，多层次、多渠道、多方式推进国际合作与交流，充分利用国际创新资源；立足于提升中国物联网应用水平和产业核心竞争力，引导国内企业与国际优势企业加强矿山物联网关键技术和产品的研发合作；积极支持矿山物联网重点产品、技术和服务开拓国际市场，鼓励和支持自主知识产权和技术标准在海外推广应用。
(7) 建立健全体制机制。要建立和完善矿山物联网领导和监督机制，切实加强矿山物联网建设和运营的领导和监督；健全统筹协调机制及分级运营管理机制，整合资源、统筹力量，有序推动矿山物联网的健康可持续发展；完善社会力量和市场参与机制，落实税收优惠、产业引导、业务培训、政府购买服务等支持措施，强化市场机制在矿山物联网装备研发、工程实施、经营管理方面的积极作用。
5.2 建设路线
矿山物联网建设是一个庞大的系统工程，需要进行总体规划设计，分步实施；建设路线设计得合理与否，关系着矿山物联网的产业推动效果及其行业运行的健康状况。设计按照如图8所示的15 a总体规划路线分步进行实施。
图8 矿山物联网建设总体路线
Fig.8 Overall construction route of mine Internet of things
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Top-down design of mine Internet of things
DING Enjie1,2, SHI Weizu3, ZHANG Shen1,2, ZHAO Xiaohu1,2
(1.Internet of Things(Perception Mine) Research Center, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2.Sate-Province United Engineering Laboratory on Mine Internet Application Technology, Xuzhou 221008, China; 3.Department of Planning Science and Technology, State Administration of Work Safety, Beijing 100713, China)
Abstract：Current status of mine Internet of things technology and its industrial development pattern were introduced. It was pointed out that top-down design of mine Internet of things was for designing perception mine from the state safe production supervision, realizing objects connection of mine Internet of things, and confirming service essence of mine Internet of things. Development trend of mine Internet of things was discussed, namely key technologies would be broken through continuously, service carrying pattern would appear gradually, and the government and enterprises would promote development of mine Internet of things jointly. Following development fields of mine Internet of things were focused on: breakthrough of core and key technologies including intelligent equipments with micromation and energy capturing technology, mine network, communication and post-disaster reconstruction technology, cloud computing, big data and safe production management technology, mine semanteme and virtualization technology, and safety, privacy and credible network technology; five sensing application including sensing miner, sensing disaster, sensing equipment, sensing mine area and sensing management; construction of cloud service hierarchy; standardization construction. Safeguard measures and construction route of mine Internet of things were proposed.
Key words:mine Internet of things; perception mine; top-down design; standardization of Internet of things; intelligent sensing; service carrying platform; cloud service
收稿日期：2017-05-25；
修回日期：2017-07-20；责任编辑：李明。
基金项目：“十三五”国家重点研发计划项目(2017YFC0804400)。
作者简介：丁恩杰(1962-)，男，山东青岛人，教授，博士，研究方向为监测监控与现场总线、信号处理、矿山物联网，E-mail：enjied@cumt.edu.cn。
引用格式：丁恩杰，施卫祖，张申，等.矿山物联网顶层设计[J].工矿自动化，2017,43(9)：1-11. DING Enjie, SHI Weizu, ZHANG Shen, et al. Top-down design of mine Internet of things[J].Industry and Mine Automation，2017,43(9)：1-11.
文章编号：1671-251X(2017)09-0001-11
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.09.001
中图分类号：TD67
文献标志码：A 网络出版时间：2017-08-28 10:00
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170828.1000.001.html
【编者按】煤矿信息化技术经历了单机自动化、矿山综合自动化及现在的矿山物联网阶段。自2010年中国矿业大学首次提出“感知矿山物联网”概念以来，经过几年的发展，目前国内已出现了较为成熟的矿山物联网应用解决方案和系统架构，并在徐州矿务集团有限公司夹河煤矿等建成了矿山物联网示范工程，取得了较好的应用效果。但总的来讲，矿山物联网仍存在感知手段传统单一、泛在感知网络应用较少、不够开放等问题。为了加快实现物与物相联、建设真正本质安全矿山的矿山物联网目标，《工矿自动化》编辑部策划组织了“矿山物联网顶层设计”专栏。本期首发《矿山物联网顶层设计》，该文从监管层统筹规划、战略目标及建设路线制定、重点发展领域概括等角度阐述矿山物联网设计及建设方案。后期将从精准开采对矿山物联网的需求及矿山物联网产业发展、关键技术、标准建设、具体应用等方面对《矿山物联网顶层设计》进行解读。特别感谢中国矿业大学丁恩杰教授在本专栏组稿、审稿方面给予的大力支持和协助，衷心感谢各专家学者在百忙之中为本专栏撰稿。