一、概述

长期以来，煤炭作为我国的主体能源，是保障国家经济发展的重要矿产资源。 随着我国国民经济由 高速增长阶段转向高质量发展阶段，煤炭的需求增 速放缓、产能过剩以及煤炭工业结构性调整等问题凸显，依靠资源要素投入、规模扩张的粗放式 发展已经难以为继，如何在深度“两化融合”的形势 下，促进煤矿企业转型升级，加大创新驱动能力已经 成为煤炭行业新的发展主题。

近年来，随着信息化技术的快速发展，云计算、 大数据、人工智能、物联网、虚拟现实、三维可视化和 智能采矿等领域的理论方法和先进技术已经开始逐 步应用于煤矿行业，为数字化矿山转向智能化矿山 提供了理论支撑和技术支持。 将智能化理论方法及 相关技术与煤矿行业传统技术装备、管理方式和网 络建设等方面相结合，已成为煤炭行业越来越重要 的发展趋势和研究热点。 在此背景下，智慧矿山 的概念被广泛提出。 通过智慧矿山建设理念，采用 智能化理论方法可以提升煤矿企业的信息化和智能 化水平，从而为推动传统矿业的可持续发展提供源 动力，也可以在日益激烈的国际市场竞争中保持核 心的竞争力[1]。

在国家大力推进智慧矿山建设的背景下，国内矿山行业对于物联网技术在矿山建设中的应用也非常重视。物联网是一种基于信息技术和电子技术的多学科技术，作为智慧矿山建设的基础，重点解决系统软硬件环境问题，包括设计平台架构、业务子系统的接口设计、存储和数据管理设计、异构通信子网核心技术以及第三方子系统接入的问题。同时，在矿山物联网平台的基础上，实现了全息数字化信息显示和生产安全监控等业务功能[2]。

二、煤矿智慧矿山关键技术

智慧矿山建设是一个综合性的研究领域，涉及多学科交叉融合的理论方法，具有较强的理论性和 实践性。 目前，针对智慧矿山建设中的关键技术已 经进行了深入的研究。 笔者在智慧矿山顶层架构设 计的基础上，分析并研究了智慧矿山建设中涉及到 的一些关键技术，具体如下。

１)智能控制技术。

智能控制技术是实现煤矿 企业综合自动化管控平台的一类重要技术。 目前， 该类技术已广泛应用于智能综采工作面、综掘工作 面、智能主运输系统等智能控制系统，可有效解决煤 炭安全生产过程中设备控制及安全预测等问题。 智 能控制技术的实现是以PLC可编程逻辑控制器和DCS控制系统为基础，利用软件完成I/O 的逻辑控 制、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)数据信号处理和 通信的交互，进而通过人工智能理论、最优化理论和 控制论等理论模型实现设备的智能控制。 由于矿井 设备之间存在兼容性等问题，可利用CAN总线协 议、RS232、RS485 现场总线协议、ZigBee协议等不 同的通信协议，实现软硬件系统之间的通信交互。 此外，通过调用已有的库函数和开发包含智能化理 论的算法模型可实现不同方式的智能化应用。

２)网络通信技术。

网络通信技术是实现智慧矿山各个系统之间互联互通的重要技术，可广泛应用于智慧矿山的网络互联、标识解析和应用支撑等方面。 目前，无论是基于煤矿企业内部环网网络拓扑结构，或是基于不同煤矿企业层级间的星型网络 拓扑结构，都可以通过WI-FI、4G/ 5G 等通信技术实现各系统之间网络数据的无障碍传输及获取能力。 此外，工业互联网标识解析技术主要包括标识注册、 协议解析、标识搜索、标识查询、标识认证、报文格式 响应和通信协议等内容，可用于数据的高效传递和 共享。 随着工业互联网和物联网的深入应用，利用 OPC UA TSN通信技术，可以有效解决语义互操作 的问题，实现语义互操作的标准规范，加快 IT 和OT 深度融合。

３)GIS空间信息技术。

空间信息技术已广泛应用到煤矿企业，可以有效解决人员定位、地质测量和工 作面管理等问题。 以GIS系统为例，目前煤矿企业 主要以CAD矿图作为 GIS 系统的底层图，在此基础 上构建矢量化地图，并可实现基于矢量化地图的数 据编辑、查询和分析等操作功能。 此外，已有的GIS系统可以实现空间数据库和关系型数据库之间的数 据连接、数据同步和数据融合等功能，使得空间信息 可以与关系型数据信息进行交互，由此便可利用空 间信息技术实现智慧矿山的数据实时采集、融合分 析和智能决策，形成空间信息数据与其他类型信息 数据融合统一的信息管理机制，服务于智慧矿山的建设。

4）GPS技术

GPS 技术指的全球定位系统，其主要基于卫星导航完成监测，分为地面控制、空间卫星以及信号接收等部分。一是地面控制部门，检测站、控制站以及天线等均属于组成部分，可以集中处理空间中的卫星信息，并将其推送至信号接收机，具备中间纽带的作用。二是空间卫星部分，包括备用卫星与工作卫星，在地球各个轨道面均匀分布，将采集的信息反馈至地面控制系统。三是接收信号，处理与呈现 GPS 监测信息，以更好的识别待测卫星，在分析控制信息的基础上，将反馈信号传输至信号接收机，实现与地面控制系统的信息交换，期间地面信息站系统还可以有效监测卫星与天线的变化距离，并将其转化为参数信息。此外，相关的定位技术还有无线射频识别技术、指示定位技术、到达时间差定位技术、TD-SCDMA系统定位技术等。

5）物联网技术

物联网技术可以利用传感器 设备，按照约定的协议，通过互联网实现物与物 (人)之间的互联互通。 目前，该技术已经在煤矿生 产中的信息监控、煤矿供电、安全隐私及感知矿山等 方面得到了广泛的应用。 物联网感知的关键技术主 要包括传感器技术、RFID( Radio Frequency Identification)射频识别技术、二维码技术、ZigBee技术和蓝 牙技术等。 其中，传感器技术对于智慧矿山的智能 感知起到重要的作用，也对于安全生产起到重要的 监测作用；ＲＦＩＤ 射频技术和二维码技术可以在设备 管理和人员管理等方面起到智能监管的作用； ZigBee技术已广泛应用于煤矿井下网络数据的传播 与通信；蓝牙技术可在物联网感知层解决短距离的 数话音/ 数据接入的无线传输，简化设备与因特网之间的通信，迅速高效地实现数据传输。 总体来说，上 述物联网技术可有助于智慧矿山的综合监控。

6）大数据分析与挖掘技术

大数据分析与挖 掘技术主要涉及分布式协调服务、分布式存储、大数 据分析、大数据的数据仓库、分布式日志数据聚合和 分布式锁服务等技术服务。 以 Hadoop2.0数据 处理平台为例，需要采用 HDFS文件系统进行大数 据的分布式存储；通过 ＭａｐＲｅｄｕｃｅ 技术进行大数据 的分布式处理；利用 Flume、Avro、Chukwa和Sqoop进行大数据的传输；借助 Mahout、Giraph、Hama 和RHadoop 等机器学习库可实现大数据的分析。 此 外，在大数据处理的过程中，利用 Zookeeper 技术可 提供分布式的协调服务；利用 ApacheHive数据仓库可实现大数据的数据挖掘；通过 ApacheHCatalog技术服务可实现基于Hadoop的数据表存储。 总体 来说，大数据分析与挖掘技术可实现智慧矿山的智 能化数据分析[1]。

三、智慧矿山物联网架构

智慧矿山物联网系统主要被分为感知层、网络层以及应用层等三部分。

一是感知层，包括 RFID 标签、RFID 感应器、目标布置传感器、监测位置、环境摄像头、收集地理信息的 GPS 设备等，根据矿山的实际开采情况进行合理分布。

二是网络层，其可以将下游感知层采集的各种信息进行无损、快速传输，实现中枢神经的作用。在以往煤矿开采过程中，各煤矿信息传递主要利用局域网进行，架设无线网络。随着信息技术的快速发展，全国范围内开始广泛使用 2G、3G、4G、5G 等技术，为煤矿开采信息的收集与传输提供了高效的运行模式，也为智慧矿山的建设工作提供了更多可行性依据。

三是应用层，在物联网架构中属于数据输出层面，可以直观反应物联网的应用效果，保证智慧矿山的建设效果。在建设智慧矿山监控系统时，工作人员应以物联网为基础，合理处理传输协议，组建物联网的信息编码，保证矿山信息的便捷沟通。为了保证煤矿井下生产的实时监测，还应引入无线网络技术，将采集的开采信息反馈至信息处理中心，以合理分析系统的实时运行状态，依据反馈信息做好远程故障的修复工作，根据智慧矿山的实际情况建立综合一体化的运行构架[3]。

四、存在的问题及建议

止前，我国有一部分矿业企业已建成了智慧矿山的建设，并初步实现了信息融合、智能开采、安全生产，但数字化的“智慧矿山”技术还不够成熟，仍然存在一些问题和不足，对此依据本文提出的观点和技术总结以下几点建议，为企业安全生产、高效管理提供相应的基础。

4.1 存在的问题

1）我国几乎所有矿业企业的“智慧矿山”建设都是在已建成的系统的基础上进行建立的，大部分矿业企业系统建设的时间比较早，相关技术还不够成熟，相关数据资料收集单一或形式不能够统一，系统并存不兼容，给智慧矿山的建设带来较多困难。

2）有些矿业企业的“智慧矿山”的系统不完善，所需要的数据缺失，井下领导通过单一的数据进行判断，掌握的并不是真实的环境情况，缺少大量的信息，导致不能呈现真实的井下状况。

3）部分矿业企业领导者没有意识到“智慧矿山”的建设是一个不断进步的过程，没有感受到任务的艰巨性和长期性。

4）极少数矿业企业表现着生产和系统体外运行的情况，没有实现改善管理、保证安全的目的。实施单位完工后，就会出现

各种各样的问题，严重影响系统的使用效果。

4.2 提出建设性的建议

1）我国矿业企业在“智慧矿山”的建设上务必做到科学合理、统一规范、并严格积极实施。保留多余的接口，为方便以后新系统的接入。

2）要不断完善各子系统，增加多个新系统接入，丰富信息来源，实际掌握更加全面的信息数据，发挥智慧矿山系统的“强集成”作用，强调综合使用价值。

3）在智慧矿山的建立和运行中要不断融入新的管理思想、管理理念、工艺、技术手段。利用光纤技术，实施井下光纤安全监测系统，升级已有的数据收集系统，使数据资源更加丰富，收集手段成本低、效率高。

4）必须组织相关井下工作人员深入掌握和了解智慧矿山，把智慧矿山建立的过程当作是人才培养的过程，实现与实施单位共同进步、共同提高。

5）由于智慧矿山建成后各个子系统分属于不同的管理部门，因此应该建立管理机制，落实管理任务，健全智慧矿山系统及各个子系统维护管理，保证智慧矿山系统正常运行，为整个矿山开采提供有力的支持[2]。

五、结语

我国能源的主要支柱之一。然而煤炭的开采环境却非常的复杂，特别是在井下，存在很多的不可控制因素，极容易使得

工作人员出现生命安全。为了贯彻安全生产的目标，物联网技术的应用非常重要。物联网技术被应用于矿山中，一方面

使得矿山的开采趋于智能化，从而提升开采的效率；另一方面，能够实现对井下生产工作人员实时定位，准确了解他们

的位置信息，很大程度的保证了井下工作人员的生命安全。企业还应该提升员工的物联网意识，使得物联网技术可以得

到有效的应用，从而提升矿山的智能管理水平，为创建智慧矿山打下坚实的基础。

基于物联网技术的“智慧矿山”以信息化、自动化为基础，将煤矿中涉及到的生产运营、安全调度、资源运输、人员管理、数据收集等所有的子系统集成为一个整体，通过统一管理分析平台完成各类数据信息的统一管理、存储于共享，并将数据信息自动地分享给设备设施和操作人员，实现煤矿资源的自动化、科学化管理。

[1]吴群英,蒋林,王国法,等. 智慧矿山顶层架构设计及其关键技术[J]. 煤炭科学技术,2020,48(7):80-91.

[2] 杨栋. 矿山物联网技术及其在智慧矿山建设中的应用[J]. 商品与质量,2021(21):132.

[3] 张慧明. 基于物联网技术的智慧矿山分析[J]. 矿业装备,2020(5):78-79. DOI:10.3969/j.issn.2095-1418.2020.05.036.