引言
物聯網從1995年提出理念至今已經發展了近20年。
2009年至今是物聯網技術高速發展的年代，特別是2014年，世界物聯網從研究與發明階段轉為市場推廣應用階段。據IDC（Internet Data Center,互聯網數據中心）預測，到2020年世界上與網絡相連的智能裝置的數量將達到260億（不包括PCs、平板電腦和智能電話），物聯網產品與服務的市場增加值可達19 000億[1].從20世紀90年代至今，煤礦自動化先后經歷了單機自動化、綜合自動化和煤礦物聯網3個階段的發展。雖然物聯網技術在煤礦行業的研究與應用已經取得了一定成果，但是國內外關于煤礦物聯網沒有一個統一的定義，很多概念與煤礦物聯網相混淆。在國內，使用較多的概念有數字礦山、感知礦山、智能礦山、智慧礦山、煤礦物聯網等。在國外，多以煤礦無線傳感網絡為主。在中國，吳立新等[2-4]較早提出了數字礦山的概念。實際上該概念與信息化礦山、礦山綜合自動化等概念趨于一致。張申等[5-8]比較全面地給出了感知礦山的定義，指出感知礦山是在綜合了上述概念基礎上，更加具體、全面、動態、詳盡地描述真實礦山。從對礦山的描述層次上來說，煤礦物聯網是融合了真實物理礦山、數字礦山和虛擬信息礦山三者為一體的綜合體，如圖1所示。
1 煤礦物聯網研究現狀
近些年，國內外相關科研人員針對物聯網技術在煤礦領域的應用做了很多研究，并取得了一定成果。下面分別從體系架構、感知層、傳輸層、應用層及工程應用方面，對煤礦物聯網的國內外研究現狀進行總結。
1.1國內煤礦物聯網研究現狀
在體系架構研究方面，吳立新等指出應利用物聯網技術建設數字礦山集成平臺、礦山自動化系統、井下精確定位與導航系統以及采礦環境的智能感知系統。張申等[6]提出感知礦山建設的核心問題為“3個感知”:感知礦山災害風險，實現各種災害事1安全保障；感知礦山設備工作健康狀況，實現預知維修。張申等[9]在分析煤礦綜合自動化的基礎上，提出釆用物聯網技術及其平臺性來實現礦山物理世界的實時控制、精確管理和科學決策，指出礦山物聯網是一種開放式平臺，且該平臺體現在結構性平臺和服務性平臺2個方面。解海東等[10]在分析智能礦山建設現狀的基礎上，提出了一種基于物聯網的5層智能礦山體系架構方案，并提出了基于該架構的智能礦山應用體系，指出該體系可用于指導煤礦企業建設礦山物聯網系統。張科利等[11]提出了智能生產系統概念，在物聯網技術的基礎上，提出了一個彈性的智能生產系統。張長江等[12]指出將物聯網技術應用到礦山，可以實現礦井的全面感知、智能控制和綜合管理，并能較好地消除礦山企業存在的“信息孤島”現象。孫彥景等[13]提出構建動態感知煤礦災害狀況、設備健康狀態、人員安全環境的煤礦安全生產物聯協同網絡系統。
在感知層研究方面，丁恩杰等[14]研制了具有礦工定位、周圍環境信息感知及雙向通信功能的智能信息終端。王繼水等[15]針對礦山實際需求，應用物聯網技術，通過建立基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，實現礦山環境的在線實時監測。李繼云[16]、張春輝[17]分別就礦山物聯網節點和數據采集終端進行了研究和設計，對礦山物聯網硬件設備的開發和設計有一定的參考和指導作用。
在傳輸層研究方面，邵國強[18]針對常用的礦井WiFi通信系統、人員定位系統均采用獨立布網方式而存在 重 復 布 網 的 問 題，提 出 了 一 種 將WiFi和RFID（Radio Frequency Identification,射頻識別）相結合的一體化礦用無線通信及人員定位管理系統設計方案。孫彥景等[19]設計了基于物聯網的安全信息系統模型，并研發了適用于煤礦環境的綜合接入網卡及環網防爆交換機。太平[20]研究了礦山物聯網的服務質量框架，用來解決礦山物聯網業務服務質量保障問題。
在應用層研究方面，趙安新等[21]設計了一套基于物聯網技術的礦山機電設備遠程在線實時監測和故障診斷平臺，使其在保障企業安全生產中發揮重要作用。陳鐸等[22]提出了一種基于礦山物聯網的設備動態管理系統設計方案。趙志軍等[23]指出了物聯網規?；\用中的關鍵技術，并給出了利用智能信息處理理論的煤礦物聯網架構設計方案。
在工程應用方面，夾河煤礦、霍爾辛赫煤礦應用物聯網技術構建井下通風、排水、應急救援三大系統，實現煤礦生產的掘進、采煤、運輸、供電的無人化或少 人 化 作 業，從 而 形 成 新 型 煤 礦 安 全 技 術 體系[24-25].神華寧煤集團將物聯網技術應用于數字化礦山建設中，并對物聯網技術的應用成效進行了論述，同時提出了神華寧煤集團物聯網技術應用研究的新方向[26].
1.2國外煤礦物聯網研究現狀
國外對物聯網的應用研究起步較早，其取得的研究成果較為豐富，一些技術也成功地應用到了煤礦行業。在20世紀末，加拿大國際鎳公司的研究員針對煤礦地下采礦設備的遙控指揮問題，研究并設計了一種獲取地下數據的裝置，實現對礦井挖掘、運輸等活動的遠程控制[27].美國加州大學伯克利分校的L.Doherty等[28]針對煤礦物聯網系統中人員定位問題，通過研究提出了凸規劃定位算法，該算法通過將節點定位問題轉化為凸約束優化問題來計算位置坐標，定位精確度較高。澳大利亞工業研究所利用虛擬建模語言提出了“礦井數據四維可視化”概念，并開發了一個礦井四維可視化平臺，實現了礦井地球物理、地質等數據的圖片化展示，進而形成了礦山的虛擬環境[29].
J.Rabaey等[30]在2002年針對物聯網RFID技術中的定位問題，提出了RobustPosition節點定位算法，通過引入置信度來提高定位精確性，但該算法在系統實際應用中需要較長的覆蓋時間。
在基礎理論和關鍵技術方面，在無線傳感器節點的微型化、低功耗設計、網絡組織、數據處理與管理以及網絡應用等方面取得了許多重要的研究成果。如Dust Networks和Crossbow Technologies等公司的智能塵埃、Mote及Mica系列節點已經產品化[31].加州大學研發的TinyOS嵌入式系統專門面向無線傳感器網絡，其代碼量小，模塊化好，可滿足數據采集、網絡通信等功能[32].
近年來，國外煤礦井下無線通信也有很大發展，如加拿大、美國、德國、澳大利亞等產煤大國都對井下無線通信進行了深入研究，基本上都實現了井下無線通信。大多數礦業公司都在積極研究現代化的無線通信系統，如超低頻透地系統、小靈通通信系統等[33].美國賓漢頓大學計算機系統研究室通過對物聯網接口協議的研究，在2005年前后分別提出了物聯網中的各類協議標準，進而規范了物聯網設計的相關標準。
2 煤礦物聯網存在的問題
國內外在煤礦物聯網理論和應用方面都取得了一定的成果，形成了關于感知礦山建設的應用理論模型，構建了感知礦山的開放性模型。對構建感知礦山各層次所采用的關鍵技術和模型也形成了系統的研究論述，并在一些煤礦進行了示范應用，取得了不錯的效果。然而，煤礦物聯網的理論技術還存在很多問題值得進一步研究。
（1）缺乏低功耗智能傳感器及裝置。高能效是煤礦物聯網傳感器與裝置設計的必要條件。礦山現有傳感器以有線供電、傳輸為主，其體積及功耗大，移動、維護困難。傳感器的低功耗技術一直是研究的重點，已取得了一定進展，如中國礦業大學物聯網（感知礦山）研究中心開發的MEMS（Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統）瓦斯傳感器功耗可降低30%以上。智能裝置基本功能組件（通信與處理單元）的能耗在10a內預計為目前的1% ~10%,可采用能量捕獲組件為連續運行的物聯網裝置供電[34].
（2）缺乏礦井環境能量捕獲技術。煤礦井下存在很多可利用的能量，如礦井通風產生的風能，帶式輸送機、采煤機等產生的動能等。如果能夠捕獲這些能量，就可為煤礦物聯網傳感器節點充電。目前，煤礦物聯網還沒有比較成熟的能量捕獲技術，其他行業物聯網中有一些研究成果可供參考，如智能家居已使用太陽能、溫度差和開關振動等能量為一些傳感器節點充電。振動能量采集裝置的能量密度在10a內有望從10霿/g提升到30霿/g,頻率響應范圍加大，可做到即插即用[34],有望解決煤礦采掘工作面智能裝置的供電問題。
（3）缺乏數據與網絡安全方法。隨著煤礦物聯網技術的不斷發展，與當前互聯網一樣，都會存在安全漏洞。安全方面不容許存在弱點。煤礦物聯網要得到廣泛應用，就需要獲得企業、政府和用戶的認可，但不安全的網絡數據環境無法得到認可。同時由于物聯網改變了物物相聯的關系，數據的不安全性可能會為企業帶來巨大的經濟損失。不安全的網絡、不保護個人隱私的網絡是不可能得到推廣的。
（4）缺乏公共服務平臺。煤礦物聯網最終會形成真實物理礦山、數字礦山和虛擬信息礦山的三者合一，形成一個由智能傳感器、智能裝備與礦山智能環境組成的Web服務平臺。但目前大多數的煤礦物聯網應用主要是垂直型的應用，局限在某個企業內部，屬于企業信息化應用。隨著網絡相聯物的增加，數據的種類及數量將大幅增加。只有形成公共服務平臺，采用大數據及云計算技術，才能有效地處理海量的數據及產生的應用服務。
（5）缺乏煤礦物聯網相關標準。隨著煤礦物聯網技術的發展，礦山物聯網、礦業集團物聯網、省級礦山物聯網和國家礦山物聯網將得到大量應用，若要增加煤礦物聯網的可擴展性，使更多的信息可以共享、物物互動，煤礦物聯網標準是核心問題。
3 煤礦物聯網可能的發展方向
習近平總書記在推動能源生產和消費革命的講話中明確指出，要立足國內多元供應保安全，大力推進煤炭清潔高效利用，著力發展非煤能源。煤炭行業的發展也將面臨革命性的轉變，將由資源限制型向生態環境友好型發展，由傳統開采方式向多元科學開采發展，由單一煤炭生產向煤炭綜合利用方向發展。煤礦物聯網的發展也將隨著煤炭行業的發展變革而在礦山得到廣泛應用。從技術發展的模式來看，物聯網技術的發展將呈現多種技術聚合發展的模式，如云計算、大數據與物聯網的聚合發展，并在聚合發展中出現新的需求、新的研究與發明、新的市場份額。煤礦物聯網主要涉及3類技術的發展。
（1）嵌入式智能信息傳感技術。針對礦山有限空間中的高效智能化環境感知，著重研究嵌入式智能信息感知技術，從而智能獲取與礦山裝備運行相關的語義數據。通過在井下環境中嵌入多種感知、計算設備，形成智能環境。嵌入式智能信息感知裝置能夠根據上下文識別煤礦開采設備的狀態、頻率、聲音等有效信息，進而判斷設備的運行狀況，以提高設備的開采效率和運行保障能力。該方面主要涉及新材料、新型傳感器、微電子技術、語義互操作、嵌入式軟件和操作系統、M2M、低功耗網絡與通信、能量捕獲等技術。
（2）基于大數據的礦山安全生產云服務平臺。
研究基于大數據時空行為分析等技術，提供高可靠、高擴展、高存取性能的多礦山大數據存儲模式?；诖髷祿治龅牡V山災害孕育、演化及突發的全過程反演，實現礦山安全生產環境的“透明化”,在煤礦災害的早期發現與預防領域實現突破。通過構建的基于云計算的統一服務平臺，實現礦山安全生產信息的跨區域實時遠程監測與共享服務。該方面主要涉及云計算（包括霧或微云）、大數據與物聯網的聚合、數據發現與搜索等技術。
（3）安全性。如何解決煤礦物聯網的安全與隱私保護問題，是物聯網發展進程中重要兼必要環節。
該方面主要涉及傳感器網絡安全、RFID安全、核心網安全、移動通信接入安全、無線接入安全、數據處理安全、數據存儲安全、云安全、安全管理等技術。
4 結語
中國經濟目前已進入轉型階段，從追求GDP轉變為可持續的科學發展。煤炭行業必須走科學發展的道路，由單純追求產量的粗放式開發轉變為安全、高效、綠色的科學開發，并最終形成礦山生態環境。
在該過程中，傳感器或裝置將由智能型轉變為智慧型。煤礦物聯網提供了對礦山物理世界從“感”到“知”再到“智慧”的技術，是實現科學開發煤礦和安全生產的重要手段。與其他行業的物聯網一樣，煤礦物聯網的發展還存在諸多問題需要解決，如缺乏低功耗智能傳感器及裝置、礦井環境能量捕獲技術、數據與網絡安全方法、公共服務平臺以及煤礦物聯網相關標準等，涉及嵌入式智能傳感技術、安全性等一些關鍵技術需要突破。
參考文獻：
[1]Gartner[EB/OL].[2014-12-02].
[2] 吳立新，殷作如，鄧智毅，等.論21世紀的礦山---數字礦山[J].煤炭學報，2000,25（2）:337-342.
[3] 吳立新，殷作如，鐘亞平.再論數字礦山：特征、框架與關鍵技術[J].煤炭學報，2003,28（1）:1-7.
[4] 吳立新，汪云甲，丁恩杰，等.三論數字礦山---借力物聯網 保 障 礦 山 安 全 與 智 能 采 礦 [J].煤 炭 學 報，2012,37（3）:357-365.
