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[摘 要] 我国煤炭资源丰富，煤炭生产、安全管理形势依然严峻。随着物联网产业的迅猛发展，我国的矿山信息化建设也将迈向一个崭新的阶段。煤炭物联网，必将成为数字矿山建设的发展方向，将对我国煤炭生产的自动化、信息化、安全和效率产生深远的影响。
[关键词] 数字矿山；物联网；感知矿山；架构
0 引言
1998年1月31日，美国副总统戈尔在加利福尼亚在题为《数字地球--对21世纪人类星球的认识》的演讲中正式提出了“数字地球”的概念。随后，数字中国、数字城市也应运而生。总的来说，数字矿山是由数字地球、数字中国、数字城市推广而来的,是新技术新想法在矿山建设的重要应用。
2009年8月月7日，温家宝总理在无锡市高新微纳传感网工程技术研发中心考察时提出“感知中国”战略，
在这种趋势下，2010年，中国矿业大学与徐州市政府建立了物联网（感知矿山）研究中心，成为煤炭物联网建设的先头兵。
1 物联网的概念和总体架构
物联网简称IOT，即“The Internet of Things”。它是指通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等媒介，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类网络接入，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。
物联网被认为有3个层次，依次是感知层、传送层和应用层。相关专业网站上有对三个层次的精确描述。
2 “感知矿山”--煤矿物联网
煤矿生产的过程涉及的系统多，战线长。另外,还有其它辅助系统有几十余项，并且各个系统之间相互独立。煤矿生产还要面对复杂的地质条件、矿山压力、瓦斯不确定因素的影响。因此，对煤炭生产的各个环节统一科学管理，保障安全生产，是亟待解决的问题。这便是物联网应用于矿山企业的背景。
“感知矿山”即是通过全面感知，对矿区的人(人员定位、无线通信)、设备(综合自动化)、环境(安全监控、矿压监控等)全面感知，并通过高速网络实现全面覆盖，同时还具有直观形象的应用，通过3D GIS矿区全息展示，来全面感知矿山。
3 煤炭物联网的架构
煤炭物联网作为全球物联网的一个子集，其架构也包括3个层次--感知层、传送层和应用层。
感知层是由各种各样环境以及人员传感器布设而成的，比如，风速、风量、温度、转速、振动、电压、电流、功率等传感器，甲烷、CO、CO2 、O2、锚杆压力、钻孔应力、顶板离层环境等传感器，堆煤、烟雾、皮带打滑等传感器以及摄像机、RFID人员定位等。所有的传感器在矿区地面、井下分布构成了一个庞大的感知网络。
网络层设备主要由铺设在地面和井下的吉比特光环网及网络交换机设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器等，以及用来实现无线覆盖的PHS网络或Wi-Fi网络，共同构成了覆盖整个矿区的数据网络。
应用层即为矿区综合信息化系统，包含矿区3D GIS系统、综合自动化系统、人员管理系统、视频监控系统、短信管理平台、矿区应急指挥系统、调度系统等。应用层软件提供各种通用的数据接口，在此之上，可以方便地将提升机监控系统、安全监控系统、矿井通信系统、应急救援通信系统、视频监控系统、井下调度无线通信系统、大巷运输系统、选煤厂计算机控制系统、主通风机监控系统、压风机监控系统、中央泵房监控系统、工业电视系统等进行无缝链接，最后经过工业以太网平台统一传输到应用层上进行统一的管理。真正实现矿井“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节的信息化和自动化，从而优化煤矿生产，增强矿山安全保障。
4 煤炭物联网的关键技术
煤炭行业的特殊性，使得煤炭物联网不仅具有普通物联网的实施条件与设备，还要具备井下人员定位的条件。煤矿物联网，将物的定位与人的定位想结合，并结合通信系统，与生产系统相协调，应用于煤矿企业安全生产，是物联网应用于煤炭企业安全生产中创新应用的核心。
煤炭物联网主要有四个关键性的应用技术：无线射频识别技术，传感器网络与检测技术，智能技术以及纳米技术。
4.1 无线射频识别技术
RFID(radio frequency identification，射频识别)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可在各种气候环境条件下工作。RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向传输数据，与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享，已达到目标识别和数据交换的目的。
4.1.1煤矿RFID频段的选择
通常将射频识别标签的工作频率从低到高分为三类：超高频与微波标签，中高频段射频标签，低频段射频标签。
国内部分学者结合不同频率的无线电波在井下巷道中的传输特性，研制了基于2.4GHz的射频收发系统，传输效果较好。
4.1.2基于RFID的矿工身份识别定位
基于RFID和GIS井下矿工跟踪定位与监控能很好的解决井下人员的实时定位和管理问题，但是在RFID标签与传感器接口规范与标准方面，目前只有用于动物识别，集装箱识别和非接触智能卡的国家标准，针对煤炭行业的还未制定。
4.2传感器网络与检测技术
传感器是事物感知物质世界的“感觉器官”，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着科技技术的不断发展，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器--,智能传感器--嵌入式Web传感器的内涵不断丰富的发展过程[1]。
无线传感器可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中的各类情况变化。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
根据Zigbee协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，能够解决当前煤矿安全管理系统中存在的问题，具有一定的市场前景。Zigbee是基于IEEE802.15.4协议的全球性通信标准。
目前，有不少研究基于Zigbee技术的无线传感网络与光纤通信网相结合的煤矿安全监测及人员定位的系统。这些系统实现了井上人员实时监测井下区域的瓦斯浓度，并实时跟踪定位井下人员，使得矿山安全生产更有保障。
4.3智能技术
智能技术是为了准确快速地达到某种预期的目的，运用科学知识所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动的实现与用户的沟通，也是煤炭物联网的关键技术之一。
4.4纳米技术
纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。使用传感器技术能探测到物体物理状态，物体中的嵌入式智能能够通过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的威力，而纳米技术最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术，它的这种特点意味着煤矿物联网当中运用纳米技术可以交互通信连接越来越小的物体。
5 展望
针对煤矿井下特殊性和煤矿安全生产需求,研究煤矿物联网技术,解决煤矿物联网关键技术问题，是我国数字矿山发展的必然。随着全球物联网的发展，“感知矿山”工程必将在矿山企业中普及并得到充足的发展，这必将对我国煤炭产业科学发展及缓解我国严峻的煤炭安全生产形势产生积极深远的影响。但是，物联网的发展还有一些技术问题亟待解决，需加强进一步的研究。 (转第241页)(接第249页)
参考文献
[1]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009，23(12)50-52
[2]张峰，顾伟.物联网技术在煤矿物流信息化中的应用[J].中国矿业，2010,19（8）
[3]中华人民共和国科学技术部等十五部委。中国射频识别(RFID)技术政策白皮书[R]. 2006.6.9.
[4]李龙，刘政，于海化.浅析数字矿山的系统构成与关键技术[J].煤矿现代化，2008（6）
[5]吴立新.数字地球，数字中国与数字矿山[J].矿山测量，2000（3） ■
[关键词] 数字矿山；物联网；感知矿山；架构
0 引言
1998年1月31日，美国副总统戈尔在加利福尼亚在题为《数字地球--对21世纪人类星球的认识》的演讲中正式提出了“数字地球”的概念。随后，数字中国、数字城市也应运而生。总的来说，数字矿山是由数字地球、数字中国、数字城市推广而来的,是新技术新想法在矿山建设的重要应用。
2009年8月月7日，温家宝总理在无锡市高新微纳传感网工程技术研发中心考察时提出“感知中国”战略，
在这种趋势下，2010年，中国矿业大学与徐州市政府建立了物联网（感知矿山）研究中心，成为煤炭物联网建设的先头兵。
1 物联网的概念和总体架构
物联网简称IOT，即“The Internet of Things”。它是指通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等媒介，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类网络接入，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。
物联网被认为有3个层次，依次是感知层、传送层和应用层。相关专业网站上有对三个层次的精确描述。
2 “感知矿山”--煤矿物联网
煤矿生产的过程涉及的系统多，战线长。另外,还有其它辅助系统有几十余项，并且各个系统之间相互独立。煤矿生产还要面对复杂的地质条件、矿山压力、瓦斯不确定因素的影响。因此，对煤炭生产的各个环节统一科学管理，保障安全生产，是亟待解决的问题。这便是物联网应用于矿山企业的背景。
“感知矿山”即是通过全面感知，对矿区的人(人员定位、无线通信)、设备(综合自动化)、环境(安全监控、矿压监控等)全面感知，并通过高速网络实现全面覆盖，同时还具有直观形象的应用，通过3D GIS矿区全息展示，来全面感知矿山。
3 煤炭物联网的架构
煤炭物联网作为全球物联网的一个子集，其架构也包括3个层次--感知层、传送层和应用层。
感知层是由各种各样环境以及人员传感器布设而成的，比如，风速、风量、温度、转速、振动、电压、电流、功率等传感器，甲烷、CO、CO2 、O2、锚杆压力、钻孔应力、顶板离层环境等传感器，堆煤、烟雾、皮带打滑等传感器以及摄像机、RFID人员定位等。所有的传感器在矿区地面、井下分布构成了一个庞大的感知网络。
网络层设备主要由铺设在地面和井下的吉比特光环网及网络交换机设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器等，以及用来实现无线覆盖的PHS网络或Wi-Fi网络，共同构成了覆盖整个矿区的数据网络。
应用层即为矿区综合信息化系统，包含矿区3D GIS系统、综合自动化系统、人员管理系统、视频监控系统、短信管理平台、矿区应急指挥系统、调度系统等。应用层软件提供各种通用的数据接口，在此之上，可以方便地将提升机监控系统、安全监控系统、矿井通信系统、应急救援通信系统、视频监控系统、井下调度无线通信系统、大巷运输系统、选煤厂计算机控制系统、主通风机监控系统、压风机监控系统、中央泵房监控系统、工业电视系统等进行无缝链接，最后经过工业以太网平台统一传输到应用层上进行统一的管理。真正实现矿井“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节的信息化和自动化，从而优化煤矿生产，增强矿山安全保障。
4 煤炭物联网的关键技术
煤炭行业的特殊性，使得煤炭物联网不仅具有普通物联网的实施条件与设备，还要具备井下人员定位的条件。煤矿物联网，将物的定位与人的定位想结合，并结合通信系统，与生产系统相协调，应用于煤矿企业安全生产，是物联网应用于煤炭企业安全生产中创新应用的核心。
煤炭物联网主要有四个关键性的应用技术：无线射频识别技术，传感器网络与检测技术，智能技术以及纳米技术。
4.1 无线射频识别技术
RFID(radio frequency identification，射频识别)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可在各种气候环境条件下工作。RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向传输数据，与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享，已达到目标识别和数据交换的目的。
4.1.1煤矿RFID频段的选择
通常将射频识别标签的工作频率从低到高分为三类：超高频与微波标签，中高频段射频标签，低频段射频标签。
国内部分学者结合不同频率的无线电波在井下巷道中的传输特性，研制了基于2.4GHz的射频收发系统，传输效果较好。
4.1.2基于RFID的矿工身份识别定位
基于RFID和GIS井下矿工跟踪定位与监控能很好的解决井下人员的实时定位和管理问题，但是在RFID标签与传感器接口规范与标准方面，目前只有用于动物识别，集装箱识别和非接触智能卡的国家标准，针对煤炭行业的还未制定。
4.2传感器网络与检测技术
传感器是事物感知物质世界的“感觉器官”，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着科技技术的不断发展，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器--,智能传感器--嵌入式Web传感器的内涵不断丰富的发展过程[1]。
无线传感器可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中的各类情况变化。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
根据Zigbee协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，能够解决当前煤矿安全管理系统中存在的问题，具有一定的市场前景。Zigbee是基于IEEE802.15.4协议的全球性通信标准。
目前，有不少研究基于Zigbee技术的无线传感网络与光纤通信网相结合的煤矿安全监测及人员定位的系统。这些系统实现了井上人员实时监测井下区域的瓦斯浓度，并实时跟踪定位井下人员，使得矿山安全生产更有保障。
4.3智能技术
智能技术是为了准确快速地达到某种预期的目的，运用科学知识所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动的实现与用户的沟通，也是煤炭物联网的关键技术之一。
4.4纳米技术
纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。使用传感器技术能探测到物体物理状态，物体中的嵌入式智能能够通过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的威力，而纳米技术最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术，它的这种特点意味着煤矿物联网当中运用纳米技术可以交互通信连接越来越小的物体。
5 展望
针对煤矿井下特殊性和煤矿安全生产需求,研究煤矿物联网技术,解决煤矿物联网关键技术问题，是我国数字矿山发展的必然。随着全球物联网的发展，“感知矿山”工程必将在矿山企业中普及并得到充足的发展，这必将对我国煤炭产业科学发展及缓解我国严峻的煤炭安全生产形势产生积极深远的影响。但是，物联网的发展还有一些技术问题亟待解决，需加强进一步的研究。 (转第241页)(接第249页)
参考文献
[1]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009，23(12)50-52
[2]张峰，顾伟.物联网技术在煤矿物流信息化中的应用[J].中国矿业，2010,19（8）
[3]中华人民共和国科学技术部等十五部委。中国射频识别(RFID)技术政策白皮书[R]. 2006.6.9.
[4]李龙，刘政，于海化.浅析数字矿山的系统构成与关键技术[J].煤矿现代化，2008（6）
[5]吴立新.数字地球，数字中国与数字矿山[J].矿山测量，2000（3） ■