物联网激发煤矿领域第四次技术革命

进入21 世纪以来，以信息技术为代表的技术革命迅猛发展，为实现矿山的全面感知提供了成熟的技术支撑。数年来，工业界一直处于一场重大而根本性的变革之中，这一变革在德国被称为“工业4.0”，在中国称为“中国制造2025”，而推广到矿山领域，我们称之为“感知矿山”，它将是“互联网+”这一概念应用在矿山行业的最佳模式。

 

感知矿山

 

人类早在几千年前就对矿山有了一定的了解，并开始对矿石进行开采和利用，如中国夏商时期对青铜、春秋战国时期对铁矿石的开采和冶炼；在欧洲，希腊学者在公元前约300 年就记载有煤的性质和产地，而古罗马更是在大约2000 年前就开始用煤进行加热。在矿石的开采过程中，人类对矿山形成了初步的感知，掌握了掘进、支护、开采、运输等一系列的生产流程，并沿用至今。随着科技的发展和进步，现代化开采需要新的感知手段，去更全面地了解矿山，从而更好地指导人们进行生产，由此，感知矿山的概念就应运而生了。

 

为了保证矿山的安全开采，管理者希望能够了解矿山开采每一个环节、每一道工序、每一台设备的运行情况，能够全面感知矿山的地质、环境、采掘设备状态等信息，就像人们利用感觉器官可以全面感知我们的身体状态一样。但是，矿山开采是一个复杂的过程，涉及大量的电气和机械设备，还难以做到有效监测监控。因此，感知矿山的内涵，就是要利用现代的传感技术、通信技术和信息处理技术，实现矿山生产过程中资源环境、地质灾害、人员安全、设备健康的全面监测。

 

矿山开采系统主要包括：综掘设备、综采设备、胶带运输、提升系统、辅助运输、煤的洗选、装车等矿山采掘、生产、运输过程中所涉及的一系列生产系统。同时，矿山开采还要面对复杂的地质条件、矿山压力、瓦斯、一氧化碳、地下水及煤尘等，需要排水、通风、供电、压风等生产辅助系统。大量的开采系统、辅助系统独立运行，不成体系，造成了矿山生产监控难、调度难、安全事故多等问题。

 

钱学森等3 位中国学者于1990 年发表了题为“一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论”一文，提出了开放的复杂巨系统的概念，揭开了开放的复杂巨系统研究的序幕。钱学森在复杂性理论的研究中将系统分为简单系统和巨系统两大类，巨系统又分为简单巨系统和复杂巨系统，进而提出开放的复杂巨系统概念。他指出开放的复杂巨系统具有以下四个特征：第一，系统是开放的，也就是系统本身与系统外部环境有物质、能量和信息的交换；第二，系统包含很多子系统，成千上万甚至是上亿万，所以是巨系统；第三，系统的种类繁多，有几十、上百甚至几百种，所以是复杂的；第四，正因为以上几个特征，整个系统之间的结构是多层次的，每个层次都表现出系统的复杂行为，甚至还有作为社会人的参与。

 

我们认为，矿井生产系统就是一个典型的开放的复杂巨系统。首先，矿井系统所包含的子系统种类繁多，数量庞大，如矿井地质、巷道开拓、巷道掘进、围岩支护、工作面回采、供电线路、电器设备、监测监控、瓦斯抽放、矿井通风、排水、井底车场、运输、提升、地面设施等子系统，这些子系统本身又包含许多子系统，层次很多，规模宏大，可以划分为成千上万个系统，所以称为“巨”系统；其次，影响安全生产的因子众多，各因子之间具有强烈的非线性相互作用，复杂是矿山安全生产系统的基本特征。最后，这些系统本身显然都与系统周围的环境有物质的交换、能量的交换和信息的交换，且有人的参与，由于有这些交换，所以是“开放的”。

 

开放的复杂巨系统的一个典型特点是人对其子系统不能完全认识、了解，子系统内部还有更深、更细的子系统无法完全认知，难以掌握其完全信息。例如对于矿井生产系统，我们无法确定矿井每一个地方的地质构造、瓦斯含量等。这些问题如何解决?钱学森院士在提出开放的复杂巨系统同时，还给出了现在能用的、唯一能有效处理开放的复杂巨系统的方法，这就是从定性到定量的综合集成方法，该方法强调人的重要性及人的聪明才智与实践活动经验的重要性，将科学理论、经验知识和专家判断力相结合，提出经验性假设（判断或猜想）；而这些经验性假设不能用严谨的科学方式加以证明，往往是定性的认识，但可以用经验性的数据和资料以及几十、几百、上千个参数的模型对其确定性进行检测，而这些模型也必须建立在经验和对系统的实际理解上，经过定量计算，反复对比，最后形成结论，这个结论就是从定性上升到定量的认识。由此可见，从定性到定量的综合集成方法，其实质是利用各种通信网络，将井下传感器的监测数据结合起来，形成物与物的交互；再把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来，分析这些监测数据，形成物与人的交互，利用专家群体的优势（各类有关专家）解决生产过程中出现的问题。