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感知矿山里的“回音”
发布日期:2017-12-5      点击次数:499

              ——记中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心教授丁恩杰
  
                         本刊记者 王 彬
  
  
  如今,说到物联网,很自然就会想到互联网,不只是“音”似,“意”也很相近。物联网作为新一代信息技术的重要组成部分,顾名思义,就是“物物相连的互联网”。物联网通过智能感知、识别技术、大数据、云计算等技术聚合,广泛应用于网络的融合中,也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
  当前,物联网所服务的行业多到数不胜数:智能交通、环境保护、公共安全、数字家庭、医疗健康等。但是矿山物联网从何说起?物联网和矿山又有什么联系呢?在这看似枯燥的领域里,中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心教授丁恩杰却乐在其中,他不只是对矿山物联网单方面“付出”,同时也在矿山下听到了来自物联网的“回音”。
  
工业与信息的碰撞
  
  2000年11月1日凌晨5时10分左右,江西省丰城矿务局坪湖煤矿皮带暗井第二部胶带输送机头以下200米左右处,由于皮带摩擦起火,造成14人死亡,18人受伤,直接经济损失200多万元。
  2006年5月18日19时36分,山西省大同市左云县张家场乡新井煤矿发生一起特别重大透水事故,造成56人死亡。
  2010年11月28日上午,在山东新泰市莲花山煤矿,因架空乘人装置(又称“猴车”)中绞车变速箱突然发生机械故障,从而导致猴车运行失控。当时多名工人正乘猴车下井作业,猴车突然失控,致使工人在坡度为26度,长度为1000米的巷道中快速下滑,最终造成2名矿工死亡,多人受伤。
  这样的案例还未停止,也还在发生。
  煤炭资源丰富,产量居世界第一的中国,本应在国际煤矿市场竞争中占有很大优势,但无奈我国煤炭不仅在储存条件上复杂多变,而且煤矿自动化水平低,再加上生产安全监控系统技术比较落后和管理等多方面因素,使得出现了生产成本高,安全形势还不容乐观的尴尬局面。煤矿事故死亡人数的居高不下,给煤炭工业的可持续发展和社会稳定带来了极大的影响。丁恩杰也在考虑,怎样才能使矿山安全生产水平得到提高呢?
  抱着这样的想法,丁恩杰于1984年在成都科技大学电子工程系获得学士学位后,深感知识的重要性,决心继续学业,并于1999年在中国矿业大学控制理论与控制工程专业获博士学位。看着日新月异飞速发展的社会,丁恩杰不禁感慨,到处充满着“智能化”的气息。那么,在煤矿作业中,是否也能做到智能与安全并存呢?
  想到就去做!毕业后的丁恩杰继续留在中国矿业大学,在信息与电气工程学院从事教学与数字矿山、煤矿自动化、煤矿监测监控等方面的研究,积累了丰富的经验。2009年,当普通人还不太明白物联网的时候,在学校的推动下,丁恩杰负责组建物联网(感知矿山)研究中心,期间他在国内率先提出了“感知设备健康状态、感知人员安全环境、感知煤矿灾害状况”的3个感知重要思想,为矿山物联网提供了理论基础。自此,丁恩杰更是一头扎进有关矿山综合自动化、矿山物联网有关领域的研究,将工业化与信息化做到了完美的“两化融合”,对解决我国煤矿安全问题,具有不可多得的重要意义。
  
击中要害,先声夺人
  
  物联网技术可谓是一个比较新兴的技术,说到其发展和应用,也不过就是近几年的事。虽然其概念以及这项技术在以后的科技发展和生活实践中能够发挥多大的作用,目前都不可定论,但不得不承认,物联网已经为建立煤矿安全生产与预警救援新体系开辟出一条新的通道。如何利用物联网技术解决煤矿生产中人员安全环境的感知问题?怎样对矿山灾害状况进行预测预报?又该怎样减少或避免重大灾害事故的发生?这些都是物联网需要解决的问题。由此可见,丁恩杰所主持的“矿山安全生产物联网关键技术与装备研发”项目意义深远。
  丁恩杰全身心投入到了矿山安全与物联网的研究中,在两者之间,最主要的矛盾当属怎样解决在矿山安全智能生产与重大事故防控中存在的关键科技瓶颈问题。“问渠那得清如许,为有源头活水来”,丁恩杰也希望找到能够解决问题的“源头活水”。为此,他将物联网打入到矿山内部,基于其在采矿领域深度应用中的基本理论、关键装备和应用系统存在的各种技术难点,从基础开始,开展了全面的基础理论研究、平台与装备研发以及应用示范等多个方面的探索,实现了矿山安全生产物联网的关键技术与装备的重大突破。
  随着研究过程的推进,丁恩杰意识到在研究中,技术的不断提高是一方面,但设备的支撑也必不可少。怎样使技术和设备都皆大欢喜呢?这让丁恩杰陷入了沉思。但船到桥头自然直,他将技术与装置完美匹配,研制出了矿用MEMS低功耗瓦斯传感器,克服了现有传感器功耗大、检测周期长等关键问题,解决了环境极其恶劣的矿山条件下传感器可靠性差、检测参数单一的困扰。
  众所周知,矿山开采常常要深入地下几百米,如何保障矿山信息全息采集与持续感知?为此,丁恩杰提出了矿山环境能量(热能、机械能、电磁能)自动捕获与高效利用的方法,从而有效解决了井下无线智能装置能量难以持续的问题。
  此外,在矿山工作中,安全就是头等大事,但地面的工作人员并不能及时有效地获得地下矿区人员及设备的状态,往往酿成大祸。丁恩杰就想将矿山在生产状态下的场景进行实时再现、自然演化,最好还能使其可视化并达到分析智能交互动态的目的,于是,他提出了在矿山安全生产过程中的“人、机、环”状态信息统一有效描述及动态建模方法,这些问题全都不攻自破。
  随后,为了更好地对矿山特征进行监测,也为了更好地获得实时信息,丁恩杰做出了一个提议:要构建一种面向矿山物联网的云交互技术与智能服务方法。他研究了矿山云系统架构,集面向矿山特征的监测、控制及综合应用系统为一体的矿山实时异构信息交互、深度处理与智能服务也成功构建。这会为矿山“人、机、环”增强现实、矿山安全态势分析、设备协同管控等综合应用所需要的数据提供快速处理与全息主动服务。
  与此同时,在矿下作业,一旦发生危险,每一分每一秒都是与生命赛跑。那么在生产作业环境极其复杂的情况下,及时预报危险的发生就显得至关重要。丁恩杰也看到了这一点,经过与团队讨论,他分门别类,对矿山瓦斯、水、火、冲击地压(岩爆)、顶底板等重大危险源的深度感知和智能分析方法进行研究。每研究一处,他都要经过仔细分析比对,不容一点差错出现。丁恩杰还对矿山安全生产过程中的人、机、环等物联网大数据的安全态势进行分析,最终解决了争议许久也困扰已久的难题:在复杂环境下矿山安全态势难以预测的问题。
  为了进一步提高矿山生产效率和安全水平,丁恩杰又相继提出矿山安全生产全过程协同管控与智能调度方法,解决了矿山安全生产中多因素、多层次、多智能体有效协同的难题,对矿山生产效率和安全水平的提高是一个质的飞跃。
  
不断摸索中的有爱团队
  
  矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室、中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心常务副主任,中国矿山物联网协同创新联盟副秘书长,中国安全产业协会矿山分会副理事长,中国物联网协会理事……“如人饮水,冷暖自知”,也许这一系列头衔背后的酸甜苦辣除了丁恩杰自己知晓之外,就要数他所在的团队了。
  丁恩杰广纳贤才,将矿山物联网领域相关的9个一级学科的科研骨干都汇聚到一起,组成中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心。其中既有像矿业工程、安全科学与工程等学校全国排名第一的传统优势学科,也包含了信息与通信工程、计算机科学与技术、电子科学与技术等物联网主干学科。团队成员全部拥有博士学位,1/3以上都具有海外研修的背景,朝气蓬勃,也拥有满腔科研热血。研究团队被评为江苏高校优秀科技创新团队。
  “我们要相信科学,但也要想办法找到科学的突破口。”正是因为丁恩杰要求团队“打破科学之间界线”的坚持,才有了团队“三个感知”重大理论的形成,也逐渐开始从灾害机理、通信传感网络、检测感知手段、智能信息处理、决策应用等一系列关键问题进行研究与突破,进而形成从理论到实践的跨越。
  “感知矿山是解决煤矿安全的一个很好的方向,很有创意,是解决国家长远发展与近期问题的很好的举措。”2010年8月,科技部部长万钢到物联网(感知矿山)研究中心视察指导工作时表示。
  “十二五”期间,丁恩杰带领团队冲锋在前,相继承担了多个国家科技支撑计划、“973”计划项目(课题)。其中,研究成果“矿山物联网安全感知与预警系统关键技术研究及示范”获2015年度国家安监总局安全生产科技进步奖一等奖,研究成果“矿山物联网安全感知与管理信息融合关键技术研究”获2016年度教育部科技进步奖二等奖。
  “十三五”期间,丁恩杰团队将研究重点转向针对物联网在采矿领域深度应用中的基本理论、关键装备和应用机制存在的技术难点,进一步开展全面的基础理论研究、平台与装备研发,从矿山语义信息获得、语义信息处理(含矿山的增强现实)和大数据与云计算服务平台建设等方面展开详细研究。
  有付出就会有回报。2011年,研究中心建设了国内第一个应用于煤矿的物联网示范工程——徐州夹河煤矿感知矿山物联网示范工程。在充分利用系统工程整体规划原理的基础上,丁恩杰团队为达到煤矿安全生产的需求,以物联网技术为手段,“三个感知”为重点研究方向,不仅着力解决了感知矿山物联网系统架构、感知网络关键技术研究、井下移动目标连续定位等多个关键技术,还推陈出新,推出了一系列以煤矿安全和高效生产为目标的应用系统。示范工程被评为“江苏十大科技创新工程”。
  研究中心与山西煤炭进出口集团有限公司合作的“感知矿山(霍尔辛赫)国家示范工程项目”是“十二五”期间国家安全生产监督的100个示范项目之一。国家安全生产监督管理总局组织专家对此进行鉴定并评价:“项目总体技术达到了国际先进水平,其中在井下人员环境感知方面更是在国际上名列前茅。”
  丁恩杰团队还牵头推进了矿山物联网科技顶层设计项目,从矿山物联网的不同角度着手,从发展现状、机遇、挑战等几方面进行梳理,规划了未来矿山物联网的战略目标和重点发展领域,并提出了重点突破的关键技术、5S应用、云服务体系和标准体系建设等主要内容。“这为矿山物联网的发展指明了方向,阐述了矿山物联网建设的保障措施和实施路线图,对矿山物联网领域的技术发展具有指导作用。”在项目验收会上专家表示。
  “我们团队打算针对物联网在采矿领域深度应用中的基本理论、关键装备和应用机制存在的技术难点,开展全面的基础理论研究、平台与装备研发,其中重点是从矿山语义信息获得、语义信息处理(含矿山的增强现实)和大数据与云计算服务平台建设等几个方面展开。”事实证明,丁恩杰团队的目标正在蓬勃展开。
  为科研提供一流的技术支撑,也要紧随形势变化。如今,在“产学研一体化”的热潮面前,研究中心与淄博矿业集团等企业建立了全面产学研战略合作关系,共同建立了西安两化融合研究院,打造“一带一路”科技创新桥头堡和成果转化基地。
  “矿山物联网技术的产业化将是我们的下一个目标。”丁恩杰谈道。据悉,在“十三五”期间,研究中心将围绕矿山物联网科技顶层设计,开展2个煤矿和1个铜矿实施示范工程,向进一步实现矿山物联网技术产业化迈进。
  心有所想,心有所念,丁恩杰及团队才会在矿山物联网技术这条漫长而艰难的路上,一路前行。路还很长,等待攀登,等待顶峰。
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