《工矿自动化》2020年第3期“矿山物联网”专题推荐

【能源人都在看，点击右上角加'关注'】

编者按

矿山物联网是适应现代工业结构转型升级趋势、保证矿山经济可持续增长、实现矿山智能化建设的核心技术支撑。进入21世纪以来，随着物联网、云计算、大数据及人工智能等技术与矿山“人、机、环”等要素的深度融合，矿山建设实现了从自动化、信息化向智能化的发展，为我国矿山安全生产与高效管理提供了可靠的解决方案。目前，我国矿山物联网尚处于初级阶段，存在数据结构和通信方式不统一、通信方式复杂且网络传输性能不稳定、数据利用率不高、信息安全度低等问题。为促进矿山物联网建设相关理论与技术研究，提升矿山数据集成、加密、传输、分析及知识提取等能力，本刊组织策划了“矿山物联网”专题，报道了基于区块链技术的物联网数据传输与存储、物联网自动语义标注、矿山信息全面感知与智慧决策、矿山多节点智联、网络传输性能优化、网络中继选择等方面的研究成果。衷心感谢各位作者为本专题撰稿！

专题

“矿山物联网”专题

区块链技术在矿山物联网中的应用研究

秦晓伟，王立兵，汪磊，李敬兆，张小波

煤矿企业通过物联网技术对采集的数据进行传输，但在数据传输过程中，由于人为隐瞒和疏忽会造成数据丢失。同时，矿山物联网中数据库的不完善使得存储的数据存在被篡改的风险。区块链以分布式网络为基础，拥有独特的信任机制和区块数据的不可篡改性，符合物联网对信息安全技术的去中心化、去信任化需求中国矿山物联网，在物联网信息安全应用上具有天然的优势。本文将区块链技术应用于矿山物联网数据传输与存储。构建了以数据层、传输层、共识层为核心的矿山私有区块链架构；设计了基于共识模块和数据区块的矿山物联网数据传输与存储防护方案；应用实用拜占庭容错（PBFT）算法设计了数据共识过程，通过在分布式结构化P2P网络每2个节点间设置共识模块并优化P2P协议，实现了矿山数据安全性共识。测试结果表明，私有区块链的应用保证了矿山物联网数据的准确传输和可靠存储。

矿山语义物联网自动语义标注方法

张楠，谢国军，叶青，赵小虎

语义标注技术是指对实例对象数据进行处理和标记，其目标是基于机器可理解的方式标注传感网络中的内容，实现机器自动操作与机器间数据共享。目前，学者们针对各类物联网前端感知设备构建了通用本体，在矿山安全领域，使用本体技术对特定范围灾害进行知识库构建与语义标注应用。现有研究存在以下问题：构建的通用物联网本体无法直接拓展到煤矿领域；煤矿领域本体只考虑重用某个或某几个通用本体来驱动语义标注，忽略井下数据的高动态性，本体库实时性差，无法自动更新；对实例对象数据进行标注时，针对本体的数据属性与定义域方面，只能通过手动构建，无法自动确定数据属性相关知识；构建基础本体时，往往需要查阅大量资料，耗费大量人力和时间，且资料中的传感数据一般是由相应的传感器采集的原始数据，数据海量、分析困难，较难从中得到高级层次的概念。针对上述问题，本文提出矿山语义物联网自动语义标注方法，用于对大量井下设备及实体相关的数据进行描述。

煤矿信息全面感知与智慧决策系统

李腾飞，李常友，李敬兆

煤矿安全生产是一个包括开采、掘进、通信、运输、控制等环节的复杂过程，涉及众多子系统，并且各子系统相互制约、相互影响。目前，这些子系统独立采集与传输信息，信息共享程度低，不能有效对煤矿信息进行全面感知与深度挖掘，难以做出科学、有效的决策。本文提出了一种煤矿信息全面感知与智慧决策系统。该系统由胶囊网络层、数据传输层和云服务层组成：胶囊网络层由人员位置与行为感知胶囊、设备状态感知胶囊、环境感知胶囊构成，深度挖掘煤矿潜在信息，实现煤矿“人、机、环”全面感知；数据传输层采用无线传感器网络与有线网络结合的方法来实现煤矿井下数据可靠传输；云服务层通过基于随机森林的智慧决策机制为煤矿生产高效、可靠决策提供了保障。实验结果验证了该系统的有效性。

矿山信息物理融合系统多节点智联策略

马洋锦，付茂全，许志，李敬兆

随着无线通信技术的不断发展，矿山信息物理融合系统（CPS）不断引入基于不同无线通信协议的感知节点，导致矿山CPS感知节点种类繁多，且无线通信网络错综复杂。矿山CPS通信节点无法与现有的多类感知节点实现智能连接，难以满足当前矿山CPS建设需要。目前，建立矿山CPS多节点连接的主要方案是在通信节点上集成多种通信模块构成多模态通信节点，并采用周期性任务调度的方式依次唤醒各通信模块，不断切换多模态通信节点工作模态，实现与多类感知节点的分时通信。但该方案无法实现通信节点与感知节点的精准配对，通信的时效性和连续性均得不到保障。本文提出了一种基于渐进式神经网络的矿山CPS多节点智联策略。采用渐进式神经网络控制多模态通信节点准确切换工作模态，实现异构无线通信网络自主建立；利用异步优势动作评价算法对渐进式神经网络进行深度训练，提高渐进式神经网络的收敛速度和训练精度。实验结果表明，该策略实现了多模态通信节点与多类感知节点之间的准确、可靠通信。

面向煤矿工作面的无线传感网络传输性能优化

方祖浩，赵小虎，王海波，王晶晶

煤矿井下环境复杂、事故多发、干扰较强，应用于煤矿工作面精确定位的定位无线传感网络(PWSN)必须具有较好的健壮性和较长的网络寿命。然而，网络整体性能的提升标准是有效性和可靠性的动态平衡，单方面提升网络可靠性可能会影响网络的传输性能，如网络带宽、传输时间、丢包率等。为了实现网络传输性能的提升，本文综合考虑传输时间和丢包率这两项性能指标，提出采用结合了粒子群优化(PSO)算法和贪婪算法的保障贪婪调度（GGS）算法来优化网络传输性能。GGS算法可在保证低丢包率的前提下减少端到端传输时间，优化网络的整体性能。

基于能量收集技术的无线协作网络中继选择

踪征雪，丁恩杰，刘燕，张丙鑫，赵端

能量收集技术已成为解决矿山无线协作网络寿命受限于能量约束问题的一种可行技术。矿山无线协作网络中的传感器节点通过感知、收集耗散在周围环境中的能量，可实现网络的自我可持续，有效减小网络对电池供电的依赖。目前能量收集技术能够收集到的可用能量受限，只能供小功率设备使用，因此能量的应用和管理十分重要。在无线协作网络中，中继节点的能耗很大中国矿山物联网，整个网络很容易因为中继节点的死亡而瘫痪。针对该问题，学者们提出各种基于瑞利衰落信号传输模型的中继选择方案。然而，瑞利衰落信号传输模型过于理想化，-m衰落模型更贴合实际衰落情况，因此，本文结合-m衰落模型，提出一种基于能量收集技术的无线协作网络中继选择方案，即联合最大能量和最大数据传输链路的中继选择方案，以提高井下数据传输的可靠性。

信息提供：胡娴 盛男