數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

馮占科（神華和利時(shí)信息技術(shù)有限公司，北京市東城區(qū)，100011）

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數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

馮占科
（神華和利時(shí)信息技術(shù)有限公司，北京市東城區(qū)，100011）

摘 要介紹了數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的提出背景，分析了該系統(tǒng)的主要功能，闡述了該系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，說明了分析主題和分析模型的具體應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)ΦV井生產(chǎn)和進(jìn)度情況進(jìn)行科學(xué)地分析，很好地為煤礦領(lǐng)導(dǎo)、礦井各業(yè)務(wù)科室以及相關(guān)的管理人員提供決策數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞數(shù)字礦山 生產(chǎn)執(zhí)行層 綜合分析系統(tǒng) 輔助決策

1　數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的提出背景

神華集團(tuán)為促進(jìn)生產(chǎn)集約化和管理精益化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化和生產(chǎn)運(yùn)營流程最優(yōu)化，充分支撐管理變革、業(yè)務(wù)能力提升以及引領(lǐng)煤炭行業(yè)發(fā)展，特提出啟動(dòng)“數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（c MES）”項(xiàng)目的研發(fā)與建設(shè)。c MES是在煤炭行業(yè)歷史轉(zhuǎn)折的背景下、在國家政策的推動(dòng)和神華集團(tuán)戰(zhàn)略需求下應(yīng)運(yùn)而生。c MES是國家863計(jì)劃項(xiàng)目“數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用研究”課題中的一個(gè)子課題，同時(shí)也是神華集團(tuán)推動(dòng)信息化和煤炭工業(yè)化深度融合，促進(jìn)工業(yè)化和信息化同步發(fā)展的一項(xiàng)重要建設(shè)工程，c MES處在數(shù)字礦山設(shè)備層、控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、經(jīng)營管理層、決策支持層中的第三層，c MES涵蓋煤礦的采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、安全等專業(yè)，具體分為生產(chǎn)管理、調(diào)度管理、機(jī)電管理、一通三防、環(huán)保管理、煤質(zhì)管理、安全管理和綜合分析八大業(yè)務(wù)系統(tǒng)，本文著重介紹c MES中綜合分析系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)過程。

2　數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的主要功能

數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)能夠?qū)⒐芾碚叩臎Q策依據(jù)、管理思想和煤炭指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)固化，緊緊圍繞決策的有效性，將煤礦管理和決策分析提升到一個(gè)新的高度，具體功能如下:

（1）為煤礦領(lǐng)導(dǎo)、各業(yè)務(wù)科室及相關(guān)的管理人員決策提供數(shù)據(jù)支持；

（2）為子（分）公司領(lǐng)導(dǎo)、各業(yè)務(wù)管理部門及相關(guān)管理人員決策提供數(shù)據(jù)支持；

（3）為集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)、相關(guān)部門實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)動(dòng)態(tài)和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)提供數(shù)據(jù)支持；

（4）通過詳盡的生產(chǎn)指標(biāo)，反映礦山的運(yùn)行狀態(tài)，并可以對(duì)異常關(guān)鍵指標(biāo)預(yù)警和挖掘分析；

（5）通過儀表盤、進(jìn)度柱、預(yù)警雷達(dá)、比例圖等各種常見的圖表形象地表示礦山運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)（KPI），直觀地監(jiān)測(cè)礦山的運(yùn)營情況，從而指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

3　數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)將200多項(xiàng)指標(biāo)按相同業(yè)務(wù)分成多個(gè)主題，按業(yè)務(wù)主題建立預(yù)警模型庫，并對(duì)指標(biāo)設(shè)置預(yù)警等級(jí)。系統(tǒng)自動(dòng)定期根據(jù)指標(biāo)設(shè)置及實(shí)際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)是否正常，若指標(biāo)異常則發(fā)出預(yù)警信息。分析主題和預(yù)警信息將輔助領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)業(yè)務(wù)人員對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)，生產(chǎn)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)又會(huì)回到系統(tǒng)，系統(tǒng)再次對(duì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 分析主題

數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)共設(shè)計(jì)生產(chǎn)分析、采掘分析、防治水分析、回采率分析、跳閘分析、采掘平衡、離層儀分析、礦壓分析、煤質(zhì)分析、督辦分析、通風(fēng)分析、局扇分析、儀器儀表、防瓦斯分析、煤與瓦斯突出分析、防火分析、防塵分析、鉆孔溫度分析、生產(chǎn)指標(biāo)以及礦井創(chuàng)紀(jì)錄等20多個(gè)業(yè)務(wù)主題，各個(gè)業(yè)務(wù)主題中有獨(dú)立預(yù)警指標(biāo)體系及每個(gè)指標(biāo)的預(yù)警周期，達(dá)到預(yù)警級(jí)別時(shí)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信息。若判斷預(yù)警等級(jí)為正常，則不顯示預(yù)警信息，否則將該分析主題及相應(yīng)的指標(biāo)的預(yù)警信息自動(dòng)插入預(yù)警信息庫中。

3.2 指標(biāo)體系

數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)要想達(dá)到“實(shí)用、實(shí)際、實(shí)效”的決策支持目的，必須要建立一套“實(shí)用、實(shí)際、實(shí)效”的煤炭企業(yè)決策指標(biāo)體系，因此系統(tǒng)指標(biāo)體系在建立的過程中要嚴(yán)格按照全面性、科學(xué)性、簡明性、動(dòng)態(tài)性和可操作性5個(gè)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）全面性原則。為了反映煤礦企業(yè)決策指標(biāo)體系的全面性，全面篩選生產(chǎn)指標(biāo)、管理指標(biāo)以及效益指標(biāo)等指標(biāo)。

（2）科學(xué)性原則。要科學(xué)地選擇決策指標(biāo)，而且指標(biāo)定義需要明確且目的清晰，指標(biāo)來源符合國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)章制度，指標(biāo)模型要有科學(xué)的計(jì)算方法。

（3）簡明性原則。煤炭企業(yè)指標(biāo)眾多，從眾多指標(biāo)中選擇簡明的指標(biāo)，不能選擇指標(biāo)與指標(biāo)重疊、相關(guān)性太強(qiáng)以及相互矛盾的現(xiàn)象，這樣會(huì)給分析決策帶來錯(cuò)誤。

（4）可操作性原則。在煤礦實(shí)際業(yè)務(wù)中，要選擇那些可以容易獲取和人為定量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標(biāo)，否則指標(biāo)不具備操作性。

（5）動(dòng)態(tài)性原則。煤炭開采過程由于煤層賦存條件、地質(zhì)條件以及瓦斯條件的變化，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)變化。

3.3 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)是真實(shí)、及時(shí)和有效的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取的實(shí)現(xiàn)原理比較簡單，但實(shí)現(xiàn)的具體操作非常復(fù)雜，實(shí)施的工作量也非常大。ETL技術(shù)是指將煤炭企業(yè)不同的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)抽取出來，將來自多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換和整合，得出標(biāo)準(zhǔn)一致的數(shù)據(jù)，最后加載到數(shù)據(jù)倉庫中的一種技術(shù)。綜合分析系統(tǒng)為了更好地獲取數(shù)據(jù)，特在設(shè)計(jì)、開發(fā)與實(shí)施維護(hù)過程中開發(fā)了適合數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的ETL工具（c ETL）。數(shù)據(jù)獲取時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量非常重要，常出現(xiàn)不完整、不正確、不一致、不完備、不可獲取和不及時(shí)的問題。數(shù)據(jù)獲取是綜合分析系統(tǒng)建設(shè)過程中至關(guān)重要的一關(guān)，數(shù)據(jù)獲取在綜合分析系統(tǒng)和各個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間搭建通道，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地加載至綜合分析系統(tǒng)；通過c ETL將垃圾數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，變成綜合分析系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。綜合分析系統(tǒng)通過cETL從執(zhí)行層其他系統(tǒng)如生產(chǎn)管理、調(diào)度管理、機(jī)電管理、一通三防、環(huán)保管理、煤質(zhì)管理、安全管理等系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)一的。但從外部系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)時(shí)沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)只能依靠人工比對(duì)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系后進(jìn)行分析，所以煤炭企業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)也是決策分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4　分析主題具體功能設(shè)計(jì)

（1）生產(chǎn)分析。該模塊反映煤礦生產(chǎn)情況是否正常，主要對(duì)原煤、商品煤、裝車和進(jìn)尺等關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和可視化分析，包括實(shí)際量、計(jì)劃量、日超欠率、月超欠率、年超欠率、月剩余日均、年剩余日均、各礦實(shí)際值、各隊(duì)實(shí)際值、各礦計(jì)劃值、各隊(duì)計(jì)劃值等分析和報(bào)表。

（2）防治水分析。煤礦涌水量變化是發(fā)生水害事故的前期征兆，該模塊的主要功能就是監(jiān)測(cè)礦井某區(qū)域以及礦井總水量的變化，預(yù)防發(fā)生水害事故。包括全礦井和各水泵房排水分析的水量變化預(yù)警、日趨勢(shì)、月趨勢(shì)、噸煤出水量、同比、環(huán)比、本月、本季、本年、地面水文鉆孔分析。

（3）回采率分析?；夭陕史治鍪菫榱撕侠黹_發(fā)和保護(hù)煤炭資源，提高煤炭資源回采。回采率分析包括礦井回采率、采區(qū)回采率、工作面回采率的當(dāng)月和累計(jì)值。系統(tǒng)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)研究了回采率分析模型，根據(jù)盤區(qū)和回采面煤層厚度確定屬于哪種煤層，根據(jù)不同煤層回采率采用不同的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，不符合要求的回采率以紅色顯示。

（4）煤質(zhì)分析。該模塊對(duì)水分、發(fā)熱量、硫份和灰份等煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括計(jì)劃值、實(shí)際值、加權(quán)平均值、預(yù)警信息、均方差以及趨勢(shì)等分析。

（5）礦壓分析。該模塊對(duì)工作面支架的循環(huán)末阻力、工作面周期來壓、來壓步距、正常壓力期間工作面推進(jìn)長度、來壓強(qiáng)度、壓力平均值、壓力最大值、壓力趨勢(shì)圖進(jìn)行分析。礦壓分析模型按天或8 h抽取液壓支架實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和進(jìn)尺數(shù)據(jù)，通過取前20個(gè)最大值求平均值，將壓力值分成不同的區(qū)段進(jìn)行不同顏色標(biāo)示，通過顏色能反映來壓步距及壓力變化規(guī)律。

（6）采空區(qū)防火分析。該模塊通過分析采空區(qū)密閉內(nèi)的氣樣數(shù)據(jù)，按煤層自燃發(fā)火理論進(jìn)行特征氣體分析O2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO2和H2的限定，對(duì)采空區(qū)所處的發(fā)火階段進(jìn)行煤炭自燃異常點(diǎn)預(yù)警和趨勢(shì)分析。

（7）采掘平衡分析。采掘平衡是采掘行業(yè)保持生產(chǎn)均衡穩(wěn)定的一項(xiàng)基本方針，其原則是采掘并舉和掘進(jìn)先行。該模塊對(duì)礦井儲(chǔ)量、三量可采期、萬噸掘進(jìn)率以及采掘比等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確保煤礦采掘平衡和均衡生產(chǎn)。

（8）實(shí)時(shí)裝車分析。煤炭企業(yè)裝車外運(yùn)情況直接反映商品煤銷售情況，該模塊對(duì)裝車和列車信息進(jìn)行分析，包括計(jì)劃列數(shù)、裝車列數(shù)、到站列數(shù)、作業(yè)列數(shù)、完成列數(shù)、超時(shí)列數(shù)、車次信息、開始裝車時(shí)間、結(jié)束裝車時(shí)間、裝車耗時(shí)、噸位等分析。

（9）跳閘分析。集成控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)變電所和高壓柜的跳閘時(shí)間和跳閘原因進(jìn)行分析，包括時(shí)間、空間、原因及趨勢(shì)等分析。該模塊對(duì)礦井下所有的變電所和高壓柜的調(diào)查記錄分析，自動(dòng)采集跳閘記錄并對(duì)記錄進(jìn)行從時(shí)間序列、空間序列以及原因序列上進(jìn)行了分析。該模塊設(shè)計(jì)了按月時(shí)間序列進(jìn)行分析反應(yīng)跳閘與季節(jié)的關(guān)系，并將本年與去年的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)本年有一定的指導(dǎo)意義；該模塊對(duì)變電所和高壓柜進(jìn)行數(shù)量的對(duì)比分析，找出主要發(fā)生地點(diǎn)，確定空間上的防控重點(diǎn)；該模塊對(duì)各種跳閘原因按比例進(jìn)行分析，找出主要原因，確定原因上的防控重點(diǎn)。

（10）局部通風(fēng)機(jī)分析。該模塊對(duì)百米漏風(fēng)率、風(fēng)筒長度、風(fēng)機(jī)切換和無計(jì)劃停風(fēng)等進(jìn)行分析，通過設(shè)備啟停數(shù)據(jù)和測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)建立模型算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的分析。

（11）抽采達(dá)標(biāo)分析。按抽采難易程度劃分容易抽放、可以抽放以及較難抽放的噸煤鉆孔量，抽采工程主要針對(duì)工程地點(diǎn)的管路安裝計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)行對(duì)比，分析礦井瓦斯抽采率、回采瓦斯抽采率、瓦斯抽采量和利用量分析瓦斯的利用情況。

（12）通風(fēng)分析。該模塊對(duì)礦井通風(fēng)信息、測(cè)風(fēng)站風(fēng)量異常預(yù)警、測(cè)風(fēng)站風(fēng)速異常預(yù)警、回風(fēng)井、切換次數(shù)、風(fēng)壓預(yù)警、外部漏風(fēng)率、有效風(fēng)量率、等積孔、當(dāng)月通風(fēng)設(shè)施完成情況、通風(fēng)最大流程等進(jìn)行分析，并實(shí)現(xiàn)各礦橫向?qū)Ρ确治?。該模塊對(duì)礦井有效風(fēng)量率、回風(fēng)井外部漏風(fēng)率、等積孔和負(fù)壓進(jìn)行預(yù)警分析，對(duì)通風(fēng)設(shè)施完成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)礦井通風(fēng)最大流程進(jìn)行顯示。

5　結(jié)語

2015年1月1日，數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)在神華集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司正式上線，通過實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)γ旱V生產(chǎn)和進(jìn)度情況進(jìn)行科學(xué)分析，為煤礦領(lǐng)導(dǎo)、各個(gè)業(yè)務(wù)科室以及相關(guān)的管理人員提供數(shù)據(jù)支持，具體應(yīng)用效果如下:

（1）建立了指標(biāo)體系，將管理人員和專家的管理思想固化到指標(biāo)體系，滿足煤礦的管理要求，為公司領(lǐng)導(dǎo)、各業(yè)務(wù)管理部門及相關(guān)管理人員提供決策數(shù)據(jù)支持。

（2）用戶使用覆蓋范圍廣，包括公司、各礦和各選煤廠，實(shí)現(xiàn)了公司管理的橫向協(xié)同和縱向貫通。

（3）人工錄入工作量減輕，原生產(chǎn)相關(guān)報(bào)表有8000多項(xiàng)數(shù)據(jù)需手工錄入，現(xiàn)14010項(xiàng)報(bào)表數(shù)據(jù)全部為自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

（4）工作效率大幅度提升，原早調(diào)會(huì)所需的生產(chǎn)報(bào)表需要2個(gè)人約4 h共同完成填報(bào)工作，現(xiàn)在只需1個(gè)人約30 min即可完成。

（5）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度提高，目前全部報(bào)表為系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析，無需人工錄入，避免了人為錯(cuò)誤，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）

Research and implementation of comprehensive analysis system of manufacturing execution system of digital mine

Feng Zhanke
（Shenhua Hollysys Information Technology Co.，Ltd.，Dongcheng，Beijing 100011，China）

AbstractThe background of the comprehensive analysis system of manufacturing execution system of digital mine was introduced，the main functions of this system were analyzed，the framework design of the system was elaborated，and the specific application of analytical subject and analytical model was explained.The practical application showed that this system was able to analyze scientifically the mine production and schedule，and provide decision-making support for mine leaders，operating departments and related managers.

Key wordsdigital mine，manufacturing execution system，comprehensive analysis system，assistant decision-making

中圖分類號(hào)TD－9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡介：馮占科（1980－），男，河北石家莊人，碩士，高級(jí)項(xiàng)目管理師，現(xiàn)任職于神華和利時(shí)信息技術(shù)有限公司研發(fā)部項(xiàng)目經(jīng)理，主要從事數(shù)字礦山、軟件工程和采礦工程等方面的研究。