數(shù)字化礦山建設(shè)創(chuàng)新與實(shí)踐

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 韓 安

數(shù)字化礦山建設(shè)創(chuàng)新與實(shí)踐

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 韓 安

本文就數(shù)字化礦山項(xiàng)目需求、規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程進(jìn)行歸納總結(jié)，提出數(shù)字化礦山的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)，為國(guó)內(nèi)數(shù)字化礦山建設(shè)提供參考。

云計(jì)算；管控一體化；物聯(lián)網(wǎng)；增效；決策分析

引言

煤炭是我國(guó)的主體能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中占70%左右。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將作為非常重要的戰(zhàn)略資源，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有極其重要的地位。目前，我國(guó)有50多處千萬(wàn)噸煤礦，970多處120萬(wàn)噸以上礦井，在保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。

“十二五期間”，國(guó)家用“信息化帶動(dòng)工業(yè)化”的工作重點(diǎn)有三個(gè)方面：一是以電子信息技術(shù)應(yīng)用為重點(diǎn)，提高傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、控制智能化和管理信息化水平；二是以先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用為重點(diǎn)，推進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)，振興裝備制造業(yè)；三是改造提升重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)及其相關(guān)配套技術(shù)水平、工藝和裝備水平。因此，數(shù)字化礦山的建設(shè)，作為煤炭傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)以電子信息技術(shù)提升信息化的有效嘗試，也是提升礦井安全生產(chǎn)水平與煤炭供應(yīng)效率的有效保障[1]。

1.實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

數(shù)字化礦山建設(shè)應(yīng)用自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建以礦井主數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，涵蓋礦井安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、日常安全生產(chǎn)調(diào)度管理、地理空間、現(xiàn)有集團(tuán)經(jīng)營(yíng)管理等業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)中心，在滿足礦井日常安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，以三維可視化方式真實(shí)實(shí)時(shí)展現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)狀況，同時(shí)抽取集團(tuán)經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，暢通礦井日常安全生產(chǎn)過(guò)程與企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理決策數(shù)據(jù)，使得指標(biāo)管控與執(zhí)行過(guò)程有效融合，為企業(yè)日常安全生產(chǎn)過(guò)程提供決策依據(jù)，承載著礦井生產(chǎn)過(guò)程透視、運(yùn)營(yíng)決策、問(wèn)題診斷、專家系統(tǒng)、可視化集控、指揮調(diào)度等業(yè)務(wù)應(yīng)用，從而構(gòu)建以生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化為基礎(chǔ)、管理信息化為本質(zhì)、三維可視化為直觀表現(xiàn)形式、領(lǐng)導(dǎo)決策分析為管理依據(jù)的四位一體現(xiàn)代化礦井信息化平臺(tái)[4]。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

平臺(tái)構(gòu)架自下而上包括感知層、執(zhí)行控制層、系統(tǒng)運(yùn)維層、集中管控層、業(yè)務(wù)展示層。

感知層：由傳感器、工業(yè)視、移動(dòng)終端、射頻卡、執(zhí)行器、電源以及相關(guān)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了礦井環(huán)境安全、生產(chǎn)工況的感知與過(guò)程信息控制，同時(shí)采用物聯(lián)網(wǎng)編碼體系實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與執(zhí)行器之間的智能化識(shí)別接入，是礦山物聯(lián)的基礎(chǔ)。

執(zhí)行控制層：通過(guò)專有分站實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層設(shè)備的信息采集、處理，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線經(jīng)高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸給不同專業(yè)的工程師站，由工程師站實(shí)現(xiàn)對(duì)各專業(yè)信息的處理，并對(duì)現(xiàn)部分場(chǎng)設(shè)備的控制[2]。

系統(tǒng)運(yùn)維層：依托企業(yè)主數(shù)據(jù)與物聯(lián)編碼體系，根據(jù)不同的應(yīng)用需求和數(shù)據(jù)特征，構(gòu)建監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心、空間數(shù)據(jù)中心、運(yùn)營(yíng)管理數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全監(jiān)測(cè)類、生產(chǎn)過(guò)程類的數(shù)據(jù)管理與存儲(chǔ)，空間數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)對(duì)地理地測(cè)類空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，運(yùn)營(yíng)管理數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)對(duì)日常業(yè)務(wù)管理類的存儲(chǔ)與管理，并對(duì)集團(tuán)經(jīng)營(yíng)類數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、存儲(chǔ)與管理。

集中管控層：包括綜合管控平臺(tái)與安全生產(chǎn)調(diào)度指揮平臺(tái)。綜合管控平臺(tái)主要負(fù)責(zé)平臺(tái)與井下傳感設(shè)備、自動(dòng)化子系統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制，根據(jù)各專業(yè)應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)煤流工藝、通風(fēng)流程、供電流程等集中控制及運(yùn)行優(yōu)化。安全生產(chǎn)調(diào)度指揮平臺(tái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)、應(yīng)急指揮、經(jīng)營(yíng)管理、決策分析、調(diào)度指令等業(yè)務(wù)管理，包括安全生產(chǎn)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井各安全生產(chǎn)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成與日常安全生產(chǎn)調(diào)度；應(yīng)急救援中心，具有平時(shí)演練與戰(zhàn)時(shí)救援功能，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害情況下的輔助應(yīng)急救援流程化管理[1]；決策支持中心，應(yīng)用安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為企業(yè)安全生產(chǎn)決策提供依據(jù)。

業(yè)務(wù)展示層：利用一站式門戶平臺(tái)技術(shù)集成各應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)登錄與個(gè)性化界面等功能，通過(guò)可視化引擎實(shí)現(xiàn)礦井作業(yè)環(huán)境、生產(chǎn)過(guò)程、經(jīng)營(yíng)管理的全方位、全視角的真實(shí)在線，滿足計(jì)算機(jī)終端、大屏幕顯示系統(tǒng)、移動(dòng)終端的應(yīng)用需求。

3.建設(shè)內(nèi)容

（1）構(gòu)建準(zhǔn)確可靠的互聯(lián)傳感與執(zhí)行控制層

根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境，結(jié)合設(shè)備及子系統(tǒng)的特性，選用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)可靠的傳感器與執(zhí)行器或?qū)ΜF(xiàn)有傳感器進(jìn)行改造升級(jí)，保證現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與生產(chǎn)工況感知的真實(shí)性及遠(yuǎn)程控制的可靠性。針對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾源與傳播方式制定相關(guān)抗干擾措施。同時(shí)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的自動(dòng)識(shí)別、傳感、定位、網(wǎng)絡(luò)等感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與執(zhí)行器之間的智能化識(shí)別接入[1]。

（2）建設(shè)高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路

地面通信網(wǎng)以礦井?dāng)?shù)據(jù)中心的核心機(jī)房為中心，通過(guò)光纜連接到各個(gè)建筑物的設(shè)備間，礦井骨干網(wǎng)采用控制環(huán)、視頻環(huán)的兩光纖環(huán)和調(diào)度語(yǔ)音通信一鏈路的“2環(huán)1鏈”模式，在井下與地面分別布置有線和無(wú)線接入點(diǎn),滿足不同監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全、可靠接入需求。同時(shí)調(diào)度控制網(wǎng)與辦公網(wǎng)之間采用網(wǎng)閘實(shí)現(xiàn)有條件的互連，既滿足管理層掌握礦井實(shí)時(shí)生產(chǎn)安全信息的需求，又防止外網(wǎng)對(duì)控制網(wǎng)的攻擊及計(jì)算機(jī)病毒的傳播，保證控制網(wǎng)的安全。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

（3）建設(shè)綜合管控平臺(tái)

建議基于生產(chǎn)作業(yè)工藝流程和生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化的協(xié)同控制平臺(tái)，改變現(xiàn)有單機(jī)控制模式，銜接好關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)的邏輯及閉鎖控制，同時(shí)配以遠(yuǎn)程圖像與視頻智能診斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤流工藝、通風(fēng)流程、供電流程等的集中監(jiān)測(cè)、優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整上下游系統(tǒng)間能力匹配和啟停順序，達(dá)到“有人巡視、無(wú)人值守”，節(jié)約了能源進(jìn)而保證生產(chǎn)過(guò)程安全高效[5]。

（4）實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線故障診斷及危險(xiǎn)源識(shí)別、災(zāi)害預(yù)報(bào)警

內(nèi)部資本市場(chǎng)是在二十世紀(jì)六十年代后出現(xiàn)的一個(gè)新興的學(xué)術(shù)名詞，在美國(guó)第三次并購(gòu)浪潮下一批大企業(yè)、大集團(tuán)橫空出世，企業(yè)內(nèi)部資本市場(chǎng)的產(chǎn)生就是由于這些集團(tuán)是企業(yè)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的。

采用設(shè)備故障在線檢測(cè)技術(shù)、點(diǎn)檢管理技術(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備運(yùn)行完好性的動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)，及時(shí)提醒管理人員處理設(shè)備潛在故障，防止設(shè)備帶病運(yùn)行，為設(shè)備維修管理提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)煤礦大型機(jī)電設(shè)備的科學(xué)化、規(guī)范化、系統(tǒng)化管理；應(yīng)用多源數(shù)據(jù)的災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，針對(duì)礦山海量異構(gòu)數(shù)據(jù)與多源復(fù)雜性，建立火災(zāi)、水災(zāi)、瓦斯突出等典型災(zāi)害評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性進(jìn)行分級(jí)預(yù)警評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害有效預(yù)防與監(jiān)管。

（5）三維礦山可視化的建設(shè)

應(yīng)用礦山空間實(shí)體的優(yōu)化管理與建模方法，通過(guò)可視化引擎與模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山固有信息如地面廣場(chǎng)、井下巷道、機(jī)電設(shè)備與安全生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)信息的模擬示意、二三維一體聯(lián)動(dòng)展示，提高監(jiān)測(cè)效率，縮短認(rèn)知與決策時(shí)間，實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件下的真實(shí)場(chǎng)景、真實(shí)數(shù)據(jù)和災(zāi)情全方位再現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)可視化的空間分析模型，包括水淹沒(méi)分析、火災(zāi)模擬、通風(fēng)仿真等。

（6）安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)決策分析模塊的構(gòu)建

在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)之上，抽取集團(tuán)公司已建設(shè)的人力資源、企業(yè)資產(chǎn)、物資管理、運(yùn)銷管理等經(jīng)營(yíng)管理數(shù)據(jù)，綜合應(yīng)用安全生產(chǎn)過(guò)程管理數(shù)據(jù)，通過(guò)清洗、過(guò)濾、關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)融合與綜合分析，實(shí)現(xiàn)了諸如區(qū)域環(huán)境評(píng)估、多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、安全等級(jí)評(píng)價(jià)、KPI指標(biāo)等決策分析主題，為企業(yè)安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供決策依據(jù)[4]。

4.關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

（1）一站式門戶技術(shù)

利用門戶技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井信息化平臺(tái)的單一認(rèn)證通道，實(shí)現(xiàn)用戶、權(quán)限、資源的統(tǒng)一管理與認(rèn)證，借助Portal與OAuth2.0認(rèn)證技術(shù)實(shí)現(xiàn)一站式信息、應(yīng)用集成、模塊化業(yè)務(wù)展示、單點(diǎn)登錄以及個(gè)性化工作界面等功能，滿足多級(jí)、多角色應(yīng)用需求。對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)日常安全生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)等業(yè)務(wù)應(yīng)用，對(duì)外實(shí)現(xiàn)通知公告、會(huì)議紀(jì)要等信息發(fā)布。

采用云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建過(guò)程管控和經(jīng)營(yíng)管理兩個(gè)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心。采用云計(jì)算，有效地整合安全生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)管理網(wǎng)內(nèi)各獨(dú)立資源，構(gòu)建了面向全網(wǎng)的業(yè)務(wù)的部署和資源的調(diào)度，更高效地利用存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性 (容災(zāi)備份)在私有云環(huán)境下的遷移，形成低能耗綠色可靠的數(shù)據(jù)中心。

（3）礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

煤礦物聯(lián)網(wǎng)涉及掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、液壓泵站、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、提升機(jī)、電機(jī)車、膠輪車、通風(fēng)機(jī)、水泵、壓風(fēng)機(jī)、移動(dòng)變電站、電氣開(kāi)關(guān)、變壓器、監(jiān)控、通信等大量的機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、使用、維護(hù)等全過(guò)程的監(jiān)管。建設(shè)感知礦山信息集成交換平臺(tái)，將安全生產(chǎn)、人員、設(shè)備、管理信息等復(fù)雜異構(gòu)信息在一個(gè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)存儲(chǔ)，建立設(shè)備之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了多傳感器信息、多系統(tǒng)之間在時(shí)間與空間上的識(shí)別、接入與聯(lián)動(dòng)。

（4）信息綜合分析與決策

將煤礦企業(yè)中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的整合，分析相關(guān)聯(lián)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的環(huán)境參數(shù)、安全隱患、作業(yè)情況、人員分布、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況等多個(gè)方面數(shù)據(jù)，支持構(gòu)成、趨勢(shì)、對(duì)比、環(huán)比、預(yù)算、預(yù)警等分析方法，以表格、圖形、儀表、智能報(bào)告等展現(xiàn)安全生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)相關(guān)的有用信息，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的決策過(guò)程提供服務(wù)[5]。

（5）智能移動(dòng)技術(shù)

將移動(dòng)通信技術(shù)、移動(dòng)智能終端應(yīng)用技術(shù)與原有信息化系統(tǒng)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)及平板電腦上的移動(dòng)設(shè)備管理(MDM)、移動(dòng)應(yīng)用管理(MAM)和移動(dòng)內(nèi)容管理(MCM)，有效地解決了礦井移動(dòng)智能終端的安全、應(yīng)用管理、統(tǒng)一配置、文檔分發(fā)等問(wèn)題。通過(guò)調(diào)用移動(dòng)監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)服務(wù),提供了安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、安全隱患、預(yù)警報(bào)警、視頻監(jiān)控、報(bào)表管理、人員定位與調(diào)度、通知與學(xué)習(xí)等業(yè)務(wù)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井”安、產(chǎn)、運(yùn)、銷”等各環(huán)節(jié)信息的實(shí)時(shí)掌握。

5.總結(jié)

數(shù)字化礦山建設(shè)，有效實(shí)現(xiàn)了礦井全面感知、智能識(shí)別，應(yīng)用空間三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程全方位集中監(jiān)視與綜合調(diào)度，構(gòu)建綜合管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)系統(tǒng)的過(guò)程優(yōu)化與聯(lián)動(dòng)控制[6]，集成經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)指標(biāo)全面分析與過(guò)程管控，為礦井精細(xì)化管理提供了支撐，同時(shí)促進(jìn)本安型礦井的建設(shè)，在提高安全生產(chǎn)管理水平、保障職工人身安全的前提下最終達(dá)到監(jiān)、管、控一體化，為實(shí)現(xiàn)減人提效、安全管理、災(zāi)害預(yù)防與礦山建設(shè)具有重大的意義[7]。

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科研院所項(xiàng)目（14GY001-01）。

韓安（1982－），男，陜西涇陽(yáng)人，天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，長(zhǎng)期從事煤炭企業(yè)集團(tuán)信息化產(chǎn)品研發(fā)及推廣工作。