智慧礦山系統(tǒng)工程與關(guān)鍵技術(shù)探討

黨文龍

摘 要：目前，作用于傳統(tǒng)采礦業(yè)的因素分別有自動(dòng)化技術(shù)、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化等。人力礦山、機(jī)械礦山逐漸演變?yōu)閿?shù)字礦山、信息礦山，并慢慢向著綠色礦山、智慧礦山、智能礦山、感知礦山。“智慧地球”思維這個(gè)信息正影響著各行各業(yè)，采礦業(yè)已經(jīng)邁向自動(dòng)化開(kāi)采和無(wú)人開(kāi)采。針對(duì)礦山企業(yè)生產(chǎn)，本文寫(xiě)作目的在于構(gòu)建智慧礦山理論框架和方法體系，為本行業(yè)智慧礦山工程的開(kāi)展提供參考。

關(guān)鍵詞：智慧礦山概念;物聯(lián)網(wǎng);發(fā)展趨勢(shì);技術(shù)探討

智慧礦山是一個(gè)新興的、發(fā)展中的概念，是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)。從2O1O年起智慧礦山概念就從發(fā)達(dá)國(guó)家傳入國(guó)內(nèi)，一經(jīng)傳入，既在我國(guó)礦業(yè)屆引起了極大震動(dòng)，許多礦山、設(shè)備研發(fā)制造廠家和科研單位、大學(xué)紛紛推出了自己對(duì)智慧礦山的理解。多省明確將建設(shè)智慧礦山定為基本省策。由于地質(zhì)采礦條件復(fù)雜、生產(chǎn)體系龐大、采掘環(huán)境多變等特點(diǎn)，本文在說(shuō)明國(guó)內(nèi)外礦山信息化建設(shè)現(xiàn)狀的根本上，還討論了智慧礦山的定義及特征、關(guān)鍵技術(shù)和研究意義。

1 礦山信息化建設(shè)

要處理好礦山企業(yè)需面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題矛頭必須指向在原有的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)期間局部、簡(jiǎn)單的信息化系統(tǒng)構(gòu)架，伴隨著采礦科學(xué)、信息科學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)和3s技術(shù)的發(fā)展，礦山行業(yè)逐步引入了遙控采礦、礦山數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)、數(shù)字礦山、礦山物聯(lián)網(wǎng)、智能采礦、感知礦山、智慧礦山等相關(guān)概念?，F(xiàn)階段，智慧化時(shí)代正充溢著礦山行業(yè)。

2 智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)

2.1 泛在網(wǎng)絡(luò)

《規(guī)范》中對(duì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的描述是：“應(yīng)采用高速、寬帶的工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、透地通信設(shè)備……在正常時(shí)期，應(yīng)保證礦山所有信息……的準(zhǔn)時(shí)、可靠、安全傳輸;在災(zāi)變時(shí)期，網(wǎng)絡(luò)鏈路應(yīng)滿(mǎn)足K-2（網(wǎng)絡(luò)中的K條線路任何2條出故障）可靠傳輸，井巷鏈路應(yīng)滿(mǎn)足N-1（網(wǎng)絡(luò)中的N條巷道任何1條不通）可靠傳輸……”在礦井自動(dòng)化階段，普遍采用的是有線網(wǎng)絡(luò)為骨干，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線作為分支和輔助，通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入到有線網(wǎng)中。

2.2智能感知

在礦井自動(dòng)化階段，傳感器、執(zhí)行器等只能被某個(gè)子系統(tǒng)單獨(dú)使用，難以按實(shí)際需要構(gòu)建靈活實(shí)用的邏輯系統(tǒng);不能直接接入主干網(wǎng)絡(luò)，必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器接入;沒(méi)有采用集成傳感器，一個(gè)傳感器只能采集一種物理量;沒(méi)有進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化分布式測(cè)量，缺乏傳感層面的信息融合。智慧礦山通過(guò)泛在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)實(shí)現(xiàn)泛在的感知、智能感知和就地決策控制。傳感器和執(zhí)行器可以不通過(guò)子系統(tǒng)的控制器，而是以有線或者無(wú)線的方式直接接入泛在網(wǎng)，這樣可根據(jù)應(yīng)用需求組成邏輯上的應(yīng)用系統(tǒng)，并為服務(wù)與數(shù)據(jù)協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)元素的解耦提供了可能。應(yīng)研究泛在傳感感知與機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合，由單一目標(biāo)監(jiān)測(cè)向多維度感知發(fā)展;過(guò)程數(shù)據(jù)處理方法由傳統(tǒng)的預(yù)置處理流程向事件關(guān)聯(lián)智能分析、自主決策轉(zhuǎn)變;監(jiān)控由井下分散采集、井上集中處理反饋向現(xiàn)場(chǎng)就地分析、決策、執(zhí)行轉(zhuǎn)變。應(yīng)研究霧計(jì)算、邊緣計(jì)算在智慧礦山的應(yīng)用。霧計(jì)算的處理能力放在包括IoT設(shè)備的LAN里，和云計(jì)算相比延遲更短，更適合需要現(xiàn)場(chǎng)就地分析、決策、執(zhí)行的場(chǎng)合，也可以實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制和子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)級(jí)計(jì)算與協(xié)調(diào)。邊緣計(jì)算進(jìn)一步推進(jìn)了霧計(jì)算的LAN內(nèi)的處理能力，處理能力更靠近數(shù)據(jù)源，通過(guò)把傳感器連接到PAC（可編程自動(dòng)控制器）上，使控制和通信的把握成為可能。應(yīng)研究智能、可靠、具備礦井環(huán)境能量捕獲的新一代無(wú)線傳感器。智能是指?jìng)鞲衅骺梢詣?dòng)態(tài)注冊(cè)、自動(dòng)分配地址、即插即用，可就地決策控制;可靠是指抗電磁干擾、防中毒、無(wú)零點(diǎn)漂移、免標(biāo)校;能量捕獲是指利用通風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)能、帶式輸送機(jī)等產(chǎn)生的動(dòng)能等為傳感器節(jié)點(diǎn)充電。應(yīng)推廣OPCUA（OPC統(tǒng)一架構(gòu)）的應(yīng)用。在礦井自動(dòng)化階段，各子系統(tǒng)都采用OPC的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。作為新一代數(shù)據(jù)交換技術(shù)，OPCUA可實(shí)現(xiàn)底層IoT到ERP的全方位集成，保證通信不丟失數(shù)據(jù)，支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，生成統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型等優(yōu)點(diǎn)，為下一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘有天然的優(yōu)勢(shì)。

2.3 基于SOA架構(gòu)DDS規(guī)范的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)

數(shù)據(jù)不是為了存儲(chǔ)而存在的，只有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理的分析、重組、管理才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)真正的價(jià)值。在礦井自動(dòng)化階段，各個(gè)子系統(tǒng)都有各自的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。這些異構(gòu)源數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法集成一個(gè)統(tǒng)一接口，無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)據(jù)處理多樣化的要求，只能做本系統(tǒng)內(nèi)的信息檢索而不是數(shù)據(jù)挖掘。而數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)是數(shù)據(jù)挖掘的主要對(duì)象，數(shù)據(jù)挖掘是發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)價(jià)值的方法。通過(guò)數(shù)據(jù)清洗等操作形成數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，建立單獨(dú)的分析處理環(huán)境，為下一步的大數(shù)據(jù)挖掘打好基礎(chǔ)?！兑?guī)范》中明確規(guī)定了應(yīng)建設(shè)“基于SOA構(gòu)架、OPC規(guī)范和DDS規(guī)范”的礦山數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，并至少包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)在內(nèi)的地形地貌數(shù)據(jù)庫(kù)、地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)庫(kù)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)庫(kù)等主題數(shù)據(jù)庫(kù)。面向服務(wù)的架構(gòu)SOA是一種通過(guò)服務(wù)整合來(lái)解決系統(tǒng)集成的一種思想。其實(shí)現(xiàn)的常見(jiàn)方式是企業(yè)服務(wù)總線ESB;而數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS是專(zhuān)門(mén)面向分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的服務(wù)，能很好滿(mǎn)足智慧礦山大規(guī)模、分散控制和動(dòng)態(tài)改變的要求，不僅支持設(shè)備之間的數(shù)據(jù)分發(fā)和設(shè)備控制，還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備和云端的數(shù)據(jù)傳輸。因此，在實(shí)現(xiàn)了智能感知，傳感器和執(zhí)行器直接接入泛在網(wǎng)后，各個(gè)邏輯系統(tǒng)也可以不需要構(gòu)建各種上位的應(yīng)用系統(tǒng)，而是從底層出發(fā)，構(gòu)建出各種服務(wù)，應(yīng)用可以通過(guò)搭建服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是SOA的主要思想。因此，研究實(shí)現(xiàn)基于SOA構(gòu)架、OPC規(guī)范和DDS規(guī)范的礦山數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)是成功建設(shè)智慧礦山的又一關(guān)鍵技術(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

智慧礦山是基于數(shù)字礦山、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算而建立的現(xiàn)實(shí)礦山與數(shù)字礦山的融合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山的感知、控制和智能服務(wù)，新型礦山企業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展的必經(jīng)之路。企業(yè)的發(fā)展前景的快速之處就是要讓智慧礦山為礦山信息化建設(shè)取得便捷服務(wù)，使其對(duì)礦山的安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率以及和諧的發(fā)展起到推動(dòng)作用，如此才可為智慧地球供應(yīng)一份長(zhǎng)期的持續(xù)的穩(wěn)定的支持，完成綠色礦山、安全礦山、信息化礦山，促進(jìn)智慧礦山的快速成長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳立新，汪云甲，丁恩杰，等.三論數(shù)字礦山：借力物聯(lián)網(wǎng)保障礦山安全與智能采礦[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，37（3）：357—365.

[2]吳立新.數(shù)字地球、數(shù)字中國(guó)與數(shù)字礦區(qū)[J].礦山測(cè)量，2016（1）：6-9.

[3]吳立新，殷作如，鄧智毅，等.論21世紀(jì)的礦山：數(shù)字礦山[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，25（4）：337—342.

[4]周強(qiáng)，許世范，繼平.礦山數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，28（3）：280—284.