基于“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧露天煤礦建設發(fā)展新構想

付恩三 劉光偉 王新會 姜 琳 邸 帥

(1.應急管理部信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029；2.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧省阜新市，123000)

隨著我國露天煤礦事業(yè)的不斷發(fā)展，露天煤炭產(chǎn)量逐漸增加。2018年，我國露天煤炭產(chǎn)量約占全國煤炭產(chǎn)量的20%左右，露天礦山開采也從粗放型向機械化方向發(fā)展，間斷工藝、半連續(xù)工藝、連續(xù)工藝以及綜合工藝相繼投入使用，豐富了我國露天礦山開采技術。近年來，露天礦山開采從單一的開采模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅仄髽I(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、充分利用資源、不斷延伸產(chǎn)業(yè)鏈條、構建循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展模式，建設新型的現(xiàn)代化露天礦山企業(yè)成為現(xiàn)階段露天礦建設的主導思想。隨著“兩化融合”的逐步推進，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術的快速發(fā)展，將高新科技與傳統(tǒng)的露天礦山開采相融合，實現(xiàn)露天煤礦產(chǎn)業(yè)升級，在新型現(xiàn)代化露天礦山的基礎上構建智慧露天礦山成為趨勢[1-5]。

我國露天煤礦發(fā)展先后經(jīng)歷了機械化、自動化、數(shù)字化等階段，當前正逐步由數(shù)字化走向智慧化。由于露天煤礦開采與井工煤礦開采的差異性，使得智能化露天煤礦建設具有獨特性。露天煤礦受自然氣候影響明顯，季節(jié)性剝采排工程交替進行，主要涉及采掘、運輸、排土、爆破、疏干、復墾等多個復雜的系統(tǒng)工程，每一個系統(tǒng)都猶如人體器官，相互協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，支撐著露天礦山安全平穩(wěn)發(fā)展。近年來，我國露天礦山世界先進設備逐漸投入使用，但受限于礦山安全管理、科技創(chuàng)新和人才儲備等因素的制約，以及對當前露天礦山信息化、自動化、智能化投入力度不夠，造成我國露天礦山信息化建設工作相對滯后，露天煤礦總體信息化程度還需進一步提高。如何將生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)和信息有效關聯(lián)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程監(jiān)控、安全風險防控、生態(tài)環(huán)保管控，構建智慧露天礦山的“智慧大腦”，全方位動態(tài)支配露天礦山各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，成為構建智慧露天礦山的主要核心。

圖1 “互聯(lián)網(wǎng)+”露天煤礦總體架構

國內(nèi)學者對我國智慧礦山(煤炭行業(yè)、金屬礦山、非金屬礦山領域)的建設開展了一系列研究工作，中國工程院院士王國法[6]對我國井工煤礦構建智慧礦山的目標進行了研究，給出了構建智慧礦山的建設內(nèi)容；陳曉晶、何敏等人對智慧礦山的構建體系和架構進行了研究；國內(nèi)涌現(xiàn)出一批構建了智慧礦山系統(tǒng)的企業(yè)，但并沒有形成統(tǒng)一的智慧礦山建設思路和統(tǒng)一的規(guī)范體系[7-10]。智慧礦山建設是采礦發(fā)展的高級階段，是推動煤炭安全、高效、環(huán)保開發(fā)的新手段，其最終目標是實現(xiàn)煤炭綠色開采、災害風險預警評判、多維數(shù)據(jù)綜合分析，打造智慧無人礦山生產(chǎn)模式[11-15]。

本文主要從基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧露天煤礦為出發(fā)點，構建具有深度學習能力的數(shù)字化智能體的露天煤礦，形成礦山感知、互聯(lián)、分析、自學習、預測、決策、控制的完整智能系統(tǒng)，實現(xiàn)露天礦山開采無人化、風險管控智能化、綠色開采一體化的智慧露天礦山。

1 “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧露天礦山總體架構

“互聯(lián)網(wǎng)+”露天煤礦總體架構采用“5+4”模式，即5個層級4個體系，如圖1所示。5個層級分別為應用層、支撐層、算法層、數(shù)據(jù)治理層和數(shù)據(jù)層；4個體系分別為標準規(guī)范體系、安全保障體系、決策支持體系和運維保障體系。

其中，系統(tǒng)應用層主要包括：違章行為智能識別系統(tǒng)、多源數(shù)據(jù)融合的風險預警與防控系統(tǒng)、無人機測量系統(tǒng)、智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)。

“互聯(lián)網(wǎng)+”露天煤礦云可實現(xiàn)各系統(tǒng)平臺之間的信息互聯(lián)互通，實時動態(tài)對云平臺下屬露天煤礦整體風險進行綜合評估，指揮調(diào)度露天礦山開采?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”露天煤礦云情景邏輯如圖2所示。

圖2 “互聯(lián)網(wǎng)+”露天煤礦云情景邏輯

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧露天礦山系統(tǒng)建設

2.1 無人機測量系統(tǒng)

隨著測繪技術的進步，礦山測量的方法也在逐步優(yōu)化，方法越來越多，精度也越來越高，如今礦山測繪采用最多的是全站儀以及GPS-RTK動態(tài)測量技術，這種技術具有集成、自動化程度高的特點，在一定程度上提高了礦山測繪的精度和效率，但由于傳統(tǒng)測繪均是采用單點接觸式測量，數(shù)據(jù)采集需人工徒步進行，導致測量作業(yè)效率低；對于復雜地帶的關鍵特征點，采集難度大、采集人員安全隱患大；成圖誤差大，進度慢，增大勞動強度的同時，降低了工作效率，無法真實準確反映露天礦山開采狀態(tài)，無法滿足礦山精細化開采的目標。

隨著無人機技術的發(fā)展，將無人機應用在露天礦山測量中來，成為新的露天礦山測量模式。無人機航測通常低空飛行，空域申請便利，對起降場地的要求限制較小，具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短、可在惡劣條件下工作等特點，利用簡單條件就可以低空飛行，獲取影像數(shù)據(jù)。目前無人機已經(jīng)具備影像獲取、影像處理、影像生成等一套完整的航飛體系，能夠在很短時間達到多個地點，滿足各類應急測繪和精準測繪需求。無人機系統(tǒng)成像整體流程如圖3所示。

圖3 無人機成圖流程

露天礦山無人機利用技術的應用，將大幅度減少測量作業(yè)人員數(shù)量和工作量，提高礦山測量精度，實現(xiàn)礦山減人增效，為實現(xiàn)無人化礦山開采提供基礎。無人機測量技術已在國內(nèi)某露天礦進行測量應用。成像效果如圖4所示。

圖4 無人機成像效果

2.2 智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)

由于露天煤礦開采工藝的特殊性，露天礦山智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)，需考慮礦山開采條件和采運排生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)環(huán)節(jié)，從時空上準確高效定位設備，充分發(fā)揮露天礦山自動化、智能化、信息化水平，實現(xiàn)露天礦山開采由勞動密集型向具有高科技特點的技術密集型轉(zhuǎn)變。

露天礦山智能調(diào)度及物料流開采系統(tǒng)充分利用智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云計算等技術作為支撐，優(yōu)化配礦算法、GPS衛(wèi)星定位、無線通信、智能調(diào)度算法、三維激光雷達卡車裝載方量監(jiān)測，主要從穿孔、爆破、采掘、運輸、排土入手，通過對礦山巖性識別，實時調(diào)度定位采運排系統(tǒng)設備，對設備單位工程作業(yè)實時把控，抽取設備傳感信息數(shù)據(jù)，結合優(yōu)化礦山開采運輸線路、三維地質(zhì)模型信息，實時優(yōu)化礦山開采進度計劃，精準調(diào)度設備，優(yōu)化運輸路徑，智能配礦配采，實現(xiàn)礦山開采成本控制、能耗控制、系統(tǒng)風險控制。露天礦山精準開采系統(tǒng)將各開采工藝環(huán)節(jié)有機結合，相互關聯(lián)，綜合分析調(diào)配，實現(xiàn)礦山精準開采。露天礦智能調(diào)度及物料流規(guī)劃開采系統(tǒng)各環(huán)節(jié)邏輯架構如圖5所示。

圖5 智能調(diào)度及物料流規(guī)劃邏輯架構

2.3 違章行為智能視頻識別系統(tǒng)

露天礦山開采是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及的系統(tǒng)繁多、工藝復雜，人機交互作業(yè)，且各環(huán)節(jié)作業(yè)場所關聯(lián)度高。我國露天煤礦基本實現(xiàn)在露天礦場、機修車間、調(diào)度室部署了高清攝像頭，采集記錄人員和設備的作業(yè)行為，但沒有實現(xiàn)對違章行為視頻圖像的智能識別和結構化處理功能；造成視頻監(jiān)視系統(tǒng)需要存儲空間大、違章行為的識別完全依靠管理人員事后人工識別，調(diào)閱視頻信息量大，過程繁瑣，識別周期長，違章行為識別準確率低；同時，違章行為不能實時識別，報警處置信息聯(lián)動不及時。針對上述問題，應用當前大數(shù)據(jù)、邊緣計算等手段，構建露天礦違章視頻智能識別系統(tǒng)，實現(xiàn)對露天礦山違章行為智能識別管控。露天煤礦智能視頻識別系統(tǒng)流程如圖6所示。露天煤礦違章行為視頻智能識別技術，采用對圖片流、視頻流的計算機視覺算法，實現(xiàn)對露天礦山人員違章行為的自動抓拍以及違章信息的自動提取。主要可實現(xiàn)對露天礦山駕駛人員接打電話、抽煙、駕駛室超員、未帶安全帽、調(diào)度室人員脫崗、區(qū)域入侵等行為的智能識別。

為實現(xiàn)對全國露天煤礦各類違章視頻行為的分析與研究，通過搭建露天礦山違章視頻分析云平臺，實現(xiàn)對煤礦各類違章視頻信息云上分析、云上存儲、云上調(diào)閱，為煤礦提供云上智能視頻識別服務，如圖7所示。通過“互聯(lián)網(wǎng)+VPN”的方式，實現(xiàn)煤礦視頻傳輸，逐步優(yōu)化云上識別數(shù)據(jù)算法，為露天煤礦提供高效可用的視頻數(shù)據(jù)行為識別功能。

圖6 違章視頻識別流程

圖7 露天煤礦云上違章行為平臺

2.4 多源數(shù)據(jù)融合預警防控系統(tǒng)

目前我國露天煤礦數(shù)據(jù)僅僅停留在統(tǒng)計和查詢層面，缺乏深層次挖掘，安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用不足，通過接入露天煤礦多源數(shù)據(jù)(傳感器數(shù)據(jù)、歷史事故數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù))，建立煤礦安全風險預警防控體系，構建一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的煤礦綜合風險預警分析模型，對煤礦海量安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析研判，找出事故發(fā)生的區(qū)域性、季節(jié)性、周期性、關聯(lián)性等規(guī)律特征，實現(xiàn)對露天煤礦精準管控、精準生產(chǎn)、精準施策提供科學決策的需要。

多源數(shù)據(jù)融合的風險預警與防控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)融合平臺，可提供數(shù)據(jù)處理分析模型中所需的企業(yè)相關數(shù)據(jù)平臺，能夠根據(jù)標準規(guī)范進行抽取、清洗、轉(zhuǎn)換，最后形成數(shù)據(jù)處理分析模型數(shù)據(jù)庫，形成一套數(shù)據(jù)清洗整理體系，前期數(shù)據(jù)通過采集、清洗、反饋、修改、再次采集數(shù)據(jù)循環(huán)，逐步提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。

將煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行云平臺接收、選擇、存儲，不斷優(yōu)化露天煤礦風險預警指標，應用貝葉斯、主成分分析法、基于博弈—可拓理論、BP神經(jīng)網(wǎng)絡等數(shù)據(jù)算法，進行預警分析模型的構建。利用深度學習不斷優(yōu)化預警分析模型，利用知識圖譜，分析各類指標關聯(lián)性，實現(xiàn)對煤礦整體風險綜合研判。同時，根據(jù)風險信息情況，構建預警專家處置庫以及預警物資管理庫，實現(xiàn)露天煤礦實時動態(tài)風險預警研判，預警處置信息綜合調(diào)度。多源數(shù)據(jù)融合的風險預警與防控系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 風險預警與防控系統(tǒng)流程

3 結論

(1)人工智能、大數(shù)據(jù)、云存儲等技術的發(fā)展，為智慧露天礦山建設提供了專業(yè)的技術支撐?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧露天煤礦建設發(fā)展目標是實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)、高效開采、風險管控、排查隱患。通過構建多源數(shù)據(jù)融合平臺，根據(jù)標準規(guī)范進行各類數(shù)據(jù)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換，融合礦山設備、生產(chǎn)、視頻等信息，可實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)云平臺匯總及信息共享。

(2)通過構建無人機測量系統(tǒng)、智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)、違章行為智能識別系統(tǒng)以及多源數(shù)據(jù)融合預警防控系統(tǒng)，從人、機、環(huán)、管4個方面利用大數(shù)據(jù)、云計算等手段，對露天煤礦各開采環(huán)節(jié)進行協(xié)同，實時對露天礦山風險進行動態(tài)評估。可實現(xiàn)對露天礦山各生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲、數(shù)據(jù)共享、風險知悉，并且能打破現(xiàn)有露天礦山傳輸壁壘，提高露天礦山業(yè)務系統(tǒng)融合度，實現(xiàn)露天礦山安全、高效生產(chǎn)。

(3)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧露天煤礦的建設，為我國金屬礦山、非金屬礦山構建智慧礦山提供了重要借鑒。