大型煤礦集團(tuán)管理智能化系統(tǒng)研究

劉銀志，趙廷釗，毛善君，原生芾，劉暉，王志杰

(1.河南能源化工集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450046；2.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院， 北京 100871；3.北京龍軟科技股份有限公司， 北京 100190)

0 引言

近年來，基于兼并重組的煤礦集團(tuán)化是我國煤炭工業(yè)發(fā)展的總體趨勢，智能化煤礦建設(shè)也已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略。目前在智能化煤礦建設(shè)過程中，主要關(guān)注設(shè)備及其控制的智能化及采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等專業(yè)數(shù)據(jù)的智能化分析，取得了豐碩的成果[1-4]。而管理智能化是智能化礦山建設(shè)的有機(jī)組成部分，對實現(xiàn)大型煤礦集團(tuán)多級架構(gòu)的信息共享、協(xié)同調(diào)度和集中管控具有重要意義[5-7]。

就大型煤礦集團(tuán)信息化管理而言，其在集成統(tǒng)一管理平臺方面已經(jīng)取得了顯著的階段性成果，但與智能化管理決策的需求還有不少距離[8-11]。具體而言，主要存在以下問題：① 管理平臺對異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理能力弱，系統(tǒng)的互操作更是困難。② 業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要是屬性數(shù)據(jù)的匯總、簡單分析和圖形展示，缺乏空間特征信息的動態(tài)融合。③ 系統(tǒng)建設(shè)缺乏知識庫和模型庫，無法對“人、機(jī)、環(huán)、管”進(jìn)行流程化智能分析。④ 缺乏基于業(yè)務(wù)流程、大數(shù)據(jù)分析的協(xié)同預(yù)警和聯(lián)動功能，預(yù)測預(yù)警和處置的時效性差。

在這種背景下，企業(yè)迫切需要建立一套統(tǒng)一的信息采集、數(shù)據(jù)分析、智能決策、綜合展示和業(yè)務(wù)協(xié)同調(diào)度的高度智能化管理信息系統(tǒng)，從而更加科學(xué)、高效地調(diào)度企業(yè)各種資源，指導(dǎo)安全生產(chǎn)經(jīng)營[12-14]。本研究的目標(biāo)是基于云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建以GIS為載體的安全生產(chǎn)智能管理平臺，建設(shè)從最末端的生產(chǎn)技術(shù)人員到公司管理決策層工作流程統(tǒng)一、高度集成的安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦企業(yè)各業(yè)務(wù)板塊的“大調(diào)度”協(xié)同指揮、集中監(jiān)管。

基于此，本文提出了構(gòu)建大型煤礦集團(tuán)管理智能化系統(tǒng)(以下簡稱管理智能化系統(tǒng))的4大關(guān)鍵技術(shù)和總體建設(shè)目標(biāo)，如圖1所示。關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和異構(gòu)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、平臺構(gòu)建及圖形自動處理技術(shù)、模型庫和知識庫構(gòu)建技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析和管控協(xié)同技術(shù)。通過這些技術(shù)實現(xiàn)大型煤礦集團(tuán)安全生產(chǎn)管理智能化軟件系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，服務(wù)于管理層面的智能煤礦建設(shè)，最終實現(xiàn)平臺標(biāo)準(zhǔn)化、時空一體化、分析智能化和管理協(xié)同化。

圖1 管理智能化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及目標(biāo)Fig.1 Key technologies and goals of intelligent management system

1 管理智能化系統(tǒng)整體框架

1.1 總體設(shè)計

管理智能化系統(tǒng)是一系列政策、機(jī)制、數(shù)據(jù)及其管理、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用和服務(wù)的總和，如圖2所示。系統(tǒng)大致分為數(shù)據(jù)架構(gòu)、服務(wù)架構(gòu)、平臺運(yùn)行環(huán)境3個部分。數(shù)據(jù)架構(gòu)即核心數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)實體,數(shù)據(jù)建庫管理的一系列技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等,核心數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；服務(wù)架構(gòu)作為數(shù)據(jù)實體之上的管理和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)或接口，包括數(shù)據(jù)瀏覽查詢展示和數(shù)據(jù)調(diào)用等服務(wù)，可直觀、準(zhǔn)確、動態(tài)地展示系統(tǒng)各個方面的信息，實現(xiàn)資源狀況的“一覽無余”，同時提供數(shù)據(jù)資源目錄服務(wù)(元數(shù)據(jù))、數(shù)據(jù)下載服務(wù)及空間數(shù)據(jù)快速瀏覽服務(wù)等；平臺運(yùn)行環(huán)境即數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施體系。

圖2 管理智能化系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of intelligent management system

1.2 開發(fā)架構(gòu)

管理智能化系統(tǒng)采用C/S+B/S混合架構(gòu)，其分層設(shè)計模式如圖3所示。其中支撐層是系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行分析的基礎(chǔ)，包括軟硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、掃描設(shè)備等，是系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境支撐；數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與輸入、輸出交換中心，包括與采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等煤礦生產(chǎn)技術(shù)、安全相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，存儲幾何圖形、地測、“一通三防”、機(jī)電、影像、設(shè)計、過程等數(shù)據(jù)；GIS平臺層通過空間數(shù)據(jù)引擎對數(shù)據(jù)層各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理和管理，將各類數(shù)據(jù)依據(jù)各自天然的共同空間特征進(jìn)行聚合管理，為上層應(yīng)用提供GIS數(shù)據(jù)管理和分析等支持；服務(wù)層將GIS平臺層的各類功能和模塊按照服務(wù)的模式進(jìn)行封裝，開放給外部使用；接口層通過功能模塊、不同服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，將系統(tǒng)提供的服務(wù)以SOAP(Simple Object Access Protocol,簡單對象訪問協(xié)議)，REST(Representational State Transfer,表示性狀態(tài)轉(zhuǎn)移)等常見的服務(wù)協(xié)議進(jìn)行封裝，從而提供標(biāo)準(zhǔn)的GIS、業(yè)務(wù)功能服務(wù)接口；業(yè)務(wù)層包括整個系統(tǒng)結(jié)合煤礦具體業(yè)務(wù)需求提供的各類數(shù)據(jù)服務(wù)、專業(yè)功能及分析模塊。

圖3 管理智能化系統(tǒng)分層架構(gòu)Fig.3 Layered architecture of intelligent management system

2 管理智能化系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

管理智能化系統(tǒng)建設(shè)涉及的技術(shù)較多，本文主要對異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、模型庫和知識庫構(gòu)建、大數(shù)據(jù)分析和管控協(xié)同等進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 異構(gòu)數(shù)據(jù)處理

對于整合而成的大型煤礦集團(tuán)，其信息化進(jìn)程參與的廠家眾多，所開發(fā)的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式各異，呈現(xiàn)出復(fù)雜的異構(gòu)性，主要包括圖形數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和文檔數(shù)據(jù)三大類。其中圖形數(shù)據(jù)主要包括LongruanGIS平臺的lfmx格式文件、AutoCAD平臺的dwg格式文件；數(shù)據(jù)庫主要有Microsoft SQL Server，Oracle，Access等；文檔數(shù)據(jù)主要有Microsoft Office Word，Adobe Acrobat PDF等格式。面對復(fù)雜多樣、分散存儲的海量異構(gòu)大數(shù)據(jù)，現(xiàn)有大型煤礦集團(tuán)管理平臺存在對其處理能力弱、不同煤礦企業(yè)系統(tǒng)間互操作困難、缺乏有效的信息共享機(jī)制等問題。本文在充分研究信息共享需求和技術(shù)的基礎(chǔ)上[15-18]，根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享特點，設(shè)計并開發(fā)了基于元數(shù)據(jù)解決異構(gòu)數(shù)據(jù)共享的體系，如圖4所示。該體系為3層架構(gòu)：數(shù)據(jù)層建立煤礦企業(yè)專業(yè)應(yīng)用異構(gòu)系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)在Internet 環(huán)境下的高效傳輸和交換，確保復(fù)雜異構(gòu)數(shù)據(jù)的實時交換與共享；服務(wù)層構(gòu)建元數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)自動提取和交互式輸入元數(shù)據(jù)的存儲、管理和服務(wù)；應(yīng)用層為管理智能化系統(tǒng)相關(guān)功能模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，方便用戶對大型煤礦集團(tuán)之間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，確保數(shù)據(jù)的完整性、實時性和準(zhǔn)確性。

圖4 元數(shù)據(jù)共享體系Fig.4 Metadata sharing architecture

2.2 模型庫與知識庫構(gòu)建

針對當(dāng)前大型煤礦集團(tuán)管理平臺無法對“人、機(jī)、環(huán)、管”多源海量大數(shù)據(jù)進(jìn)行流程化智能分析的不足，管理智能化系統(tǒng)建立了基于機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘的模型庫和知識庫。模型庫主要包括支持向量機(jī)、邏輯回歸多分類、樸素貝葉斯、聚類、時間序列預(yù)測等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并針對煤礦專有業(yè)務(wù)需求構(gòu)建了相應(yīng)的應(yīng)用模型，包括煤與瓦斯突出預(yù)警模型、沖擊地壓預(yù)警模型、煤自然發(fā)火預(yù)警模型、水害預(yù)警模型、煤礦關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀況診斷模型、煤礦綜合風(fēng)險評估模型等。知識庫作為專家系統(tǒng)的核心，其知識來源主要包括各類煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程、現(xiàn)場專家知識經(jīng)驗等，對專家知識經(jīng)驗的形式化描述是智能化規(guī)則推理的基礎(chǔ)。大型煤礦集團(tuán)管理智能化體現(xiàn)在基于模型庫與知識庫的智能化推理，其流程如圖5所示。模型庫基于對大數(shù)據(jù)的智能化分析為推理機(jī)提供決策依據(jù)，知識庫基于專家知識和經(jīng)驗為推理機(jī)提供可行的操作規(guī)則，由此構(gòu)成的智能化專家系統(tǒng)是智能化管理的核心，實現(xiàn)了管理智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成、知識集成、模型集成、安全狀況評估和安全問題推理解釋及動態(tài)診斷和快速決策，能夠?qū)γ旱V危險源、業(yè)務(wù)流程等進(jìn)行24 h不間斷智能分析計算和智能化處置管理。

圖5 基于模型庫與知識庫的大型煤礦集團(tuán)智能化管理流程Fig.5 Intelligent management process of large coal group based on model base and knowledge base

模型庫與知識庫的構(gòu)建使得管理智能化系統(tǒng)可以在不用完全清楚機(jī)理和因果關(guān)系的情況下，對大量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，分析各類數(shù)據(jù)間的非因果或未知規(guī)律，實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵、壓風(fēng)機(jī)、移動變電站等大型設(shè)備運(yùn)行情況的智能化動態(tài)實時診斷。例如，煤礦每月必須對主備通風(fēng)機(jī)進(jìn)行1次切換、檢查，管理智能化系統(tǒng)獲取主備通風(fēng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)，通過分析電壓、電流、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵指標(biāo)，若未發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)特征信號，則報警提示；對主副井提升系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行定期檢查，管理智能化系統(tǒng)獲取主副井提升系統(tǒng)速度、相對位置等參數(shù)，若通過分析未發(fā)現(xiàn)提升系統(tǒng)特征信號，則報警提示；安全監(jiān)控設(shè)備必須定期調(diào)校、測試，管理智能化系統(tǒng)若未檢測到瓦斯傳感器調(diào)校特征信號，則報警提示。

管理智能化系統(tǒng)采用基于云平臺的模型庫服務(wù)化設(shè)計，且計算資源可自動分配。服務(wù)化設(shè)計方式使得模型庫具有統(tǒng)一的接口，易于擴(kuò)展，計算模型可與前端GIS“一張圖”動態(tài)關(guān)聯(lián)，在模型調(diào)用過程中可通過前端動態(tài)配置參數(shù)，極大提高了模型庫的計算效率和計算資源的智能化管理水平。管理智能化系統(tǒng)通過模型庫與知識庫，基于時空數(shù)據(jù)，構(gòu)建了煤礦安全生產(chǎn)管理模型，規(guī)范了風(fēng)險管控流程，實現(xiàn)了集團(tuán)及煤礦各專業(yè)日常管理的自動化、智能化，提升了礦井原有安全監(jiān)控、人員定位、綜合自動化等獨立子系統(tǒng)的功能。

2.3 大數(shù)據(jù)分析和管控協(xié)同

考慮到目前大型煤礦集團(tuán)管理平臺缺乏基于業(yè)務(wù)流程與大數(shù)據(jù)分析的協(xié)同預(yù)警聯(lián)動功能，且預(yù)測預(yù)警和處置的時效性較差，為管理智能化系統(tǒng)設(shè)計了基于Internet技術(shù)的時空一體化信息共享架構(gòu)，如圖6所示。該架構(gòu)包括數(shù)據(jù)感知層、過程控制與數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)整合與執(zhí)行層，具有跨業(yè)務(wù)聯(lián)動、超限值聯(lián)動、監(jiān)測監(jiān)控聯(lián)動、生產(chǎn)過程聯(lián)動、聯(lián)動巡檢等模型，實現(xiàn)了包括移動端在內(nèi)的煤礦安全生產(chǎn)智能聯(lián)動管理，基于“一個庫”的數(shù)據(jù)整合交匯，基于“一張圖”的安全監(jiān)測、高精度定位、避災(zāi)路線、語音播報等子系統(tǒng)的高度融合。管理智能化系統(tǒng)可根據(jù)聯(lián)動條件，自動對各子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動反饋、控制，也可以人為進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動干預(yù)，打破了子系統(tǒng)或業(yè)務(wù)流程之間的壁壘，實現(xiàn)了關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)同，提高了智能化管理水平。

圖6 管理智能化系統(tǒng)時空一體化信息共享架構(gòu)Fig.6 Architecture of spatiotemporally integrated information sharing for intelligent management system

管理智能化系統(tǒng)采用“版本-增量”時空數(shù)據(jù)模型、多專業(yè)分布式協(xié)同處理信息共享機(jī)制，確保各類過程要素的一致性、實時性和協(xié)同性，克服了大型煤礦集團(tuán)三級架構(gòu)圖形和屬性數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)聯(lián)、空間拓?fù)浜蛣討B(tài)更新難題，為智能分析提供了具有時空關(guān)系的數(shù)據(jù)源，解決了與時空數(shù)據(jù)密切相關(guān)的大型工業(yè)類安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)海量存儲、快速檢索、高并發(fā)訪問的問題，確保快速進(jìn)行空間數(shù)據(jù)綜合分析和應(yīng)用。

3 管理智能化系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

管理智能化系統(tǒng)已在河南能源化工集團(tuán)有限公司總部、二級公司和下屬礦井成功應(yīng)用，實現(xiàn)了集團(tuán)從上到下、礦井內(nèi)部各部門之間數(shù)據(jù)的動態(tài)傳輸，系統(tǒng)協(xié)同共享消除了人為誤差，提高了礦井、集團(tuán)決策的準(zhǔn)確性和可靠性。據(jù)統(tǒng)計，共提高管理崗位工效約20%，降低調(diào)度統(tǒng)計、監(jiān)測監(jiān)控崗位工作強(qiáng)度約35%，應(yīng)用效果良好。

系統(tǒng)主要功能如下。

(1) 綜合門戶單點登錄。采用單點登錄技術(shù)，通過用戶、資源、權(quán)限的統(tǒng)一管理，形成各系統(tǒng)之間的無縫結(jié)合，達(dá)到了統(tǒng)一管控協(xié)同的目的。

(2) 綜合監(jiān)測集成與大數(shù)據(jù)預(yù)(報)警。系統(tǒng)通過建立基于大數(shù)據(jù)智能分析的煤礦安全生產(chǎn)智能診斷、預(yù)警、趨勢分析模型，實現(xiàn)了對水、火、瓦斯等災(zāi)害和采掘、機(jī)電、運(yùn)輸、生產(chǎn)調(diào)度等安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的智能化分析與管理，能夠?qū)Σ煌L(fēng)險類型實現(xiàn)不同時間跨度與節(jié)點的風(fēng)險預(yù)(報)警智能分析?；诰C合監(jiān)測集成的系統(tǒng)協(xié)同預(yù)警聯(lián)動功能如圖7所示。甲烷傳感器發(fā)生故障，系統(tǒng)按設(shè)置的時間間隔自動給第一負(fù)責(zé)人發(fā)送短信，提示故障維修。若在規(guī)定的時間內(nèi)第一負(fù)責(zé)人沒有信息反饋，則通知第二負(fù)責(zé)人。以此類推，完成報警信息的協(xié)同聯(lián)動和閉環(huán)處理。

(a) 協(xié)同報警聯(lián)動功能

(b) 危險源處置聯(lián)動功能

(3) 工業(yè)視頻集成。系統(tǒng)可遠(yuǎn)程實時查看各礦井主要作業(yè)場所和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工業(yè)電視畫面，可通過圖像瀏覽、錄像點播、圖像解碼上墻等功能，靈活地展示實時場景信息。

(4) 綜合自動化集成。集成各礦井現(xiàn)有的排水、帶式輸送機(jī)、電力、主副井提升、主要通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)等子系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，以組態(tài)畫面展示各子系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等，基于綜合自動化模型庫、知識庫進(jìn)行故障診斷、分析、檢索、匹配、推理，并將生產(chǎn)預(yù)(報)警信息推送給相關(guān)管理人員，實現(xiàn)綜合集成的智能化管理。

4 結(jié)語

立足于智能化礦山發(fā)展現(xiàn)狀，基于大型煤礦集團(tuán)管理信息化存在的問題，構(gòu)建了全集團(tuán)一體化新型安全生產(chǎn)管理智能化系統(tǒng)，打破了原有的技術(shù)壁壘，替代了大量分散孤立的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，全面提高了大型煤礦集團(tuán)管理智能化水平與決策效率，為煤礦安全生產(chǎn)提供了先進(jìn)的信息化平臺，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景。