基于6S 的智慧化露天煤礦體系構(gòu)建

林 淋

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

隨著云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的積極引導(dǎo)與融合，為煤炭行業(yè)注入澎湃動(dòng)力的同時(shí)也為以創(chuàng)新、發(fā)展、智慧型為標(biāo)志型的露天煤礦轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來(lái)了新的契機(jī)。

大力加深煤炭行業(yè)智能化建設(shè)進(jìn)程，客觀上對(duì)構(gòu)建智慧化露天煤礦提出了越來(lái)越高的要求。智慧型露天煤礦是集采礦技術(shù)、信息處理、人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物，智慧化露天煤礦的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)安全、高效、生態(tài)、清潔、智能型露天礦山。智慧化露天煤礦是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，如果對(duì)其認(rèn)知不足，易引起露礦企業(yè)的盲目建設(shè)，不僅消耗大量的資源，還會(huì)導(dǎo)致智慧礦山建設(shè)的停滯不前。為此，基于“6S”理論明確了智慧化露天煤礦的建設(shè)重點(diǎn)與建設(shè)方向，并涵蓋其主要智能體系與技術(shù)要求。

1 6S 理論概述

6S 法源于20 世紀(jì)80 年代由國(guó)外引入的6S 管理發(fā)展理論[1]。該理論自被引入后應(yīng)用到了國(guó)內(nèi)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在質(zhì)量、服務(wù)、環(huán)境及生產(chǎn)效率等方面成效顯著。6S 理論以其簡(jiǎn)潔、凝練等特點(diǎn)被大多數(shù)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)所引用并發(fā)展，如馮夕文所著的《淺析6S 管理在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用》將6S 理論應(yīng)用在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并得出實(shí)施6S 現(xiàn)場(chǎng)管理后煤礦現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)所取得的效果；郭潤(rùn)澤所著的《煤炭企業(yè)6S 管理應(yīng)用的痛點(diǎn)與對(duì)策研究》是將6S 理論深入到煤炭企業(yè)的內(nèi)部管理，對(duì)組織機(jī)構(gòu)、人員職責(zé)、企業(yè)文化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析研究；楊志雄在《淺談6S 管理在神維分公司安全管理中的應(yīng)用》文章中構(gòu)建了6S安全管理應(yīng)用模型，以宏觀角度分析了該模型在安全管理中的實(shí)施過(guò)程、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)施效果。

以此可以看出6S 理論涉獵范圍廣，應(yīng)用靈活多樣，是一種行之有效的發(fā)展理論與管理方法。同時(shí)，也可以發(fā)現(xiàn)上述對(duì)6S 理論的應(yīng)用僅限于對(duì)管理方面的柔性應(yīng)用，但6S 理論有其更大發(fā)展空間，尤其在現(xiàn)今以構(gòu)建智慧化露天礦為核心的創(chuàng)新發(fā)展階段。6S 智慧化露天煤礦集透徹感知、深度互聯(lián)與智慧應(yīng)用于一體，以穩(wěn)固可靠（Stabilization）為基礎(chǔ)，以安全（Safety）為保障，以感知（Sensory）為途徑，以智能化體系（System）為支撐，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)科技理念，通過(guò)專業(yè)智慧化服務(wù)（Service）去構(gòu)建智慧生態(tài)型[2]（Smart－ecotype）露天煤礦，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的安全化、智慧化與綠色化開(kāi)采，構(gòu)建生態(tài)和諧、智慧高效、綠色可持續(xù)的露天開(kāi)采新模式，使資源與環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一、長(zhǎng)治發(fā)展。

2 基于6S 的智慧化露天礦體系構(gòu)建

2.1 穩(wěn) 固

穩(wěn)固可靠是智慧化露天煤礦發(fā)展的基礎(chǔ)。系統(tǒng)可靠性、數(shù)據(jù)可靠性、設(shè)備可靠性是智慧化露天煤礦所必須的三要素。智慧化系統(tǒng)的可靠性作為基礎(chǔ)，兼顧著為其他各種智能化的高效實(shí)現(xiàn)奠定穩(wěn)固的基石。

露天煤礦開(kāi)采系統(tǒng)可以劃分為包含地質(zhì)勘查、爆破、剝離、采掘、運(yùn)輸、排土、復(fù)墾等多個(gè)分系統(tǒng)，各系統(tǒng)涉及因素眾多且關(guān)聯(lián)機(jī)制復(fù)雜。眾多的分支綜合構(gòu)成了完整的露天開(kāi)采系統(tǒng)，而系統(tǒng)鏈接的任何一個(gè)環(huán)節(jié)如果出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)產(chǎn)生非常大的影響，所以露天礦系統(tǒng)的穩(wěn)固與可靠對(duì)于智慧礦山的高效運(yùn)行具有十分重要的意義。

由于設(shè)備、數(shù)據(jù)、傳感以及軟件系統(tǒng)之間的耦合性[3]導(dǎo)致了智慧型露天煤礦分系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)機(jī)制復(fù)雜。針對(duì)此問(wèn)題，露天礦綜合系統(tǒng)應(yīng)構(gòu)建穩(wěn)固工程，以保障露天礦綜合系統(tǒng)穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。穩(wěn)固工程主要包括系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性試驗(yàn)、穩(wěn)定性生產(chǎn)和智能化管理等方面。設(shè)計(jì)方案可以對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)固性進(jìn)行早期的預(yù)估，在初始階段尋找易引起穩(wěn)固性薄弱的環(huán)節(jié)，對(duì)其影響進(jìn)行危害性分析（FMECA）和故障樹(shù)分析（FTA）[4]；此外，對(duì)于露天煤礦綜合系統(tǒng)管理過(guò)程選擇適宜的管理體系，例如，建立質(zhì)量保證體系[5]、穩(wěn)固性工作計(jì)劃、制定可靠性標(biāo)準(zhǔn)等，從而保證綜合系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)可以有效控制并解決，避免因分系統(tǒng)的故障影響整個(gè)綜合系統(tǒng)的穩(wěn)固性。

保證數(shù)據(jù)可靠性要在露天煤礦智能化建設(shè)過(guò)程中，構(gòu)建數(shù)據(jù)全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)露天煤礦數(shù)據(jù)智慧化與生態(tài)化。以礦山數(shù)據(jù)庫(kù)為依據(jù)，制定數(shù)據(jù)核查與監(jiān)控機(jī)制，以數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)服務(wù)的模式使數(shù)據(jù)可以達(dá)到實(shí)時(shí)提供、實(shí)時(shí)管控的快捷數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

設(shè)備可靠性，需要以系統(tǒng)維護(hù)損失最小、總成本率最低以及總維修時(shí)間最少為優(yōu)化目標(biāo)[6]，智能識(shí)別生產(chǎn)狀態(tài)與設(shè)備狀態(tài)，自動(dòng)生成生產(chǎn)與維護(hù)的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)開(kāi)采系統(tǒng)決策方案，建立基于生產(chǎn)與維護(hù)相協(xié)調(diào)的雙層預(yù)知決策機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的壽命評(píng)估、故障預(yù)測(cè)及性能趨勢(shì)分析監(jiān)控等，完成對(duì)設(shè)備全生命周期故障發(fā)生規(guī)律及其預(yù)防、控制與修復(fù)，大幅提高設(shè)備的可靠性，降低企業(yè)運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智慧化的跨越發(fā)展，提升競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 安 全

高效安全開(kāi)采是露天煤礦遵循的第一準(zhǔn)則。智慧化露天煤礦安全管理有賴于對(duì)礦山各安全要素透徹、詳實(shí)、全面、細(xì)致地掌握。

露天開(kāi)采的安全受環(huán)境、技術(shù)裝備、人員以信管理水平等因素的綜合影響。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及其在露天煤礦的推廣滲入，使得智慧化露天煤礦得以在安全監(jiān)測(cè)、信息采集、傳輸方式等方面得到巨大提升。實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、全面采集，推動(dòng)形成了基于物聯(lián)網(wǎng)的露天礦山安全數(shù)據(jù)庫(kù)[7]，以此為基礎(chǔ)充分挖掘安全數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的規(guī)律加以有效利用，實(shí)現(xiàn)露天煤礦的安全預(yù)測(cè)預(yù)警雙重預(yù)防機(jī)制。

智慧露天煤礦安全預(yù)測(cè)預(yù)警雙重預(yù)防機(jī)制[8]將技術(shù)與預(yù)防機(jī)制有機(jī)融合，在露天煤礦個(gè)性化安全管理全面兼容的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)從風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)價(jià)、管控、排查、治理等全過(guò)程的智能化。

安全預(yù)測(cè)預(yù)警雙重預(yù)防機(jī)制必須確保每一個(gè)環(huán)節(jié)都得以有效落實(shí)，每一個(gè)易引危險(xiǎn)因素都需要得到有效控制，實(shí)現(xiàn)安全工作的閉環(huán)管控。智慧化安全閉環(huán)管控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從早期的隱患排查、生成對(duì)策、處理執(zhí)行、效果分析的全過(guò)程閉環(huán)管控，實(shí)時(shí)明確并完成各環(huán)節(jié)的責(zé)任，確保整個(gè)體系各項(xiàng)工作的高效率高質(zhì)量完成。

2.3 感 知

深度感知是智慧化露天煤礦的重要特點(diǎn)。深度感知以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算為核心，利用泛在感知[9]、信息傳輸處理技術(shù)，來(lái)解決實(shí)時(shí)異構(gòu)數(shù)據(jù)快速交換、多元數(shù)據(jù)快速接入、分布式協(xié)同處理及服務(wù)[10]等，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)露天礦的整體可視化、數(shù)字化與智慧化，使得露天礦物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)從感知到的應(yīng)用互聯(lián)互通與智慧化信息交互，這是未來(lái)露天礦智慧化建設(shè)與生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

智慧化露天煤礦感知建設(shè)的總體方案是將地質(zhì)勘查、剝采、運(yùn)輸、排土、爆破、復(fù)墾、管理、礦山安全以及綠色生態(tài)等環(huán)節(jié)的信息全部數(shù)字化，將傳感傳輸技術(shù)、信息處理加工、智能云計(jì)算、現(xiàn)代信息管理與控制技術(shù)等與現(xiàn)代露天采礦技術(shù)緊密融合，構(gòu)建露天礦山人與人、人與物、物與物相關(guān)聯(lián)的當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，詳盡形象地描述并控制露天礦的安全生產(chǎn)與動(dòng)態(tài)管理的全過(guò)程。

秉承感知建設(shè)總體規(guī)劃原則，將露天煤礦感知系統(tǒng)劃分為感知整合、感知拓展、感知提升3 個(gè)層次。3 個(gè)層次通過(guò)先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全面、直觀覆蓋；利用3DGIS[11]系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)露天礦的全息展示。感知整合主要是相關(guān)信息的集成與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集，是感知系統(tǒng)建設(shè)的核心與基石；感知拓展主要是集成信息的傳輸與延展；感知提升主要是與其他系統(tǒng)（例如ERP 系統(tǒng)）結(jié)合銜接進(jìn)而提升綜合系統(tǒng)的應(yīng)用范圍與能力。

露天煤礦感知系統(tǒng)以敏捷、高效、安全、兼容為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)露天煤礦的“4 個(gè)智慧化”，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)智慧化、開(kāi)采過(guò)程智慧化、管理控制智慧化、決策處理智慧化，以此構(gòu)建完善的露天煤礦感知系統(tǒng)。

2.4 體 系

露天煤礦智慧化體系是將新一代信息技術(shù)與露天煤炭開(kāi)采進(jìn)行深度融合，建立以數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)、智慧化賦能的多層次露天煤炭開(kāi)采模式。

體系架構(gòu)中的“頂層設(shè)計(jì)”[12]是構(gòu)造智慧化露天煤礦的關(guān)鍵核心。“頂層設(shè)計(jì)”是針對(duì)主體結(jié)構(gòu)和主要模式的設(shè)計(jì)。頂層設(shè)計(jì)是大局觀，是從宏觀維度對(duì)智慧化露天煤礦建設(shè)的全局性的把握。頂層設(shè)計(jì)不僅歸納了總體目標(biāo)還規(guī)范了各級(jí)模型與各層次功能，將露天煤礦的核心問(wèn)題清晰化。頂層設(shè)計(jì)詳細(xì)分析了智慧化露天煤礦中整合、拓展、提升3 個(gè)層次架構(gòu)，細(xì)化出每一層次的具體功能與應(yīng)用要求，并對(duì)智慧化露天煤礦的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)模式進(jìn)行了深入分析。頂層設(shè)計(jì)是綜合體系的基礎(chǔ)，是構(gòu)建智慧露天礦體系的關(guān)鍵。

在頂層設(shè)計(jì)的約束下，新技術(shù)與露天煤礦開(kāi)采、運(yùn)輸、管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行深度融合是建設(shè)智慧化露天煤礦體系的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等技術(shù)以其特有的高效率、低延時(shí)、廣連接等優(yōu)勢(shì)，不僅為露天煤礦智能化建設(shè)構(gòu)建了穩(wěn)固的數(shù)據(jù)傳輸媒介，同時(shí)為礦山綜合體系提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)算法支撐與響應(yīng)模型。

露天礦智慧化體系搭建了靈活的傳輸通道，可以確保數(shù)據(jù)信息高效、完整、可靠地傳輸。運(yùn)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以對(duì)露天煤礦進(jìn)行全方位多維度實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)露天煤礦的智慧增效、智慧增安、智慧運(yùn)營(yíng)，使智慧型露天煤礦實(shí)質(zhì)名歸。

2.5 服 務(wù)

露天煤礦大數(shù)據(jù)服務(wù)模式，主要包含云服務(wù)、專業(yè)化礦企內(nèi)部服務(wù)、專業(yè)化社會(huì)服務(wù)3 個(gè)方面。

1）云服務(wù)。利用構(gòu)建的露天煤礦云基礎(chǔ)設(shè)施，圍繞露天開(kāi)采自身特點(diǎn)，以資源共享為核心，搭建開(kāi)發(fā)者與應(yīng)用單位之間共享平臺(tái)[13]，協(xié)調(diào)兩者間的互聯(lián)互通，徹底解決露天煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)信息孤島問(wèn)題，真正將數(shù)字與算法價(jià)值最大化。云服務(wù)匯聚了露天煤炭開(kāi)采全產(chǎn)業(yè)鏈資源，集結(jié)了數(shù)據(jù)與應(yīng)用等服務(wù)的共性接口，將各系統(tǒng)應(yīng)用共性服務(wù)模塊化，再將模塊以接口形式輻射各方，進(jìn)而支持其他應(yīng)用的調(diào)用訪問(wèn)，加速了應(yīng)用系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)間的高效互通。

2）專業(yè)化礦企內(nèi)部服務(wù)。針對(duì)露天煤礦實(shí)際工作而構(gòu)建的全生命周期數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，將原有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)，轉(zhuǎn)換為專業(yè)化大數(shù)據(jù)共享服務(wù)，智慧感知、自主決策，疏通了信息壁壘以數(shù)據(jù)共享服務(wù)的形式支撐各級(jí)體系。此外，在頂層的云數(shù)據(jù)中心構(gòu)建協(xié)同關(guān)系分析系統(tǒng)，運(yùn)用人工智能建立智慧化數(shù)據(jù)引擎，構(gòu)建大數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)以保證服務(wù)有針對(duì)性的落實(shí)。礦企內(nèi)部專業(yè)化服務(wù)在技術(shù)架構(gòu)上，利用微服務(wù)架構(gòu)和開(kāi)放API 形式[14]對(duì)外提供，同時(shí)具備權(quán)限控制和授權(quán)功能，可以持續(xù)面向?qū)ο筇峁┎煌膶I(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

3）專業(yè)化社會(huì)服務(wù)。當(dāng)前露天煤礦智能化技術(shù)與設(shè)備的維護(hù)主要是由設(shè)備廠商進(jìn)行，隨之而來(lái)的是維護(hù)不及時(shí)、溝通偏差、兼容性差等問(wèn)題凸顯，嚴(yán)重影響了智慧化露天礦設(shè)備與系統(tǒng)的穩(wěn)固性與可靠性。為了解決此類問(wèn)題，需從信息化系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)維護(hù)的角度，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)構(gòu)建統(tǒng)一遠(yuǎn)程信息運(yùn)維專線體系[15]，遵循“一切資源化、資源數(shù)據(jù)化”的原則，實(shí)現(xiàn)將所有基礎(chǔ)設(shè)施資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用資源、服務(wù)資源等進(jìn)行統(tǒng)一的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理。例如，針對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，可以從設(shè)備設(shè)計(jì)到其應(yīng)用建立完整的生命周期運(yùn)維模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦設(shè)備的智慧化健康管理，將服務(wù)數(shù)據(jù)生態(tài)化，使數(shù)據(jù)與服務(wù)化成有機(jī)整體。

2.6 智慧生態(tài)

智慧化露天煤礦以智慧生態(tài)為構(gòu)建目標(biāo)，以智慧環(huán)境保護(hù)為約束，以智慧科技為保障。智慧型露天煤礦的開(kāi)采應(yīng)與生態(tài)治理并舉，以生產(chǎn)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改善。加強(qiáng)智慧露天礦山的建設(shè)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化協(xié)調(diào)發(fā)展，強(qiáng)化資源配置，打造全方位智慧運(yùn)行、科學(xué)綠色的新型露天礦生態(tài)圈。

建立露天煤礦智慧化綠色生態(tài)系統(tǒng)，采用新一代5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等信息技術(shù)對(duì)露天煤礦的人、材、機(jī)、管、環(huán)進(jìn)行全面系統(tǒng)感知、數(shù)據(jù)傳輸、分析決策、處理控制，利用云平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)露天煤礦生態(tài)數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)與三維展現(xiàn)，提高智慧化生態(tài)系統(tǒng)的智能性與可靠性；采用智慧綠色露天開(kāi)采與生態(tài)復(fù)墾一體化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)露天煤礦高質(zhì)量的綠色可持續(xù)開(kāi)發(fā)；在露天礦區(qū)域打造集開(kāi)采技術(shù)、生態(tài)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)于一體的綠色智慧空間，深化露天礦區(qū)與周圍社會(huì)的雙向互動(dòng)，將能源開(kāi)發(fā)與綠色生態(tài)、數(shù)字產(chǎn)業(yè)相融匯，建立一種新型模式的露天礦特色文化區(qū)，為開(kāi)采、生態(tài)與社會(huì)三者的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展注入新的動(dòng)力。此外，綠色生態(tài)系統(tǒng)還可加強(qiáng)推進(jìn)煤與其他伴生資源的協(xié)同勘查與開(kāi)發(fā)利用，在露天礦區(qū)附近構(gòu)建智能化選采加工業(yè)，延伸煤炭產(chǎn)業(yè)鏈及價(jià)值鏈[16]。

3 結(jié)語(yǔ)

1）基于當(dāng)前露天煤礦智能化現(xiàn)狀與智慧化發(fā)展需求，從智慧露天煤礦系統(tǒng)規(guī)劃角度出發(fā)，提出露天煤礦智慧化建設(shè)核心：穩(wěn)固可靠（Stabilization）、安全（Safety）、感知（Sensory）、體系（System）、服務(wù)（Service）和智慧生態(tài)型（Smart－ecotype）。根據(jù)這6個(gè)方面的內(nèi)容及特點(diǎn)，指明了露天煤礦智慧化建設(shè)的重心及關(guān)注點(diǎn)。按照6S 建設(shè)要求，對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保露天煤礦系統(tǒng)的智能性、可靠性、安全性與生態(tài)性，打造出智能高效、和諧有序、協(xié)調(diào)一致、綠色可持續(xù)的新型智慧化露天煤礦開(kāi)采模式。

2）智慧化發(fā)展是露天煤礦的必然方向，6S 理論是智慧化發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。未來(lái)露礦企業(yè)的比較優(yōu)勢(shì)在根本上完全取決于其智慧化發(fā)展創(chuàng)新程度，通過(guò)6S 理論，可以助力露礦企業(yè)在智慧礦山建設(shè)中，正確認(rèn)識(shí)自己的優(yōu)劣態(tài)勢(shì)，引領(lǐng)露天煤礦企業(yè)找到適合自身發(fā)展的智慧型礦山建設(shè)方向。