面向公司與煤礦的智能一體化管控平臺(tái)架構(gòu)研究

摘 要：該文基于項(xiàng)目研究背景闡述礦山信息模型相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出當(dāng)前存在的一些問題。按照《國(guó)家能源集團(tuán)煤礦智能化建設(shè)指南（試行）》要求，遵循《寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司智能化礦山建設(shè)總體規(guī)劃》思路，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)互聯(lián)架構(gòu)，綜合利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)，采用“云邊協(xié)同”部署模式，建設(shè)覆蓋安全、生產(chǎn)、調(diào)度和運(yùn)營(yíng)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的一體化綜合性管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全礦井監(jiān)、管、控一體化。

關(guān)鍵詞：智慧礦山；一體化管控；云服務(wù)；智能管控；智能化建設(shè)

中圖分類號(hào)：TD672 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）29-0146-04

Abstract： Based on the research background of the project， this paper expounds the development status of mine information model related technology， and puts forward some existing problems. According to the requirements of "guidelines for Intelligent Construction of Coal Mine of National Energy Group（trial）" and following the idea of "General Plan of Intelligent Mine Construction of Ningxia Coal Industry Limited Liability Company"， based on unified data standards and industrial interconnection architecture， this paper makes comprehensive use of cloud computing， Internet of Things， big data， digital twins and other advanced technologies， implements the use of "cloud-side coordination" deployment model to build an integrated and comprehensive management and control platform covering security， production， scheduling， operation and other business areas， in the hope of realizing the integration of supervision， management and control in the whole mine.

Keywords： intelligent mine; integrated management and control; cloud service; intelligent management and control; intelligent construction

2020年3月，國(guó)家發(fā)展改革委等八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出：“建設(shè)智能化生產(chǎn)、安全保障經(jīng)營(yíng)管理等多系統(tǒng)、多功能融合的一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤礦產(chǎn)運(yùn)銷業(yè)務(wù)協(xié)同、決策管控、一體化運(yùn)營(yíng)等智能化應(yīng)用”[1]。煤礦一體化管控平臺(tái)建設(shè)成為智能化礦山建設(shè)必不可少的關(guān)鍵內(nèi)容[2]。2021年底，國(guó)家能源局印發(fā)的《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法（試行）》進(jìn)一步細(xì)化了示范煤礦智能一體化綜合管控平臺(tái)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及考評(píng)辦法[3]。在此基礎(chǔ)上，《國(guó)家能源集團(tuán)煤礦智能化建設(shè)指南（2022版）》中要求將煤礦智能一體化管控平臺(tái)分為初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)3個(gè)不同階段，并最終實(shí)現(xiàn)“自主化、精準(zhǔn)化、智能決策”管控模式[4-5]。

國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“寧煤公司”）及下屬礦井、選煤廠亦通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型以促進(jìn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，進(jìn)行了相關(guān)智能化工作的開展，已經(jīng)取得了階段性成果，在部分安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)上實(shí)現(xiàn)了“少人化、無人化”，有效保障了煤礦安全高效生產(chǎn)，但和智能煤礦及實(shí)現(xiàn)煤礦的完全信息化管理決策尚存在一定的差距。

為了響應(yīng)國(guó)家相關(guān)部委意見要求以及國(guó)家能源集團(tuán)的總體戰(zhàn)略規(guī)劃，寧煤公司制定了《寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司智能化礦山建設(shè)總體規(guī)劃》[6]，分析公司及下屬十余對(duì)礦井、數(shù)個(gè)洗煤廠智能化建設(shè)需求，設(shè)計(jì)了公司與煤礦（洗煤廠）兩級(jí)智能一體化管控平臺(tái)總體架構(gòu)與部署方案，以滿足煤礦智能化發(fā)展及安全協(xié)同高效生產(chǎn)的需要[7]。平臺(tái)利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，采用軟件系統(tǒng)分層架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了適用于井工礦井和寧煤公司的兩級(jí)智能一體化管控平臺(tái)，解決數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、高效存儲(chǔ)、快速同步等存在的一系列難題[8]，為公司與煤礦安全高效、協(xié)同管控提供了技術(shù)支撐，具備一定的參考價(jià)值與推廣意義。

1 平臺(tái)總體架構(gòu)

面向公司與煤礦的智能一體化管控平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示，基于煤科云[9]技術(shù)底座，實(shí)現(xiàn)一次開發(fā)、多礦部署。大平臺(tái)由公司級(jí)煤礦智能一體化管控平臺(tái)和煤礦（洗煤廠）級(jí)智能一體化管控平臺(tái)組成，基于統(tǒng)一安全認(rèn)證和統(tǒng)一運(yùn)維體系，在下屬煤礦、洗煤廠云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)上，構(gòu)建煤礦級(jí)數(shù)據(jù)中心和煤礦級(jí)管控平臺(tái)，為煤礦及洗煤廠安全監(jiān)控與集中監(jiān)測(cè)提供信息化管理服務(wù)。在寧煤公司云數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建公司級(jí)煤礦智能一體化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)公司級(jí)安全生產(chǎn)監(jiān)管與決策分析指揮。

作為平臺(tái)的核心技術(shù)支撐模塊，煤科云技術(shù)底座提供基礎(chǔ)平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境，依據(jù)生產(chǎn)工藝和業(yè)務(wù)流程需求，在數(shù)據(jù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)、技術(shù)中臺(tái)等PAAS平臺(tái)的支撐下，通過APP低代碼開發(fā)工具，快速搭建監(jiān)控類、控制類、管理類礦山APP軟件，具備快速重構(gòu)業(yè)務(wù)能力[10]。通過在公司級(jí)煤科云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開發(fā)完成APP后，自動(dòng)將模型下發(fā)到礦井煤礦云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)控制、應(yīng)用及模型的下發(fā)。通過MK-IOT-UA數(shù)據(jù)采集共享同步軟件將礦端數(shù)據(jù)同步至公司端煤科云平臺(tái)，對(duì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、安全管理風(fēng)險(xiǎn)分析等模型進(jìn)行訓(xùn)練后，將相關(guān)模型進(jìn)行下發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同。

煤礦級(jí)智能一體化管控平臺(tái)以智能安全生產(chǎn)協(xié)同調(diào)度指揮為核心，構(gòu)建生產(chǎn)集中監(jiān)控與安全集中監(jiān)測(cè)應(yīng)用中心。遵循“統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系、統(tǒng)一安全認(rèn)證、統(tǒng)一運(yùn)維體系”，在礦端部署煤科云?；诿嚎圃芃K-IOT-UA，實(shí)現(xiàn)透明地質(zhì)系統(tǒng)、智能采煤系統(tǒng)、智能掘進(jìn)系統(tǒng)、智能通風(fēng)系統(tǒng)、智能運(yùn)輸系統(tǒng)和智能輔助系統(tǒng)等智能化專項(xiàng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、解析、交換共享，以及控制命令的交換。之后圍繞煤礦綜采、綜掘、主運(yùn)、輔運(yùn)、生產(chǎn)輔助、供配電、洗選與發(fā)電等固定場(chǎng)景的智能融合協(xié)同管控，瓦斯、水害、火災(zāi)、礦壓、粉塵和人員等重大風(fēng)險(xiǎn)智能融合監(jiān)測(cè)與分級(jí)預(yù)警，為煤礦固定場(chǎng)景少人化乃至無人化提供技術(shù)保障，為煤礦風(fēng)險(xiǎn)防控提供有效決策依據(jù)及處置建議。

公司級(jí)智能一體化管控平臺(tái)主要站在寧煤公司側(cè)，集成礦端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警指標(biāo)與結(jié)果。以決策分析與協(xié)同調(diào)度指揮為主，在集成國(guó)能集團(tuán)統(tǒng)建生產(chǎn)執(zhí)行管理、經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)、決策分析數(shù)據(jù)，各煤礦、洗煤廠安全生產(chǎn)實(shí)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、洗選安全生產(chǎn)填報(bào)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，基于智能化綜合管控平臺(tái)，構(gòu)建智能生產(chǎn)監(jiān)督中心、安全態(tài)勢(shì)預(yù)警中心、精細(xì)運(yùn)營(yíng)管理中心、決策調(diào)度指揮中心及IT基礎(chǔ)設(shè)施管控中心，以支撐公司在安全、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、決策和調(diào)度指揮之上的業(yè)務(wù)應(yīng)用與決策分析。

兩級(jí)平臺(tái)屬于同一個(gè)基礎(chǔ)管控平臺(tái)。其中煤礦級(jí)智能綜合管控平臺(tái)為公司智能化綜合管控平臺(tái)在公司協(xié)同與決策分析方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，公司級(jí)智能綜合管控平臺(tái)為煤礦智能化綜合管控平臺(tái)提供協(xié)同調(diào)度與指令下發(fā)。

2 平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)

平臺(tái)支持構(gòu)建煤礦數(shù)據(jù)中心和公司數(shù)據(jù)管理兩級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。利用MK-IOT-UA實(shí)現(xiàn)煤礦、公司和國(guó)能集團(tuán)之間的數(shù)據(jù)交互與共享，總體數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基于MK-IOT-UA統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦端安全監(jiān)控類系統(tǒng)、生產(chǎn)控制類系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)類系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集與集成分析，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于煤礦數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)將數(shù)據(jù)分為管理類、監(jiān)控類、空間類、非結(jié)構(gòu)化類及音視頻等不同數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)。在存儲(chǔ)方式上，采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相結(jié)合的融合存儲(chǔ)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)“熱、溫、冷”不同訪問需求數(shù)據(jù)的按需要存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)上傳共享模式，基于廠礦與集團(tuán)兩級(jí)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)由廠礦數(shù)據(jù)中心直接上傳至集團(tuán)數(shù)據(jù)中心，相關(guān)主數(shù)據(jù)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)由集團(tuán)公司直接推送至礦級(jí)數(shù)據(jù)中心。依據(jù)寧煤公司安全生產(chǎn)信息化建設(shè)需要，將相關(guān)數(shù)據(jù)由廠礦級(jí)數(shù)據(jù)中心上傳至寧煤公司數(shù)據(jù)中心，完成業(yè)務(wù)管理需要。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)建模分析、數(shù)據(jù)訪問共享的能力。在數(shù)據(jù)質(zhì)量管理上，遵循數(shù)據(jù)、完整性、唯一性、有效性、一致性和準(zhǔn)確性的原則，如圖3所示。數(shù)據(jù)質(zhì)量模塊支持對(duì)業(yè)務(wù)指標(biāo)和數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)質(zhì)量可檢驗(yàn)，幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。平臺(tái)基于重要性和成本效應(yīng)識(shí)別出需要進(jìn)行質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)，分階段有序地將數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)則落地。

3 平臺(tái)功能架構(gòu)

平臺(tái)是以“安全監(jiān)控實(shí)時(shí)化，過程控制自動(dòng)化”為目標(biāo)，基于“工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線+無線”技術(shù)，平臺(tái)建立統(tǒng)一的系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，利用多種軟硬件接口（OPC UA、驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、平面文件、DDE/NETDDE、PLC和子網(wǎng)等），構(gòu)建統(tǒng)一、穩(wěn)定、高效的集控平臺(tái)。以原煤生產(chǎn)為主線，對(duì)“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”等主要安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)，進(jìn)行多要素全流程的集中、協(xié)同、優(yōu)化控制與智能運(yùn)行。具有煤礦大數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過大數(shù)據(jù)分析處理，能夠?qū)馂?zāi)、氣體、水害和頂板等災(zāi)害進(jìn)行分析預(yù)警、信息推送等功能。具備數(shù)據(jù)分析能力，根據(jù)業(yè)務(wù)需求構(gòu)建識(shí)別模型、預(yù)測(cè)模型、控制模型和決策模型，實(shí)現(xiàn)模型庫(kù)管理?；谠朴?jì)算的決策支持承載平臺(tái)，平臺(tái)包括模型庫(kù)和算法庫(kù)，支持應(yīng)用模塊根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展。平臺(tái)可根據(jù)監(jiān)測(cè)與分析計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行異常信息報(bào)警，能夠?qū)惓Ｐ畔⒆詣?dòng)通過電話語音或短信通知相關(guān)人員，實(shí)現(xiàn)預(yù)警報(bào)警、指揮調(diào)度與協(xié)同控制。

礦級(jí)平臺(tái)各功能模塊圍繞橫向協(xié)同、縱向管控進(jìn)行鋪設(shè)，整合礦井各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為調(diào)度指揮人員提供一個(gè)數(shù)據(jù)綜合監(jiān)控平臺(tái)，輔助調(diào)度指揮人員全面、迅速、準(zhǔn)確地進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度。從底層溯源原始數(shù)據(jù)，基于采集數(shù)據(jù)綜合分析提取價(jià)值信息和規(guī)律，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于各子系統(tǒng)單模塊數(shù)據(jù)展示及進(jìn)一步的數(shù)理統(tǒng)計(jì)類分析，再基于海量數(shù)據(jù)和各子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系、內(nèi)部影響因素實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)綜合分析，以及預(yù)測(cè)預(yù)警監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)全礦全局管控。

公司級(jí)平臺(tái)是以煤礦智能一體化管控平臺(tái)為基礎(chǔ)，基于.NET框架構(gòu)建跨平臺(tái)、多終端的一體化管控平臺(tái)。平臺(tái)的集成模式是將礦端數(shù)據(jù)接入公司，然后基于此進(jìn)行煤礦災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、安全態(tài)勢(shì)分析等功能的公司級(jí)呈現(xiàn)。除此之外，公司側(cè)的數(shù)據(jù)（配置）可遠(yuǎn)程應(yīng)用到礦上，實(shí)現(xiàn)公司側(cè)的統(tǒng)一運(yùn)維管理。平臺(tái)功能架構(gòu)圖如圖4所示。

4 結(jié)束語

本平臺(tái)利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式，遵循國(guó)家能源集團(tuán)統(tǒng)一規(guī)劃、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系，基于統(tǒng)一的技術(shù)底座，研發(fā)面向“公司-廠礦”兩級(jí)業(yè)務(wù)平臺(tái)，在公司、下屬煤礦及選煤廠部署應(yīng)用，在各個(gè)專項(xiàng)智能化子系統(tǒng)支撐下，構(gòu)建智能一體化管控平臺(tái)?？蓪?shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的信息交換，系統(tǒng)間的橫向集成和縱向互通；運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度指揮、安全警示、突發(fā)事件處理等決策支持；在控制技術(shù)方面，從手動(dòng)干預(yù)、有人值守向自動(dòng)控制無人值守方向發(fā)展；在安全管理方面，由被動(dòng)的事后響應(yīng)式管理向主動(dòng)的事先預(yù)警與預(yù)控方向發(fā)展；在決策支持方面，從經(jīng)驗(yàn)決策向智能化決策方向發(fā)展。

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