數字礦山生產執行層綜合分析系統的研究與實現

馮占科（神華和利時信息技術有限公司，北京市東城區，100011）

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數字礦山生產執行層綜合分析系統的研究與實現

馮占科
（神華和利時信息技術有限公司，北京市東城區，100011）

摘 要介紹了數字礦山生產執行層綜合分析系統的提出背景，分析了該系統的主要功能，闡述了該系統的架構設計，說明了分析主題和分析模型的具體應用。實際應用表明，該系統能夠對礦井生產和進度情況進行科學地分析，很好地為煤礦領導、礦井各業務科室以及相關的管理人員提供決策數據支持。

關鍵詞數字礦山 生產執行層 綜合分析系統 輔助決策

1　數字礦山生產執行層綜合分析系統的提出背景

神華集團為促進生產集約化和管理精益化，實現生產效率最大化和生產運營流程最優化，充分支撐管理變革、業務能力提升以及引領煤炭行業發展，特提出啟動“數字礦山生產執行系統（c MES）”項目的研發與建設。c MES是在煤炭行業歷史轉折的背景下、在國家政策的推動和神華集團戰略需求下應運而生。c MES是國家863計劃項目“數字礦山關鍵技術研究及應用研究”課題中的一個子課題，同時也是神華集團推動信息化和煤炭工業化深度融合，促進工業化和信息化同步發展的一項重要建設工程，c MES處在數字礦山設備層、控制層、生產執行層、經營管理層、決策支持層中的第三層，c MES涵蓋煤礦的采、掘、機、運、通、安全等專業，具體分為生產管理、調度管理、機電管理、一通三防、環保管理、煤質管理、安全管理和綜合分析八大業務系統，本文著重介紹c MES中綜合分析系統的研究與實現過程。

2　數字礦山生產執行層綜合分析系統的主要功能

數字礦山生產執行層綜合分析系統能夠將管理者的決策依據、管理思想和煤炭指標進行系統固化，緊緊圍繞決策的有效性，將煤礦管理和決策分析提升到一個新的高度，具體功能如下:

（1）為煤礦領導、各業務科室及相關的管理人員決策提供數據支持；

（2）為子（分）公司領導、各業務管理部門及相關管理人員決策提供數據支持；

（3）為集團領導、相關部門實時掌握生產動態和統籌協調提供數據支持；

（4）通過詳盡的生產指標，反映礦山的運行狀態，并可以對異常關鍵指標預警和挖掘分析；

（5）通過儀表盤、進度柱、預警雷達、比例圖等各種常見的圖表形象地表示礦山運行的關鍵指標（KPI），直觀地監測礦山的運營情況，從而指導礦山生產。

3　數字礦山生產執行層綜合分析系統的架構設計

數字礦山生產執行層綜合分析系統將200多項指標按相同業務分成多個主題，按業務主題建立預警模型庫，并對指標設置預警等級。系統自動定期根據指標設置及實際業務數據監測指標是否正常，若指標異常則發出預警信息。分析主題和預警信息將輔助領導及相關業務人員對生產進行指導，生產的基礎業務數據又會回到系統，系統再次對指標進行監測，從而實現閉環管理。數字礦山生產執行層綜合分析系統架構圖如圖1所示。

圖1　數字礦山生產執行層綜合分析系統架構圖

3.1 分析主題

數字礦山生產執行層綜合分析系統共設計生產分析、采掘分析、防治水分析、回采率分析、跳閘分析、采掘平衡、離層儀分析、礦壓分析、煤質分析、督辦分析、通風分析、局扇分析、儀器儀表、防瓦斯分析、煤與瓦斯突出分析、防火分析、防塵分析、鉆孔溫度分析、生產指標以及礦井創紀錄等20多個業務主題，各個業務主題中有獨立預警指標體系及每個指標的預警周期，達到預警級別時自動發出預警信息。若判斷預警等級為正常，則不顯示預警信息，否則將該分析主題及相應的指標的預警信息自動插入預警信息庫中。

3.2 指標體系

數字礦山生產執行層綜合分析系統要想達到“實用、實際、實效”的決策支持目的，必須要建立一套“實用、實際、實效”的煤炭企業決策指標體系，因此系統指標體系在建立的過程中要嚴格按照全面性、科學性、簡明性、動態性和可操作性5個原則進行設計。

（1）全面性原則。為了反映煤礦企業決策指標體系的全面性，全面篩選生產指標、管理指標以及效益指標等指標。

（2）科學性原則。要科學地選擇決策指標，而且指標定義需要明確且目的清晰，指標來源符合國家標準、行業標準、企業標準以及規章制度，指標模型要有科學的計算方法。

（3）簡明性原則。煤炭企業指標眾多，從眾多指標中選擇簡明的指標，不能選擇指標與指標重疊、相關性太強以及相互矛盾的現象，這樣會給分析決策帶來錯誤。

（4）可操作性原則。在煤礦實際業務中，要選擇那些可以容易獲取和人為定量的基礎數據指標，否則指標不具備操作性。

（5）動態性原則。煤炭開采過程由于煤層賦存條件、地質條件以及瓦斯條件的變化，指標標準要根據實際情況動態變化。

3.3 數據獲取

數字礦山生產執行層綜合分析系統的基礎是真實、及時和有效的數據，數據獲取的實現原理比較簡單，但實現的具體操作非常復雜，實施的工作量也非常大。ETL技術是指將煤炭企業不同的各業務系統中的數據抽取出來，將來自多個數據源的數據進行清洗、轉換和整合，得出標準一致的數據，最后加載到數據倉庫中的一種技術。綜合分析系統為了更好地獲取數據，特在設計、開發與實施維護過程中開發了適合數字礦山生產執行層綜合分析系統的ETL工具（c ETL）。數據獲取時數據質量非常重要，常出現不完整、不正確、不一致、不完備、不可獲取和不及時的問題。數據獲取是綜合分析系統建設過程中至關重要的一關，數據獲取在綜合分析系統和各個業務數據之間搭建通道，確保業務數據及時、準確地加載至綜合分析系統；通過c ETL將垃圾數據進行清洗，變成綜合分析系統統一的數據結構。綜合分析系統通過cETL從執行層其他系統如生產管理、調度管理、機電管理、一通三防、環保管理、煤質管理、安全管理等系統獲取數據，數據模型和數據標準是統一的。但從外部系統獲取數據時沒有統一的數據標準，有時只能依靠人工比對建立對應關系后進行分析，所以煤炭企業數據標準也是決策分析的數據基礎。

4　分析主題具體功能設計

（1）生產分析。該模塊反映煤礦生產情況是否正常，主要對原煤、商品煤、裝車和進尺等關鍵生產指標進行自動統計和可視化分析，包括實際量、計劃量、日超欠率、月超欠率、年超欠率、月剩余日均、年剩余日均、各礦實際值、各隊實際值、各礦計劃值、各隊計劃值等分析和報表。

（2）防治水分析。煤礦涌水量變化是發生水害事故的前期征兆，該模塊的主要功能就是監測礦井某區域以及礦井總水量的變化，預防發生水害事故。包括全礦井和各水泵房排水分析的水量變化預警、日趨勢、月趨勢、噸煤出水量、同比、環比、本月、本季、本年、地面水文鉆孔分析。

（3）回采率分析。回采率分析是為了合理開發和保護煤炭資源，提高煤炭資源回采。回采率分析包括礦井回采率、采區回采率、工作面回采率的當月和累計值。系統根據國家標準研究了回采率分析模型，根據盤區和回采面煤層厚度確定屬于哪種煤層，根據不同煤層回采率采用不同的規定標準，不符合要求的回采率以紅色顯示。

（4）煤質分析。該模塊對水分、發熱量、硫份和灰份等煤質指標進行統計分析，包括計劃值、實際值、加權平均值、預警信息、均方差以及趨勢等分析。

（5）礦壓分析。該模塊對工作面支架的循環末阻力、工作面周期來壓、來壓步距、正常壓力期間工作面推進長度、來壓強度、壓力平均值、壓力最大值、壓力趨勢圖進行分析。礦壓分析模型按天或8 h抽取液壓支架實時數據和進尺數據，通過取前20個最大值求平均值，將壓力值分成不同的區段進行不同顏色標示，通過顏色能反映來壓步距及壓力變化規律。

（6）采空區防火分析。該模塊通過分析采空區密閉內的氣樣數據，按煤層自燃發火理論進行特征氣體分析O2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO2和H2的限定，對采空區所處的發火階段進行煤炭自燃異常點預警和趨勢分析。

（7）采掘平衡分析。采掘平衡是采掘行業保持生產均衡穩定的一項基本方針，其原則是采掘并舉和掘進先行。該模塊對礦井儲量、三量可采期、萬噸掘進率以及采掘比等指標進行統計分析，確保煤礦采掘平衡和均衡生產。

（8）實時裝車分析。煤炭企業裝車外運情況直接反映商品煤銷售情況，該模塊對裝車和列車信息進行分析，包括計劃列數、裝車列數、到站列數、作業列數、完成列數、超時列數、車次信息、開始裝車時間、結束裝車時間、裝車耗時、噸位等分析。

（9）跳閘分析。集成控制系統數據對變電所和高壓柜的跳閘時間和跳閘原因進行分析，包括時間、空間、原因及趨勢等分析。該模塊對礦井下所有的變電所和高壓柜的調查記錄分析，自動采集跳閘記錄并對記錄進行從時間序列、空間序列以及原因序列上進行了分析。該模塊設計了按月時間序列進行分析反應跳閘與季節的關系，并將本年與去年的數據進行對比，對本年有一定的指導意義；該模塊對變電所和高壓柜進行數量的對比分析，找出主要發生地點，確定空間上的防控重點；該模塊對各種跳閘原因按比例進行分析，找出主要原因，確定原因上的防控重點。

（10）局部通風機分析。該模塊對百米漏風率、風筒長度、風機切換和無計劃停風等進行分析，通過設備啟停數據和測風數據建立模型算法，實現對局部通風機的分析。

（11）抽采達標分析。按抽采難易程度劃分容易抽放、可以抽放以及較難抽放的噸煤鉆孔量，抽采工程主要針對工程地點的管路安裝計劃與實際進行對比，分析礦井瓦斯抽采率、回采瓦斯抽采率、瓦斯抽采量和利用量分析瓦斯的利用情況。

（12）通風分析。該模塊對礦井通風信息、測風站風量異常預警、測風站風速異常預警、回風井、切換次數、風壓預警、外部漏風率、有效風量率、等積孔、當月通風設施完成情況、通風最大流程等進行分析，并實現各礦橫向對比分析。該模塊對礦井有效風量率、回風井外部漏風率、等積孔和負壓進行預警分析，對通風設施完成情況進行統計分析，對礦井通風最大流程進行顯示。

5　結語

2015年1月1日，數字礦山生產執行層綜合分析系統在神華集團神東煤炭集團有限責任公司正式上線，通過實際使用表明，該系統能夠對煤礦生產和進度情況進行科學分析，為煤礦領導、各個業務科室以及相關的管理人員提供數據支持，具體應用效果如下:

（1）建立了指標體系，將管理人員和專家的管理思想固化到指標體系，滿足煤礦的管理要求，為公司領導、各業務管理部門及相關管理人員提供決策數據支持。

（2）用戶使用覆蓋范圍廣，包括公司、各礦和各選煤廠，實現了公司管理的橫向協同和縱向貫通。

（3）人工錄入工作量減輕，原生產相關報表有8000多項數據需手工錄入，現14010項報表數據全部為自動統計。

（4）工作效率大幅度提升，原早調會所需的生產報表需要2個人約4 h共同完成填報工作，現在只需1個人約30 min即可完成。

（5）數據準確度提高，目前全部報表為系統自動統計和分析，無需人工錄入，避免了人為錯誤，提高了數據的準確度。

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（責任編輯 路 強）

Research and implementation of comprehensive analysis system of manufacturing execution system of digital mine

Feng Zhanke
（Shenhua Hollysys Information Technology Co.，Ltd.，Dongcheng，Beijing 100011，China）

AbstractThe background of the comprehensive analysis system of manufacturing execution system of digital mine was introduced，the main functions of this system were analyzed，the framework design of the system was elaborated，and the specific application of analytical subject and analytical model was explained.The practical application showed that this system was able to analyze scientifically the mine production and schedule，and provide decision-making support for mine leaders，operating departments and related managers.

Key wordsdigital mine，manufacturing execution system，comprehensive analysis system，assistant decision-making

中圖分類號TD－9

文獻標識碼A

作者簡介：馮占科（1980－），男，河北石家莊人，碩士，高級項目管理師，現任職于神華和利時信息技術有限公司研發部項目經理，主要從事數字礦山、軟件工程和采礦工程等方面的研究。