數(shù)字化礦山建設創(chuàng)新與實踐

天地（常州）自動化股份有限公司 韓 安

數(shù)字化礦山建設創(chuàng)新與實踐

天地（常州）自動化股份有限公司 韓 安

本文就數(shù)字化礦山項目需求、規(guī)劃設計與建設過程進行歸納總結(jié)，提出數(shù)字化礦山的重點建設內(nèi)容與創(chuàng)新點，為國內(nèi)數(shù)字化礦山建設提供參考。

云計算；管控一體化；物聯(lián)網(wǎng)；增效；決策分析

引言

煤炭是我國的主體能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中占70%左右。在今后相當長的一段時間內(nèi)，煤炭仍將作為非常重要的戰(zhàn)略資源，在我國經(jīng)濟和社會發(fā)展中占有極其重要的地位。目前，我國有50多處千萬噸煤礦，970多處120萬噸以上礦井，在保障煤炭穩(wěn)定供應與國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。

“十二五期間”，國家用“信息化帶動工業(yè)化”的工作重點有三個方面：一是以電子信息技術(shù)應用為重點，提高傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程自動化、控制智能化和管理信息化水平；二是以先進制造技術(shù)應用為重點，推進制造業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)，振興裝備制造業(yè)；三是改造提升重點產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)及其相關(guān)配套技術(shù)水平、工藝和裝備水平。因此，數(shù)字化礦山的建設，作為煤炭傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)以電子信息技術(shù)提升信息化的有效嘗試，也是提升礦井安全生產(chǎn)水平與煤炭供應效率的有效保障[1]。

1.實現(xiàn)目標

數(shù)字化礦山建設應用自動化控制、計算機、網(wǎng)絡通訊、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建以礦井主數(shù)據(jù)為基礎，涵蓋礦井安全生產(chǎn)實時監(jiān)測、日常安全生產(chǎn)調(diào)度管理、地理空間、現(xiàn)有集團經(jīng)營管理等業(yè)務的數(shù)據(jù)中心，在滿足礦井日常安全生產(chǎn)業(yè)務基礎上，以三維可視化方式真實實時展現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)狀況，同時抽取集團經(jīng)營管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，暢通礦井日常安全生產(chǎn)過程與企業(yè)經(jīng)營管理決策數(shù)據(jù)，使得指標管控與執(zhí)行過程有效融合，為企業(yè)日常安全生產(chǎn)過程提供決策依據(jù)，承載著礦井生產(chǎn)過程透視、運營決策、問題診斷、專家系統(tǒng)、可視化集控、指揮調(diào)度等業(yè)務應用，從而構(gòu)建以生產(chǎn)過程自動化為基礎、管理信息化為本質(zhì)、三維可視化為直觀表現(xiàn)形式、領(lǐng)導決策分析為管理依據(jù)的四位一體現(xiàn)代化礦井信息化平臺[4]。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

平臺構(gòu)架自下而上包括感知層、執(zhí)行控制層、系統(tǒng)運維層、集中管控層、業(yè)務展示層。

感知層：由傳感器、工業(yè)視、移動終端、射頻卡、執(zhí)行器、電源以及相關(guān)的無線傳輸網(wǎng)絡設備構(gòu)成，實現(xiàn)了礦井環(huán)境安全、生產(chǎn)工況的感知與過程信息控制，同時采用物聯(lián)網(wǎng)編碼體系實現(xiàn)設備與設備、設備與執(zhí)行器之間的智能化識別接入，是礦山物聯(lián)的基礎。

執(zhí)行控制層：通過專有分站實現(xiàn)對感知層設備的信息采集、處理，并通過現(xiàn)場總線經(jīng)高速工業(yè)網(wǎng)絡傳輸給不同專業(yè)的工程師站，由工程師站實現(xiàn)對各專業(yè)信息的處理，并對現(xiàn)部分場設備的控制[2]。

系統(tǒng)運維層：依托企業(yè)主數(shù)據(jù)與物聯(lián)編碼體系，根據(jù)不同的應用需求和數(shù)據(jù)特征，構(gòu)建監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)中心、空間數(shù)據(jù)中心、運營管理數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)對安全監(jiān)測類、生產(chǎn)過程類的數(shù)據(jù)管理與存儲，空間數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)對地理地測類空間數(shù)據(jù)的存儲，運營管理數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)對日常業(yè)務管理類的存儲與管理，并對集團經(jīng)營類數(shù)據(jù)進行抽取、存儲與管理。

集中管控層：包括綜合管控平臺與安全生產(chǎn)調(diào)度指揮平臺。綜合管控平臺主要負責平臺與井下傳感設備、自動化子系統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)測與遠程控制，根據(jù)各專業(yè)應用需求，實現(xiàn)煤流工藝、通風流程、供電流程等集中控制及運行優(yōu)化。安全生產(chǎn)調(diào)度指揮平臺實現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)、應急指揮、經(jīng)營管理、決策分析、調(diào)度指令等業(yè)務管理，包括安全生產(chǎn)中心，實現(xiàn)對礦井各安全生產(chǎn)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成與日常安全生產(chǎn)調(diào)度；應急救援中心，具有平時演練與戰(zhàn)時救援功能，實現(xiàn)災害情況下的輔助應急救援流程化管理[1]；決策支持中心，應用安全、生產(chǎn)、經(jīng)營各類數(shù)據(jù)進行綜合分析，為企業(yè)安全生產(chǎn)決策提供依據(jù)。

業(yè)務展示層：利用一站式門戶平臺技術(shù)集成各應用系統(tǒng)，實現(xiàn)單點登錄與個性化界面等功能，通過可視化引擎實現(xiàn)礦井作業(yè)環(huán)境、生產(chǎn)過程、經(jīng)營管理的全方位、全視角的真實在線，滿足計算機終端、大屏幕顯示系統(tǒng)、移動終端的應用需求。

3.建設內(nèi)容

（1）構(gòu)建準確可靠的互聯(lián)傳感與執(zhí)行控制層

根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場的特殊環(huán)境，結(jié)合設備及子系統(tǒng)的特性，選用國內(nèi)外先進可靠的傳感器與執(zhí)行器或?qū)ΜF(xiàn)有傳感器進行改造升級，保證現(xiàn)場環(huán)境與生產(chǎn)工況感知的真實性及遠程控制的可靠性。針對作業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾源與傳播方式制定相關(guān)抗干擾措施。同時應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的自動識別、傳感、定位、網(wǎng)絡等感知技術(shù)，實現(xiàn)設備與設備之間、設備與執(zhí)行器之間的智能化識別接入[1]。

（2）建設高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路

地面通信網(wǎng)以礦井數(shù)據(jù)中心的核心機房為中心，通過光纜連接到各個建筑物的設備間，礦井骨干網(wǎng)采用控制環(huán)、視頻環(huán)的兩光纖環(huán)和調(diào)度語音通信一鏈路的“2環(huán)1鏈”模式，在井下與地面分別布置有線和無線接入點,滿足不同監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全、可靠接入需求。同時調(diào)度控制網(wǎng)與辦公網(wǎng)之間采用網(wǎng)閘實現(xiàn)有條件的互連，既滿足管理層掌握礦井實時生產(chǎn)安全信息的需求，又防止外網(wǎng)對控制網(wǎng)的攻擊及計算機病毒的傳播，保證控制網(wǎng)的安全。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)拓撲圖

（3）建設綜合管控平臺

建議基于生產(chǎn)作業(yè)工藝流程和生產(chǎn)過程優(yōu)化的協(xié)同控制平臺，改變現(xiàn)有單機控制模式，銜接好關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)的邏輯及閉鎖控制，同時配以遠程圖像與視頻智能診斷，實現(xiàn)對煤流工藝、通風流程、供電流程等的集中監(jiān)測、優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，動態(tài)調(diào)整上下游系統(tǒng)間能力匹配和啟停順序，達到“有人巡視、無人值守”，節(jié)約了能源進而保證生產(chǎn)過程安全高效[5]。

（4）實現(xiàn)設備在線故障診斷及危險源識別、災害預報警

內(nèi)部資本市場是在二十世紀六十年代后出現(xiàn)的一個新興的學術(shù)名詞，在美國第三次并購浪潮下一批大企業(yè)、大集團橫空出世，企業(yè)內(nèi)部資本市場的產(chǎn)生就是由于這些集團是企業(yè)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的。

采用設備故障在線檢測技術(shù)、點檢管理技術(shù)等手段，實現(xiàn)被控設備運行完好性的動靜態(tài)檢測，及時提醒管理人員處理設備潛在故障，防止設備帶病運行，為設備維修管理提供準確、可靠的依據(jù)，實現(xiàn)煤礦大型機電設備的科學化、規(guī)范化、系統(tǒng)化管理；應用多源數(shù)據(jù)的災害危險性評價體系，針對礦山海量異構(gòu)數(shù)據(jù)與多源復雜性，建立火災、水災、瓦斯突出等典型災害評價模型，實現(xiàn)對災害的危險性進行分級預警評價，實現(xiàn)對災害有效預防與監(jiān)管。

（5）三維礦山可視化的建設

應用礦山空間實體的優(yōu)化管理與建模方法，通過可視化引擎與模型驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)礦山固有信息如地面廣場、井下巷道、機電設備與安全生產(chǎn)過程動態(tài)信息的模擬示意、二三維一體聯(lián)動展示，提高監(jiān)測效率，縮短認知與決策時間，實現(xiàn)突發(fā)事件下的真實場景、真實數(shù)據(jù)和災情全方位再現(xiàn)，同時實現(xiàn)可視化的空間分析模型，包括水淹沒分析、火災模擬、通風仿真等。

（6）安全生產(chǎn)運營決策分析模塊的構(gòu)建

在數(shù)據(jù)中心基礎之上，抽取集團公司已建設的人力資源、企業(yè)資產(chǎn)、物資管理、運銷管理等經(jīng)營管理數(shù)據(jù)，綜合應用安全生產(chǎn)過程管理數(shù)據(jù)，通過清洗、過濾、關(guān)聯(lián)業(yè)務的數(shù)據(jù)融合與綜合分析，實現(xiàn)了諸如區(qū)域環(huán)境評估、多系統(tǒng)聯(lián)動、安全等級評價、KPI指標等決策分析主題，為企業(yè)安全生產(chǎn)運營提供決策依據(jù)[4]。

4.關(guān)鍵技術(shù)應用

（1）一站式門戶技術(shù)

利用門戶技術(shù)，實現(xiàn)礦井信息化平臺的單一認證通道，實現(xiàn)用戶、權(quán)限、資源的統(tǒng)一管理與認證，借助Portal與OAuth2.0認證技術(shù)實現(xiàn)一站式信息、應用集成、模塊化業(yè)務展示、單點登錄以及個性化工作界面等功能，滿足多級、多角色應用需求。對內(nèi)實現(xiàn)日常安全生產(chǎn)經(jīng)營等業(yè)務應用，對外實現(xiàn)通知公告、會議紀要等信息發(fā)布。

采用云計算技術(shù)，構(gòu)建過程管控和經(jīng)營管理兩個云計算數(shù)據(jù)中心。采用云計算，有效地整合安全生產(chǎn)與經(jīng)營管理網(wǎng)內(nèi)各獨立資源，構(gòu)建了面向全網(wǎng)的業(yè)務的部署和資源的調(diào)度，更高效地利用存儲設備和網(wǎng)絡資源，同時實現(xiàn)業(yè)務連續(xù)性 (容災備份)在私有云環(huán)境下的遷移，形成低能耗綠色可靠的數(shù)據(jù)中心。

（3）礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

煤礦物聯(lián)網(wǎng)涉及掘進機、采煤機、刮板輸送機、液壓支架、液壓泵站、轉(zhuǎn)載機、破碎機、帶式輸送機、提升機、電機車、膠輪車、通風機、水泵、壓風機、移動變電站、電氣開關(guān)、變壓器、監(jiān)控、通信等大量的機電設備生產(chǎn)、運輸、倉儲、使用、維護等全過程的監(jiān)管。建設感知礦山信息集成交換平臺，將安全生產(chǎn)、人員、設備、管理信息等復雜異構(gòu)信息在一個統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺存儲，建立設備之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了多傳感器信息、多系統(tǒng)之間在時間與空間上的識別、接入與聯(lián)動。

（4）信息綜合分析與決策

將煤礦企業(yè)中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進行有效的整合，分析相關(guān)聯(lián)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的環(huán)境參數(shù)、安全隱患、作業(yè)情況、人員分布、設備運轉(zhuǎn)情況等多個方面數(shù)據(jù)，支持構(gòu)成、趨勢、對比、環(huán)比、預算、預警等分析方法，以表格、圖形、儀表、智能報告等展現(xiàn)安全生產(chǎn)經(jīng)營相關(guān)的有用信息，為各級領(lǐng)導的決策過程提供服務[5]。

（5）智能移動技術(shù)

將移動通信技術(shù)、移動智能終端應用技術(shù)與原有信息化系統(tǒng)的結(jié)合,實現(xiàn)智能手機及平板電腦上的移動設備管理(MDM)、移動應用管理(MAM)和移動內(nèi)容管理(MCM)，有效地解決了礦井移動智能終端的安全、應用管理、統(tǒng)一配置、文檔分發(fā)等問題。通過調(diào)用移動監(jiān)控服務系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)服務,提供了安全監(jiān)測監(jiān)控、安全隱患、預警報警、視頻監(jiān)控、報表管理、人員定位與調(diào)度、通知與學習等業(yè)務應用,實現(xiàn)了對礦井”安、產(chǎn)、運、銷”等各環(huán)節(jié)信息的實時掌握。

5.總結(jié)

數(shù)字化礦山建設，有效實現(xiàn)了礦井全面感知、智能識別，應用空間三維技術(shù)實現(xiàn)了安全生產(chǎn)運營過程全方位集中監(jiān)視與綜合調(diào)度，構(gòu)建綜合管控平臺實現(xiàn)了安全生產(chǎn)系統(tǒng)的過程優(yōu)化與聯(lián)動控制[6]，集成經(jīng)營數(shù)據(jù)實現(xiàn)了關(guān)鍵生產(chǎn)運營指標全面分析與過程管控，為礦井精細化管理提供了支撐，同時促進本安型礦井的建設，在提高安全生產(chǎn)管理水平、保障職工人身安全的前提下最終達到監(jiān)、管、控一體化，為實現(xiàn)減人提效、安全管理、災害預防與礦山建設具有重大的意義[7]。

[1]李健.基于數(shù)字化礦山的全息化應急管理系統(tǒng)研究[J].山西焦煤科技,2013(09).

[2]尹玉杰.互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的煤礦數(shù)字化應用研究[J].煤炭技術(shù),2013(09).

[3]李晉,王海先.論數(shù)字化礦山建設[J].煤炭經(jīng)濟研究,2013(01).

[4]張杰.神華寧煤集團安全智能分析平臺建設構(gòu)想[J].工礦自動化,2012(09).

[5]魏永勇.論數(shù)字化礦山工業(yè)數(shù)據(jù)平臺的建立[J].科技創(chuàng)新導報,2011(07).

[6]朱超,吳仲雄,張詩啟.數(shù)字礦山的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(02).

[7]韓建國,楊漢宏等.神華集團數(shù)字礦山建設研究[J].工礦自動化,2013年03期.

科研院所項目（14GY001-01）。

韓安（1982－），男，陜西涇陽人，天地（常州）自動化股份有限公司，長期從事煤炭企業(yè)集團信息化產(chǎn)品研發(fā)及推廣工作。