智慧礦山系統(tǒng)工程與關(guān)鍵技術(shù)探討

滑 舸

（江西省自然資源廳國土資源交易中心技術(shù)部，江西 南昌 330025）

目前智慧礦山已經(jīng)大幅減少了礦難事故，但仍有很多不便之處，所以智慧礦山的系統(tǒng)工程與技術(shù)依然值得探討。

1 智慧礦山的建設(shè)意義

（1）智慧礦山的相關(guān)概念與發(fā)展歷程。智慧礦山在2009年就已由溫家寶總理提出，類似的又有自動化礦山、數(shù)字礦山、感知礦山等諸多提法。其實，這些提法所指的內(nèi)容基本上是一致的，只不過根據(jù)當(dāng)時的技術(shù)發(fā)展、普及水平而各有側(cè)重。礦山起初開啟的是自動化建設(shè)，從單機(jī)自動化開始，逐漸升級為個別生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化，直到建成了工業(yè)以太網(wǎng)、綜合集成的自動化平臺，成為數(shù)字化的礦山；接著，我國礦山發(fā)展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，礦山有了感知災(zāi)害風(fēng)險、設(shè)備健康狀況、礦工周圍安全的能力，成為了感知礦山；2018年的《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》又將數(shù)字礦山的四維地理信息，感知礦山的泛在網(wǎng)、分布式感知，以及大數(shù)據(jù)、云計算、計算機(jī)軟件及網(wǎng)絡(luò)、虛擬化等技術(shù)整合進(jìn)來，以實現(xiàn)傳感感知、自動控制、數(shù)據(jù)通信、智能決策等功能[1]。此外，礦山所在的企業(yè)也需要包括財務(wù)管理等經(jīng)營管理功能的智慧決策系統(tǒng)平臺。

（2）智慧礦山的現(xiàn)存問題與不足。①缺乏數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。建設(shè)智慧礦山，必然涉及礦山中的許多數(shù)據(jù)，但是種類繁多的智慧礦山系統(tǒng)之間并沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)描述、存儲格式、分類編碼、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、傳輸協(xié)議、通信接口、信息集成方式等方面都有較大差異[2]，這就導(dǎo)致各個智慧礦山系統(tǒng)無法充分共享數(shù)據(jù)。②缺乏多專業(yè)交叉集成平臺。智慧礦山涉及多個專業(yè)門類，既有礦山中需要的采礦、地測、安全、機(jī)電、通信、管理，也有企業(yè)經(jīng)營管理中需要的管理、財務(wù)、決策支持，等等。然而，各個智慧礦山系統(tǒng)的廠家往往只專注于自家擅長的領(lǐng)域，管理機(jī)械的只管機(jī)械，監(jiān)測環(huán)境的只管環(huán)境，管理人員的只管人員，管理財務(wù)的只管財務(wù)，導(dǎo)致各專業(yè)的數(shù)據(jù)無法整合利用，不能幫助采礦企業(yè)做決策[3]。③輕視軟件開發(fā)。以煤炭行業(yè)的信息化礦山建設(shè)為例，投資中的70%用于硬件，而軟件只得到了20%的投資。這種輕視軟件開發(fā)的情況難以滿足礦山實際生產(chǎn)中的需求。④缺乏總體規(guī)劃。我國大型礦山企業(yè)往往分為集團(tuán)總部、各分公司、各礦井3個層級，其信息化建設(shè)中用到的系統(tǒng)十分零散，存在大量重復(fù)投資；而且各個系統(tǒng)互不兼容，導(dǎo)致數(shù)據(jù)停留在各個子系統(tǒng)中，組成了一個又一個的“信息孤島”。

（3）監(jiān)測參數(shù)不足。智慧礦山必須具備感知能力，然而傳感器價格較高，很難在所有環(huán)節(jié)、所有設(shè)備上安裝；而且傳感器需要維護(hù)保養(yǎng)，否則就會提供錯誤的數(shù)據(jù)或警報。作為補(bǔ)充，礦山中還有監(jiān)控視頻、監(jiān)控音頻、人工數(shù)據(jù)，但是不同類型的數(shù)據(jù)缺乏整合分析。

2 智慧礦山的系統(tǒng)工程

（1）系統(tǒng)設(shè)備層。智慧礦山系統(tǒng)首先要感知、采集數(shù)據(jù)，因此智慧礦山系統(tǒng)的最底層應(yīng)包括與礦山生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)過程監(jiān)測相關(guān)的各種傳感器、監(jiān)控視頻、監(jiān)控音頻，比如粉塵、煙霧、水、氣等的監(jiān)測設(shè)備，為智慧礦山提供原始數(shù)據(jù)；另一方面，這也是執(zhí)行各類操作的地方，因此也有包括掘進(jìn)、開采、機(jī)電、探測等設(shè)備的綜合自動化系統(tǒng)。由此可見，設(shè)備層在智慧礦山中關(guān)乎礦山人員的安全，是非常重要的一層。

（2）傳輸與匯接層。智慧礦山的原始數(shù)據(jù)，都需要經(jīng)無線、有線的網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸?shù)椒治鎏幚頂?shù)據(jù)主機(jī)或機(jī)房，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸層應(yīng)覆蓋整個礦山。主機(jī)接到數(shù)據(jù)后，需要處理各個類型的接入方式、接入?yún)f(xié)議。比如，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)用消息隊列遙測傳輸處理，傳統(tǒng)工業(yè)自動化設(shè)備的數(shù)據(jù)用Modbus和OPC處理，而自定義ETL組件或開源工具Sqoop可以處理文本類型的以及傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，等等。最后，Hadoop分布式文件系統(tǒng)可以用來保存這些數(shù)據(jù)。保存時，應(yīng)區(qū)分非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)分析層。由于智慧礦山中的數(shù)據(jù)量非常大，而且結(jié)構(gòu)各不相同，需要多種數(shù)據(jù)分析方法、分析組件，所以，可以增加基于Docker技術(shù)的容器層，從而在統(tǒng)一基礎(chǔ)計算平臺中同時運行多種異構(gòu)分析業(yè)務(wù)應(yīng)用。其上，大規(guī)模并行處理之類的數(shù)據(jù)分析工具（比如Teradata、Greenplum）能夠處理高密度價值的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；Hadoop框架的上層組件Hive、Impala能夠分析半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；而實時流計算工具Storm、Spark Streaming能夠處理測控數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)可視層。智慧礦山系統(tǒng)應(yīng)能夠用表格、統(tǒng)計圖等多種方式展現(xiàn)數(shù)據(jù)，并且針對其中的異常數(shù)據(jù)發(fā)出警報，以便礦山管理人員利用。礦山管理人員一般不懂得編程，因此數(shù)據(jù)的提取和查詢、報表的制作都應(yīng)盡可能簡單、可視化，還可以以三維技術(shù)、虛擬現(xiàn)實的形式展現(xiàn)。

（5）決策控制層。智慧礦山的最后一層應(yīng)能指揮礦山生產(chǎn)的所有環(huán)節(jié)，所以功能有應(yīng)急救援、應(yīng)急演練、調(diào)度指揮通信、經(jīng)營管理決策，等等。本層可應(yīng)用人工智能技術(shù)，不斷學(xué)習(xí)管理人員針對各種情況的決策，從而向管理人員推薦決策、預(yù)計決策的效果。

3 探討智慧礦山的關(guān)鍵技術(shù)

（1）三維激光掃描技術(shù)。測繪技術(shù)可用于建立三維礦山模型，因此是智慧礦山建設(shè)的重要技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)能夠高精度、高分辨率、自動化、非接觸、實時、完整地掃描實物，在空間狹小昏暗的礦井巷道中非常實用，可以實現(xiàn)三維立體化的礦區(qū)管理、地下管理，準(zhǔn)確了解礦山工程進(jìn)度，重現(xiàn)礦井人員的真實位置，實現(xiàn)井下智能無人開采；還能更精確地監(jiān)測礦山變形，預(yù)報災(zāi)害，保障人員安全[4]。

（2）建筑信息模型技術(shù)。建筑信息模型（BIM）技術(shù)可用于各類工程的設(shè)計與管理。在智慧礦山中，BIM能夠指導(dǎo)、調(diào)整生產(chǎn)中的人員、設(shè)備安排，論證采掘、通風(fēng)、運輸、照明、排水方案，快速計算各方案的可行性與所需投資，統(tǒng)計工程量；還能建立模型，預(yù)演災(zāi)害，減少地下災(zāi)害事故。

（3）異構(gòu)業(yè)務(wù)承載技術(shù)。智慧礦山中不同的設(shè)備有不同的數(shù)據(jù)格式，需要同時運行多種數(shù)據(jù)分析組件，因此需要異構(gòu)業(yè)務(wù)承載技術(shù)，即一個承載容器，如Docker。容器層之上對應(yīng)著各應(yīng)用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，對內(nèi)封裝著不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)和操作，下面則統(tǒng)一管理基礎(chǔ)計算資源。由此可見，這種技術(shù)從邏輯上將各種處理功能打包起來了，相互隔離，互不影響，卻又共享計算資源。

4 結(jié)語

智慧化的熱潮已經(jīng)在各行各業(yè)掀起來了。未來，礦山的作業(yè)中，一線作業(yè)人員將越來越少，礦山會越來越安全，采礦會越來越高效。