煤礦智能化綜采工作面管理平臺設計

邢呈呈

(中國煤炭科工集團 常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

近些年，煤礦綜采工作面自動化控制技術有了一定的發展，其中德國MARCO、天地瑪珂等企業在工作面智能控制方面都取得了較大進步，在智能控制技術和成套裝備智能水平的帶動下，煤機裝備自動化、智能化方面的整體技術在進步，為建設大型現代化礦井提供了保障，有力地推動了我國煤炭工業的轉型升級[1-3]。黃陵煤業集團開展的綜采工作面遠程自動化控制技術研究，已能實現較薄與中厚煤層智能化開采，實現了有人巡視無人作業、地面生產常態化的自動化安全高效生產綜采工作面。但由于綜采工作面生產過程對動作順序、精準性、敏捷性等要求相對較高，一方面現有針對生產過程監控和管理又面臨著設備控制方式分散的問題，往往不能很好地實現設備間快速、準確的配合，不能充分發揮設備性能，造成生產效率不高[4-5];另一方面，現有的工作面綜合自動化系統是以過程化控制為核心，與生產過程脫節，沒有高效實時地實現信息集成和互通，無法為生產管理者提供決策依據和建議[6]。基于此，本文利用信息技術手段，借助“互聯網+”和智能化技術，提出了煤礦智能化綜采工作面管理平臺設計思路，旨在實現綜采工作面采煤信息共享化和移動實時高效化。

1 智能化綜采工作面管理平臺架構設計

智能化綜采工作面管理平臺的設計主要為解決煤礦智能化管理平臺的數據采集、數據存儲、數據分析與應用3個主要需求[7]，平臺的設計主要遵循煤礦開采行業制定的業務數據規范和標準，基于大數據信息模型，結合具體的業務和數據的分析處理需求，完成煤礦開采數據規范和數據標準設計，整合開采核心數據，構建統一完整的大數據視圖，以此實現煤礦開采數據資源的統一管理和利用，為后期全生命周期的數據資源和數據資產流程管理和標準設計打下堅實的基礎。總體架構設計分為數據源、智能化綜采管理平臺、云服務平臺以及移動應用四個層次，總體架構設計如圖1所示。

圖1 智能化綜采工作面管理平臺總體架構

如圖1的總體設計所示，智能化管理平臺將是一個開放的樞紐平臺和數據總線，可以為設計、開發和運行現有的和未來出現的各種開采應用系統提供統一的數據規范、數據存儲方式和訪問方式，以及統一的開采大數據計算分析功能和平臺支撐。通過智能化綜采管理平臺將礦井綜采信息整合到一起，礦井的信息化建設過渡到智慧應用階段，可以實現更透徹的感知、全方位的聯通、高度智能化。

2 智能化綜采工作面管理平臺功能設計

智能化綜采工作面管理平臺需要具備4個主要功能,即:

1) 數據采集和存儲功能。智能化綜采平臺實現對信息化設備，通過自定義通訊實現對綜采自動化監控系統、有害氣體監測系統的數據采集、本地存儲，并將數據過濾處理，多層加密后發布到云服務平臺。平臺需建立實時庫和工業庫本地存儲，以及云數據庫存儲功能，綜采數據通過智能化管理平臺處理、加工、過濾、整理，以統一的形式發送給云數據庫，云服務平臺對云數據庫進行主從分布式數據庫管理和負載平衡管理，使用分布式系統，可做到數據容災保護，更為數據分析提供穩定可靠的數據源基礎。

2) 關鍵數據移動監測功能。通過移動客戶端(手機、平板電腦、礦用移動終端)實現監測綜合工況預覽、綜采工作面關鍵信息、一鍵啟動記錄、違規操作記錄、故障匯總、操作匯總和有害氣體監測情況。在移動端即時反映自動化設備數據，通過動畫，圖表等形式對監控數據展示，便于領導、技術管理人員、崗位職工進行實時監控。

3) 平臺綜合管理功能。針對智能化綜采的生產工作進行管理，通過任務模板的制訂高效分配任務和任務推送機制，并通過班次模板快速反饋匯報工作內容，實現技術管理人員、崗位職工及時反映工作情況，做到企業精細化管理。通過知識庫的分享，提高職工的綜合水平，從而更進一步地提高生產效率。平臺的系統管理宜通過移動端和Web端分權限進行管理操作，方便技術人員和管理人員集中高效地進行系統管理。

4) 數據分析功能。針對智能化綜采生產工作的設備運行工況，根據運行參數和數據分析算法，實現在生產前預判設備狀態，生產中實時進行系統自診斷，檢查當前各設備的控制狀態、傳感器、通訊狀態等是否正常，同時根據生產工藝對設備進行生命周期算法分析。通過研究工作面開采效能和安全指標評價體系，建立數據模型。開發智能開采高效連續推進決策系統和安全評估決策系統，最終構建智能開采大數據采集分析處理平臺。

3 智能化綜采工作面管理平臺關鍵技術

智能化管理平臺基于工業化組態架構，通過該平臺開發的綜采自動化、智慧礦山等信息項目的應用，擔負著數據采集、通信、計算、存儲、顯示及監控邏輯的定制、控制設備動作等重要任務，是系統實時監控、數據分析、數據云發布、云服務數據采集轉換及存儲的中樞[8-9]。平臺設計和建設過程當中，需重點解決以下3個關鍵技術。

1) 基礎數據獲取技術。實現從設備到生產、排查、應急、預警、運維管理、運輸、用戶等生產全過程自動監測與感知，對獲取的海量數據實時監測并及時上傳，是實現智能化管理平臺的基礎。

2) 基礎數據管理技術。包括關系型和非關系型數據管理技術、數據融合和集成技術、數據抽取技術、數據清洗和過濾技術，具體是指礦山數據ETL(Extract，Transfer和Load，即提取，轉換和裝載)、礦山數據統一公共模型等技術。系統內置的ETL服務子系統與配置工具，支持從文件、DB、數據流中導入數據。

3) 功能模塊化設計技術。針對現場多樣的需求變更，需要加強各種系統間的協作，必須能夠及時響應功能需求的變更，在項目工程組態時，設計、實現組態圖形畫面、變量、設備和腳本等，是一項繁雜耗時的工作。所以通過提供豐富的模塊化功能，復用已有組態工程的內容，將組態工程中經常使用到的設備、變量、腳本、畫面等工程組態內容，分別生成模板，生成模塊化組態單元，從而在構建新項目時可以從模板快速生成設備、變量、腳本、圖形畫面等。在此過程中，用戶只需要按照向導做些簡單配置和變量、字符串替換等工作，就可以快速創建工程組態，大大提高工作效率。

4 結論

通過從綜采工作面自動化控制技術發展的需求入手，分析了智能化開采的現狀，指出了現有綜采工作面設備間配合度較差，效率低的問題。分析認為，現有的工作面綜合自動化系統是以過程化控制為核心，與生產過程脫節，沒有高效實時地實現信息集成和互通，無法為提供決策依據的問題。基于此，提出了煤礦智能化綜采工作面管理平臺設計思路。

從數據采集、數據存儲、數據分析與應用3個主要需求入手，設計了智能化綜采工作面管理平臺架構，提出了智能化綜采工作面管理平臺應具備的4個主要功能。針對現有的系統的設計方案，提出了需要解決基礎數據獲取、基礎數據管理和功能模塊化設計3個關鍵技術。