李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)平臺的應用

王 鵬

（潞安集團李村煤礦，山西 長治 046600）

1 概述

目前，煤礦安全高效礦井系統(tǒng)的機械化程度達到90%以上，單機自動化也日趨完善，建成了一批千萬噸級礦井群，也開發(fā)了初級的多系統(tǒng)數(shù)字礦山綜合自動化系統(tǒng)[1]。然而，目前煤礦總體的信息化程度還相對不高，生產過程中的各種數(shù)據(jù)和信息還無法實現(xiàn)有效關聯(lián)，沒有“智慧的大腦”對所有子系統(tǒng)實施協(xié)調、聯(lián)控，因而生產的過程控制、設備健康管理、安全風險防控、生態(tài)環(huán)保等都還沒有實現(xiàn)最優(yōu)化的管控[2]。

在這種形勢下，結合李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)現(xiàn)狀，針對安全生產設備故障診斷、能耗分析、安全生產動態(tài)診斷等實際需求，利用大數(shù)據(jù)手段對礦井安全生產進行智能化提升，更好的服務于安全生產調度指揮與決策。智慧化礦山的建立及實現(xiàn)，能為整個礦區(qū)的安全生產、高效運行和高經(jīng)濟效益提供重要保障。

為此，在滿足相關文件資料要求情況下，十分有必要對李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)平臺進行升級建設。

2 智慧礦山操作系統(tǒng)平臺總體方案設計

智慧礦山操作系統(tǒng)平臺是基于礦山云數(shù)據(jù)中心的開放式、可擴展的智慧礦山內核與操作系統(tǒng)，屬于智慧礦山的重要組成部分。向下實現(xiàn)各種感知數(shù)據(jù)的接入，向上為智慧礦山APP 開發(fā)提供服務和工具，自身內置GIS 平臺、GIM 時空一張圖平臺、組態(tài)化平臺、實時數(shù)據(jù)綜合服務平臺、設計協(xié)同平臺、后端即服務平臺、工作流引擎、BI 及報表工具、礦山大數(shù)據(jù)分析平臺[3]。智慧礦山操作系統(tǒng)平臺主體結構主要由感知執(zhí)行層、網(wǎng)絡傳輸層、智慧礦山操作系統(tǒng)平臺層（MOS）和智能應用APP 層（AppStore）組成。其系統(tǒng)的架構見圖1。整個操作系統(tǒng)平臺運行環(huán)境要求： 需要9 臺虛擬機，分別部署視頻服務器1臺，服務器2 臺，應用服務器2 臺，數(shù)據(jù)采集及推送服務器2 臺，數(shù)據(jù)庫服務器2 臺；CPU：Intel（R）Xeon（R）CPUE5-2650v4@2.60GHz/8 核；內存：16G；數(shù)據(jù)存儲容量按1T/年設計。

圖1 智慧礦山操作系統(tǒng)平臺整體架構

3 智慧礦山操作系統(tǒng)平臺關鍵子系統(tǒng)設計

3.1 智能網(wǎng)關設計

在多種合作模式下，各類產品之間的技術棧、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式缺乏統(tǒng)一標準，各子系統(tǒng)之間無法進行有效互通，這為各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入帶來極大的阻力[4]。將礦山數(shù)據(jù)標準化統(tǒng)一接入智能網(wǎng)關，能極大程度的簡化了數(shù)據(jù)接入的這個“痛點”和“難點”。

智能網(wǎng)關技術包括礦山各類智能設備、傳感器的協(xié)議解析、各類信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)標準化輸出等關鍵技術，其拓撲結構見圖2。具備的相關功能如下：

（1）支持適配工業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)議：OPC DA、OPC UA、Modbus、OSIsoft PI 等。

（2）支持應用層/傳輸協(xié)議：HTTP、FTP、AMQP、TCP、UDP 等。

（3）數(shù)據(jù)庫支持：所有關系行數(shù)據(jù)庫以及流行的非關系行數(shù)據(jù)庫。

（4）數(shù)據(jù)格式的轉換：支持csv、json、xml 以及自定義格式的轉換。

（5）支持JavaScript 腳本的執(zhí)行與編輯。

（6）支持節(jié)點編輯。

（7）可以在任意節(jié)點查看輸出結果。

圖2 智能網(wǎng)關拓撲結構

3.2 組態(tài)化平臺設計

所設計的組態(tài)化平臺支持全面的組態(tài)化開發(fā)和應用界面與業(yè)務邏輯的快速組態(tài)化構建，能夠滿足各類智慧礦山應用的功能與性能需要。平臺框架模塊包括組態(tài)配置子系統(tǒng)、配置中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務、業(yè)務系統(tǒng)模塊、API 網(wǎng)關等功能模塊[5]。本平臺采用分布式集群部署方式，可做到水平擴展，打破其它組態(tài)軟件的單機局限性，滿足礦方基于一個系統(tǒng)可管理所有子系統(tǒng)的能力。對全礦區(qū)建設有全方位了解，實現(xiàn)了監(jiān)管無死角，既解決了以前每個子系統(tǒng)由一個人員負責的分散管理模式，又解決了數(shù)據(jù)融合在統(tǒng)一平臺，為數(shù)據(jù)分析和使用提供可能，各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)分析清晰可見。另外，通過以上技術機構，平臺服務可支持個性化設備模型的構建，能夠編輯設備的圖片、設備監(jiān)測的參數(shù)、報警閾值等。組態(tài)化平臺實現(xiàn)技術邏輯結構圖和拓撲關系組態(tài)化編輯界面見圖3、圖4。

圖3 組態(tài)化平臺邏輯結構

圖4 拓撲關系組態(tài)化編輯界面

3.3 設計協(xié)同平臺

當前，煤礦各科室，如地質、測量、通風、機電、采掘、技術等科室均是通過相互拷貝圖形、定期生成交換圖或ftp 共享圖形的方式來實現(xiàn)圖形文件的交換與共享，致使出現(xiàn)信息不全，更新不及時等情況，導致效率低下[6]。因此，有必要在整個智慧礦山建立過程中，設計一套設計協(xié)同平臺。設計協(xié)同平臺是以GIM 時空“一張圖”，采用一個數(shù)據(jù)中心（空間數(shù)據(jù)中心）、一個事務處理平臺（內置數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、上傳下載、沖突管理、數(shù)據(jù)訂閱、數(shù)據(jù)發(fā)布、版本管理、權限管理等于一體的協(xié)作平臺）為設計基礎，實現(xiàn)礦井各專業(yè)信息統(tǒng)一管理和動態(tài)更新。設計協(xié)同平臺將提供包括空間數(shù)據(jù)管理、權限管理、專題圖層管理、數(shù)據(jù)訂閱與發(fā)布等內置功能，為各專業(yè)科室的圖形數(shù)據(jù)上傳、下載更新、數(shù)據(jù)共享、版本控制等提供的協(xié)同工具。設計協(xié)同平臺的結構見圖5。

圖5 設計協(xié)同平臺結構

3.4 礦山全維度數(shù)據(jù)存儲管理模塊設計

礦山全維度數(shù)據(jù)存儲管理模塊屬于礦山大數(shù)據(jù)分析平臺的重要組成部分，與系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)融合模塊、數(shù)據(jù)資源計算功能模塊、大數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)可視化模塊等共同構成了礦山大數(shù)據(jù)分析平臺。整個模塊主要由： 數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)總線、Storage Service、元數(shù)據(jù)管理、業(yè)務關系管理等組成，而數(shù)據(jù)接入層可實現(xiàn)不同樣式和類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入；數(shù)據(jù)總線可對接入數(shù)據(jù)按照業(yè)務主體進行管理；Storage Service 能支持Nosql，RMDB、Meta DB 的數(shù)據(jù)存儲和管理； 元數(shù)據(jù)管理負責數(shù)據(jù)和業(yè)務管理。全維度數(shù)據(jù)管理模塊框架見圖6。

圖6 全維度數(shù)據(jù)管理模塊框架

4 控制系統(tǒng)運行效果分析

在完成李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)平臺建立后，針對李村煤礦實際應用過程中，通過此操作系統(tǒng)平臺中的區(qū)域安全監(jiān)控，實現(xiàn)了井下區(qū)域內的環(huán)境參數(shù)、人員情況、視頻、廣播等領域的集成監(jiān)控，并通過AI 視頻分析技術的應用，實現(xiàn)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的無人值守。同時，整個井下區(qū)域的工作效率、系統(tǒng)管理水平、事故應急響應及救援能力得到顯著提升，也實現(xiàn)了主運輸系統(tǒng)的節(jié)能降耗、減少了膠帶及電機等設備磨損損耗，運行效果顯著，驗證了此操作系統(tǒng)平臺的可行性。

5 結語

設計一套有針對性的、符合井下區(qū)域使用需求的智慧礦山操作系統(tǒng)平臺，是提高井下安全管理水平、礦井突發(fā)事件應急救援、應急響應能力的重要基礎。為此，開展了李村煤礦智能化程度的提升設計，包括對李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)平臺進行總體方案設計及關鍵子系統(tǒng)進行設計，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術，實現(xiàn)礦井安全隱患智能感知與安全生產動態(tài)診斷，直接服務于李村煤礦安全生產指揮與決策。該研究對保障企業(yè)的生產效率及井下作業(yè)安全起到重要支撐作用。