李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用

王 鵬

（潞安集團(tuán)李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046600）

1 概述

目前，煤礦安全高效礦井系統(tǒng)的機(jī)械化程度達(dá)到90%以上，單機(jī)自動(dòng)化也日趨完善，建成了一批千萬(wàn)噸級(jí)礦井群，也開(kāi)發(fā)了初級(jí)的多系統(tǒng)數(shù)字礦山綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[1]。然而，目前煤礦總體的信息化程度還相對(duì)不高，生產(chǎn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)和信息還無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效關(guān)聯(lián)，沒(méi)有“智慧的大腦”對(duì)所有子系統(tǒng)實(shí)施協(xié)調(diào)、聯(lián)控，因而生產(chǎn)的過(guò)程控制、設(shè)備健康管理、安全風(fēng)險(xiǎn)防控、生態(tài)環(huán)保等都還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的管控[2]。

在這種形勢(shì)下，結(jié)合李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)現(xiàn)狀，針對(duì)安全生產(chǎn)設(shè)備故障診斷、能耗分析、安全生產(chǎn)動(dòng)態(tài)診斷等實(shí)際需求，利用大數(shù)據(jù)手段對(duì)礦井安全生產(chǎn)進(jìn)行智能化提升，更好的服務(wù)于安全生產(chǎn)調(diào)度指揮與決策。智慧化礦山的建立及實(shí)現(xiàn)，能為整個(gè)礦區(qū)的安全生產(chǎn)、高效運(yùn)行和高經(jīng)濟(jì)效益提供重要保障。

為此，在滿(mǎn)足相關(guān)文件資料要求情況下，十分有必要對(duì)李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)建設(shè)。

2 智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)是基于礦山云數(shù)據(jù)中心的開(kāi)放式、可擴(kuò)展的智慧礦山內(nèi)核與操作系統(tǒng)，屬于智慧礦山的重要組成部分。向下實(shí)現(xiàn)各種感知數(shù)據(jù)的接入，向上為智慧礦山APP 開(kāi)發(fā)提供服務(wù)和工具，自身內(nèi)置GIS 平臺(tái)、GIM 時(shí)空一張圖平臺(tái)、組態(tài)化平臺(tái)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)綜合服務(wù)平臺(tái)、設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)、后端即服務(wù)平臺(tái)、工作流引擎、BI 及報(bào)表工具、礦山大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)[3]。智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)主要由感知執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)層（MOS）和智能應(yīng)用APP 層（AppStore）組成。其系統(tǒng)的架構(gòu)見(jiàn)圖1。整個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境要求： 需要9 臺(tái)虛擬機(jī)，分別部署視頻服務(wù)器1臺(tái)，服務(wù)器2 臺(tái)，應(yīng)用服務(wù)器2 臺(tái)，數(shù)據(jù)采集及推送服務(wù)器2 臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器2 臺(tái)；CPU：Intel（R）Xeon（R）CPUE5-2650v4@2.60GHz/8 核；內(nèi)存：16G；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量按1T/年設(shè)計(jì)。

圖1 智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)整體架構(gòu)

3 智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

在多種合作模式下，各類(lèi)產(chǎn)品之間的技術(shù)棧、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各子系統(tǒng)之間無(wú)法進(jìn)行有效互通，這為各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入帶來(lái)極大的阻力[4]。將礦山數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一接入智能網(wǎng)關(guān)，能極大程度的簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)接入的這個(gè)“痛點(diǎn)”和“難點(diǎn)”。

智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)包括礦山各類(lèi)智能設(shè)備、傳感器的協(xié)議解析、各類(lèi)信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化輸出等關(guān)鍵技術(shù)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。具備的相關(guān)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(yīng)用層/傳輸協(xié)議：HTTP、FTP、AMQP、TCP、UDP 等。

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

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

（5）支持JavaScript 腳本的執(zhí)行與編輯。

（6）支持節(jié)點(diǎn)編輯。

（7）可以在任意節(jié)點(diǎn)查看輸出結(jié)果。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 組態(tài)化平臺(tái)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的組態(tài)化平臺(tái)支持全面的組態(tài)化開(kāi)發(fā)和應(yīng)用界面與業(yè)務(wù)邏輯的快速組態(tài)化構(gòu)建，能夠滿(mǎn)足各類(lèi)智慧礦山應(yīng)用的功能與性能需要。平臺(tái)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(wù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)模塊、API 網(wǎng)關(guān)等功能模塊[5]。本平臺(tái)采用分布式集群部署方式，可做到水平擴(kuò)展，打破其它組態(tài)軟件的單機(jī)局限性，滿(mǎn)足礦方基于一個(gè)系統(tǒng)可管理所有子系統(tǒng)的能力。對(duì)全礦區(qū)建設(shè)有全方位了解，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)管無(wú)死角，既解決了以前每個(gè)子系統(tǒng)由一個(gè)人員負(fù)責(zé)的分散管理模式，又解決了數(shù)據(jù)融合在統(tǒng)一平臺(tái)，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(jiàn)。另外，通過(guò)以上技術(shù)機(jī)構(gòu)，平臺(tái)服務(wù)可支持個(gè)性化設(shè)備模型的構(gòu)建，能夠編輯設(shè)備的圖片、設(shè)備監(jiān)測(cè)的參數(shù)、報(bào)警閾值等。組態(tài)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)邏輯結(jié)構(gòu)圖和拓?fù)潢P(guān)系組態(tài)化編輯界面見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 組態(tài)化平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)

圖4 拓?fù)潢P(guān)系組態(tài)化編輯界面

3.3 設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)

當(dāng)前，煤礦各科室，如地質(zhì)、測(cè)量、通風(fēng)、機(jī)電、采掘、技術(shù)等科室均是通過(guò)相互拷貝圖形、定期生成交換圖或ftp 共享圖形的方式來(lái)實(shí)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(shí)等情況，導(dǎo)致效率低下[6]。因此，有必要在整個(gè)智慧礦山建立過(guò)程中，設(shè)計(jì)一套設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)。設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)是以GIM 時(shí)空“一張圖”，采用一個(gè)數(shù)據(jù)中心（空間數(shù)據(jù)中心）、一個(gè)事務(wù)處理平臺(tái)（內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(quán)限管理等于一體的協(xié)作平臺(tái)）為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)礦井各專(zhuān)業(yè)信息統(tǒng)一管理和動(dòng)態(tài)更新。設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)將提供包括空間數(shù)據(jù)管理、權(quán)限管理、專(zhuān)題圖層管理、數(shù)據(jù)訂閱與發(fā)布等內(nèi)置功能，為各專(zhuān)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(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.4 礦山全維度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊設(shè)計(jì)

礦山全維度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊屬于礦山大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)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(jì)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(gòu)成了礦山大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。整個(gè)模塊主要由： 數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)總線(xiàn)、Storage Service、元數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)關(guān)系管理等組成，而數(shù)據(jù)接入層可實(shí)現(xiàn)不同樣式和類(lèi)型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入；數(shù)據(jù)總線(xiàn)可對(duì)接入數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)主體進(jìn)行管理；Storage Service 能支持Nosql，RMDB、Meta DB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理； 元數(shù)據(jù)管理負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理。全維度數(shù)據(jù)管理模塊框架見(jiàn)圖6。

圖6 全維度數(shù)據(jù)管理模塊框架

4 控制系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

在完成李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)建立后，針對(duì)李村煤礦實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)此操作系統(tǒng)平臺(tái)中的區(qū)域安全監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了井下區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、人員情況、視頻、廣播等領(lǐng)域的集成監(jiān)控，并通過(guò)AI 視頻分析技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)人值守。同時(shí)，整個(gè)井下區(qū)域的工作效率、系統(tǒng)管理水平、事故應(yīng)急響應(yīng)及救援能力得到顯著提升，也實(shí)現(xiàn)了主運(yùn)輸系統(tǒng)的節(jié)能降耗、減少了膠帶及電機(jī)等設(shè)備磨損損耗，運(yùn)行效果顯著，驗(yàn)證了此操作系統(tǒng)平臺(tái)的可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)一套有針對(duì)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(tái)，是提高井下安全管理水平、礦井突發(fā)事件應(yīng)急救援、應(yīng)急響應(yīng)能力的重要基礎(chǔ)。為此，開(kāi)展了李村煤礦智能化程度的提升設(shè)計(jì)，包括對(duì)李村煤礦智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井安全隱患智能感知與安全生產(chǎn)動(dòng)態(tài)診斷，直接服務(wù)于李村煤礦安全生產(chǎn)指揮與決策。該研究對(duì)保障企業(yè)的生產(chǎn)效率及井下作業(yè)安全起到重要支撐作用。