大型礦山智慧礦山應(yīng)用場景的分析

王光睿

（天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引言

礦山是經(jīng)濟社會發(fā)展重要的物質(zhì)來源之一，其安全生產(chǎn)水平直接影響著金屬礦產(chǎn)、能源礦產(chǎn)、水汽礦產(chǎn)等行業(yè)的發(fā)展。隨著智能化、數(shù)字化、信息化時代的到來，多項技術(shù)的融合與發(fā)展，為智慧礦山提供了多種應(yīng)用場景。因此，探究大型礦山智慧礦山的數(shù)據(jù)分析能力、數(shù)字化水平，對促進礦山行業(yè)安全穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 大型礦山智慧礦山發(fā)展現(xiàn)狀

在全球工業(yè)轉(zhuǎn)型的背景下，我國為更好的迎接工業(yè)新發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，于2015年提出“智能制造2025”并重點實施“兩化”融合戰(zhàn)略，進而加快了工業(yè)數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化的進程，使得智慧礦山建設(shè)成為礦山開采、安全生產(chǎn)的重要選擇。2020年3月4日，提出的“新基建”內(nèi)容為傳統(tǒng)經(jīng)濟向數(shù)字經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的重要動力，其中最重要的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項目成為國家經(jīng)濟優(yōu)化、外部競爭力增強的關(guān)鍵選擇。在建設(shè)智慧礦山時，大量的人工操作被智能礦巖分析、智能運輸分析、智能設(shè)備檢測等取代，實現(xiàn)了礦山生產(chǎn)各階段數(shù)據(jù)的綜合分析、調(diào)度。但是智慧礦山發(fā)展面臨著數(shù)據(jù)匯聚不足、傳輸能力不足、應(yīng)急響應(yīng)滯后、智能決策不足、傳感器精度差等問題，所以有必要結(jié)合5G技術(shù)對基于GIS+BIM模式的智慧礦山進行優(yōu)化，以此實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的深度學習與智能分析，為大型礦山智慧礦山提供更多可操作的應(yīng)用場景。

2 智慧礦山構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

智慧礦山正向全聯(lián)動、全融合推進，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、智能化，而且還可實現(xiàn)管理的精細化、信息化。智慧礦山的構(gòu)建需要從基礎(chǔ)搭建、頂層設(shè)計兩方面進行研究，以此全面實現(xiàn)萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)融合、全息感知、業(yè)務(wù)聯(lián)動與智能決策。

2.1 基礎(chǔ)搭建

2.1.1 5G+技術(shù)生態(tài)圈

將5G技術(shù)與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進行充分融合，以此充分發(fā)揮出5G技術(shù)的功能與作用，通過一系列技術(shù)創(chuàng)新，打造出的5G技術(shù)生態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦生產(chǎn)的智能化發(fā)展，推進傳統(tǒng)礦山行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進程。在搭建的5G技術(shù)生態(tài)圈中，煤礦信息可從感知向智能操作轉(zhuǎn)變，進而為各領(lǐng)域行業(yè)發(fā)展提供強大的動力，促使關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的進一步完善。搭建的5G技術(shù)生態(tài)圈如下圖所示[1]。

圖1 5G技術(shù)生態(tài)圈

2.1.2 數(shù)字化構(gòu)建

傳統(tǒng)智慧礦山的研究側(cè)重生產(chǎn)技術(shù)以及智慧設(shè)備、采掘機械的開發(fā)，在智慧設(shè)備、智慧機器人的輔助下高效完成煤礦生產(chǎn)任務(wù)，但是在管理決策層面存在一定不足，針對多領(lǐng)域應(yīng)用的GIS+BIM智慧礦山，運用5G技術(shù)對數(shù)據(jù)處理、態(tài)勢感知、管理決策等環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，以此實現(xiàn)集成化管理的無人礦山。GIS+BIM智慧礦山中的GIS重在表達與煤礦工程相關(guān)的自然環(huán)境信息，BIM則重在表達煤礦項目施工中的各種詳盡信息。因此，利用GIS將地下空間環(huán)境中的二維信息轉(zhuǎn)變?yōu)槿S信息，利用BIM對礦井廠房、采掘、運輸、通風等系統(tǒng)中的管線構(gòu)建起相應(yīng)的三維模型，并在GIS中得以呈現(xiàn)，同時運用5G技術(shù)保障調(diào)度、計劃、設(shè)計等智慧系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，為數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析提供智能化的模式，以此推進智慧礦山的數(shù)字化生產(chǎn)與集成化管理。

2.1.3 統(tǒng)一管理技術(shù)

優(yōu)化后的大型礦山智慧礦山的統(tǒng)一管理技術(shù)主要是運用公有云與私有云之間的關(guān)系進行信息協(xié)作、共享。主要是在智慧礦山原有計算任務(wù)的基礎(chǔ)上，運用混合云技術(shù)提升計算的靈活性，最大程度保留煤礦生產(chǎn)中的安全監(jiān)控信息、運輸控制信息，進而保證集成化管理無人礦山的可靠性。混合云技術(shù)中的私有云技術(shù)主要是將企業(yè)門戶、辦公OA、ERP等日常發(fā)布的信息進行統(tǒng)一部署，然后發(fā)布在公有云上，為智能礦山的大數(shù)據(jù)中心、智能管控平臺、綜合調(diào)度平臺等提供可行的專屬通道，進而建立起有關(guān)煤礦生產(chǎn)、運輸?shù)慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)倉庫平臺，為后續(xù)智能管理決策提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 頂層設(shè)計

2.2.1 基于云端一體化的管控模式

互聯(lián)網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)在快速發(fā)展的5G技術(shù)推動作用下，數(shù)據(jù)存儲、分流以及大數(shù)據(jù)分析等功能能夠有效滿足各領(lǐng)域行業(yè)發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)延時的要求，通過無線網(wǎng)絡(luò)邊緣的就近處理計算，可從根本上滿足煤礦生產(chǎn)智能控制、安全監(jiān)控、綜合管控的需求。基于云端一體化的管控模式中，數(shù)據(jù)分析、控制服務(wù)下沉到終端設(shè)備端之后，AI預警分析模型會在第一時間響應(yīng)計算資源需求，在云端完成相關(guān)處理后輸出最佳解決方案。大數(shù)據(jù)中心與邊緣計算的有機融合，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

2.2.2 基于微服務(wù)架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計

煤礦生產(chǎn)的信息化平臺已經(jīng)從原有的應(yīng)用框架轉(zhuǎn)變成面向服務(wù)的SOA架構(gòu)的微服務(wù)架構(gòu)，微服務(wù)架構(gòu)采用輕量級通信機制來實現(xiàn)業(yè)務(wù)的服務(wù)化與去中心化，進而有效提升平臺開發(fā)、部署以及功能交付的高效性。運用微服務(wù)架構(gòu)的智能礦山可將復雜的應(yīng)用拆分為若干個可服務(wù)的業(yè)務(wù)，并運用5G技術(shù)促進系統(tǒng)轉(zhuǎn)變、升級，框架的不斷優(yōu)化進一步提升了智慧礦山的服務(wù)性能，對集約化管理具有重要意義。

2.2.3 基于“一張圖”的分析決策

GIS+BIM在5G技術(shù)生態(tài)下，能夠基于云端一體化的管控模式以及微服務(wù)架構(gòu)的系統(tǒng)，運用云計算、視覺以及多維度作業(yè)場景為智慧礦山管理決策提供多種分析模型，徹底解決多維數(shù)據(jù)待融合、系統(tǒng)更新不及時、管理不協(xié)調(diào)等問題。其中，多維度作業(yè)場景智能決策分析模型能夠保證生產(chǎn)、監(jiān)管、設(shè)計等業(yè)務(wù)的智能化實現(xiàn)，促使一體化管理進一步落實。一體化管理運作過程中，會將采集到的信息傳輸至業(yè)務(wù)集成系統(tǒng)，并在微服務(wù)架構(gòu)下進行智能態(tài)勢分析，包括總體態(tài)勢、區(qū)域監(jiān)控、運行維護等方面突發(fā)事件的智能決策，通過及時維護與管控保證安全、環(huán)境、能耗與系統(tǒng)運營質(zhì)量要求相符[2]。

3 大型礦山智慧礦山主要應(yīng)用場景

3.1 智能探測

大型礦山中的煤炭安全生產(chǎn)與開采前的地質(zhì)探測工作密切相關(guān)，5G技術(shù)與傳感技術(shù)、信息技術(shù)、探測技術(shù)、智能裝備技術(shù)的深度融合，促使技術(shù)跨越式發(fā)展，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、信息、知識三個層面的透明化管理。在智能探測場景下，主要是運用BIM信息與GIS技術(shù)對主要采掘設(shè)備的數(shù)據(jù)進行實時上傳，并隨著采掘的進行實時更新人機協(xié)同管理平臺中的數(shù)據(jù)，在后臺三維點云模型的支持下，降低由于礦井下光線差、環(huán)境單一等帶來的圖像融合難度，進一步提高了相關(guān)模型的建設(shè)效率與精度，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供強有力的保障。

3.2 智能掘進

我國有關(guān)大型礦山的智能掘進技術(shù)一直受到采掘工作面環(huán)境復雜的限制，在一定程度上制約了煤礦生產(chǎn)效率的提升，為滿足智能礦山建設(shè)要求，將5G技術(shù)與態(tài)勢感知、智能分析、遠程操作相結(jié)合，針對掘進中的截割、支護、裝運等環(huán)節(jié)，進行掘進工藝、設(shè)備升級等關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化，并在原有掘進系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運用軟件功能模塊、控制算法等實現(xiàn)了錨桿的自動化鉆裝，從根本上解決了各生產(chǎn)任務(wù)連續(xù)作業(yè)中存在的問題，導航偏差控制在10cm以內(nèi)，形成的精截割斷面精度為0-10cm，在很大程度上減少了煤礦巷道開采的人數(shù)，保證了生產(chǎn)人員的安全。

3.3 智能開采

智慧礦山中的智能開采本身就是一種對專業(yè)技術(shù)要求較高的前沿技術(shù)，智能開采的實現(xiàn)涉及到智能設(shè)備、地質(zhì)探測、大數(shù)據(jù)融合等，通過多種技術(shù)的集成與融合，在5G技術(shù)生態(tài)圈中能夠?qū)Χ喾N實時作業(yè)場面進行智能化推演，并運用4D透明地質(zhì)構(gòu)建技術(shù)處理作業(yè)環(huán)境中復雜的信息，深度分析各學習語境中的智能化技術(shù)。與此同時，結(jié)合開采工作面配套智能化技術(shù)、自動控制技術(shù)、協(xié)同推進技術(shù)等，對煤礦生產(chǎn)中的工作面進行遠程控制、一體化管理，最終實現(xiàn)了采煤機的多級聯(lián)動控制，并為集約化管理功能的實現(xiàn)奠定了堅實基礎(chǔ)[3]。

3.4 智能通風

基于GIS+BIM管控模型，融入5G技術(shù)之后，能進一步夯實人員定位、信息融合的基礎(chǔ)，通過大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的運算，將礦井通風數(shù)據(jù)進行整合，以此滿足日常通風、應(yīng)急通風等設(shè)計的需求。此外，智慧礦山還能夠利用傳感器實時采集礦井內(nèi)的通風數(shù)據(jù)，對滿足相關(guān)規(guī)程的通風設(shè)施進行調(diào)度，然后在計算機中心以及智能“中樞神經(jīng)”模塊的作用下，引導智能通風軟件對礦井內(nèi)的通風穩(wěn)定性進行跟進，以此有效控制風量風速，有效避免煤礦生產(chǎn)發(fā)生災(zāi)情。此外，系統(tǒng)能夠逐級遞進災(zāi)害風險特征，從而支撐抗災(zāi)軟件的深度分析與評價，對提升大型礦山智慧礦山實用價值具有重要意義[4]。

3.5 智能調(diào)度

智能調(diào)度主要是利用物聯(lián)網(wǎng)、廣播媒體等技術(shù)對煤礦日常生產(chǎn)中的海量數(shù)據(jù)信息進行傳輸，拓展5G生態(tài)圈中智能調(diào)度的范圍，并在智能設(shè)備與系統(tǒng)的支持下，保證日常安全生產(chǎn)、應(yīng)急管理、指揮調(diào)度等順利進行。智能調(diào)度包括電力、人員、監(jiān)控、通訊、機車等多方面，運用無線、廣播、有線等設(shè)備對分站間的工作數(shù)據(jù)進行備份，以此支持分級組網(wǎng)的運行[5]。智能礦山一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，就會多方面調(diào)度組網(wǎng)中的設(shè)備，并對災(zāi)情特征進行識別，通過相關(guān)調(diào)度來完成異常情況的及時處理。智能調(diào)度不僅能夠支持某一專業(yè)或場所的場景運行，還支持綜合調(diào)度系統(tǒng)的運行，對煤礦生產(chǎn)安全、高效進行具有重要意義。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對大型礦山智慧礦山應(yīng)用場景的探究，徹底解決了原有信息化平臺數(shù)據(jù)匯聚不足、傳輸能力不足、應(yīng)急響應(yīng)滯后、智能決策不足、傳感器精度差等問題，確保智能化、數(shù)字化技術(shù)貫穿于煤礦生產(chǎn)始終，對保證煤礦生產(chǎn)安全性具有十分重要的現(xiàn)實意義。