黃金智慧礦山大數據分析平臺研究與開發

王啟健，于 濤

(招金礦業股份有限公司大尹格莊金礦，山東 煙臺 265400)

數字化、信息化、無人化、智能化及綠色開采是目前礦山發展的主要方向。智慧礦山是信息產業和工業領域的一種先導性技術理念，是兩化融合在礦山行業內的具體體現[1]。智慧礦山集合了采礦技術、信息技術、通信技術、自動控制技術、物聯網技術、軟件技術、云計算、大數據等多項技術，是建立在礦山數字化基礎上的能夠完成礦山企業所有信息的精準適時采集、網絡化傳輸、規范化集成、可視化展現、自動化運行和智能化服務的數字化智慧體[2-3]。

大尹格莊金礦近年來積極開展礦山智能化建設，主要從礦井無人化智能裝備研制、無人值守智能選礦及尾礦回填關鍵技術研究、基于物聯網的井下環境感知與安全健康生產研究等方面進行基礎建設，在全面提升自動化的同時搭建了完整的礦山物聯網，同時利用大數據技術，逐步建立礦山大數據分析平臺，以期實現礦山生產與安全管理全方位的可視化集中監測或監控、數據挖掘、分析、診斷和決策，用于完成礦山各種感知信息的收集、加工和再利用，實現礦山的透明管理[4-6]。

1 基于物聯網的礦井通信體系建設

利用工業環網與無線網相結合方式，可實現礦山井上下網絡高速穩定傳輸[7]。大尹格莊金礦通信體系建設包括井上下1 000 M高速工業以太環網，同時利用無線網絡覆蓋全礦。

1.1 礦山工業環網

智慧礦山綜合管理平臺的主干網結構采用環形工業以太網。在井下工業以太環網的基礎上，可以實現井下人員定位管理系統、電網監測監控系統、水泵運行監測控制系統、主扇運行監控系統、工業環境監測系統、工業信號集控系統等相關系統數據的集中傳輸與管理。目前該系統包含工業環網交換機36臺，機柜31臺，光模塊81個，光纜22 000余米。

1.2 礦山無線通信網絡

礦用無線通信系統是基于工業以太網的井下通訊系統，以光纜為骨干，無線網絡為延伸，在井下設立若干基站，通過無線局域網絡覆蓋井下巷道，在井下建立有線與無線混合型的局域網。根據無線基站的覆蓋性能，設計在井下主要作業區域每隔500 m處安裝一個無線基站，實現井下主要作業區域的信號覆蓋。利用智能手機安裝對應APP可實現相互之間語音通信的功能，從而實現井上對井下的調度，能夠更準確、實時、快速地進行生產指揮、調度、搶險救災、安全救護、安全監測、移動數據傳輸。目前該系統主要包含AC控制器1臺，無線覆蓋基站86臺，光纜24 000余米，接入交換機12臺。部分終端設備在線運行狀態見表1。

2 平臺技術架構及數據管理

基于微軟的IoT服務平臺，構建一體化設備遠程監控管理應用平臺，通過現場智能網關設備采集數據，并通過IoT Hub將數據傳輸到微軟云平臺，通過Stream Analytics流分析系統進行數據過濾，利用Power BI的多數據源報表分析提供面向不同使用者的數據報表和可視化展示，并針對管理者、運維人員及用戶開發web版本等物聯網遠程監控應用。同時，擴展應用對于自動實時捕獲的來自各種資產設備的海量數據，包含位置信息、設備運行狀態信息、耗材消耗量等，利用Machine Learning及HD Isight進行大數據分析和洞察預測，實現基于物聯網平臺的智能分析功能。

大數據平臺提供可視化的存儲資源管理界面，通過Web UI界面操作HDFS、Hbase和Hive等組件，包括對HDFS文件目錄的增刪、查詢、上傳、下載等功能，對HBase的增刪表、列族的數據查詢編輯等功能，對Hive的建庫建表建分區、數據查詢、上傳、下載等功能。平臺中MPP數據管理是對Greenplum數據庫的管理，包括數據庫的增刪查、表的增刪改查、字段的增刪改查、分區的增刪查以及SQL編輯器。關系數據庫管理中包括了數據源連接的管理、數據表元數據的管理以及數據字典管理，同時平臺支持所有格式的數據文件上傳、存儲及下載瀏覽功能，支持常用數據的數據字典格式存儲、編輯、新增及刪除。平臺數據管理界面見圖1。

圖1 平臺管理界面Fig.1 Management interface

大數據平臺通過標準的SQL實現多數據源多異構數據的統一高效訪問，即基于數據湖為基礎，Big SQL可以讓用戶通過使用標準的SQL，訪問HDFS、Hbase和Hive中的數據。平臺采用高速MSSQL分布式存儲，以分區表的形式實現數據按時間存儲到不同的物理文件中，達到高速安全的便捷訪問。

3 大數據分析功能

在依托礦山物聯網的基礎上，搭建的黃金礦山大數據分析平臺包含排水、提升、選礦、通風、運輸、配電、充填、供風、水平衡、尾礦庫、六大系統、其它系統管理等多個分析模塊，同時平臺設置了系統管理和用戶管理兩個自定義模塊，便于平臺的維護。

3.1 排水系統模塊

礦區關鍵排水環節耗電多，分時用電效果顯著。目前排水系統有良好的自動化基礎，但缺乏對生產數據的有效分析及利用，難以有效輔助現場人員排水作業。引入大數據分析平臺，將排水系統大數據分析分為排水看板、排水詳情、開機時間統計、每日排水單價、效率統計分析、歷史數據綜合查詢、排水報表等多個分析維度，可進行數據深入挖掘與分析預測，將業務知識數字化、模型化，讓生產指導實時化。

排水看板是排水系統的集成展示，根據排水系統采集的自動化數據，統計排水量、能耗、排水時間、單耗、單價等數據，形成綜合性看板，方便管理人員快速掌握當前排水情況。排水看板界面見圖2。

圖2 排水看板Fig.2 Drainage system board

排水詳情可指定查詢某一日排水詳情，包括統計數據(排水量、尖峰平谷用電量、單價等)、運行工況(水泵啟停信息、井下水倉液位、井上選廠液位等)，為優化排水作業和減少排水費用提供數據支持。排水詳情查詢界面見圖3。

圖3 排水詳情Fig.3 Drainage system details

開機時間統計可統計每日各臺水泵單耗、平均排水量，指定查詢某段時間內的各水泵累計開啟時長，指導設備檢修。每日排水單價可瀏覽每日排水單價；效率統計分析模塊可瀏覽各水泵的單耗及排水量情況；歷史數據綜合查詢可查詢各水泵的電流、流量、軸溫、壓力歷史數據及水倉、選廠液位歷史數據；排水報表模塊可查詢日報表及月報表。排水系統大數據分析在保障礦山安全與選廠用水情況下，可實現平谷用電，節約電能消耗，提高水泵效率，優化生產與維保工作。

3.2 提升系統模塊

礦區已有的提升控制信號系統實現了自動化，但對提升機的提升效率缺乏有效分析。通過對提升機油壓、電流、速度、加速度、位置、提升量、能耗、軸溫、油品等數據進行監測，建立提升機運行數據模型，通過大數據分析實現提升機遠程監控與數據采集診斷，極大提升提升機的提升效率與維護水平。提升系統模塊主要從提升井提升量、提升速度分析、班組報表、提升日報表、鄂破運行時間、皮帶運行時間等多個分析維度分析。

根據各井提升工況，統計各提升井的提升量等數據，迅速掌握主井提升詳情，形成可查詢、可輸出的報表。各提升井每日提升情況見圖4。

圖4 提升看板Fig.4 Hoisting system board

提升系統主要數據(電流、速度、位置、油壓、溫度、加速度等)按1 s的頻率存入數據庫，數據庫采用MSSQL分布式存儲，以分區表的形式進行數據存儲。數據不會清空，支持高效快速的便捷查詢。根據歷史工況可詳細分析提升機狀況，為優化、診斷提供數據支持。通過長時間監測分析提升機運行電流、速度、位置、能耗變化情況，找出提升機提升效率、維護保養與故障規律，設計提升預知性維護。

3.3 選礦系統模塊

目前有較完備的自動化系統，并采集了一定的生產數據，但缺少對生產數據分析與指導，生產過程的優化控制多依賴人工經驗。引入大數據分析模型，形成破碎看板、每日破碎統計、破碎日報表 、料位查詢、球磨機工況、歷史數據綜合查詢、球磨機電流、加球報表、地磅日報表模塊等多個分析維度，發現能耗效率提升點，能夠自動控制并指導生產機制，指導工藝優化改造，提升工作效率。

根據自動化數據取得的數據，統計破碎量、選礦量、主要設備運行時間、噸礦單耗、噸礦費用、用電量比例等數據，形成綜合看板及報表，破碎看板界面見圖5。

圖5 破碎看板Fig.5 Crushing system board

破碎工段主要設備運行參數及主要指標存入數據庫，存儲周期30 s，歷史數據不會清空。根據歷史數據計算破碎效率、破碎做功等參數，點擊某日參數可跳轉到當日具體工況，具體分析當日主要設備做功、空轉、能耗等數據。破碎工段歷史數據查詢界面見圖6。

圖6 歷史數據綜合查詢Fig.6 Comprehensive query of historical data

3.4 其他生產、安全系統大數據分析與應用

通過大數據平臺，融合物資(設備)供應鏈系統、生產管理系統、項目管理系統、安全管理系統、地磅計量系統、化驗室系統等現有生產安全相關系統，可實現全礦信息化、數字化辦公，降低設備與物料庫存，讓數據流動起來，提高辦公效率，為礦山整體降本增效。

1)生產管理系統

通過前端數據采集將生產現場數據以日報、月報等形式向相關負責人進行展示，實現生產情況有效統計和監督，給管理決策提供直接的數據。集成生產系統中指定礦山填報的生產數據，包括采礦信息、選礦信息、品位信息等，形成綜合看板及各種日報、月報等。采礦月報界面見圖7。

圖7 采礦月報Fig.7 Monthly mining report

2)項目管理系統

實現項目進度與成本對比分析，通過評估項目進度、費用的綜合執行效果，量化地反映項目的進展情況。集成項目管理系統中可顯示指定礦山的項目招標、進度、管理、付款等信息，按月統計投資結算比例并形成項目清單。項目管理看板界面見圖8。

圖8 項目管理看板Fig.8 Project management board

3)安全管理系統

通過統計隱患整改率、安全檢查頻次、證照情況、安全績效考核等內容，實時展示礦山安全現狀。集成礦山雙體系安全管理系統，統計安全生產天數、隱患數、整改數、安全投入、證照管理(企業證照、施工隊證照、員工證照等)、員工職業檔案管理等功能，形成綜合看板，見圖9。

圖9 安全管理看板Fig.9 Safety management board

4 結論

構建的黃金智慧礦山大數據分析平臺可實現對采掘、運輸、提升、通風、排水、充填、選礦、尾礦處理等生產環節所涉及的影響礦山生產工藝指標、能耗、作業效率及成本費用等數據信息的采集，通過專題分析與大數據分析發現隱形問題，比如主井提升速度優化：通過數據采集分析發現主井提升機原先運行速度圖存在問題，減速不是平滑運行，通過數據分析提出優化改進方案，將速度圖優化后，每次提升時間縮短20多秒，縮短1/9時間，效率與能耗也相應提高。