煤礦智能化綜合管控平臺架構設計與應用

李慶振 吳敬建

（濟寧礦業集團有限公司，山東 濟寧 272073）

隨著物聯網與5G通信網絡技術的發展與普及，信息技術與制造業的融合程度逐步加深，各國參與工業互聯網發展的國際競爭日趨激烈。為搶抓新一輪工業革命機遇，我國正在加速發展與應用工業互聯網技術，構建數字驅動的工業新生態[1]，而智慧礦山建設理念的出現為確保煤礦行業在日益激烈的國際市場競爭中保持核心的競爭力、提高煤礦企業的信息化與智能化水平創造了理論基礎[2-3]。

我國在煤礦智能化建設方面進展迅速，在項目運營管理、資源分配、遠程監控等方面已經取得較為明顯的成果，但目前國內外在智慧礦山建設方面的研究并不成熟，許多煤礦企業都建設了綜合自動化平臺對各個自動監測監控、工業系統進行了集成，但這種集成僅是將原本獨立的系統進行了數據的集中展示，系統間聯動困難形成數據孤島，更無法進行深層次的挖掘分析[4-6]。基于此，通過研究工業互聯網理念與體系架構基礎，提出了基于“數據全面感知采集-數據寫入與標準化-模型算法耦合挖掘-大數據分析-智能綜合管控”理念的智慧煤礦綜合管控系統架構設計方案。根據此方案，在霄云煤礦已有工業互聯網基礎上進行了智能綜合管控平臺建設，為智慧煤礦建設與發展提供了參考。

1 智慧煤礦管控平臺架構設計

2018 年5 月1 日，國家標準《智慧煤礦信息系統通用技術規范》（GB/T 34679-2017）正式開始實施，標志著智慧煤礦概念開始以國家標準的形式落地推廣。

基于此規范，可將現今已經成熟的多種智能技術與煤礦生產建設中的方方面面進行深入融合，以數據標準化、網絡協同化、系統一體化和技術智能化為原則[3]，研發團隊提出了智慧煤礦綜合管控系統架構設計方案。

智慧煤礦綜合管控系統主體架構如圖1。該架構利用5G 技術、大數據中心、工業環網、北斗衛星導航定位網絡等構建智慧煤礦工業互聯網通信網絡，同時采用最新的互聯網安全技術防護，制定智慧煤礦工業互聯網安全管理規范，建立智慧煤礦工業互聯網安全運維體系，確保智慧煤礦工業互聯網安全可信運行。

圖1 智慧煤礦綜合管控系統主體架構設計

智慧煤礦綜合管控系統主體架構從下到上分為邊緣層、IaaS 層、管理服務平臺層、應用服務層四個層次。

第一層為邊緣層，通過對現場中的大范圍、深層次的數據進行采集，利用協議轉換技術，構建工業互聯網平臺的數據基礎。一是通過各類通信手段接入不同系統與設備，采集大量數據；二是依托協議轉換技術實現多源異構數據的標準化和邊緣集成；三是利用智能組件實現對底層數據的匯聚處理，并將數據向云端平臺集成。

第二層是IaaS 層，利用云基礎設施，基于虛擬化、分布式存儲、并行計算、負載調度等技術，實現計算機資源的池化管理，主要包含網絡、計算、存儲等方面，確保資源使用的安全與隔離，為用戶提供云基礎設施服務。

第三層是管理服務平臺層，基于通用PaaS 疊加大數據處理、工業數據分析、工業微服務等創新功能，構建可擴展的開放式云操作系統。一是通過通用PaaS 平臺進行資源部署與管理；二是利用大數據系統對煤礦現場數據進行篩選、標準化處理、管理、分析等；三是通過理論機理對大數據系統處理數據進行建模，或利用智能算法進行計算等，對智慧煤礦現場數據進行深入耦合挖掘與分析；四是借助微服務組件和工業應用開發工具構建應用開發環境。

第四層是應用服務層，結合煤礦行業的工作環境形成滿足該行業的工業SaaS 和工業APP，實現智慧煤礦行業的基本功能。

2 霄云煤礦智能綜合管控平臺建設

2.1 綜合管控平臺建設

霄云煤礦位于濟寧市霄云鎮境內，隸屬于濟寧礦業集團有限公司，核定生產能力90 萬t/a，服務年限41 a。霄云煤礦以子系統建設、網絡建設、數據中心建設為基礎，以平臺建設為中心，通過各類數據的全面感知和采集，構建大數據分析指標庫和知識庫，利用模型和算法的緊密耦合對數據深入挖掘，最終打造出智能化煤礦綜合管控平臺。

（1）子系統建設

為實現信息的綜合采集，同時完善各類子系統建設并接入大數據分析平臺，研發團隊按功能板塊劃分共接入生產類子系統14 個、管理類子系統11個、安全類子系統14 個，為智能綜合管控平臺的集中展示和輔助決策提供數據支撐。建設了綜合自動化系統，該系統囊括了水務管理系統、主副井提升監視系統、通風機監測系統、全礦井電力監控系統等，通過項目建設，實現了礦井大型機電設備在調度室集中監控，能夠遠程監控判斷故障、遠程操控設備啟停；通過統一的數據轉換程序，將雙防系統、礦壓地壓系統、微震監測系統、安全監控系統、人員精確定位等系統的數據進行標準化并交換寫入數據中心PostgreSQL 數據庫。

（2）網絡建設

智慧煤礦綜合管控平臺網絡建設中通過利用已建成的監測監控類工業環網、視頻監控和工控類工業環網進行井上下各子系統數據傳輸，以2 臺赫斯曼MACH4002 交換機為核心、以4 臺赫斯曼MSP40 交換機作為井上接入，以6 臺赫斯曼MSP40交換機作為井下接入，所有交換機均采用模塊化設計，使用冗余環形結構構建了萬兆工業環網，如圖2 所示。核心交換機與接入交換機均為三層交換機，具備路由功能、冗余功能、vlan 劃分功能，且系統能夠自診斷環網運行狀態，自愈時間＜50 ms。

圖2 工業環網冗余環形結構示意圖

（3）數據中心建設

平臺建設中使用6 臺服務器在計算、存儲、網絡三個維度上采用分布超融合架構構建了FusionCube 2000 數據中心，以FusionSphere 為核心，以軟件定義的方式整合包括虛擬化計算、軟件定義存儲以及虛擬網絡資源，具備硬件解耦能力。它是通過全分布式的架構促進計算、存儲、網絡、安全的IT 服務大融合，有助于提升系統可靠性與可用性，并具備易于擴展的特性。

基于上述子系統和數據中心建設，霄云煤礦將各子系統數據匯入數據中心，通過對各類數據的精準采集、網絡傳輸、規范存儲、空間時序分析，利用大數據分析技術，從不同維度對安全生產數據進行深度關聯分析，為霄云煤礦安全生產輔助決策提供科學依據，同時實現礦井安全生產數據的綜合顯示。大數據分析平臺分為智能調度一張圖、生產決策分析、安全決策分析、預警預報、AI 視頻分析等五大版塊，在平臺中可監控和掌握全礦的生產、安全情況以及預警預報的內容和執行的措施結果。例如基于已集成的安全、生產、管理各系統數據，通過對流程自動化配置與預報警模型融合，建立了礦井災害預報預警平臺，實現各類預警、報警的自動推送，推送內容包括預警信息、報警信息、故障處理流程等，同時實現PC端和移動端的同步定向推送。

2.2 綜合管控平臺功能模塊簡介

研發團隊采用B/S 架構建立了煤礦智能綜合管控平臺，整個平臺共分為7大智能化板塊，分別是“智能安全”“智能生產”“智能管理”“三維礦山”“一礦一圖”“多業務管控平臺”“大數據分析”。

其中智能安全板塊綜合集成井上下各類安全監控類子系統的集成監控，分為安全管理類、安全監控類、災害監控系統三大部分。智能管理板塊實現經營數據、績效數據、管理數據等實時展現，為經營決策提供參考，為經營管理提供依據，為生產提供數據。智能生產板塊對煤礦主要生產系統和輔助生產系統進行監測監控，以生產為主線，實現了對綜采工作面、主井煤流、礦井通風、電力監控等共計18 個生產類系統的數字化集成。三維礦山板塊服務于煤礦的地測、采掘、通防、安全、機電、監測、調度等多專業、多用戶的管理需求，在三維環境中實現動態數據查詢、數據共享、數據管理、協同工作等功能。

此外，一礦一圖板塊融合空間數據存儲、共享、更新，將采、掘、機、運、通、安等各專業整合在一個平臺上協同辦公；多業務管控平臺板塊通過各專業協同辦公，打破了專業壁壘、數據孤島，形成面向安全、生產、調度的協同管控平臺；大數據分析板塊是結合日常業務數據和實時性監測監控數據建立的安全動態診斷系統，是集安全決策、生產決策、預警報警、AI 視頻、智能調度于一體決策分析模型及可視化應用。

3 結論

（1）利用多種智能技術與工業互聯網技術相結合，提出了以數據標準化、網絡協同化、系統一體化和技術智能化為原則，基于“數據全面感知采集-數據寫入與標準化-模型算法耦合挖掘-大數據分析-智能綜合管控”理念的智慧煤礦綜合管控系統架構設計方案。

（2）智慧煤礦綜合管控系統主體架構從下到上分為邊緣層、IaaS 層、管理服務平臺層（工業PaaS）、應用服務層四個層次，設計了各層次包含的關鍵技術和主要功能。

（3）結合霄云煤礦現場實際情況，從子系統建設、網絡建設、數據中心建設三方面構建了霄云煤礦智慧礦山綜合管控平臺，以期為類似條件煤礦的智慧化建設與發展提供一定借鑒。