智慧礦山頂層架構設計及其關鍵技術

卓貴賢

（山西壽陽潞陽祥升煤業有限公司，山西 壽陽 045400）

作為生產、生活的重要支撐，礦山資源開采在現階段非常普遍。合理開發、利用礦山資源日漸成為了社會的焦點問題。數字化礦山系統無法實現礦山開采系統的穩定、安全、有序運行，智能化、高效化的礦山建設系統（即智慧礦山）應運而生。智慧礦山旨在改變低效、單一、危險的傳統礦山運營方式，是礦山發展的前沿領域。

1 智慧礦山及其特征

所謂智慧礦山，就是以礦山信息化以及礦山數字化為基礎，對礦山技術支撐、礦山生產流程、礦山后勤保障等進行自主感知、自主分析、自主處理的礦山建設工程。智慧礦山建設是集礦山智慧安全系統、礦山智慧技術系統、礦山智慧生產系統以及礦山智慧保障系統為一體的建設工程。智慧礦山有三種主要特征：第一，感知透徹化。智慧礦山系統可以不分時間、不分場合充分利用智慧設備進行信息的感知、捕獲、測量以及傳遞，擁有更為廣泛的應用。智慧礦山的感知技術比傳統技術的感知技術更為透徹，主要表現在兩個方面：

1）智慧礦山擁有更為全面的感知技術，在傳統感知儀器（比如監控視頻、傳感器等）的基礎上，發展了許多更為先進的感知儀器（比如GPS實時定位、手持移動終端以及無限射頻識別標記等）。

2）第一，智慧礦山的感知客體覆蓋面更為廣闊，不僅涉及礦山井下巷道、風速、水速、低壓的實時數據，還包括工作設備、工作人員的信息。智慧礦山的高覆蓋感知面使得礦山管理工作者以及礦山管理系統更為全面地掌握礦山情況，便于下一步的工作部署。第二，互聯面更為全面。地面、井下以及礦山施工單位之間的聯系水平直接關系到礦山系統管理水平。在傳統礦山工作系統中，施工單位主要應用對講機、監控視頻以及有線電話進行信息的傳遞與交流，但因為單一的信息交流方式傳遞效率低下，不能系統化地協調礦山工作的各個環節。智慧礦山在物聯網技術的支持下，建立起高效、實時且準確的信息交流平臺。礦山管理系統與礦山管理工作者可以實時監控并掌握礦山工作的運行狀況與井下狀況，以便及時發現安全隱患、排除設備故障，提高礦石開采率，規避風險。

3）智慧礦山的智能化更加深入。智慧礦山系統的先進儀器以及先進技術可以有效洞悉井下工作狀態，以保證礦山工作者的人身安全和對礦山工作的有序開展。礦山工程的井下工作流程是一個動態變化的系統，危險性極高且危險源難以被掌控。為有效保證礦山工作者的人身安全和對礦山工作的有序開展，礦山管理層不僅需要加大對井下危險源的排查力度和監測力度，也要加大對智能化分析系統的資金投入。雙重保證可以實時監測井下環境現狀，并及時將監測結果反饋給礦山管理工作者以及礦山管理系統，以便采取進一步的措施。現階段的井下檢測系統功能單一、相互對立，監測力度相對薄弱，監測效果不好，只有有效集成每種檢測系統的可取之處，構建一個現代化的智慧礦山體系，統籌規劃，才能向自動化、智能化、高效化靠近。

2 智慧礦山頂層架構設計

智慧礦山頂層架構設計工作要基于一定的建設原則，才能進行有效的架構設計，將其劃分為兩步進行詳述：

2.1 建設原則

智慧礦山建設是一個系統性工程，必須遵循全局規劃、分步實施的建設要求，向可靠性、開放性、實用性以及前瞻性靠近。

1）標準先行的建設原則。首先，在總結傳統礦山建設經驗的基礎上，結合礦山管理要求，采用數據規范化以及開發規范化等規范化措施，實現礦山作業系統間的信息共享和規范集成的目標；然后，基于礦山開采工作的現狀，研究前沿理論、使用前沿技術、采用前沿管理，遵循規范化原則，綜合考慮業務邏輯、技術服務以及數據運營等，制定接口標準化、架構標準化以及數據標準化的詳細方案；最后，付諸于實踐，并在實踐過程中不斷完善智慧礦山建設的具體工作流程。

2）先進性的建設原則。隨著智能化的時代特征不斷凸顯，人們對智慧礦山的智能化要求也在逐步提高。礦山企業應當積極主動應用人工智能的先進理論與前沿技術，保證礦山系統的先進性、安全性以及可靠性，提升礦山系統工程的智能化水準。

3）一體化的建設原則。智能化系統是一個綜合系統，包含眾多子系統、專業系統以及硬件管理。各系統建設要滿足系統建設的精簡要求，規避冗雜的功能模塊。

4）網絡協同的建設原則。在進行礦業工作時，應當綜合協同管理網絡，構建系統性、統一性的訪問接口，以便適應不同類型接口的網絡通信協議。

5）分步作業的建設原則。智慧礦山綜合了多種學科，集管控系統、決策系統、數字系統于一體。由于其復雜性，系統應當分步建設。在任務分配過程中，從項目總體要求出發，分解任務，從底層逐步向中層、高層遞進。

6）安全性的建設原則。安全永遠是工程的第一位。智慧礦山建設中的安全問題同樣不容忽略，包含了網絡安全、設備安全以及應用安全等多層次安全要求。

2.2 基本架構設計（見圖1）

圖1 智慧礦山架構圖

在進行智慧礦山基本架構設計時，要在礦山開采流程中融入智能傳感器。這些智能傳感器可以詳細并且全面地掌握礦山井下的設備運行情況以及人員作業狀況。智能傳感器與信息數字化組成的傳感網可以實現對礦山環境的全方位監控，收集到的信息與通訊系統相互連接可以實現“人機互話”，物聯網以及互聯網的結合可以實現信息整合，最后借助云計算預測并分析礦山運行情況，以便更好地部署礦山工作。

3 智慧礦山關鍵技術

智慧礦山工程主要包括三大關鍵技術：礦山物聯網技術、礦山大數據技術以及礦山決策支持技術。礦山物聯網技術在礦山感知方面擁有卓越的解決能力，在數據搜集方面表現突出，采集的全面數據為智慧礦山工程的構建提供了數據來源。智慧礦山數據紛繁復雜，涉及測繪、財務、地質、設備等方面，數據形式有文字、圖形、表格等。RFID讀寫器、智能傳感器、激光掃描儀等智能設備構建的礦山物聯網可動態感知礦山狀態、拓展數據采集途徑。礦山大數據技術在感知環境變化、防范危險隱患方面表現卓越。礦山大數據技術在監控音頻數據、人工數據以及傳感器數據的支持下，實現對數據的全面搜集，進而構建大數據分析平臺。礦山決策支持技術在處理故障設備、化解危險事故、生成應急預案、動態更新救援方案方面表現力極高。智能決策技術包含三個方面：

1）在礦山工作者的技術支持下，建立集礦山生產、礦山設備維修、礦山設備保養、礦山安全管理于一體的礦山知識數據庫，自動診斷并及時響應危險情況。

2）現實與虛擬相結合，仿真模擬應急救援現場、人員疏散現場等，擴充礦山知識數據庫。

3）基于礦山本體，構建礦山知識圖譜，保證礦山的安全、有序生產。

4 結語

本文剖析了智慧礦山特征，在此基礎上，為智慧礦山頂層架構設計提供了參考意見。智慧礦山可實現全面感知、全面預測、安全管理，在傳感器技術與智能信息響應技術的支持下，智能礦山必將引領礦山技術的創新領發展，為礦山智能化、信息化發展提供有力支撐。