某鐵礦自動化生產(chǎn)信息平臺的設(shè)計與應(yīng)用

許丹

（河鋼集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦）

河北省石人溝鐵礦第3 期開采工程建成并投入生產(chǎn)運營，同時設(shè)計安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，各系統(tǒng)從軟件到硬件均互相獨立運行，由于都需要通訊和數(shù)據(jù)傳輸，因此存在大量的重復(fù)建設(shè)，而各系統(tǒng)所建網(wǎng)絡(luò)所采用的技術(shù)、產(chǎn)品選型和規(guī)格等都各不相同，所選設(shè)備和具體的建設(shè)施工上與井下環(huán)境不相符，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)通信鏈路的性能低，制約了更多應(yīng)用的擴展和集成。另一方面由于各系統(tǒng)未進行必要的整合，未實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通，限制了各個系統(tǒng)功能的發(fā)揮，從而不能為生產(chǎn)提供高價值的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和工作指導(dǎo)，使得現(xiàn)有各個系統(tǒng)完全相互獨立，不能實現(xiàn)功能互補，從而不能發(fā)揮出最大的效能［1-5］。

存在上述問題的原因是欠缺綜合集成化的統(tǒng)一平臺，對監(jiān)測監(jiān)控、井下人員定位、視頻監(jiān)控以及聯(lián)絡(luò)通信4 個子系統(tǒng)進行協(xié)同管理調(diào)度。依據(jù)工信部《原材料工業(yè)兩化深度融合推進計劃（2015-2018年）》的指導(dǎo)要求，礦井采用物聯(lián)網(wǎng)、云計算（IaaS）及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，將石人溝鐵礦各個獨立系統(tǒng)進行融合，建立混合型智能生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、數(shù)值模擬和二維碼識別等技術(shù)，搭建具備人員、設(shè)備、工藝、物料、能源等要素的自動識別、信息共享、自發(fā)協(xié)作、集約調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，來實現(xiàn)井下采礦作業(yè)過程動態(tài)可調(diào)可控，增強企業(yè)的安全生產(chǎn)管理能力［6-15］。

1 設(shè)計方案

1.1 訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)

在地表總控制室增加1 套統(tǒng)一通信網(wǎng)關(guān)和1 套保安配線設(shè)備，用于承載全礦通信與上游運營商的對接和地表辦公區(qū)域的有線電話。在第3 期副井井口機房、斜坡道配電室、動力作業(yè)區(qū)和南山聯(lián)通局端機房設(shè)置4 套IAD 設(shè)備及相關(guān)配套設(shè)備（包括配線柜和UPS），其中副井口和斜坡道口2 套IAD 用于井下通信雙回路和采礦、提升、充填等區(qū)域通信；動力作業(yè)區(qū)IAD 負(fù)責(zé)本作業(yè)區(qū)、選礦、碎礦、地勘、銷售等單位的通信；南山局端IAD負(fù)責(zé)南山區(qū)域的通信。無線通信可使用人員定位終端，通過已經(jīng)覆蓋的WiFi 鏈路與機房統(tǒng)一通信網(wǎng)關(guān)互聯(lián)，從而實現(xiàn)無線通信與有線通信的無縫銜接。機房設(shè)置的統(tǒng)一通信網(wǎng)關(guān)與運營商的T1 中繼線路對接，從而實現(xiàn)自動總機和內(nèi)部電話與公網(wǎng)電話的互通。

1.2 人員定位系統(tǒng)

1.2.1 定位系統(tǒng)機房擴容

通過增加網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器，便于對擴容后的現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施（AP、交換機、統(tǒng)一通信網(wǎng)關(guān)）進行管理；增加虛擬化管理服務(wù)器，用于增加計算資源，為擴容后的人員定位系統(tǒng)和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)提供計算能力；增加存儲服務(wù)器，對機房現(xiàn)有和新增的計算資源存儲容量實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

將GIS 地理信息系統(tǒng)技術(shù)和iBeacon 藍牙通信技術(shù)相結(jié)合，使用iBeacon 藍牙信標(biāo)代替原有RFID射頻進行定位，應(yīng)用于井下人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)井下人員實時準(zhǔn)確定位（圖1）。當(dāng)定位標(biāo)簽脫網(wǎng)后，利用手持搜索儀的定位模塊和APP 軟件完成定位，再通過WIFI 無線信號，接入工業(yè)以太網(wǎng)向地面系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

1.2.2 基于RSSI的人員定位算法設(shè)計

定位系統(tǒng)采用RSSI 測距方法，利用定位基站天線接收到信號強弱來計算測定信號點與接收點的距離。通過將“測距離”變更為“定比例”，在井下復(fù)雜環(huán)境中，定位需求得到較好應(yīng)用。

軟件設(shè)計流程如圖2 所示，通過定位標(biāo)簽向iBeacon 基站定時發(fā)送代表工作人員身份的UUID 碼和地址信息，iBeacon 基站接收到定位標(biāo)簽的無線信號后，開始計算來自同一定位標(biāo)簽的RSSI 均值，通過RSSI 算法將無線信號換算成距離值，從而來確定定位標(biāo)簽粗略位置；與較近距離的多個基站采集的節(jié)點信息進行組合分析，通過一次三邊定位算法算出定位標(biāo)簽的位置，將定位標(biāo)簽的位置信息進行集合，計算出平均值，采用差分修正法進行修正，確定定位標(biāo)簽所處的準(zhǔn)確位置。

iBeacon 基站采用“之”字形擺放方式布置，以確保在任意位置周圍至少可以檢測到3 個iBeacon 基站的信號，保證定位標(biāo)簽無線信號的接收和定位算法的精度。

1.2.3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)的主通信方式，由最基層的定位標(biāo)簽、iBeacon基站、千兆以太環(huán)網(wǎng)、上位機服務(wù)器、遠程數(shù)據(jù)端等組成。專用搜索儀計算井下人員位置信息，藍牙無線信號將數(shù)據(jù)發(fā)送給iBeacon基站，基站連接進入井下千兆級的工業(yè)以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)實時傳送至地面服務(wù)器，由融合程序界面顯示定位信息，并將數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。在經(jīng)過廣域網(wǎng)，遠端的終端設(shè)備上也可隨時隨地訪問本系統(tǒng)，即時查看人員位置信息及相關(guān)數(shù)據(jù)，以達到人員實時定位的目的。

該系統(tǒng)及時準(zhǔn)確地將井下作業(yè)人員實時動態(tài)信息傳輸?shù)骄险{(diào)度控制室，調(diào)度管理人員直接掌握井下人員及設(shè)備的分布情況，作業(yè)人員的運動軌跡及作業(yè)時長，從而實現(xiàn)合理調(diào)度指揮作業(yè)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備由系統(tǒng)服務(wù)器、監(jiān)控主機、監(jiān)控分站、交換機、直流穩(wěn)壓電源、斷電控制器以及各類傳感器（包括溫度、風(fēng)速、差壓、甲烷、二氧化碳、二氧化氮、一氧化碳、硫化氫、氧氣、風(fēng)向風(fēng)速、機電設(shè)備開停、風(fēng)門位置等）組成。監(jiān)測系統(tǒng)軟件基于win10 環(huán)境平臺開發(fā)，采用My SQL 數(shù)據(jù)庫存儲方式，具有Web 聯(lián)網(wǎng)功能，便于隨時調(diào)取實時運行數(shù)據(jù)。原監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)使用獨立專門的軟硬件解決方案，雖然能提供聯(lián)網(wǎng)查詢功能，但監(jiān)測系統(tǒng)與電控系統(tǒng)獨立運行，不能真實、全面地反映通風(fēng)系統(tǒng)的運行狀況。因此，集控系統(tǒng)與Web 服務(wù)器之間需要有一套通信協(xié)議或接口，本次系統(tǒng)改造使用IBM 開發(fā)的MQTT 即時通訊協(xié)議，將集控系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)上傳至代理系統(tǒng)服務(wù)器，并通過二次開發(fā)的Web 服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)可視化，數(shù)據(jù)的各個屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式進行顯示，實現(xiàn)從不同維度對數(shù)據(jù)分析研判，從而對井下實時數(shù)據(jù)進行更深入廣闊的分析。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在調(diào)度室和動力作業(yè)區(qū)中控室設(shè)置視頻監(jiān)控終端，井下水泵房、配電室、通風(fēng)機站、避災(zāi)硐室、運輸皮帶、主要巷道岔口和工作面設(shè)置視頻監(jiān)控攝像儀。將井下主要場所的攝像儀的通信信號通過光纖接入千兆以太環(huán)網(wǎng)中，電源由獨立開關(guān)電源提供，視頻實時顯示畫面由地面監(jiān)控室大屏進行分割顯示，遠程終端計算機也可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行分享，可實現(xiàn)重要設(shè)備運行狀態(tài)和重點現(xiàn)場環(huán)境的視頻信息的記錄和實時查看。電子封條系統(tǒng)可實現(xiàn)對重要位置的實時情況進行異常報警及突發(fā)狀況的預(yù)報，可以及時對異常狀況制定應(yīng)對措施。

3 系統(tǒng)集成及功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將各系統(tǒng)進行匯聚，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享后通過各基礎(chǔ)系統(tǒng)的變成接口或數(shù)據(jù)組合實現(xiàn)系統(tǒng)集成，項目功能實現(xiàn)方法如下：

（1）實時定位（導(dǎo)航）。智能終端已實現(xiàn)定位功能，與基礎(chǔ)GIS 系統(tǒng)組合，即可構(gòu)建出井下導(dǎo)航的APP。

（2）通信服務(wù)。終端設(shè)備自身與VoIP 服務(wù)器組合即可實現(xiàn)通信功能及設(shè)備自身定位功能。

（3）爆破預(yù)警。當(dāng)井下有爆破作業(yè)時，通過GIS系統(tǒng)和交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交叉組合，可以檢索出爆破安全警戒線內(nèi)的作業(yè)人員，并通過VoIP 系統(tǒng)直接聯(lián)系滯留人員撤離及交互系統(tǒng)控制作業(yè)人員的手持終端聲光報警。

（4）實時環(huán)境監(jiān)測。在巷道內(nèi)密集部署物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測分站，實時監(jiān)測巷道內(nèi)的氣壓、風(fēng)速、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與GIS 系統(tǒng)結(jié)合，能夠直觀地反映井下各巷道實時的環(huán)境情況。

（5）重要設(shè)備運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。通過安裝在移動設(shè)備上的終端，可以將重要的生產(chǎn)設(shè)備納入監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，對生產(chǎn)或運輸設(shè)備的運行數(shù)據(jù)（如位置、油壓、氣壓、電流、電壓、速度等）進行實時采集和預(yù)警。

（6）數(shù)據(jù)挖掘。通過云計算平臺部署的Hadhoop系統(tǒng)，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動挖掘和分析，為生產(chǎn)決策提供有力的支持。

4 經(jīng)濟效益分析

4.1 直接經(jīng)濟效益

井下“四網(wǎng)合一”集成系統(tǒng)建設(shè)運行后，年累計減少電能消耗32 萬kW·h，按0.78 元/（kW·h）計節(jié)約電力成本24.9 萬元；通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)判，延長維修及使用周期，升級改造傳感器延長監(jiān)測傳感器的壽命，年可降低備品、備件消耗資金5萬元，每年綜合創(chuàng)效133萬元，2018—2020 3年共創(chuàng)效399萬元。

4.2 間接經(jīng)濟效益

減損產(chǎn)出量（B1）即礦井下“四網(wǎng)合一”集成系統(tǒng)建設(shè)實施后減少因人身傷亡損失，職業(yè)病損失，事故財產(chǎn)損失及危害事件的經(jīng)濟消耗損失。該礦近3 a各種損失情況與2017年損失進行對比，見表1。減損產(chǎn)出量計算公式為

式中，Ji代表各種損失的減少量，包括人身傷亡損失、職業(yè)病損失、事故財產(chǎn)損失、危害事件等；Ki代表各種損失的間直比。

由表1 可以看出，自2018 年以后因各類安全事故造成的損失明顯下降。通過經(jīng)驗取值K1=1.75，K2=1.34，K3=1.57，K4=1.66，K5=1.76，通過公式計算得出B1=248萬元。

5 結(jié)語

通過建立的千兆工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)平臺，基于國際先進的開源技術(shù)（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS 等）的系統(tǒng)二次開發(fā)，合理地將已投產(chǎn)運行多年的安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、聯(lián)絡(luò)通信系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)統(tǒng)一的礦用綜合信息化平臺，為未來應(yīng)用開發(fā)提供所需的云服務(wù)平臺和開發(fā)接口，為進一步實現(xiàn)智慧礦山的目標(biāo)提供更多的技術(shù)保障。