邊緣計算在智能有色金屬礦山的應用

許躍龍

（彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657000）

0 引言

為加快5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代技術與有色金屬行業(yè)融合創(chuàng)新發(fā)展，切實引導有色金屬企業(yè)智能升級，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、自然資源部于2020 年4 月28 日聯(lián)合印發(fā)了《有色金屬行業(yè)智能礦山建設指南（試行）》[1]（以下簡稱《指南》）。

就金屬礦山現(xiàn)狀而言，有色金屬礦山裝備自動化、智能化水平落后，人員結構老化、整體生產效率不高等問題突出，依靠規(guī)模和人員數(shù)量的方式越來越不適應發(fā)展，轉型升級已成為行業(yè)共識[2]。

某金屬鉛鋅礦山通過不斷要求抓實科技創(chuàng)新，健全科技創(chuàng)新體系，統(tǒng)籌實施科研項目，持續(xù)加大科技攻關，加快智慧礦山建設，大力建設與推廣智能礦山，加強信息系統(tǒng)安全防護，引領行業(yè)智能升級。

經過多年的自動化系統(tǒng)建設，取得了顯著的經濟和社會效益，但距離生產智能化、無人化目標尚存較大差距，需要針對存在的問題，在充分研究新技術應用現(xiàn)狀和行業(yè)內外部先進經驗基礎上，進一步加大科技研發(fā)和應用投入，加快智能礦山建設。

目前我國有色金屬行業(yè)智能化建設尚處在起步、試點和探索階段。金屬礦山積極響應《指南》，正在摸索、走出一條符合自身發(fā)展戰(zhàn)略和實際生產經營狀況的智能有色金屬礦山建設之路。

智能化應具有3 個要素：①具有對外部信息的實時感知與獲取的能力；②具有基于對感知信息的存儲、分析、判斷、聯(lián)想，自學習、自決策的能力；③具備基于自決策的自動執(zhí)行能力[3]。邊緣計算正是滿足生產智能化需求的關鍵技術。

本文將首先描述智能礦山的建設體系和邊緣計算在智能礦山建設的典型應用。在此基礎上，結合某金屬礦山智能化建設實踐，分析邊緣計算在有色金屬礦智能化建設的實際應用，并展望邊緣智能在智能有色金屬礦的應用前景。

1 有色金屬智能礦山建設體系

根據(jù)《指南》給出的有色金屬智能礦山參考架構，可知架構體系總體分為云—邊—端3 層。

端側主要是指現(xiàn)場設備和儀器儀表，這一層的功能是為全面感知數(shù)據(jù)和實施精準控制打下設備和測量基礎。

邊緣側主要是指數(shù)據(jù)采集和設備控制系統(tǒng)，通過邊緣網(wǎng)關等技術的應用完成數(shù)據(jù)和接入、多源異構協(xié)議解析、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理和設備在線實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)減量解析和智能邊緣計算。

云端主要是建設制造運營服務平臺，并根據(jù)生產和管理需要打造定制化的生態(tài)應用體系。平臺連接生產和管理數(shù)據(jù)，并提供應用開發(fā)環(huán)境與微服務組件，通過大數(shù)據(jù)、人工智能等先進手段開展數(shù)據(jù)分析和針對業(yè)務場景的模型訓練。開放兼容的平臺可以滿足各種場景需求的應用的部署，從而實現(xiàn)采礦智能控制、安全管理和生產運營管理等定制化的功能。

同時，工業(yè)安全防護建設貫穿云—邊—端3 層，有效保障數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡安全。

云端和邊緣側應用各有特點和側重點，大致可以區(qū)分為非實時、長周期數(shù)據(jù)的業(yè)務決策數(shù)據(jù)在云平臺處理，并建設相關應用，如大數(shù)據(jù)治理和智能經營管理；實時性、短周期數(shù)據(jù)的本地決策的數(shù)據(jù)在邊緣側進行處理，并建設相關應用，如環(huán)境監(jiān)測和設備控制[4]。

2 邊緣計算在智能礦山的典型應用

邊緣計算是將一些邊緣硬件設備部署在生產現(xiàn)場，旨在將與之能力相匹配的相關計算和控制任務部署于靠近設備側，即網(wǎng)絡的邊緣。

在礦山的生產中，可以充分利用邊緣設備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和計算能力，就地實現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)融合和綜合處理，以及區(qū)域工藝系統(tǒng)的智能控制，有如下典型應用。

2.1 多傳感器融合

單一傳感器的測量具有局限性，感知環(huán)境或設備整體狀態(tài)往往不夠準確和全面。傳統(tǒng)做法是將多傳感器數(shù)據(jù)分別通信到地面的礦山控制系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)分析和綜合判斷后，將結果返回和廣播到控制系統(tǒng)網(wǎng)絡。智能多傳感器融合技術在就地即可實現(xiàn)單一測量設備對環(huán)境或設備狀態(tài)的綜合測量，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的就地處理和分析，避免長距離傳輸導致的信號跳變，同時還可以節(jié)約通信帶寬資源。

多合一空氣檢測儀就是典型的多傳感器融合的應用，一臺儀表即可對空氣中的多種氣體成分進行同時檢測分析，如CH4、CO、SO2、PM10等，并形成空氣質量的綜合評價。

2.2 設備狀態(tài)監(jiān)測

針對礦井生產中的大型設備狀態(tài)感知，通過搭建邊緣計算控制器，連接設備狀態(tài)測量數(shù)據(jù)和設備所在工藝系統(tǒng)的參數(shù)，利用邊緣控制器的數(shù)據(jù)處理和分析能力，就地實現(xiàn)設備的狀態(tài)判斷，準確快速反映設備故障信息，有效降低事故擴大隱患，實現(xiàn)關鍵設備的可預測性維護管理。

部署在設備附近的邊緣控制器負責完成與傳感器和設備的通信、數(shù)據(jù)的接收處理和存儲及多參數(shù)融合分析和決策，有效保證了數(shù)據(jù)的完整性，以及決策分析的快速性。

圖1 為方案的典型框架。

圖1 邊緣控制實現(xiàn)設備狀態(tài)監(jiān)測

2.3 機器視覺應用

機器視覺是攝像頭技術與識別分析算法的有機結合，是一種典型的邊緣計算應用。

攝像頭機器視覺系統(tǒng)通常包含軟件和硬件兩部分，攝像頭等硬件責成像，視覺控制系統(tǒng)負責圖像處理分析和輸出結果至執(zhí)行機構或生產管控平臺。

礦井下典型的攝像頭機器視覺應用為利用部署在巷道關鍵支護典的攝像頭，內置電子圍欄算法。當有人員非法闖入時，攝像頭可立即完成識別并發(fā)出聲音報警，警告人員離開，同時，將相關數(shù)據(jù)傳輸至管理平臺存檔，有效提高生產的安全性。

2.4 火災檢測與處理

傳統(tǒng)的井下火災監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、紅外數(shù)據(jù)、測溫數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸至地面控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用火災分析模型分析災害是否發(fā)生及影響范圍，然后通知相關生產和管理人員進行疏散和滅火。

在井下危險重點火災區(qū)域部署邊緣控制器，連接相關測量數(shù)據(jù)，并部署火災監(jiān)測模型。當發(fā)生異常的時候，邊緣控制器可以迅速發(fā)現(xiàn)災情并定位災害發(fā)生點，第一時間利用聲音等方式通知現(xiàn)場人員撤離，聯(lián)動相關消防設施進行火災處理，同時通知地面管理人員。

邊緣控制器的應用可以極大縮短數(shù)據(jù)的傳輸實際和決策流程，有效防止事故擴大和降低人員傷亡。

3 邊緣計算在金屬礦山的應用

某金屬鉛鋅礦認真領會“機械化換人、自動化減人”的智能礦山建設精神，結合現(xiàn)場生產設備條件，開展了多應用實踐，實現(xiàn)供電系統(tǒng)、壓風系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、皮帶運輸系統(tǒng)、充填系統(tǒng)、軌道運輸系統(tǒng)等自動化無人化升級改造，其中排水系統(tǒng)無人值守就是典型的邊緣計算的應用，有效提升了生產效率。

3.1 排水系統(tǒng)無人值守

傳統(tǒng)礦井排水系統(tǒng)的運行方式是人工現(xiàn)場就地啟停，存在設備運行效率低、人力成本高、管控手段落后、能耗高等缺點，在充分調研和科學決策后，開展了無人值守改造。

在水泵房現(xiàn)場部署邊緣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)南向連接排水系統(tǒng)的參數(shù)測量傳感器和設備控制單元，北向連接地面控制中心。并對工藝系統(tǒng)加裝水位和水泵監(jiān)測傳感器，系統(tǒng)閥門和輔助設備進行自動化升級。將工藝系統(tǒng)測量參數(shù)和設備接入邊緣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)邊緣側對接入的傳感器進行數(shù)據(jù)采集、協(xié)議解析和數(shù)據(jù)處理，邊緣系統(tǒng)上開展“一鍵啟停”控制邏輯設計和水泵分時段、分峰智能調節(jié)。

改造完成后，邊緣系統(tǒng)在功能上實現(xiàn)了水泵的按需調節(jié)；操作模式上，既可以在水泵房集中控制和一鍵啟動，也可以在地面控制中心遠程控制，有效降低供電成本，實現(xiàn)無人值守，同時調高設備管理水平高，減員增效。

3.2 壓風系統(tǒng)無人值守

在空壓機房現(xiàn)場部署邊緣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)連接壓風系統(tǒng)的各類監(jiān)測裝置和主控設備，并與控制中心通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)通訊。同時對外圍供風管道及冷卻水系統(tǒng)加裝流量計、電動閥門和檢測傳感器。邊緣控制系統(tǒng)實時采集系統(tǒng)工藝運行數(shù)據(jù)，達到邊緣側對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采、儲、析功能，邊緣系統(tǒng)上開展“自動控制”程序設計和智能調節(jié)供風。

項目完成后，通過部署的就地/遠程控制模式，邊緣系統(tǒng)在功能上實現(xiàn)按需供風；有效降低能源成本與人力成本，是邊緣計算在智能礦山建設中的又一成功運用。

3.3 智能集控中心

通過在礦山各個生產子系統(tǒng)部署邊緣控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡通訊技術，將邊緣計算控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)匯聚到智能集控中心，實現(xiàn)對生產各類數(shù)據(jù)的分類、處理、整合、共享，最終建立有效的管理系統(tǒng)，為生產決策提供依據(jù)。這是邊緣計算技術在礦山自動化控制過程領域的一次集中展示，集控中心其主要功能如下。

3.3.1 生產數(shù)據(jù)整合功能

接入的各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采取標準的數(shù)據(jù)通訊方式與集控中心進行數(shù)據(jù)實時交換，并對生產數(shù)據(jù)進行整合，負責將不同階段的數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)用戶。

3.3.2 分級管控生產數(shù)據(jù)

根據(jù)崗位、職責的不同，規(guī)劃不同的訪問權限，實現(xiàn)生產數(shù)據(jù)及其他信息的分級展示與調取。

3.3.3 實時記錄

提供各類傳感器系統(tǒng)、智能儀表等的系統(tǒng)實時報警信息的故障記錄。

3.3.4 事件記錄

對所有在現(xiàn)場各個系統(tǒng)及集控中心的操作及執(zhí)行的事件進行實時記錄，并提供追查及重演功能。

3.3.5 故障分級統(tǒng)計

分時間段、類別、級別、子系統(tǒng)自動整理推送故障信息，提供統(tǒng)計和查詢功能。

3.3.6 歷史查詢

集控中心系統(tǒng)可查詢邊緣計算控制監(jiān)測監(jiān)控的任一系統(tǒng)中設備的運行情況，如操作員、開機時間、頻次等，可調取歷史數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)圖表，同時具備網(wǎng)絡故障記錄功能，方便用戶管理。

4 邊緣智能在智能有色金屬礦建設的展望

盡管智能礦山建設是多學科領域技術成果的集成應用，但其建設的成功與否取決于礦山生產工藝與智能化技術的匹配與融合程度[5]。

基于智能礦山的建設需求，結合邊緣技術的發(fā)展趨勢，本文提出了邊緣智能在智能礦山建設應用的兩個重要方向。

4.1 智能網(wǎng)關

井下設備的測量數(shù)據(jù)可能會由于各種因素會出現(xiàn)抖動，如果原始數(shù)據(jù)不經處理直接送往控制平臺，會導致生產人員需要處理大量的無效報警，增加工作量，同時會降低生產人員對報警準確性的信任。

將原始數(shù)據(jù)接入智能網(wǎng)關，利用智能網(wǎng)關的數(shù)據(jù)處理能力，進行數(shù)據(jù)的有效濾波和防抖動處理，在邊緣側完成數(shù)據(jù)的診斷后，再送往控制平臺，可大大降低地面生產人員處理無效報警的工作量，還可以有效提升設備的故障診斷能力。

4.2 邊緣智能一體機

邊緣智能一體機是軟硬件一體的邊緣控制設備，在井下工藝系統(tǒng)相對小型但物理位置相對分散的場景中可以充分發(fā)揮作用。

邊緣智能一體機既可以支持來自同一工藝系統(tǒng)不同設備的實時數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲和計算控制；還可以將人工智能模型進行邊緣部署，支持機器學習算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在邊緣側的高效智能分析和實時決策；還能以容器化方式部署在各類安全可信的工業(yè)App 上，實現(xiàn)設備遠程智能監(jiān)控和故障預警等智能應用。

5 結語

本文系統(tǒng)地歸納了有色金屬智能礦山體系架構的云-邊-端各層的設備和應用的特點，并重點分析了邊緣計算在當前有色金屬礦山的典型應用。結合智能化建設實踐，展望了邊緣智能在智能礦山建設的應用前景，為有色金屬礦山企業(yè)對智能生產控制規(guī)劃提供了有力的技術手段，可以有效提高智能礦山系統(tǒng)邊緣側建設的合理性和前瞻性，具有很強的現(xiàn)實應用意義。