煤礦智能化運維平臺構建研究

摘" 要：為幫助煤礦企業實現設備的科學化、規范化、智能化管理，降低設備故障率，減少故障停運時間，提升煤礦效益，促進高質量發展。以設備全生命周期為主線、預防性維護為中心，對各個煤礦的井下狀況、瓦斯數據、設備運行參數等進行綜合分析，建立數字模型，通過模型驅動的軟件平臺，將設備運維體系與精細化管理思想融合，引入物聯網技術，實現設備狀態的實時監控與故障預警。結果表明，智能化運維平臺的構建，可提高煤礦自動化、信息化和智能化水平，使生產過程自動化與生產調度管理信息化有機結合，實現管控一體化，能取得良好的經濟效益、安全效益。

關鍵詞：網絡技術；工業智能化；數據分析；運維管理體系；煤礦智能化設計

中圖分類號：TD67" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0050-04

Abstract： In order to help coal mining enterprises achieve scientific， standardized and intelligent management of equipment， reduce equipment failure rate， reduce downtime， improve coal mine efficiency and promote high-quality development. Taking the whole life cycle of equipment as the main line and preventive maintenance as the center， the paper comprehensively analyzes the underground conditions， gas data， equipment operation parameters， etc. of each coal mine， establishes a digital model， integrates the equipment operation and maintenance system with the idea of refined management through the model driven software platform， introduces the Internet of Things technology， and realizes the real-time monitoring and fault early warning of equipment status. The underground condition， gas data and equipment operation parameters of each coal mine are comprehensively analyzed， and a digital model is established. Through the model-driven software platform， the equipment operation and maintenance system is integrated with the idea of fine management， and the Internet of Things technology is introduced to realize real-time monitoring and fault early warning of equipment status. The results show that the construction of intelligent operation and maintenance platform has improved the level of coal mine automation， informatization and intelligence， organically combined the automation of production process with the informatization of production scheduling management， realized the integration of management and control， and achieved good economic and safety benefits.

Keywords： network technology; industrial intelligence; data analysis; operation and maintenance management system; intelligent design of coal mine

目前煤礦綜合自動化、智能化平臺主要關注煤礦生產信息的集成、設備運行狀態的監控、視頻信息的監視與管理，但是對于生產設備的日常運維管理與生產信息數據的交換互聯、傳統技術架構和管理模式還不能完全勝任。

隨著網絡信息技術的發展、云平臺技術的不斷深入，給企業帶來更廣泛的移動管理、設備運維管理、數據綜合交互管理和企業運維管理等創新管理模式。通過模型驅動的智能運維軟件平臺和先進的移動互聯應用，將設備運維體系與精細化管理思想融合，以“連接設備、賦能員工、解決業務痛點、發掘數據價值、精益管理、精智績效”為目標，幫助企業實現設備運維管理的數字化轉型。

1" 煤礦智能化運維平臺的基本內涵

建設煤礦智能化運維平臺是一個復雜的系統工程，將對煤炭企業形成競爭優勢、提高經營管理水平起到積極的推動作用，是實現高質量發展的必由之路。其基本內涵是：以煤炭資源安全、綠色、低碳和智能開發為基礎，以信息技術與煤礦開采技術深度融合為保障，采用先進的科學技術裝備與現代管理理念，構建全面感知、實時互聯、自主學習、動態預測、科學決策和協同控制的智能化系統，實現煤礦資源開采、運輸、安全保障及經營管理等全流程的智能化運行。實現路徑：通過整合設備提供廠商技術服務力量，組建培養技術服務隊伍，搭建開發一套能夠滿足煤礦智能化建設的服務平臺，致力推動智能化煤礦建設及后續運維服務，最終形成智能化煤礦運維體系。

2" 煤礦智能化運維平臺現狀

2.1" 建設標準不統一

調研中發現，部分煤礦的輔助生產子系統的信息化升級改造，都存在系統功能不完善、設備選型不統一等情況，不少由設備廠家提供的自動化信息化改造都站在各自產品的角度提供方案，沒有統籌考慮與其他設備、系統的融合互聯；部分在建的智能化升級改造項目還沒建成驗收就面臨二次改造，同時也增加了后續運維難度。

2.2" 技術人員儲備不足

煤礦企業基層從業人員普遍呈現年齡偏高、文化水平較低的特點，在各類自動化、智能化系統應用與掌握方面有一定困難，企業的年輕技術人員儲備有較大缺口，擔心新建設的各類自動化、智能化系統成為雞肋，不能完全發揮作用。

2.3" 現有系統缺乏運維保障

由于相關運維人員較少，部分煤礦已經建成的自動化、智能化系統缺乏必要維護，沒達到應有的效果。現有運維體系基本依靠設備廠商提供技術服務，時效性很差，甚至一定年限后不再提供現場服務。另外，設備廠商在當地沒有足夠的用戶數量，不愿意設置長期本地服務網點，進一步加劇煤礦企業對煤礦智能化建設效果的擔憂，對后續運維缺乏信心。

因此，在煤礦智能化建設規劃之初，就要充分考慮采用通用控制設備與開放控制軟件，盡量避免受制于設備廠商。組建運維保障和技術監督平臺，形成統一的運維保障體系，為煤礦提供必要的遠程、現場技術服務，保障智能化系統充分發揮其作用。

3" 煤礦智能化運維平臺構建

煤礦智能化運維平臺分為硬件與軟件建設，硬件主要包括展示中心、服務器、數據庫和操作站等；軟件主要包括平臺軟件、分析模型、業務流軟件等。煤礦智能化運維平臺對各類關鍵設備的運行狀態進行監控，保證設備正常運行，促進企業不斷完善設備維護保養項目和周期，逐步建立良好的設備預防維修機制，提高設備保障能力和維修水平；同時，利用數據加強對設備的充分研究，實現有計劃、有目的的巡檢與維護保養，保證設備可靠、健康、高效地完成相應生產任務，進一步提高設備自動化水平。

3.1" 煤礦智能化服務系統構建

通過綜合自動化、智能化平臺采集煤礦生產的實時數據、視頻數據，實時傳送到運維平臺（云平臺數據中心），經過軟件分析、數字孿生模型運行分析后，對煤礦設備維護、庫存、安全危險源作出預警及提示，并通過云端傳送至煤礦用戶。

3.2" 運維平臺架構

礦山智能化運營平臺涵蓋實體對象層、工業大數據層、模型對象層和業務服務層。同時，應用于工作流平臺、集成平臺、安全平臺和云計算平臺，其結構框架為四橫四縱。

3.2.1" 四個橫向

實體對象層：設備運維體系的管理對象，涵蓋多種分類的設備、運維人員和備件資源。

工業大數據層：涵蓋物聯網采集、傳輸，并對多維數據進行管理。

模型對象層：采用三維可視化技術構建設備對象。

業務服務層：包括運營管理、精益執行管理、現場工作管理、績效管理和資源管理5個支撐管理。

3.2.2" 四個縱向

工作流平臺：支撐工作規范化體系，包括工作審批、工單流轉。

集成平臺：支撐智慧工廠其他應用系統之間的信息交換。

安全平臺：支撐數據安全和系統安全。

云計算平臺：整個信息化系統的運行環境。

3.3" 實時數據庫

實時數據庫是設備管理系統的數據底座，為軟件系統提供數據支撐，支持實時數據、歷史數據的遠程查詢，提供可視化的數據分析，還能將煤礦發生生產安全事故時的相關數據再現，主要功能：提供統一的基于Web的配置管理頁面；提供數據的實時存儲、時序存儲；提供歷史數據的統一訪問接口，支持第三方調用和二次開發；提供對設備的管理，包括添加、刪除、修改、設備建模；提供支持多種設備協議；提供物聯網網關軟件，對接入設備的數據做安全性驗證，支持集群化部署。

3.4" 功能設計

3.4.1" 駕駛艙/大屏顯示

1）監控大屏，通過大型顯示屏展示所有接入煤礦的設備狀態及故障提醒情況等現場實時信息，包括管轄區域平面圖或立體圖、健康設備統計、報警和故障信息、停機和離線設備及設備運行數據差異等。通過平臺的信息反饋，對煤礦現場事務進行決策，現場人員可通過反饋調度指揮現場工作。

2）在線設備總覽，是在線數據采集的主監控界面，用于呈現受監控的設備、運行狀態值及當前的實時數據值。傳感器數據采集并上傳至服務器后，系統后臺自動根據預設的報警閾值、變化趨勢來識別該數據代表的設備狀態，并自動進行正常、預警、警告、報警和危險的等級劃分。對于報警數據，后臺服務還將調用短信接口，根據規則發送提醒短信至設備運維人員。

3）設備視圖及實時監控，用戶可選擇重點關注的設備設定標記，在關注設備中重點呈現實時設備運行狀態及各項參數。其中包括設備實時監測值、設備平均故障間隔、設備平均修復時間、設備利用率、設備故障率和設備運行數據趨勢圖等信息。

4）通過結構樹的形式建立設備實時檔案信息，包括設備基本信息、平均故障記錄、平均維修記錄、故障率和利用率等。

3.4.2" 設備信息管理

設備信息管理，是設備邁向信息化及自動化的基礎，設備信息管理能高效記錄設備在設計階段、建設安裝階段、運行維護過程中的檔案管理。設備信息包括臺賬、設備變更記錄、設備技術資料等。通過設備信息管理系統，對設備全生命周期中發生的各種紛繁復雜的數據進行存儲分類、統計分析，并對信息進行有計劃的系統處理，為企業高層和設備管理人員進行設備規劃和決策提供依據，從而使設備運行處于有效控制中。

3.4.3" 設備在線監控

1）設備在線狀態監測。針對從煤礦生產控制系統中獲得的設備運行實時數據，系統提供了2個階段的設備在線監測。第一階段為數據判斷階段，主要以獲得的數據為基礎進行信號分析處理，比如變化率的計算、累計變化率的計算、有效值的計算等，并根據獲得的經驗設定對應數據的閾值，通過實時比較后產生預警。第二階段為故障診斷階段，能夠進行簡單的數據處理并綜合分析，基于數據趨勢的分析再根據相應的復雜邏輯進行故障預警，可以盡早發現數據的異動規律，從而在沒有觸動閾值時產生一個報警。這有別于第一階段的傳統的設定閾值的報警方法。

2）基于大數據的設備狀態預測。設備的預測性智能維護和效能動態優化是工業大數據的核心應用場景之一，也是實現智能化工業系統最為關鍵的核心技術之一。對設備性能的預測分析和對故障的精準估計，將會量化管理設備運行中的不確定性，并降低設備運行中的非預期停機損失和事故風險。同時，根據設備的健康狀態、外部環境和生產目標等多位信息，基于工業大數據的預測性模型對生產線整體的效能進行優化決策支持，從而實現對生產系統成本和效益的深度管理，提升企業效益。

3）設備運行管理。設備運行管理能夠確保設備無故障或少故障運行，減少設備的損耗。設備運行情況直接反映了煤礦生產工藝過程，通過在三維場景中選取設備模型，不僅可以查看該設備的電壓、電流、功率、溫度、壓力、液位和振動等運行數據、設計參數、趨勢圖，也可以利用設計參數與實時監控數據的比對直觀展現報警信息。運維人員不僅可以標識監控設備，也可以通過“視頻監控調用”快速調取一個或多個監控視頻，采用浮動窗口的方式，展現監控畫面。

4）設備健康維護管理。設備的健康維護及維修保養工作是設備管理的重要組成部分，也是提高設備使用壽命、提高使用效率的重點工作。煤礦運維人員可以在系統中定義特定時間到期，或長期滾動執行的維修保養計劃，系統將在定期提醒管理員安排即將到期的維修保養計劃，保證維修保養計劃的準確安排與執行。還可以根據生產計劃、設備狀況，制訂設備的維修保養計劃，按照計劃執行時間自動提醒相關的設備管理員、維修保養員，準確掌握設備故障率、故障原因、維修保養工作的執行情況等，為改進、改造、購置設備提供決策依據。

5）設備故障管理。為提升管理效率，解決生產實際中存在的設備管理問題，規范設備故障管理，以減少故障直至消除故障為目的，從執行層、基礎管理層、監督層對設備故障管理流程進行優化，從而達到有效執行、及時管理、實時監督的管理循環，逐步達到規范化、秩序化管理的效果，提升設備管理水平，從而實現智能化改造、達到精益生產的最終目標。

6）設備缺陷管理。缺陷記錄管理流程用于管理并跟蹤設備已發生的各類缺陷及其處理過程。缺陷記錄處理流程以煤礦企業實際工作流程為參照，按照處理過程和數據分析要求設計模塊功能。記錄的數據包括：涉及設備、所屬煤礦、發現人、發現日期、 缺陷等級、截止日期和缺陷內容等。

7）設備運行統計分析。統計分析功能中，包含了對歷史數據的查詢和管理，并且能對單個的歷史數據進行頻譜分析，進一步判斷故障的可能原因。包括趨勢分析、歷史數據分析、報警記錄查詢等功能。

3.5" 系統功能

3.5.1" 操作員站系統

運維平臺擬定配置2臺操作員站，一臺用于大屏系統顯示控制操作，另一臺用于運維平臺日常維護操作，2臺配置相同可互為備用。

3.5.2" 數據存儲系統

運維平臺未來預計將接入幾十個煤礦，每個煤礦都至少有數百個運行參數。煤礦現場數據具有頻率快、數據量大和時效性需求，對于異構數據存入支持及查詢效率要求很高。因此，采用專業工業實時數據庫來滿足工業數據的海量存儲，支持數據壓縮和高效查詢，為平臺應用提供穩定可靠的數據存儲。

3.5.3" 運維平臺服務器

主要分為2類，一類是數據存儲服務器，另一類是應用服務器，同時可以滿足遠程視頻會議使用需求，并配置網絡安全設備及可靠電源保障。

4" 煤礦智能化運維平臺構建后達到效果

通過智能化運維平臺的構建，提高了煤礦自動化、信息化和智能化水平，使生產過程自動化與生產調度管理信息化進行有機結合，實現管控一體化，取得了良好的經濟效益、安全效益。

1）安全可靠性及生產效率提高。通過在地面集中監測監控，不但實現井下減員、減少井下人員傷亡的可能性，而且改善了工作環境，提高了安全系數，保障井下人身安全。另外，通過數據共享，報警聯動，減少礦井發生災難時造成的損失。

2）通過構建智能化運維平臺，統一數據平臺和傳輸平臺，不但節省了傳輸通道（光纖、通信設備等）的重復投資和維護費用，還節省了數據庫、組態軟件、軟件開發等重復投資費用，做到一次投資，長期受益。

3）通過監控平臺，設備工況得到嚴密管控，減少人工操作失誤，實現設備自動控制，延長設備使用壽命，提高對設備的故障分析和判斷能力，減少停機事故，加強對井下設備的調度和管理，達到高產、高效目的。

4）逐步實現無人值守和定期巡檢，可以有效降低工人勞動強度，降低人員成本，減少井下用工人數，提高人員效益。同時，也促進了煤礦管理人員技術素質、管理素質的提高。

5" 結束語

構建煤礦智能化運維平臺，發揮專業技術人員在安全、生產環節提供數據并進行分析的能力，整合上游設備廠家和下游煤礦企業的資源，發揮各方在智能化煤礦建設中的技術優勢，較好地填補現有智能化改造建設中的運維需求，助推智能化礦山建設及后續運維服務，為煤礦提供一個高速、安全、可靠的管理平臺，實現管控一體化，提高煤礦的安全生產管理水平，提升管理效益，最終實現高質量發展。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.煤炭工業智能化礦井設計標準：GB/T 51272—2018[S].北京：中國設計出版社，2018.

[2] 智慧礦山信息系統通用技術規范：GB/T 34678—2017[S].2017.

[3] 王國法，杜毅博.煤礦智能化標準體系框架與建設思路[J].煤炭科學技術，2020，48（1）：1-9.

[4] 孫春升，宋曉波，弓海軍.煤礦智慧礦山建設策略研究[J].煤炭工程，2021，53（2）：191-196.

[5] 王至聰.機械智能化發展現狀及趨勢[J].數字技術與應用，2018，36（10）：203-204.