神新能源公司數字礦山架構設計與分析*

于 濤，漆 濤，陳建強

(1.西安科技大學能源學院，陜西西安710054;2.神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊830027)

0 引言

1999年，首屆“國際數字地球”大會上提出“數字礦山”(Digital Mine，DM)概念［1］以來，DM 的思想已開始深入人心，DM科學研究與技術攻關已悄然興起。進入信息主導的21世紀，“數字化生存”已成為知識經濟的標志。信息技術的飛速發展，給中外采礦業帶來了巨大沖擊。采礦業是以礦產資源為生產對象的古老產業，絕大多數礦山企業還處在勞動密集性階段，信息化改造勢在必行。發達采礦國家在礦山信息化改造已邁出了堅實的步伐，有的已制定了長遠發展規劃［2－4］，加拿大已制訂出一項擬在2050年實現的遠景規劃，即將加拿大北部邊遠地區的一個礦山實現為無人礦井，從薩得伯里通過衛星操縱礦山的所有設備實現機械自動破碎和自動切割采礦。芬蘭采礦工業也于1992年宣布了自己的智能采礦技術方案，涉及采礦實時過程控制、資源實時管理、礦山信息網建設、新機械應用和自動控制等28個專題。瑞典也制定了向礦山自動化進軍的“Grountecnik 2000”戰略計劃。

中國采礦業總體信息化水平還不夠高。近年，隨著社會經濟的發展和國家宏觀調控，中國礦山企業的經濟形式和運行狀態正在發生喜人的變化，信息化建設逐漸升溫［5－10］。2010 年，神華集團公司著手進行數字礦山(DM)全面建設［11］，在充分了解數字礦山的內涵、特征、意義、目標的基礎上，以面向礦山業務為依托，以數據互聯互通為原則，以信息的整合、利用為核心，以礦山生產過程自動化為基礎，以統一的傳輸網絡平臺為框架，以統一的軟件平臺為手段，以綠色開采技術、裝備技術、信息技術為支撐，以標準體系為保障，其建設目標為“安全、綠色、智能、高效”［12－14］。

在數字礦山建設方面，中國煤炭產銷量最大的神華神東公司所屬礦區近水平煤層(地下開采時傾角8°以下的煤層;露天開采時傾角5°以下的煤層)居多，優于神華集團煤礦板塊各單位且較易建設，神東公司從本單位信息化建設現狀出發，從煤炭企業高階業務的流程，詳細分析了煤炭企業的業務框架和信息化框架［15］。與神東礦區優越的資源賦存條件不同，隸屬于神華新疆能源有限責任公司(簡稱“神新能源公司”)的有新疆烏魯木齊礦區的急傾斜(45°～87°)特厚煤層(群)［16－18］，還有少數緩傾斜煤層礦區;從瓦斯等級劃分有高瓦斯、低瓦斯礦井;公司所屬的個別礦井還有沖擊地壓災害;開采方式涉及到綜采、綜放，且急傾斜特厚煤層礦井的采放比較大;從井型上看，既有井工礦也有露天礦。可以說神新能源公司下屬的礦井幾乎涉及到了各類煤層的賦存形式、開采方式和災害類別。因此，相對于神東公司來說，神新能源公司數字化礦山建設的難度較大，特別是在急傾斜特厚煤層礦井建設數字化礦山獨樹一幟。多年來，通過逐步對多類型礦井進行的大規模擴建改造，大幅提高了煤炭生產能力和采、掘、運輸機械化水平及安全水平，尤其在信息化建設方面取得明顯進步。但是與神華集團內外先進企業相比，神新能源公司整體的信息化應用能力和管理水平還有待提高。文中通過對神新能源公司業務和信息化現狀的梳理，構建公司整體的數字礦山技術架構與實施藍圖，為公司建設成為“安全、高效、綠色、智能”的世界一流礦山企業提供科學有效的指導。

1 神新能源公司數字化礦山建設思路

1.1 總體思路

通過現狀調研了解公司的業務總體情況、應用系統功能及使用現狀、數據管理現狀、基礎設施環境和信息安全舉措及自動化水平等，結合神華集團信息化建設要求和行業先進實踐，對公司業務和信息化的需求進行全面梳理和分析，形成神新能源數字礦山建設體系。神新能源公司數字礦山規劃設計采用企業架構(Enterprise Architecture，EA)框架模型和方法，包括建設目標確定、業務架構設計、技術架構設計和數字礦山實施藍圖設計等，總體規劃思路如圖1所示。

1.2 總體設計

包括數字礦山建設目標、總體業務架構設計和總體技術架構設計等。

1 )結合國內外先進礦山企業的數字礦山建設經驗，進行公司數字礦山專題研討，確定公司數字礦山建設方向和建設目標;

2 )業務架構設計:充分利用前期相關材料和調研成果，考慮數字礦山建設對業務的優化和促進，形成企業核心業務架構;

3 )應用架構設計:根據公司業務架構、企業信息化需求，結合集團信息化總體規劃和行業標桿，依據公司數字礦山的建設方向和主要特征，構建企業應用架構總圖，規劃設備層、控制層、生產執行層、經營管理層和決策支持層5個層次的應用及系統，進行系統功能設計和主要應用系統外部接口設計;

圖1 數字礦山規劃設計方法論Fig.1 Digital mine planning and design methodology

4 )數據架構設計:在充分分析業務和應用系統的基礎上，制定公司數字礦山數據分類和總體數據架構，并完成數據管控體系規劃工作;

5 )IT基礎設施與安全架構設計:為保障公司各類應用的安全、穩定、高效地運行，進行企業數據中心、網絡、主機和存儲等基礎設施架構設計，構建信息安全體系架構;

6 )IT管控體系設計，根據集團的信息化管控體系框架，結合公司的信息化管理實際，設計公司的IT管控組織架構和管控能力，明確數字礦山建設、運行和管理過程中公司各部門、各二級單位的職責。

1.3 實施藍圖設計

對公司數字礦山實施策略和實施計劃及投資估算進行設計。

1 )數字礦山總體實施路線設計:在完成數字礦山總體架構設計的基礎上，形成具體的數字礦山實施項目，對每一個項目從業務需求緊迫度、項目實施難易程度、項目實施依賴性等維度進行總體評估，確定各項目實施的優先順序，制定公司數字礦山未來3－5年的總體實施路線。

2 )數字礦山總體投資估算編制:參照國內主流產品價格和業界參考數據，編制項目投資估算。

2 應用系統層面設計

通過分析神新能源公司發展戰略、組織和業務現狀，構建企業整體業務架構，結合神華集團信息化管理要求和建設成果，充分考慮公司總部和下屬煤礦的信息化、自動化建設現狀，應用系統總體架構如圖2所示。

系統總體架構分為橫向5個層面。

1 )L1設備層:部署在煤炭生產現場，實現現場信息的采集、控制指令的接收和執行;

2 )L2控制層:包括監控和監測2方面子系統，一個生產綜合監控平臺，公司各煤礦的建設內容根據自身具體情況而定。系統通常部署在礦級，實現煤炭安全生產的實時監測與控制。部分系統(安全監測、人員跟蹤定位和工業電視系統等)需要多級部署，以實現現場關鍵信息的實時共享，提高公司和神華集團總部的安全生產指揮和調度管理能力。為進一步提升煤炭安全生產管控水平，提高生產效率，可進行臨近區域多個礦井控制層系統的集中部署，實現區域調度控制。

3 )L3生產執行層:位于經營管理層與自動化層之間，起著承上啟下的作用，包含1個生產執行平臺和10個子系統。系統部署在公司總部，實現公司、礦級兩級使用，并能與L2，L4和L5層應用系統進行數據的交換與共享。

圖2 企業應用系統總體架構Fig.2 Overall architecture of enterprise application system

4 )L4經營管理層:通過運營管理過程的信息化，實現公司管理規范化和精細化。L4層系統主要由神華集團統一建設和集中部署，集團各子分公司根據實際需要授權使用。

5 )L5決策支持層:在企業數據倉庫技術的基礎上，通過數據的分析和挖掘，為企業的經營管理提供決策支持和業務控制能力。

為實現各層間信息的集成和共享，需要構建縱向基礎支撐應用平臺，包括企業門戶和網站、企業應用集成平臺、主數據管理平臺和一個統一身份認證平臺等。

3 IT基礎設施總體設計

IT基礎設施規劃設計是為企業各種業務解決方案、應用系統和數據提供一個良好的運行環境，確保信息系統的安全、穩定和高效運行，并能夠隨著業務的發展提供擴展支持和快速定制能力。

按照整體規劃、分步實施、先進實用的原則，對公司中心機房、行政辦公網絡、生產綜合監控工業環網、行政通信、調度通信、無線調度通信、視頻會議系統、調度大屏幕顯示系統、工業視頻監控系統、應急廣播系統等IT基礎設施的應用現狀進行了全面的梳理和分析，并在此基礎上進行合理化設計。

1 )數據中心:構建滿足公司、煤礦信息化和自動化業務應用的數據中心，包括機房工程、主機、存儲、虛擬化、備份與容災、基礎軟件等。

2 )網絡:建立行政辦公網絡、生產綜合監控工業環網為基礎的網絡平臺，包括綜合布線系統、局域網、互聯網、廣域網、無線網、VPN和工業場地通信線網、工業以太環網、安全監控監測網、有線調度通信網、無線調度通信網等。

3 )IT基礎設施應用:包括視頻會議、工業電視視頻監控、調度顯示系統、行政通信、調度通信系統、無線調度通信系統、應急廣播系統等。

4 )信息安全:構建神新能源公司的信息安全框架，包括安全管理、物理安全、系統安全、網絡安全和應用安全5個方面。

(5)IT服務管理:按照ISO 20000國際標準，建立IT服務管理體系和流程。

煤礦生產綜合監控網絡平臺是數字礦山建設的基礎和支撐，井工煤礦規劃采用千兆工業以太環網技術，包括地面環網和井下環網，網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 井工煤礦工業以太環網拓撲結構Fig.3 Ethernet ring network topology for coal mine industry

平臺采用光纖作為物理傳輸介質，井上、下采用交換機作為傳輸設備，煤礦各相關子系統在建設時僅需考慮設備層和軟件層，而不必再建設傳輸通道，只需就近接入，利用千兆網絡傳輸平臺進行數據通信，從而做到一次投資，長期受益，有效提升信息化投資效率。通過借助生產綜合監控網絡平臺，實現煤礦自動化、信息化各系統之間的安全、可靠、高速的數據傳輸和共享。

4 結論

神新能源公司數字礦山的規劃設計首先通過公司業務、信息化現狀的調研和分析，在參考國內外數字礦山建設經驗基礎上，充分考慮礦井類型及災害的復雜性，結合國內外數字礦山先進建設經驗及神華集團信息化總體要求和公司的具體實際情況，設計企業總體EA架構，并由此構建公司未來3－5年的信息化、自動化建設藍圖，這將為公司即將展開的數字礦山建設提供全面、有效的指導。

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