數字化礦山建設創新與實踐

天地（常州）自動化股份有限公司 韓 安

數字化礦山建設創新與實踐

天地（常州）自動化股份有限公司 韓 安

本文就數字化礦山項目需求、規劃設計與建設過程進行歸納總結，提出數字化礦山的重點建設內容與創新點，為國內數字化礦山建設提供參考。

云計算；管控一體化；物聯網；增效；決策分析

引言

煤炭是我國的主體能源，在一次能源結構中占70%左右。在今后相當長的一段時間內，煤炭仍將作為非常重要的戰略資源，在我國經濟和社會發展中占有極其重要的地位。目前，我國有50多處千萬噸煤礦，970多處120萬噸以上礦井，在保障煤炭穩定供應與國民經濟的發展起到了關鍵作用。

“十二五期間”，國家用“信息化帶動工業化”的工作重點有三個方面：一是以電子信息技術應用為重點，提高傳統產業生產過程自動化、控制智能化和管理信息化水平；二是以先進制造技術應用為重點，推進制造業領域的優質高效生產，振興裝備制造業；三是改造提升重點產業的關鍵技術、共性技術及其相關配套技術水平、工藝和裝備水平。因此，數字化礦山的建設，作為煤炭傳統產業以電子信息技術提升信息化的有效嘗試，也是提升礦井安全生產水平與煤炭供應效率的有效保障[1]。

1.實現目標

數字化礦山建設應用自動化控制、計算機、網絡通訊、物聯網等技術，構建以礦井主數據為基礎，涵蓋礦井安全生產實時監測、日常安全生產調度管理、地理空間、現有集團經營管理等業務的數據中心，在滿足礦井日常安全生產業務基礎上，以三維可視化方式真實實時展現礦井安全生產狀況，同時抽取集團經營管理系統數據，暢通礦井日常安全生產過程與企業經營管理決策數據，使得指標管控與執行過程有效融合，為企業日常安全生產過程提供決策依據，承載著礦井生產過程透視、運營決策、問題診斷、專家系統、可視化集控、指揮調度等業務應用，從而構建以生產過程自動化為基礎、管理信息化為本質、三維可視化為直觀表現形式、領導決策分析為管理依據的四位一體現代化礦井信息化平臺[4]。

2.系統架構

平臺構架自下而上包括感知層、執行控制層、系統運維層、集中管控層、業務展示層。

感知層：由傳感器、工業視、移動終端、射頻卡、執行器、電源以及相關的無線傳輸網絡設備構成，實現了礦井環境安全、生產工況的感知與過程信息控制，同時采用物聯網編碼體系實現設備與設備、設備與執行器之間的智能化識別接入，是礦山物聯的基礎。

執行控制層：通過專有分站實現對感知層設備的信息采集、處理，并通過現場總線經高速工業網絡傳輸給不同專業的工程師站，由工程師站實現對各專業信息的處理，并對現部分場設備的控制[2]。

系統運維層：依托企業主數據與物聯編碼體系，根據不同的應用需求和數據特征，構建監測監控數據中心、空間數據中心、運營管理數據中心，監測監控數據中心，實現對安全監測類、生產過程類的數據管理與存儲，空間數據中心實現對地理地測類空間數據的存儲，運營管理數據中心實現對日常業務管理類的存儲與管理，并對集團經營類數據進行抽取、存儲與管理。

集中管控層：包括綜合管控平臺與安全生產調度指揮平臺。綜合管控平臺主要負責平臺與井下傳感設備、自動化子系統的通信與數據交互，實現作業現場的實時監測與遠程控制，根據各專業應用需求，實現煤流工藝、通風流程、供電流程等集中控制及運行優化。安全生產調度指揮平臺實現企業安全生產、應急指揮、經營管理、決策分析、調度指令等業務管理，包括安全生產中心，實現對礦井各安全生產子系統數據集成與日常安全生產調度；應急救援中心，具有平時演練與戰時救援功能，實現災害情況下的輔助應急救援流程化管理[1]；決策支持中心，應用安全、生產、經營各類數據進行綜合分析，為企業安全生產決策提供依據。

業務展示層：利用一站式門戶平臺技術集成各應用系統，實現單點登錄與個性化界面等功能，通過可視化引擎實現礦井作業環境、生產過程、經營管理的全方位、全視角的真實在線，滿足計算機終端、大屏幕顯示系統、移動終端的應用需求。

3.建設內容

（1）構建準確可靠的互聯傳感與執行控制層

根據作業現場的特殊環境，結合設備及子系統的特性，選用國內外先進可靠的傳感器與執行器或對現有傳感器進行改造升級，保證現場環境與生產工況感知的真實性及遠程控制的可靠性。針對作業現場的電磁干擾源與傳播方式制定相關抗干擾措施。同時應用物聯網技術中的自動識別、傳感、定位、網絡等感知技術，實現設備與設備之間、設備與執行器之間的智能化識別接入[1]。

（2）建設高效穩定的數據傳輸鏈路

地面通信網以礦井數據中心的核心機房為中心，通過光纜連接到各個建筑物的設備間，礦井骨干網采用控制環、視頻環的兩光纖環和調度語音通信一鏈路的“2環1鏈”模式，在井下與地面分別布置有線和無線接入點,滿足不同監控系統數據的安全、可靠接入需求。同時調度控制網與辦公網之間采用網閘實現有條件的互連，既滿足管理層掌握礦井實時生產安全信息的需求，又防止外網對控制網的攻擊及計算機病毒的傳播，保證控制網的安全。網絡結構如圖1所示：

圖1　網絡結構拓撲圖

（3）建設綜合管控平臺

建議基于生產作業工藝流程和生產過程優化的協同控制平臺，改變現有單機控制模式，銜接好關聯環節的邏輯及閉鎖控制，同時配以遠程圖像與視頻智能診斷，實現對煤流工藝、通風流程、供電流程等的集中監測、優化協調控制，動態調整上下游系統間能力匹配和啟停順序，達到“有人巡視、無人值守”，節約了能源進而保證生產過程安全高效[5]。

（4）實現設備在線故障診斷及危險源識別、災害預報警

內部資本市場是在二十世紀六十年代后出現的一個新興的學術名詞，在美國第三次并購浪潮下一批大企業、大集團橫空出世，企業內部資本市場的產生就是由于這些集團是企業的出現而出現的。

采用設備故障在線檢測技術、點檢管理技術等手段，實現被控設備運行完好性的動靜態檢測，及時提醒管理人員處理設備潛在故障，防止設備帶病運行，為設備維修管理提供準確、可靠的依據，實現煤礦大型機電設備的科學化、規范化、系統化管理；應用多源數據的災害危險性評價體系，針對礦山海量異構數據與多源復雜性，建立火災、水災、瓦斯突出等典型災害評價模型，實現對災害的危險性進行分級預警評價，實現對災害有效預防與監管。

（5）三維礦山可視化的建設

應用礦山空間實體的優化管理與建模方法，通過可視化引擎與模型驅動技術，實現礦山固有信息如地面廣場、井下巷道、機電設備與安全生產過程動態信息的模擬示意、二三維一體聯動展示，提高監測效率，縮短認知與決策時間，實現突發事件下的真實場景、真實數據和災情全方位再現，同時實現可視化的空間分析模型，包括水淹沒分析、火災模擬、通風仿真等。

（6）安全生產運營決策分析模塊的構建

在數據中心基礎之上，抽取集團公司已建設的人力資源、企業資產、物資管理、運銷管理等經營管理數據，綜合應用安全生產過程管理數據，通過清洗、過濾、關聯業務的數據融合與綜合分析，實現了諸如區域環境評估、多系統聯動、安全等級評價、KPI指標等決策分析主題，為企業安全生產運營提供決策依據[4]。

4.關鍵技術應用

（1）一站式門戶技術

利用門戶技術，實現礦井信息化平臺的單一認證通道，實現用戶、權限、資源的統一管理與認證，借助Portal與OAuth2.0認證技術實現一站式信息、應用集成、模塊化業務展示、單點登錄以及個性化工作界面等功能，滿足多級、多角色應用需求。對內實現日常安全生產經營等業務應用，對外實現通知公告、會議紀要等信息發布。

采用云計算技術，構建過程管控和經營管理兩個云計算數據中心。采用云計算，有效地整合安全生產與經營管理網內各獨立資源，構建了面向全網的業務的部署和資源的調度，更高效地利用存儲設備和網絡資源，同時實現業務連續性 (容災備份)在私有云環境下的遷移，形成低能耗綠色可靠的數據中心。

（3）礦山物聯網技術

煤礦物聯網涉及掘進機、采煤機、刮板輸送機、液壓支架、液壓泵站、轉載機、破碎機、帶式輸送機、提升機、電機車、膠輪車、通風機、水泵、壓風機、移動變電站、電氣開關、變壓器、監控、通信等大量的機電設備生產、運輸、倉儲、使用、維護等全過程的監管。建設感知礦山信息集成交換平臺，將安全生產、人員、設備、管理信息等復雜異構信息在一個統一數據平臺存儲，建立設備之間關聯關系，實現了多傳感器信息、多系統之間在時間與空間上的識別、接入與聯動。

（4）信息綜合分析與決策

將煤礦企業中現有的數據進行有效的整合，分析相關聯的各個生產環節的環境參數、安全隱患、作業情況、人員分布、設備運轉情況等多個方面數據，支持構成、趨勢、對比、環比、預算、預警等分析方法，以表格、圖形、儀表、智能報告等展現安全生產經營相關的有用信息，為各級領導的決策過程提供服務[5]。

（5）智能移動技術

將移動通信技術、移動智能終端應用技術與原有信息化系統的結合,實現智能手機及平板電腦上的移動設備管理(MDM)、移動應用管理(MAM)和移動內容管理(MCM)，有效地解決了礦井移動智能終端的安全、應用管理、統一配置、文檔分發等問題。通過調用移動監控服務系統提供的數據服務,提供了安全監測監控、安全隱患、預警報警、視頻監控、報表管理、人員定位與調度、通知與學習等業務應用,實現了對礦井”安、產、運、銷”等各環節信息的實時掌握。

5.總結

數字化礦山建設，有效實現了礦井全面感知、智能識別，應用空間三維技術實現了安全生產運營過程全方位集中監視與綜合調度，構建綜合管控平臺實現了安全生產系統的過程優化與聯動控制[6]，集成經營數據實現了關鍵生產運營指標全面分析與過程管控，為礦井精細化管理提供了支撐，同時促進本安型礦井的建設，在提高安全生產管理水平、保障職工人身安全的前提下最終達到監、管、控一體化，為實現減人提效、安全管理、災害預防與礦山建設具有重大的意義[7]。

[1]李健.基于數字化礦山的全息化應急管理系統研究[J].山西焦煤科技,2013(09).

[2]尹玉杰.互聯網系統中的煤礦數字化應用研究[J].煤炭技術,2013(09).

[3]李晉,王海先.論數字化礦山建設[J].煤炭經濟研究,2013(01).

[4]張杰.神華寧煤集團安全智能分析平臺建設構想[J].工礦自動化,2012(09).

[5]魏永勇.論數字化礦山工業數據平臺的建立[J].科技創新導報,2011(07).

[6]朱超,吳仲雄,張詩啟.數字礦山的研究現狀和發展趨勢[J].現代礦業,2010(02).

[7]韓建國,楊漢宏等.神華集團數字礦山建設研究[J].工礦自動化,2013年03期.

科研院所項目（14GY001-01）。

韓安（1982－），男，陜西涇陽人，天地（常州）自動化股份有限公司，長期從事煤炭企業集團信息化產品研發及推廣工作。