神華準能集團數字礦山系統構建及數據標準化研究

武國平 額爾德木吐 劉宇飛 王石磊 陸 翔

(1.神華準能集團科學技術研究院，內蒙古自治區鄂爾多斯市， 017000；2. 神華準能集團信息處，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000；3.中國礦業大學礦業工程學院， 江蘇省徐州市，221116)

1 引言

數字礦山建設是露天煤礦現代化的重要標志，數字礦山的建設有助于露天煤礦管理者全面監控生產中的各個環節，并在此基礎上進行日常生產調度和運營決策級突發情況下的應急響應，從而提升露天開采的開采效率和安全性。礦業發達國家數字礦山的研究及建設已經越過了系統整合階段，將重心轉移至遠程遙控和自動化采礦。美國己成功研發大范圍采礦調度系統，該系統采用計算機、無線數據通訊、調度優化以及全球衛星定位系統(GPS)技術，對露天煤礦生產進行實時控制與管理；德國魯爾煤業的哈尼爾礦采用魯爾公司的數字化礦山系統，通過地面監控調度中心，對井下各個生產流程進行綜合監視和集中控制，實現從地面對井下人員調度和設備操作的整體的整體控制。

目前國內絕大部分露天煤礦都已經進行了部分生產環節的信息化建設，并且有少數露天煤礦生產環節信息化已經全覆蓋。但是由于每個露天煤礦生產環節信息化由不同公司完成，因此不同的生產環節信息系統之間存在數據格式不統一，系統間信息傳輸方式及協議存在多種壁壘，并且絕大部分露天煤礦未有整合性的信息平臺一體化建設，導致現有各工作環節的信息化應用停留在監控層面，缺乏數據深度挖掘和決策支持等深層次方面的應用。基于此，準能集團在現有的部分生產環節信息化基礎上，整合了現有資源，規劃了數字礦山系統架構，并開展了數據標準化研究，整合數字礦山系統的所有數據信息，設計了一個功能全面、聯系緊密、互通高效的數字一體化系統。

2 準能集團露天煤礦概況

準能集團擁有生產能力為3400萬t/a的黑岱溝露天煤礦和生產能力為3500萬t/a的哈爾烏素露天煤礦及配套。黑岱溝露天煤礦位于準格爾煤田中部，距離準能集團公司9.8 km，向北距離呼和浩特市120 km，向西距離鄂爾多斯市135 km，向南距離平朔露天煤礦225 km，均有二級公路相通。大準(大同—準格爾)電氣化鐵路直通黑岱溝露天煤礦，呼準(呼和浩特—準格爾)鐵路正在興建，交通運輸極為便利。黑岱溝露天煤礦的設計開采范圍為42.36 km2，可采原煤儲量為14.98 億t，設計生產能力為2000萬t/a，服務年限為75 a。哈爾烏素露天煤礦可采原煤儲量為17.3億t，煤層平均厚度為21.01 m，全礦平均剝采比為6.626 m3/t，設計服務年限為79 a。首采區原煤儲量為6.36億t，平均剝采比為4.099 m3/t，服務年限為32 a。2017年，黑岱溝露天煤礦生產原煤3448萬t，哈爾烏素露天煤礦生產原煤2285萬t(受征地問題影響)。黑岱溝煤礦和哈爾烏素露天煤礦計劃進行擴能改造工程，改造后兩礦設計生產能力達到7000萬t/a。

3 準能集團數字礦山功能需求分析

準能集團數字礦山功能需求分析從管理決策層、生產執行層和生產監控層三大層面進行分析。

3.1 管理決策層

管理決策層是根據準能集團的發展方向進而對露天煤礦的管理和經營作出正確的決策和規劃，其關心的是整個露天煤礦各方面的整體運作狀況和階段性的績效，需要掌握露天煤礦“采電運”整體信息，根據這些信息階段性地對露天煤礦的工作進行全盤監管和決策指導，并時刻保持與各露天煤礦的聯系，定期進行電視電話會議，并在緊急事件發生時第一時間連線控制。管理決策層需要具備以下功能：

(1)保持與下級單位信息通訊，定期進行工作指導會議，在緊急情況發生時直接遠程指導工作。

(2)根據所采集的多種煤礦生產等內部信息以及市場、銷售等外部信息對露天煤礦生產流程進行優化，并對關鍵問題進行決策。

3.2 生產執行層

生產執行層是根據決策層所制定的生產計劃和決策結果進行相應的生產管理，管理內容包括露天煤礦生產的全部內容以及露天煤礦生產的各種輔助環節。生產執行層需要具備以下功能。

(1)對生產作業全過程進行全方位的監測、預警、指揮、數據統計和分析，實現生產作業任務的下達及反饋、突發事件的應急處置和調度值班的日常管理，結合移動辦公等技術手段，實現基層區隊以及班組人員與系統的實時信息交互。

(2)進行煤炭生產機電設備的日常運營及維修管理，實現設備管理業務數據的采集、匯總、報表統計和計算分析，提高機電設備的管理效率。為設備管理及維修人員提供完整、準確的設備歷史臺帳和運行狀態信息，合理安排部署維修計劃，優化配置維修資源，有效監控維修過程，降低維修配件庫存成本，實現機電設備的全生命周期管理。

(3)整合企業生產管理相關的制度、規程、規范、工藝流程等，對技術文件的收集、鑒別、整理、保管、傳遞、統計和查詢等環節進行管理。

(4)具有應急事件的應對能力，實現應急預案、應急演練、應急資源和應急處置的全過程集中管理。同調度與作業管理子系統有機結合，實現應急指令和現場信息的及時上傳與下達，合理協調和調度應急資源，提升應急指揮和應急處置效率，有效降低災害事故造成的經濟損失。

(5)根據實時采集的露天煤礦生產及附屬信息對生產業務關鍵指標進行綜合統計、圖形化展示、對比分析、趨勢預警和數據挖掘，為各級業務管理人員科學決策提供數據支持。

(6)對炸藥廠原料和成品的出入庫、炸藥生產過程和爆破裝藥過程的集中統一管理。

(7)對班組生產作業進行管理，以成本核算和績效考核為核心提升班組人員的標準化作業水平和工作效率。

(8)對露天煤礦卡車進行智能管理和調度優化，提升露天煤礦運輸設備的聯動能力和生產效率。

3.3 生產監控層

生產監控層對露天煤礦生產系統進行全方位的監控，采集各個生產環節的數據，為生產執行層進行管理提供數據依據。生產監控層需要具備以下功能。

(1)對鉆孔深度進行自動監測，為現場施工和作業提供實時數據支持，提高鉆孔深度精度，提升鉆孔生產作業效率和質量。

(2)對采煤挖掘機進行高精度定位，實時管控采煤位置和高程，提高煤層分層開采的準確度，提高開采煤炭質量。

(3)對炸藥混裝車進行監控，實現炸藥車裝藥精準控制，提升爆破作業質量，降低炸藥消耗，減少由于誤差帶來的爆破效果差和不安全因素。

(4)對大型運輸卡車輪胎溫度和壓力進行實時監測和分析，減少輪胎維護工作和人員，延長輪胎使用壽命，節省人力和輪胎成本支出。

(5)對大型運輸卡車進行精確油耗計量，提高單班核算準確度，為卡車油耗控制提供數據依據和手段。

4 準能集團數字礦山系統設計

4.1 系統架構設計

根據上述對準能集團的需求分析，將準能集團數字礦山建設分為兩個層級的建設，第一個層級為針對不同用戶使用的硬件交互平臺，主要分為集團管理決策層的生產執行指揮硬件平臺、各部門管理層的生產執行平臺以及數據采集平臺；第二層級為依附于第一層級的各種功能系統。準能集團數字礦山系統架構如圖1所示。

圖1 準能集團數字礦山系統架構

圖2 準能集團數字礦山系統邏輯框架

4.2 邏輯框架設計

根據準能集團數字礦山的系統功能，設計了準能集團數字礦山系統邏輯框架。該邏輯框架以數據庫為核心，連接生產執行硬件平臺、生產執行平臺和數據采集平臺，各平臺連接自身的依附系統。準能集團數字礦山系統邏輯框架如圖2所示。

4.3 物理框架設計

在準能集團數字礦山系統邏輯框架基礎上，設計了準能集團數字礦山物理框架。由于準能集團有兩個露天煤礦，因此將硬件分成黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦和集團中心三大部分，各部分主要服務器之間采用環形網絡，增強網絡的抗損性，兩個露天煤礦應用服務器與應用終端之間采用以太網絡連接。準能集團數字礦山物理框架如圖3所示。

圖3 準能集團數字礦山物理框架

5 數據標準化研究

5.1 數據標準化原則

結合準能集團主數據的標準體系規范和管理要求，系統總體設計遵循以下主要原則：滿足準能集團主數據多業態、多層級、多主題域的特點；滿足準能華集團主數據集中、分級和混合管理的業務需要；滿足準能集團數據管控要求，并可實現與神華集團主數據管理系統的集成；提供具有良好擴展性與可維護性的應用框架，支持應用功能的擴展，實現功能和流程的靈活配置；與應用系統、應用集成平臺等基礎系統具有良好的集成性，具有高可用性、可擴展和負載均衡的系統架構，并支持未來與認證、門戶等系統的集成；充分借鑒已有解決方案，使用成熟可靠的開發平臺，減少項目實施的技術風險；完善功能與數據權限控制機制，支持重要數據修改的跟蹤與安全審計。

5.2 數據構架設計

主數據管理作為數據紐帶存在于企業信息化應用中，是系統集成和數據共享的基礎。經過神華集團SH217工程建設和準能集團數字礦山工程建設，準能集團信息化應用已實現煤炭、鐵路和電力生產三大板塊業務的全面覆蓋，為企業的辦公、生產能力和效率提升提供了堅實的基礎。

主數據管理系統的架構設計應以滿足準能集團主數據管理的需要和應用需求為基礎。因此，在本次系統架構設計時遵循先進性、完整性和可擴展性原則，功能上除具備完整的數據管控、應用和基礎管理外，還應能夠提供較強的外部集成和協作能力，具備先進的交換機制實現數據同步，同時，可以對外提供多種預置的服務來響應外部應用系統的調用，從而使系統具有很強的實時操作性。借鑒行業先進實踐和神華集團MDM主數據核心業務功能，一套完整的主數據管理系統應包括主數據管控、主數據應用、基礎管理和系統管理四大部分功能。主數據管理總體功能架構如圖4所示。

圖4 主數據管理總體功能架構

圖5 數據系統集成總體架構

5.3 系統集成構架

目前主數據管理解決方案主要采用基于ETL工具和基于SOA體系架構的兩種方式來實現與各應用系統間的數據交互和應用。結合準能集團信息化建設現狀和利舊原則，本方案中建議以ETL工具為基礎，首先實現主數據管理系統與各應用系統的集成和協作，在未來條件具備的情況下，最終實現與統一身份認證和企業門戶的集成。

主數據平臺與其他系統主要通過以下2種方式交互：一種是業務系統直接與主數據管理平臺交互，如統一身份認證系統、神華集團MDM等；另一種是業務系統通過應用集成平臺與主數據管理平臺交互，如操作類和分析類應用系統等。數據系統集成總體架構如圖5所示。

6 準能集團數字礦山建設進展

準能集團數字礦山建設分為三大階段：第一階段是規劃設計階段，第二階段是系統管理平臺、數據庫和通訊架設階段，第三階段是功能性子系統集成階段。

在第一階段中，準能集團已經完成數字礦山整體系統規劃和數據結構設計。數字礦山的整體規劃中，準能集團有黑岱溝和哈爾烏素兩個開采場，根據此特點準能集團設計了一個指揮平臺、一個數據中心、兩個分平臺及其子系統的三級構架，并設計了數據庫構架和數據標準，定義了每一個數據的字段和存儲規則。目前基本完成第一階段建設任務。

在第二階段中，準能集團完成了該數據庫的軟硬件建設、通訊網絡的硬件建設以及管理平臺的硬件建設，管理軟件主體功能在運行調試中，管理平臺的功能性子系統正在建設中。第二階段的建設已經完成80%，并且基本硬件建設完成。

在第三階段中，已經將目前露天煤礦存在的部分管理子系統接入管理平臺之中，并進行數據和通訊的標準化處理，成功移植原有的管理功能。燃油監管和輪胎監測子系統正在安裝調試，炸藥管理和應急管理等子系統正在建設之中。第三階段已經完成50%的建設內容。

準能集團數字礦山的建設已經完成絕大部分，建設好的部分即投入生產應用。從目前完成部分來看，新建設的數字礦山基本解決了準能集團管理系統之間的數據交流問題，加強了管理部門對生產一線的監控，并且新引入的部分子系統提高了相應部門的管理水平。準能集團將在未來的1～2年內完成數字礦山的建設，并全面投入應用，屆時數字礦山的生產分析能力將大大提高，生產管理和監控更加現代化。

7 結語

數字礦山建設是煤炭企業信息化發展的標志和途徑，良好的系統構架和數據標準化是衡量一個企業數字礦山建設優劣的首要因素。準能集團在已有部分生產系統信息化基礎上設計了數字礦山一體化構架，并提出了數據標準化構架，為實時數字礦山工程奠定了堅實的指導基礎。

目前準能集團數字礦山項目已經基本完成，主要硬件改造升級完畢，處于試運行和系統磨合階段。準能集團的數字礦山建設能夠為其它煤炭生產企業的信息化建設提供借鑒和參考。