智慧礦山系統工程與關鍵技術探討

黨文龍

摘 要：目前，作用于傳統采礦業的因素分別有自動化技術、智能化、網絡化、數字化、信息化等。人力礦山、機械礦山逐漸演變為數字礦山、信息礦山，并慢慢向著綠色礦山、智慧礦山、智能礦山、感知礦山。“智慧地球”思維這個信息正影響著各行各業，采礦業已經邁向自動化開采和無人開采。針對礦山企業生產，本文寫作目的在于構建智慧礦山理論框架和方法體系，為本行業智慧礦山工程的開展提供參考。

關鍵詞：智慧礦山概念;物聯網;發展趨勢;技術探討

智慧礦山是一個新興的、發展中的概念，是理論性和實踐性都很強的多學科交叉的前沿技術。從2O1O年起智慧礦山概念就從發達國家傳入國內，一經傳入，既在我國礦業屆引起了極大震動，許多礦山、設備研發制造廠家和科研單位、大學紛紛推出了自己對智慧礦山的理解。多省明確將建設智慧礦山定為基本省策。由于地質采礦條件復雜、生產體系龐大、采掘環境多變等特點，本文在說明國內外礦山信息化建設現狀的根本上，還討論了智慧礦山的定義及特征、關鍵技術和研究意義。

1 礦山信息化建設

要處理好礦山企業需面對的關鍵問題矛頭必須指向在原有的生產和運營期間局部、簡單的信息化系統構架，伴隨著采礦科學、信息科學、人工智能、計算機技術和3s技術的發展，礦山行業逐步引入了遙控采礦、礦山數字神經系統、數字礦山、礦山物聯網、智能采礦、感知礦山、智慧礦山等相關概念。現階段，智慧化時代正充溢著礦山行業。

2 智慧礦山關鍵技術

2.1 泛在網絡

《規范》中對基礎網絡的描述是：“應采用高速、寬帶的工業以太網、現場總線、無線通信網絡、透地通信設備……在正常時期，應保證礦山所有信息……的準時、可靠、安全傳輸;在災變時期，網絡鏈路應滿足K-2（網絡中的K條線路任何2條出故障）可靠傳輸，井巷鏈路應滿足N-1（網絡中的N條巷道任何1條不通）可靠傳輸……”在礦井自動化階段，普遍采用的是有線網絡為骨干，無線網絡和現場總線作為分支和輔助，通過網關接入到有線網中。

2.2智能感知

在礦井自動化階段，傳感器、執行器等只能被某個子系統單獨使用，難以按實際需要構建靈活實用的邏輯系統;不能直接接入主干網絡，必須通過網絡控制器接入;沒有采用集成傳感器，一個傳感器只能采集一種物理量;沒有進行網絡化分布式測量，缺乏傳感層面的信息融合。智慧礦山通過泛在網絡應實現泛在的感知、智能感知和就地決策控制。傳感器和執行器可以不通過子系統的控制器，而是以有線或者無線的方式直接接入泛在網，這樣可根據應用需求組成邏輯上的應用系統，并為服務與數據協議及網絡元素的解耦提供了可能。應研究泛在傳感感知與機器學習的結合，由單一目標監測向多維度感知發展;過程數據處理方法由傳統的預置處理流程向事件關聯智能分析、自主決策轉變;監控由井下分散采集、井上集中處理反饋向現場就地分析、決策、執行轉變。應研究霧計算、邊緣計算在智慧礦山的應用。霧計算的處理能力放在包括IoT設備的LAN里，和云計算相比延遲更短，更適合需要現場就地分析、決策、執行的場合，也可以實現子系統的監測控制和子系統間的數據級計算與協調。邊緣計算進一步推進了霧計算的LAN內的處理能力，處理能力更靠近數據源，通過把傳感器連接到PAC（可編程自動控制器）上，使控制和通信的把握成為可能。應研究智能、可靠、具備礦井環境能量捕獲的新一代無線傳感器。智能是指傳感器可以動態注冊、自動分配地址、即插即用，可就地決策控制;可靠是指抗電磁干擾、防中毒、無零點漂移、免標校;能量捕獲是指利用通風產生的風能、帶式輸送機等產生的動能等為傳感器節點充電。應推廣OPCUA（OPC統一架構）的應用。在礦井自動化階段，各子系統都采用OPC的方式進行數據通信。作為新一代數據交換技術，OPCUA可實現底層IoT到ERP的全方位集成，保證通信不丟失數據，支持復雜的數據結構，生成統一數據模型等優點，為下一步實現數據挖掘有天然的優勢。

2.3 基于SOA架構DDS規范的數據倉庫

數據不是為了存儲而存在的，只有對數據進行了合理的分析、重組、管理才能實現數據真正的價值。在礦井自動化階段，各個子系統都有各自的關系型數據庫或實時數據庫。這些異構源數據庫無法集成一個統一接口，無法滿足數據處理多樣化的要求，只能做本系統內的信息檢索而不是數據挖掘。而數據倉庫是數據挖掘的主要對象，數據挖掘是發現數據倉庫價值的方法。通過數據清洗等操作形成數據倉庫，建立單獨的分析處理環境，為下一步的大數據挖掘打好基礎。《規范》中明確規定了應建設“基于SOA構架、OPC規范和DDS規范”的礦山數據倉庫，并至少包含實時數據庫在內的地形地貌數據庫、地質勘探數據庫、生產經營數據庫等主題數據庫。面向服務的架構SOA是一種通過服務整合來解決系統集成的一種思想。其實現的常見方式是企業服務總線ESB;而數據分發服務DDS是專門面向分布式實時系統的服務，能很好滿足智慧礦山大規模、分散控制和動態改變的要求，不僅支持設備之間的數據分發和設備控制，還能實現設備和云端的數據傳輸。因此，在實現了智能感知，傳感器和執行器直接接入泛在網后，各個邏輯系統也可以不需要構建各種上位的應用系統，而是從底層出發，構建出各種服務，應用可以通過搭建服務來實現，這就是SOA的主要思想。因此，研究實現基于SOA構架、OPC規范和DDS規范的礦山數據倉庫是成功建設智慧礦山的又一關鍵技術。

3 結束語

智慧礦山是基于數字礦山、物聯網和云計算而建立的現實礦山與數字礦山的融合，以實現對礦山的感知、控制和智能服務，新型礦山企業轉變發展方式、實現科學發展的必經之路。企業的發展前景的快速之處就是要讓智慧礦山為礦山信息化建設取得便捷服務，使其對礦山的安全生產和生產效率以及和諧的發展起到推動作用，如此才可為智慧地球供應一份長期的持續的穩定的支持，完成綠色礦山、安全礦山、信息化礦山，促進智慧礦山的快速成長。

參考文獻

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