露天煤礦智慧化建設關鍵技術及智能管控理念

何 帥，王海洋，趙 力

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

我國露天煤礦具有產能大、設備大型化、勞動密集、信息化程度低等特點。隨著國家政策的指導、行業競爭的激烈性及在安全生產、降本增效方面要求的提高[1]，跨行業引入先進的通訊技術、智能控制技術，促使露天煤礦企業生產方式向無人化轉變，能有效的為露天煤礦減少人工成本、提高設備利用率、提升安全保障。科技力量的引入使得露天煤礦智慧化建設成為必然，但仍需從現有的初級階段逐步向目標邁進。

隨著科技的發展，我國露天煤礦行業經歷了數字化基礎建設階段，目前正在往智能化、智慧化階段發展。數字礦山建設是由數字地球、數字城市發展而來[2]，礦山數字化是以計算機、多媒體技術、軟件技術為基礎，對真實礦山整體及相關現象的統一認識與數字化再現，是數字礦區和數字中國的一個重要組成部分。露天煤礦數字化是利用計算機技術實現了礦山各個環節的信息的采集存儲及處理。標志著具備智慧礦山建設的基礎。近年來隨著互聯網+、人工智能和大數據等顛覆性技術的快速發展[3-4]，加速了傳統行業變革的進程，2015 年《政府工作報告》首次提出實施“中國制造2025”，推進智能制造，傳統產業進行改造實現升級換代；2016 年國土資源部發布《全國礦產資源規劃》，明確提出要大力推進礦業領域科技創新，加快建設數字化、智能化、信息化、自動化礦山；2017 年國家發改委發布《安全生產“十三五”規劃》要求在礦山領域實施“機械化換人、自動化減人”；2020 年8 部委聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，明確提出煤礦智能化發展的3 個階段目標，2021 年建成多種類型不同模式的智能化示范煤礦，2025 年大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化，2035 年煤礦基本實現智能化，建成煤礦智能化體系[5-6]。露天煤礦智能化、智慧化將成為未來幾年發展的核心，實現煤礦采、運、排、選等生產過程、安全管理、經營管理等過程的智能化運行，使露天煤礦從單項環節智能化應用到企業內跨部門跨環節綜合集成、實現業務協同與發展模式創新，建設生產管理一體化綜合管控平臺，實現安全生產、智能開采、精細化管理、降本增效、綠色環保、自動化減人的目標。

1 目前我國露天煤礦智慧礦山建設存在的問題

露天煤礦的智慧化是從生產、安全、經營等方面全方位的對整個礦山的正常運轉進行管控，所謂管控[7]，即管理與控制的意思，是從管理學、系統工程、控制理論等角度進行研究并加以界定的，是企業管理的具體體現。而智能管控則是隨著科技的發展加入了人工智能的概念，利用計算與通信技術、軟件工程與信息工程等多學科、多技術相互結合、相互滲透來提高企業管控的智能水平, 是現代企業管理科學技術發展的新動向。露天煤礦中的管控針對生產工藝和生產過程的實時知曉、管理與控制。分為智能生產運營管控、智能安全管理管控、智能經營決策管控。隨著我國眾多露天煤礦企業智慧礦山建設的推進，目前在網絡通信建設、生產過程管控、無人駕駛等方面取得了進展[8]，但是，也不可避免的認識到同世界先進的礦業國家的差距，還有很多亟待解決的問題，主要表現在以下幾個方面：

1）露天煤礦設備自動化程度不高且感知范圍不全面，露天煤礦設備包括采、運、排過程中所有涉及的生產設備和輔助設備[9]，目前未能對所有設備的參數監控、生產過程監控、維修周期監控進行全面覆蓋。

2）基礎建設未有全局規劃、整體信息化水平不均衡。目前露天煤礦整體缺乏完善的信息化建設全局規劃，已經開發的信息化系統僅僅從局部解決個性問題，卻又缺少專業的維護，多個系統間均獨立運行，無法進行數據共享，導致露天煤礦未形成有效的管控體系。

3）露天煤礦未形成統一的綜合管控平臺[10]，生產過程中各環節的信息缺乏統一整合，數據結構和數據存儲無統一格式，重復度高，同時在數據挖掘層面的分析較少，缺乏整體指標性、規律性的研究。

2 露天煤礦智慧化的定義和整體框架及建設規劃

2.1 露天煤礦智慧化的定義

露天煤礦智慧化建設以煤礦各個環節的數字化為基礎，通過先進的計算機技術、傳感器技術、網絡通訊技術和人工智能技術建立綜合智能管控平臺，對生產過程、安全管理、經營決策管理方面進行智能感知、辨識，實現對煤礦生產過程實時監控，生產環節安全監控，通過大數據手段，將露天煤礦人、設備、環境等環節的感知數據進行融合、分析、決策，解決經營管理過程中的復雜問題，從而提高設備利用率、資源配置率，達到整個露天煤礦無人、少人化，實現智能綠色開采。

露天煤礦的智慧化建設中數字化是基礎，主要實現實時工況的感知，數據采集及存儲的數字化，在數字化過程中會面對多系統融合等復雜問題，需要從全局考慮數據架構，統一數據格式，為智能管控平臺的建立搭好基礎數據框架。

2.2 露天煤礦智慧化的整體框架

露天煤礦智慧化的整體框架如圖1。

露天煤礦智慧化建設整體框架是構建在工業互聯網基礎上以綜合管控平臺等軟件架構呈現[11-13]，能夠對煤礦的各個環節進行查看、聯動、管控。整體框架包括設備感知層、融合通信網絡傳輸層、互聯網平臺層和軟件應用層。設備感知層針對整個礦區進行全方位數據信息采集，形成統一結構的數據基礎；融合通信網絡傳輸層是信息傳遞的橋梁，實時進行通信傳輸；互聯網平臺層是各項軟件應用的基礎，為所有信息化建設提供平臺基礎服務，軟件應用層匯集各類生產、安全、經營等全方面信息化管理需求的實現。

1）設備感知層。包括行為感知、工況感知、環節感知和設計感知。能夠全面感知人、機、環等的位置、狀態，并可以對設備進行監控。從設計角度全局考慮，針對采礦過程中需要進行數據采集的所有環節統一進行采礦設計。

“汽車產業供應鏈特別長，因此，汽車產業可以說是助力國家經濟增長的‘全能選手’：在研發制造環節，它涉及軟件、材料、機械、電子、裝備制造業等；在市場流通環節，它涉及物流、分銷與媒體廣告；在使用環節，它又涉及龐大的零部件及維修與保養行業；加之互聯網對全產業鏈的賦能以及新興的共享經濟，汽車產業的邊界逐漸模糊，相關聯的行業就更廣了。所以說，汽車全產業鏈對于整個國家經濟來說，其作用至關重要。”中國機械國際合作股份有限公司總經理趙立志先生談到。

圖1 露天煤礦智慧化的整體框架Fig.1 The overall framework of intelligent open-pit coal mine

2）融合通信網絡傳輸層。采用5G 先進手段，所有系統均采用現場總線融合組網模式，在網絡資源統一協議的基礎上實現高效可靠的數據傳輸。礦區網絡按類型可分為生產控制網、安全監控網、視頻環網、辦公網絡等。在實現網絡傳輸的基礎上要利用防火墻、殺毒軟件等措施確保網絡信息安全。

3）互聯網平臺層。包含2 部分：一部分是數據中心，是基于云解決方案的開放式的基礎服務中心，向下實現各種感知數據的接入，向上支撐管理服務信息化軟件體系，數據中心需要完成不同格式數據的接入，統一數據標準，建立接入準則，數據共享體系實現格式化數據、半格式化數據及非結構化數據的統一接入，同時云數據中心，實現計算資源、存儲資源和網絡資源的統一規劃與集約建設; 另一部分是應用平臺支撐，包括GIS 平臺、時空一張圖平臺、組態化平臺、實時數據綜合服務平臺、設計協同平臺、后端即服務平臺、工作流引擎、BI 及報表工具、礦山大數據分析平臺。

4）軟件應用層。從智慧生產運營、智慧安全管理、智慧經營管理3 個層面面向生產、安全、經營管理、決策分析實現自動化和信息化融合應用，同時可基于智能終端實現移動互聯應用與服務，最終實現應用資源的集成融合、智能聯動與動態擴展，真正做到用數據管理、用數據決策、用數據服務。露天煤礦智慧化的軟件應用層如圖2。綜合管控平臺涵蓋智慧生產運營管控、智慧安全管理管控和智慧經營決策管控。智慧生產運營管控從生產計劃和生產過程方面包含地測采等相關系統，如：地質建模、無人機測量、三維激光掃描、卡車無人駕駛系統、鉆機遙控布孔系統、設備巡檢機器人等。智慧安全管理管控涵蓋邊坡安全預警系統、地質災害監測系統、車輛輔助駕駛系統、環境監測系統、視頻監控系統、VR安全培訓系統等。智慧經營決策管控包括協同辦公系統、財務共享系統、人力資源系統、銷售系統等。

圖2 露天煤礦智慧化的軟件應用層Fig.2 Intelligent software application layer of open-pit coal mine

整體框架的建設是通過對露天煤礦各子系統從單一工作向協同工作，從手工錄入向自動生成，從被動查詢向主動提醒的綜合集成，形成企業的生產、安全、經營管理的綜合性智慧綜合管控平臺。

2.3 露天煤礦智慧化的建設規劃

露天煤礦智慧化建設可分2 期規劃建設，露天煤礦智慧化建設分期規劃如圖3。

圖3 露天煤礦智慧化建設分期規劃Fig.3 Stage planning of intelligent construction of open-pit coal mine

1）基礎網絡建設方面。整個一期規劃就要完成所有基礎搭建，為后期各業務系統的建設全方位服務，保證數據的采集、傳輸、存儲、應用等工作。以5G網絡部署整個礦山，實現生產控制網絡、安全監控網絡、視頻環網、辦公網絡的全覆蓋。同時從安全角度要進行網絡隔離、行為管理、防火墻、殺毒軟件等設置，確保網絡使用的安全性。

2）數據中心建設方面。要在一期規劃中完成數據接入的準則規范設計以及基礎服務的建設，包括存儲、計算機虛擬化，調度中心智能化，大屏幕智能展示等。在二期規劃中考慮云解決方案，包括私有云、混合云、災備云等。

4）智慧安全管理建設方面。分2 期進行：一期建設主要解決基礎安全監控方面的必要系統建設，如邊坡安全、人員安全、設備安全、違章行為監控等；二期建設主要從司機監管、成本分析、動態仿真等角度完善安全管理系統體系，如油耗監控系統、VR安全培訓系統等。

5）智慧經營管理建設方面。在一期建設要完成辦公系統的協同化、財務系統、人力系統、銷售管理系統等。

3 露天煤礦智慧化建設中的關鍵技術

1）“5G”通訊技術。傳統網絡傳輸技術主要存在數據實時性差、準確性低、可靠性低、使用率低等特點。對于實現遠程開采或者無人開采，對于所有核心設備的實時性控制更是至關重要，很多設備的控制響應需要精確到毫秒級。網絡層作為智慧化建設的基礎層，“5G”通訊技術具備速率快、可靠性強、帶寬高等優勢，為礦山在數據傳輸上提供了絕對的技術保障，解決了生產數據實時上傳、實時處理、實時決策的技術瓶頸。但是露天煤礦礦區道路不規則，轉彎多，坡道多所以盲區較大，采深大，造成俯仰角大，并且根據露天礦開采工藝的影響，礦坑內始終處于動態變化中，5G 基站存在頻繁遷移，遷移后的選點都是直接影響5G 通訊覆蓋的關鍵問題。包括采深的增加，5G 天線的俯仰角度范圍也影響信號覆蓋范圍。

2）數據標準。目前，國內煤炭行業大多數現代化露天礦在智慧化建設過程中都是根據自身的實際需要以及平臺職能，獨立建設各類系統與平臺。這些信息系統，在長期使用中積累了大量的核心業務數據，如果不對數據生命周期全過程加以管治，將可能帶來多方面問題。露天煤礦各系統與平臺都具備獨立的數據架構與數據格式，即使同一家建設單位的多個平臺也存在后續集成與聯動升級的過程中由于數據架構與數據格式的問題導致無法集成，最終形成“數據孤島”，因此需要建立數據標準體系。整個數據體系建設包括數據采集與傳輸、數據存儲、數據服務、數據質量控制和數據信息安全等幾個部分，每個部分均應形成相應的標準規范，以指導和規范礦山的信息化建設。數據體系及其標準規范是礦山智能化建設的基礎，將直接關系到整個智慧礦山數據共享、系統集成、信息融合與聯動應用的成功與否，關系到礦山智能化建設的持續接入與應用擴展。

3）數據挖掘及系統聯動。多系統聯動的基礎是數據共享與數據挖掘，通過標準的數據格式，進行大數據分析與處理，深層次挖掘各項數據的關聯，尋找多系統之間的數據橋梁，使多系統建立且兼容的基礎。通過數據挖掘尋找各系統及需求的共性或數據邏輯關系，便于多系統聯動處理以及系統建立的整體性與統一性，使多系統聯動運轉更流暢。

4 露天煤礦智能管控平臺

隨著露天煤礦智慧礦山建設的逐步開展，將圍繞生產運營、安全管理、經營管理等方面進行展開，智能管控平臺能夠解決各露天礦已建各分系統無法實現資源共享，大數據沒有利用無法進行聯動和數據統一展示的問題，同時將未來即將建設的子系統進行標準約束，降低人為影響因素，使各系統設備等能協同、自動運作。

露天煤礦智能管控系統平臺利用統一用戶界面技術、GIS 技術、BI 報表技術、組態化技術等，構建基于統一數據標準的、以空間地理位置為主線、以分圖層管理為組織形式、以打造礦山5D 數字孿生為目標的礦山綜合數據庫，為智慧礦山應用提供二/三維一體化的位置服務、協同設計服務、組態化服務、三維可視化仿真模擬、礦山工程及設備的全生命周期管理等服務和工具，實現一張圖集成采運排生產全過程、地質災害安全管理、設備智能控制等應用系統的數據共享服務。將生產運營環節與安全管理環節有機聯動起來，及時反饋生產運營中的安全問題，也可根據安全監測數據指導生產運營。

1）智慧生產運營管控系統。通過對礦山生產過程中的對象數據、業務屬性數據、實時生產數據等進行綜合集成、融合和展示，為礦山生產人員提供人員管理、生產過程監控等服務與應用，通過2/3D 手段瀏覽整個露天礦山作業情況及生產業務數據的查詢分析，進而形成生產信息與地質、測量、采礦專業的動態關聯和綜合管理，直接服務于礦山的生產指揮。

2）智慧安全管理管控系統。通過對礦山生產場景、工業場景的安全監測手段采集安全相關的實時、歷史數據進行綜合集成分析，為專業管理人員提供人員安全監控、設備安全運行、地質安全監測等服務與應用，通過2/3D 手段瀏覽各安全子模塊的數據，以聲光方式進行安全預警，并將各系統間進行聯動，暴露安全隱患，指導安全疏散。

3）智慧經營決策管控系統。利用時空一張圖和大數據分析平臺，通過對露天礦山空間對象數據、實時屬性數據、歷史數據的全面集成、智能診斷分析，指出在生產經營過程中短板，為企業降本提效提供科學依據和保障。

5 結 語

在露天煤礦信息化動態的基礎上，研究了露天煤礦智慧化的定義、整體框架及建設規劃，規劃了各個系統的建設內容及項目構成，分析了智慧化建設過程中的關鍵技術，討論了露天煤礦智能管控平臺的重要作用及分系統組成。

露天煤礦的智慧化建設與管控工作是一項復雜的系統工程，整個過程投入龐大，周期漫長。露天煤礦的智慧化建設，需要結合新技術新理論，實現整個露天煤礦的智慧感知、智慧生產、智慧決策，最終向無人化、綠色高效露天礦山目標邁進。在整個建設過程中要對整體建設過程進行科學規劃，對各個分支的建設或升級要合理有序，避免出現重復建設、重復投入或者出現超前投入、滯后產出等情況。實現露天煤礦生產過程中的資源優化配置，建設成生產過程看得見、經營決策管控好的露天煤礦。