智能礦山架構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

文/鄭海山

做好頂層設(shè)計，大力建設(shè)配套的組織架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，是高效、有序推進(jìn)智能化煤礦建設(shè)的關(guān)鍵

煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級促進(jìn)煤礦邁入智慧化階段，推動煤炭行業(yè)的發(fā)展進(jìn)入新業(yè)態(tài)，并形成新的產(chǎn)業(yè)增長點。陽泉煤業(yè)集團(tuán)公司把煤礦的固有信息和動態(tài)信息通過先進(jìn)的人工智能和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)，對礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理信息進(jìn)行采集、分析和處理，實現(xiàn)協(xié)同運行并提供決策支持的整體化解決方案，為企業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供根本保障。

一、智能礦山的內(nèi)涵

智能礦山就是要通過總體規(guī)劃統(tǒng)一化、開采環(huán)境數(shù)字化、技術(shù)裝備智能化、生產(chǎn)過程可視化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)管理科學(xué)化，實現(xiàn)萬物物聯(lián)、遠(yuǎn)程控制、全面感知、一鍵開停、少人無人、智能分析的目標(biāo)。

智能礦山是礦業(yè)信息技術(shù)（IT）、礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（MIOT）和采礦操作運營技術(shù)（OT）的深度融合。IT技術(shù)包括ERP、MGIS、SCADA、PLC和現(xiàn)場設(shè)備及傳感器。MIOT技術(shù)包括基于信息安全、云計算、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等的智能安全監(jiān)控、智能采礦裝備、煤礦機器人和信息物理系統(tǒng)。OT技術(shù)包括礦床結(jié)構(gòu)及分布、開采規(guī)劃及精度、開采工藝及效率、過程測量與監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)與運行、生產(chǎn)管理與優(yōu)化、安全監(jiān)管與改進(jìn)、數(shù)據(jù)獲取及建模等要素。智能化礦山要立足高起點、高標(biāo)準(zhǔn)，堅持“總體規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)先行，架構(gòu)科學(xué)、分步接入”的原則，全面提升煤礦生產(chǎn)水平、安全水平和管控水平。

二、應(yīng)用平臺

1.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺

基于傳統(tǒng)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及5G通信技術(shù)，構(gòu)成煤礦完整的網(wǎng)絡(luò)平臺。礦井工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，按生產(chǎn)關(guān)系和地理位置構(gòu)成邏輯環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。地面接入交換機組成地面環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，井上各子系統(tǒng)接入地面網(wǎng)絡(luò)。井下交換機組成井下環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，井下子系統(tǒng)接入井下網(wǎng)絡(luò)。兩個環(huán)網(wǎng)通過核心交換機進(jìn)行匯聚，實現(xiàn)環(huán)間數(shù)據(jù)通信。無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用5G通信技術(shù)，將井下人、機、環(huán)等多因素信息采集、傳輸。

2．標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)運行平臺

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)是集資料的收集與處理、數(shù)據(jù)的存儲管理及資料檢索應(yīng)用等多環(huán)節(jié)的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。它不僅要對種類繁多、格式復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大的各種數(shù)據(jù)資料進(jìn)行有效管理，而且要高效支持各類業(yè)務(wù)及用戶的數(shù)據(jù)訪問。這些訪問既有實時性很強的日常預(yù)報業(yè)務(wù)，也有時效性要求不高的準(zhǔn)實時業(yè)務(wù)；既有本地用戶，也有遠(yuǎn)程用戶；既服務(wù)于數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)煤礦內(nèi)部，也要實現(xiàn)對外數(shù)據(jù)共享。因此，功能上不僅要考慮系統(tǒng)本身所涉及的各個環(huán)節(jié)，還要考慮滿足各類不同應(yīng)用的需求。

3．調(diào)度集控平臺

調(diào)度集控平臺是實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)各環(huán)節(jié)參數(shù)的自動接入與匯總處理，并能實現(xiàn)智能化控制方案形成，對現(xiàn)場子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控的平臺。它將實時狀態(tài)監(jiān)測與分析相結(jié)合，可通過多種方式對接入數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，通過對各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，對井下工作面安全狀況進(jìn)行評估，實現(xiàn)對關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的控制，按專業(yè)面向使用部門實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，實現(xiàn)“智能調(diào)度、集中監(jiān)控”。

4．經(jīng)營管理平臺

通過ERP系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)物資供應(yīng)、人力資源、財務(wù)、銷售等業(yè)務(wù)的統(tǒng)一協(xié)同管理。

5．綜合分析決策平臺

綜合分析決策平臺需要在智能化礦山建設(shè)過程中，逐步完善和優(yōu)化業(yè)務(wù)模型、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，構(gòu)建完善的專家模型，實現(xiàn)基于空間關(guān)系、環(huán)境因素、設(shè)備運行、業(yè)務(wù)管理等范疇的綜合分析，這是智能化礦山建設(shè)的最終目的。

6．一站式協(xié)同辦公平臺

通過一站式協(xié)同辦公平臺，實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的展示、監(jiān)控、預(yù)警，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析的BI展現(xiàn)，完成協(xié)同辦公，實現(xiàn)輔助決策。

三、解決路徑

1.面臨的風(fēng)險

（1）安全方面：水、火、瓦斯、頂板缺乏精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報。

（2）智能控制方面：煤礦的機械化、自動化、智能化技術(shù)轉(zhuǎn)移緩慢。

（3）煤巖識別方面：無法實施精準(zhǔn)預(yù)測和探測。

（4）機器人方面：受傳輸質(zhì)量和延時的制約，無法較快推廣。

（5）大數(shù)據(jù)方面：標(biāo)識體系滯后，動態(tài)數(shù)據(jù)采集困難。

（6）地理空間方面：透明化礦山，3D_GIS展現(xiàn)應(yīng)用還有差距。

2.路徑分析

（1）推進(jìn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。數(shù)據(jù)分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包含設(shè)備、配件、材料、人員、供應(yīng)商、客戶、賬套等。非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包含視頻、行為、聲音等。要加快井下各類設(shè)備傳感器和識別卡的研究和應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動識別和在線采集。研究煤炭行業(yè)大數(shù)據(jù)BI展現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)模板，具有操作實用性和輔助決策性。建設(shè)煤炭行業(yè)的主數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，形成共享，同時方便統(tǒng)計和對標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建集團(tuán)級的數(shù)據(jù)池。陽煤集團(tuán)的主數(shù)據(jù)已建設(shè)三年，形成70多萬條數(shù)據(jù)。

（2）推進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺具有可實用性和安全性，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，并具備大區(qū)域集中指揮控制功能，實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和工控系統(tǒng)共享，實現(xiàn)預(yù)測預(yù)警，區(qū)域集控、集中運維。

（3）推進(jìn)智能控制技術(shù)應(yīng)用。推進(jìn)煤礦5G網(wǎng)絡(luò)試點應(yīng)用建設(shè)，結(jié)合人工智能AI，研究井下無人車、皮帶集控、智能巡檢等的應(yīng)用。研究綜采自動化的采煤機記憶割煤、液壓支架自動跟機、可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)在地面或順槽監(jiān)控和集中控制。

（4）推進(jìn)BPR流程再造。隨著ERP、MES、DCS等系統(tǒng)的投入建設(shè)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的梳理和優(yōu)化、管理職能的劃分和界定、組織架構(gòu)的重組和再造。

（5）推進(jìn)業(yè)務(wù)區(qū)域協(xié)同管控。企業(yè)管理已不是單純的直線制或者是系統(tǒng)垂直管理，而是協(xié)同和區(qū)域的管理。要實現(xiàn)區(qū)域管理、區(qū)域運維，對職工的要求，要從專業(yè)人才向復(fù)合人才轉(zhuǎn)移。

（6）推進(jìn)本質(zhì)安全煤礦建設(shè)。在本質(zhì)安全煤礦建設(shè)過程中，要向無人和少人轉(zhuǎn)移，向一鍵式采煤發(fā)展，向無人駕駛、無人值守推進(jìn)，推廣可靠、安全、穩(wěn)定的煤機裝備，突破煤巖識別技術(shù)，提高職工素質(zhì)。

四、應(yīng)用場景

1.調(diào)度遠(yuǎn)程集中控制

陽煤集團(tuán)各礦通過對信息技術(shù)的不斷應(yīng)用，都建設(shè)了適合本單位實際的調(diào)度指揮中心。在各調(diào)度指揮中心內(nèi)，以生產(chǎn)調(diào)度、通風(fēng)調(diào)度、電力調(diào)度崗位為基礎(chǔ)，部分煤礦還設(shè)有綜采設(shè)備監(jiān)控、皮帶機監(jiān)控等崗位。

新元公司調(diào)度遠(yuǎn)程集中控制是通過建立一套以調(diào)度指揮中心為核心，以視頻、井下以太環(huán)網(wǎng)、音視頻、遠(yuǎn)程控制等為基礎(chǔ)的自動化控制系統(tǒng)，目標(biāo)是實現(xiàn)對大動力設(shè)備的遠(yuǎn)程集控和無人值守，以及礦調(diào)度中心對井下主要系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。為此，公司建設(shè)了軟件綜合集成平臺和礦井綜合自動化集成平臺。兩個平臺采用一對冗余的服務(wù)器對煤礦各生產(chǎn)和安全子系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和集中處理，以及采用實時歷史庫構(gòu)架數(shù)據(jù)存儲與支撐平臺，存儲煤礦各生產(chǎn)和安全系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)，形成全公司安全生產(chǎn)的全歷史數(shù)據(jù)平臺。通過以上兩個平臺，礦調(diào)度中心對礦井生產(chǎn)、供電、排水、運輸、瓦斯抽采等主要系統(tǒng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。具體效果： 一是具備了地面啟停所有主要運輸皮帶機、給煤機等設(shè)備功能；二是實現(xiàn)對公司瓦斯抽采管路的全方位實時監(jiān)測；三是實現(xiàn)變電站、采區(qū)水倉、中央水泵房、瓦斯抽放泵站、壓風(fēng)機房的無人或少人值守；四是實現(xiàn)大巷防塵噴霧裝置的自動運行與遠(yuǎn)程集中控制功能；五是實時監(jiān)測井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)以及各節(jié)點設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)運行狀況；六是實現(xiàn)礦井風(fēng)井場地通風(fēng)機及風(fēng)門的遠(yuǎn)程開停和在線監(jiān)控以及報警、信息顯示等功能；七是實現(xiàn)立井提升機的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

2.5G應(yīng)用前景

日前，5 G 技術(shù)在新元公司井下測試成功。5G測試所用的設(shè)備都是華為公司制造，地面安裝BBU5900與移動核心網(wǎng)連接。井下安裝Book2.0 RRU5235E井下覆蓋測試，Book2.0 RRU5235E是全球首款1.8G+2.6G雙頻RRU，擁有最高集成度；D頻段擴頻到160M，功率提升至2×15W；G/T/F/5G多模一步到位。測試報告為：平均測試速率為下載800Mbps，上傳700Mbps。全程通話質(zhì)量良好，無掉音，無雜音。天線井下正向覆蓋距離（無遮擋）300m左右，背向覆蓋120～150m左右。

（1）在質(zhì)量管控方面：目前井下使用的鉆機視頻全部利用信號線傳輸，傳輸中間環(huán)節(jié)多，作業(yè)時頻繁移動，容易折損線纜，造成圖像信息中斷。而且由于通信技術(shù)所限，傳輸距離短、畫面不清晰，導(dǎo)致視頻動作不流暢，有卡頓，無法通過有效手段監(jiān)督打鉆作業(yè)質(zhì)量。在打鉆巷道安裝5G基站定向天線，使5G信號覆蓋附近鉆場，利用帶有5G發(fā)射功能的無線高清攝像頭，代替現(xiàn)有有線傳輸方式，簡化現(xiàn)場布線和避免線纜頻繁拖移，實現(xiàn)視頻高清回傳，直觀地監(jiān)視打鉆操作。同時結(jié)合先進(jìn)的圖像分析技術(shù)，通過現(xiàn)場高清圖像自動分析出加桿下桿的數(shù)量，有效監(jiān)督現(xiàn)場打鉆質(zhì)量。

（2）在井下設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷及健康管理方面：利用5G技術(shù)將設(shè)備監(jiān)測和故障診斷技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，形成了一種全新的監(jiān)測診斷模式，即基于5G通信技術(shù)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)。將故障現(xiàn)場和遠(yuǎn)程診斷中心聯(lián)系起來，現(xiàn)場技術(shù)人員采用終端設(shè)備與遠(yuǎn)程診斷中心技術(shù)人員進(jìn)行視頻通話，由遠(yuǎn)程診斷中心的故障診斷系統(tǒng)對現(xiàn)場故障進(jìn)行診斷。快速診斷現(xiàn)場故障，指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)人員排除故障，提高故障處置效率。

五、結(jié)語

智能化煤礦建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，大力建設(shè)配套的組織架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，能夠更高效、更有序地推進(jìn)智能化煤礦的落地和實施。在這個過程中，要做好頂層設(shè)計、嚴(yán)格執(zhí)行考核、加強人才培養(yǎng)，建成系統(tǒng)齊全、深度互聯(lián)、高度智能、透徹感知、云邊協(xié)同、數(shù)據(jù)治理、綜合應(yīng)用、安全可靠的“智慧煤礦”。