智能礦山架構設計和關鍵技術應用

文/鄭海山

做好頂層設計，大力建設配套的組織架構和關鍵技術，是高效、有序推進智能化煤礦建設的關鍵

煤炭行業轉型升級促進煤礦邁入智慧化階段，推動煤炭行業的發展進入新業態，并形成新的產業增長點。陽泉煤業集團公司把煤礦的固有信息和動態信息通過先進的人工智能和網絡傳輸等技術，對礦井安全生產和經營管理信息進行采集、分析和處理，實現協同運行并提供決策支持的整體化解決方案，為企業實現高質量發展提供根本保障。

一、智能礦山的內涵

智能礦山就是要通過總體規劃統一化、開采環境數字化、技術裝備智能化、生產過程可視化、信息傳輸網絡化、生產管理科學化，實現萬物物聯、遠程控制、全面感知、一鍵開停、少人無人、智能分析的目標。

智能礦山是礦業信息技術（IT）、礦山物聯網技術（MIOT）和采礦操作運營技術（OT）的深度融合。IT技術包括ERP、MGIS、SCADA、PLC和現場設備及傳感器。MIOT技術包括基于信息安全、云計算、區塊鏈、大數據、人工智能、5G等的智能安全監控、智能采礦裝備、煤礦機器人和信息物理系統。OT技術包括礦床結構及分布、開采規劃及精度、開采工藝及效率、過程測量與監控、設備維護與運行、生產管理與優化、安全監管與改進、數據獲取及建模等要素。智能化礦山要立足高起點、高標準，堅持“總體規劃、標準先行，架構科學、分步接入”的原則，全面提升煤礦生產水平、安全水平和管控水平。

二、應用平臺

1.工業物聯網基礎平臺

基于傳統工業以太環網及5G通信技術，構成煤礦完整的網絡平臺。礦井工業以太網絡系統采用萬兆工業以太環網，按生產關系和地理位置構成邏輯環型網絡結構。地面接入交換機組成地面環形網絡，井上各子系統接入地面網絡。井下交換機組成井下環形網絡，井下子系統接入井下網絡。兩個環網通過核心交換機進行匯聚，實現環間數據通信。無線網絡系統采用5G通信技術，將井下人、機、環等多因素信息采集、傳輸。

2．標準數據運行平臺

標準數據中心系統是集資料的收集與處理、數據的存儲管理及資料檢索應用等多環節的綜合應用系統。它不僅要對種類繁多、格式復雜、數據量龐大的各種數據資料進行有效管理，而且要高效支持各類業務及用戶的數據訪問。這些訪問既有實時性很強的日常預報業務，也有時效性要求不高的準實時業務；既有本地用戶，也有遠程用戶；既服務于數據中心系統煤礦內部，也要實現對外數據共享。因此，功能上不僅要考慮系統本身所涉及的各個環節，還要考慮滿足各類不同應用的需求。

3．調度集控平臺

調度集控平臺是實現礦井安全生產各環節參數的自動接入與匯總處理，并能實現智能化控制方案形成，對現場子系統進行調控的平臺。它將實時狀態監測與分析相結合，可通過多種方式對接入數據進行查看，通過對各個子系統的數據融合，對井下工作面安全狀況進行評估，實現對關聯系統的控制，按專業面向使用部門實現遠程集中控制，實現“智能調度、集中監控”。

4．經營管理平臺

通過ERP系統的應用，實現物資供應、人力資源、財務、銷售等業務的統一協同管理。

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過程中，逐步完善和優化業務模型、數據模型、數據關聯模型，構建完善的專家模型，實現基于空間關系、環境因素、設備運行、業務管理等范疇的綜合分析，這是智能化礦山建設的最終目的。

6．一站式協同辦公平臺

通過一站式協同辦公平臺，實現對各種數據的展示、監控、預警，實現大數據分析的BI展現，完成協同辦公，實現輔助決策。

三、解決路徑

1.面臨的風險

（1）安全方面：水、火、瓦斯、頂板缺乏精準預測預報。

（2）智能控制方面：煤礦的機械化、自動化、智能化技術轉移緩慢。

（3）煤巖識別方面：無法實施精準預測和探測。

（4）機器人方面：受傳輸質量和延時的制約，無法較快推廣。

（5）大數據方面：標識體系滯后，動態數據采集困難。

（6）地理空間方面：透明化礦山，3D_GIS展現應用還有差距。

2.路徑分析

（1）推進數據標準建設。數據分結構數據和非結構數據。結構數據包含設備、配件、材料、人員、供應商、客戶、賬套等。非結構數據包含視頻、行為、聲音等。要加快井下各類設備傳感器和識別卡的研究和應用，實現數據的自動識別和在線采集。研究煤炭行業大數據BI展現的標準模板，具有操作實用性和輔助決策性。建設煤炭行業的主數據標準，形成共享，同時方便統計和對標。在此基礎上，構建集團級的數據池。陽煤集團的主數據已建設三年，形成70多萬條數據。

（2）推進工業物聯網平臺建設。工業物聯網平臺具有可實用性和安全性，實現遠程集中控制，并具備大區域集中指揮控制功能，實現業務系統和工控系統共享，實現預測預警，區域集控、集中運維。

（3）推進智能控制技術應用。推進煤礦5G網絡試點應用建設，結合人工智能AI，研究井下無人車、皮帶集控、智能巡檢等的應用。研究綜采自動化的采煤機記憶割煤、液壓支架自動跟機、可視化遠程監控，實現在地面或順槽監控和集中控制。

（4）推進BPR流程再造。隨著ERP、MES、DCS等系統的投入建設，實現業務流程的梳理和優化、管理職能的劃分和界定、組織架構的重組和再造。

（5）推進業務區域協同管控。企業管理已不是單純的直線制或者是系統垂直管理，而是協同和區域的管理。要實現區域管理、區域運維，對職工的要求，要從專業人才向復合人才轉移。

（6）推進本質安全煤礦建設。在本質安全煤礦建設過程中，要向無人和少人轉移，向一鍵式采煤發展，向無人駕駛、無人值守推進，推廣可靠、安全、穩定的煤機裝備，突破煤巖識別技術，提高職工素質。

四、應用場景

1.調度遠程集中控制

陽煤集團各礦通過對信息技術的不斷應用，都建設了適合本單位實際的調度指揮中心。在各調度指揮中心內，以生產調度、通風調度、電力調度崗位為基礎，部分煤礦還設有綜采設備監控、皮帶機監控等崗位。

新元公司調度遠程集中控制是通過建立一套以調度指揮中心為核心，以視頻、井下以太環網、音視頻、遠程控制等為基礎的自動化控制系統，目標是實現對大動力設備的遠程集控和無人值守，以及礦調度中心對井下主要系統的遠程集中監控。為此，公司建設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器對煤礦各生產和安全子系統的原始數據進行采集和集中處理，以及采用實時歷史庫構架數據存儲與支撐平臺，存儲煤礦各生產和安全系統過程數據，形成全公司安全生產的全歷史數據平臺。通過以上兩個平臺，礦調度中心對礦井生產、供電、排水、運輸、瓦斯抽采等主要系統實現了遠程集中監控。具體效果： 一是具備了地面啟停所有主要運輸皮帶機、給煤機等設備功能；二是實現對公司瓦斯抽采管路的全方位實時監測；三是實現變電站、采區水倉、中央水泵房、瓦斯抽放泵站、壓風機房的無人或少人值守；四是實現大巷防塵噴霧裝置的自動運行與遠程集中控制功能；五是實時監測井下工業環網以及各節點設備的網絡運行狀況；六是實現礦井風井場地通風機及風門的遠程開停和在線監控以及報警、信息顯示等功能；七是實現立井提升機的遠程集中監控。

2.5G應用前景

日前，5 G 技術在新元公司井下測試成功。5G測試所用的設備都是華為公司制造，地面安裝BBU5900與移動核心網連接。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，傳輸中間環節多，作業時頻繁移動，容易折損線纜，造成圖像信息中斷。而且由于通信技術所限，傳輸距離短、畫面不清晰，導致視頻動作不流暢，有卡頓，無法通過有效手段監督打鉆作業質量。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發射功能的無線高清攝像頭，代替現有有線傳輸方式，簡化現場布線和避免線纜頻繁拖移，實現視頻高清回傳，直觀地監視打鉆操作。同時結合先進的圖像分析技術，通過現場高清圖像自動分析出加桿下桿的數量，有效監督現場打鉆質量。

（2）在井下設備遠程故障診斷及健康管理方面：利用5G技術將設備監測和故障診斷技術與網絡技術、計算機技術、現代通信技術相結合，形成了一種全新的監測診斷模式，即基于5G通信技術的設備遠程監測診斷系統。將故障現場和遠程診斷中心聯系起來，現場技術人員采用終端設備與遠程診斷中心技術人員進行視頻通話，由遠程診斷中心的故障診斷系統對現場故障進行診斷。快速診斷現場故障，指導現場作業人員排除故障，提高故障處置效率。

五、結語

智能化煤礦建設是一個系統工程，大力建設配套的組織架構和關鍵技術，能夠更高效、更有序地推進智能化煤礦的落地和實施。在這個過程中，要做好頂層設計、嚴格執行考核、加強人才培養，建成系統齊全、深度互聯、高度智能、透徹感知、云邊協同、數據治理、綜合應用、安全可靠的“智慧煤礦”。