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

文/鄭海山

做好頂層設(shè)計(jì)，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(jí)促進(jìn)煤礦邁入智慧化階段，推動(dòng)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(zhǎng)點(diǎn)。陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)公司把煤礦的固有信息和動(dòng)態(tài)信息通過(guò)先進(jìn)的人工智能和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理信息進(jìn)行采集、分析和處理，實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)行并提供決策支持的整體化解決方案，為企業(yè)實(shí)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(guò)總體規(guī)劃統(tǒng)一化、開(kāi)采環(huán)境數(shù)字化、技術(shù)裝備智能化、生產(chǎn)過(guò)程可視化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)管理科學(xué)化，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物物聯(lián)、遠(yuǎn)程控制、全面感知、一鍵開(kāi)停、少人無(wú)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(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）的深度融合。IT技術(shù)包括ERP、MGIS、SCADA、PLC和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及傳感器。MIOT技術(shù)包括基于信息安全、云計(jì)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(jī)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(kāi)采規(guī)劃及精度、開(kāi)采工藝及效率、過(guò)程測(cè)量與監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)與運(yùn)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(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)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(tái)

1.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺(tái)

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(tái)。礦井工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用萬(wàn)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(jī)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(jī)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(gè)環(huán)網(wǎng)通過(guò)核心交換機(jī)進(jìn)行匯聚，實(shí)現(xiàn)環(huán)間數(shù)據(jù)通信。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用5G通信技術(shù)，將井下人、機(jī)、環(huán)等多因素信息采集、傳輸。

2．標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺(tái)

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(chǔ)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(duì)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(wèn)。這些訪問(wèn)既有實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，也有時(shí)效性要求不高的準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(tái)

調(diào)度集控平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)各環(huán)節(jié)參數(shù)的自動(dòng)接入與匯總處理，并能實(shí)現(xiàn)智能化控制方案形成，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控的平臺(tái)。它將實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析相結(jié)合，可通過(guò)多種方式對(duì)接入數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，通過(guò)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，對(duì)井下工作面安全狀況進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的控制，按專業(yè)面向使用部門實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，實(shí)現(xiàn)“智能調(diào)度、集中監(jiān)控”。

4．經(jīng)營(yíng)管理平臺(tái)

通過(guò)ERP系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)物資供應(yīng)、人力資源、財(cái)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(tái)

綜合分析決策平臺(tái)需要在智能化礦山建設(shè)過(guò)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(shí)現(xiàn)基于空間關(guān)系、環(huán)境因素、設(shè)備運(yùn)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(tái)

通過(guò)一站式協(xié)同辦公平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)的展示、監(jiān)控、預(yù)警，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析的BI展現(xiàn)，完成協(xié)同辦公，實(shí)現(xiàn)輔助決策。

三、解決路徑

1.面臨的風(fēng)險(xiǎn)

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

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

（3）煤巖識(shí)別方面：無(wú)法實(shí)施精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和探測(cè)。

（4）機(jī)器人方面：受傳輸質(zhì)量和延時(shí)的制約，無(wú)法較快推廣。

（5）大數(shù)據(jù)方面：標(biāo)識(shí)體系滯后，動(dòng)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(shí)別卡的研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)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(shí)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(shí)方便統(tǒng)計(jì)和對(duì)標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建集團(tuán)級(jí)的數(shù)據(jù)池。陽(yáng)煤集團(tuán)的主數(shù)據(jù)已建設(shè)三年，形成70多萬(wàn)條數(shù)據(jù)。

（2）推進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)具有可實(shí)用性和安全性，實(shí)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(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和工控系統(tǒng)共享，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)警，區(qū)域集控、集中運(yùn)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(diǎn)應(yīng)用建設(shè)，結(jié)合人工智能AI，研究井下無(wú)人車、皮帶集控、智能巡檢等的應(yīng)用。研究綜采自動(dòng)化的采煤機(jī)記憶割煤、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)區(qū)域管理、區(qū)域運(yùn)維，對(duì)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(guò)程中，要向無(wú)人和少人轉(zhuǎn)移，向一鍵式采煤發(fā)展，向無(wú)人駕駛、無(wú)人值守推進(jìn)，推廣可靠、安全、穩(wěn)定的煤機(jī)裝備，突破煤巖識(shí)別技術(shù)，提高職工素質(zhì)。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

1.調(diào)度遠(yuǎn)程集中控制

陽(yáng)煤集團(tuán)各礦通過(guò)對(duì)信息技術(shù)的不斷應(yīng)用，都建設(shè)了適合本單位實(shí)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(jī)監(jiān)控等崗位。

新元公司調(diào)度遠(yuǎn)程集中控制是通過(guò)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(dòng)化控制系統(tǒng)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)大動(dòng)力設(shè)備的遠(yuǎn)程集控和無(wú)人值守，以及礦調(diào)度中心對(duì)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(tái)和礦井綜合自動(dòng)化集成平臺(tái)。兩個(gè)平臺(tái)采用一對(duì)冗余的服務(wù)器對(duì)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(shí)時(shí)歷史庫(kù)構(gòu)架數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與支撐平臺(tái)，存儲(chǔ)煤礦各生產(chǎn)和安全系統(tǒng)過(guò)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(tái)。通過(guò)以上兩個(gè)平臺(tái)，礦調(diào)度中心對(duì)礦井生產(chǎn)、供電、排水、運(yùn)輸、瓦斯抽采等主要系統(tǒng)實(shí)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(yùn)輸皮帶機(jī)、給煤機(jī)等設(shè)備功能；二是實(shí)現(xiàn)對(duì)公司瓦斯抽采管路的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；三是實(shí)現(xiàn)變電站、采區(qū)水倉(cāng)、中央水泵房、瓦斯抽放泵站、壓風(fēng)機(jī)房的無(wú)人或少人值守；四是實(shí)現(xiàn)大巷防塵噴霧裝置的自動(dòng)運(yùn)行與遠(yuǎn)程集中控制功能；五是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)以及各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況；六是實(shí)現(xiàn)礦井風(fēng)井場(chǎng)地通風(fēng)機(jī)及風(fēng)門的遠(yuǎn)程開(kāi)停和在線監(jiān)控以及報(bào)警、信息顯示等功能；七是實(shí)現(xiàn)立井提升機(jī)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(cè)試成功。5G測(cè)試所用的設(shè)備都是華為公司制造，地面安裝BBU5900與移動(dòng)核心網(wǎng)連接。井下安裝Book2.0 RRU5235E井下覆蓋測(cè)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(kuò)頻到160M，功率提升至2×15W；G/T/F/5G多模一步到位。測(cè)試報(bào)告為：平均測(cè)試速率為下載800Mbps，上傳700Mbps。全程通話質(zhì)量良好，無(wú)掉音，無(wú)雜音。天線井下正向覆蓋距離（無(wú)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(jī)視頻全部利用信號(hào)線傳輸，傳輸中間環(huán)節(jié)多，作業(yè)時(shí)頻繁移動(dòng)，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(dòng)作不流暢，有卡頓，無(wú)法通過(guò)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(hào)覆蓋附近鉆場(chǎng)，利用帶有5G發(fā)射功能的無(wú)線高清攝像頭，代替現(xiàn)有有線傳輸方式，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)布線和避免線纜頻繁拖移，實(shí)現(xiàn)視頻高清回傳，直觀地監(jiān)視打鉆操作。同時(shí)結(jié)合先進(jìn)的圖像分析技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)高清圖像自動(dòng)分析出加桿下桿的數(shù)量，有效監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)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(cè)和故障診斷技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(cè)診斷模式，即基于5G通信技術(shù)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。將故障現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程診斷中心聯(lián)系起來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障進(jìn)行診斷。快速診斷現(xiàn)場(chǎng)故障，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員排除故障，提高故障處置效率。

五、結(jié)語(yǔ)

智能化煤礦建設(shè)是一個(gè)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(shí)施。在這個(gè)過(guò)程中，要做好頂層設(shè)計(jì)、嚴(yán)格執(zhí)行考核、加強(qiáng)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”。