選煤廠數據分析應用架構設計與實踐

摘? 要：隨著大數據時代的到來，數字化轉型無疑是所有企業都要面臨的技術和管理變革。選煤廠作為煤礦主運生產系統和裝車外運的中間生產環節，是解決能源供應安全與煤炭資源低碳高效利用的重要保障，鑒于選煤行業自身的特點和數據分析需求，對適合選煤廠數據分析應用的總體架構進行研究，以“用”為核心，形成測、傳、控、用的整體建設思路。并根據數據分析項目的項目管理經驗，提出了一條完整的技術路線，通過項目建設實踐，神東某選煤廠的數據分析應用取得了良好的建設效果。

關鍵詞：數字化轉型;架構;項目管理

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）22-0151-05

Abstract： With the advent of the era of big data， digital transformation is undoubtedly a technological and management change that all enterprises must face. As the intermediate production link of the main transportation production system and loading and outward transportation of coal mine， the coal preparation plant is an important guarantee to realize the safety of energy supply and the low-carbon and efficient utilization of coal resources. In view of the characteristics and data analysis needs of the coal preparation industry， the overall framework suitable for the data analysis and application of the coal preparation plant is studied， with “use” as the core to form the overall construction idea of the measurement， transmission， control and use. According to the project management experience of the data analysis project， a complete technical route is put forward. Through the project construction practice， the data analysis and application of a coal preparation plant in Shendong has achieved good construction results.

Keywords： digital transformation; architecture; project management

0? 引? 言

選煤廠是煤礦主運生產系統和裝車外運系統的中間生產環節。主要負責煤礦所生產原煤的破碎、篩分、分選、煤泥水處理、轉運、裝車等生產任務。選煤廠承擔的生產任務決定了選煤廠生產系統的設備組成和工藝特點。動力煤選煤廠的工藝系統主要由給煤機、膠帶機、刮板機、破碎機、篩機、分選設備、泵、風機、離心機、壓濾機等近20類主運設備，單套工藝系統的主運設備的臺套數在120～150臺之間。這些設備不是孤立的，而是經串聯、并聯且具有多種反饋調節功能的系統，包括煤流系統、介質系統、煤泥水系統。選煤廠生產效率、經營成本、人員配備等運營指標依賴于生產系統的穩定和高效運行。

選煤廠的生產系統通過PLC來控制系統啟停，調節工藝參數。該技術架構和管理模式已經非常成熟。后來為了進一步提高生產效率，降低員工勞動強度，實現精益化管理，在設備上安裝各類傳感器、儀表等代替人力點檢和檢測工藝參數，并提取了工控系統的過程數據，開發各類數據分析應用模塊和移動APP，提高了設備故障診斷能力，生產效率明顯提升，經營成本明顯降低，數據的應用對管理效率的提升作用明顯。但隨著大數據時代的到來，硬件的存儲能力和算力不斷提高，為數據的深度挖掘和數據應用提供了基礎條件。數據的深度挖掘和關聯共享正在逐漸改變著選煤廠的生產運營管理模式，向自動化、信息化和智能化方向發展[1]，選煤廠的數字化轉型迫在眉睫。

1? 選煤廠數據分析與應用管理的主要功能目標

各個行業的數據分析應用都是和本行業的生產特點、管理模式息息相關。對于數據的應用沒有現成的模式可用。即使是同一個行業，不同的工藝、不同的組織架構都對數據分析有著不同的需求[2]，所以，數據分析應用是企業自身為了提升管理水平、創造價值的自我實現。鑒于選煤廠的生產運營組織特點，從以下三個方面對數據分析應用的主要功能目標進行闡述。

1.1? 便捷地獲取工作信息

選煤廠的管理者期待著一些他所關注的管理信息可以及時地收集到，利用手機APP、PC工作站或其他顯示終端可以實時查詢和顯示實時的、定制化的信息。而不是通過各級管理人員統計的，帶有人為干預的定制化的表格或者文檔。這種對各級管理人員的定制化信息服務是選煤廠數據分析應用的首要目標。

1.2? 無紙化辦公

選煤廠管理人員及操作崗位每天不僅要了解一些工作信息，還要處理大量的業務。例如：填寫報表，事項審批，撰寫報告等。無紙化辦公的意義不僅讓各級業務管理人員基本脫離紙質版的材料，而且利用數據庫及接口程序實現各類業務數據的關聯共享，讓業務能輕松地關聯起來。業務人員在做報表的時候不再到處“摘抄”數據，保證了數據的準確性和唯一性，從而提升工作效率，用代碼形成的“業務邏輯”代替人為的經驗判斷。

1.3? 用數據提供決策依據

面對日益合規及精細化的管理，大量的流程、文件、規定都需要去關聯和考慮，工作難度日益增加，精準決策需求顯著。如何實現業務的關聯，對數據進行深度挖掘，是選煤廠數據分析應用的又一關鍵任務。如果說無紙化辦公解決了業務數據化的問題，那么利用數據進行關聯性研究并建模解決的就是智能決策問題。

所以，針對選煤廠數據分析應用的主要功能目標，需要明確建設思路，設計一個適合選煤廠生產組織特點的數據分析應用架構，并按照這個架構去探索大數據的應用，研究實現選煤廠的數字化轉型。

2? 選煤廠數據分析應用的架構設計

選煤廠的生產組織方式和管理要求決定了數據分析應用有著本身的特點。選煤廠智能化建設的目標是實現生產系統的智能控制和生產管理的智能決策。而這兩者依賴于數據的獲取、傳輸、存儲、計算、建模和可視化。根據數據分析應用的常規建設方法并結合選煤廠的生產工藝特點，設計了以下架構。如圖1所示。

該架構的核心在于智能應用層面的設計，能提供一個適用于選煤廠生產管理特點的應用架構，因為應用的要求決定了數據的質量要求，存儲要求和通訊要求。應用層面直接關系著基礎數據的調用規則，通信設施的部署要求，技術應用的范圍和項目建設的規劃。其中，智能門戶管理提供了整體數據分析應用體系的入口界面，將單位的基本情況，系統權限，任務提醒及督辦進行展示，將系統用戶最需要關注的信息進行呈現。智能運行監測提供了生產系統的運行簡圖，可實時評價生產系統的運行質量，展現當前的運行狀態。智能生產管理將各個業務模塊進行集成集中，幫助業務人員處理日常事務，提供決策支持服務。智能報警管理將業務及管理人員所最關注的事件用報警進行呈現，并關聯處理流程，可以讓管理人員最關注的問題在超出規則界限及閥值后進行及時的報警。智慧報表平臺是各類報表都以電子化的形式呈現，支持一次數據錄入和數據自動調取，表格可編輯調整并自動導出。是無紙化辦公的重要手段。

該架構特點是基本涵蓋了生產業務相關的所有數據分析功能，實現業務獨立，數據共享，不僅按照現有的數據應用需求劃分了業務邊界，而且按照數字化轉型要求深化了業務的關聯程度，實現了業務管理數字化和智能化。

3? 技術路線和實現方法

3.1? 技術路線

數據分析應用的架構解決了建設思路的問題，而將這種思路付諸實踐且取得好的效果需要設計合理技術路線。根據數據分析項目的項目管理特點和項目管理一般經驗，提出以下技術路線。如圖2所示。

數據分析應用項目管理的關鍵是需求和技術的深度結合。建設單位從需求調研開始就要成立項目組，梳理清楚項目的建設目標，做好方案設計，明確數據來源、業務邏輯和展現樣式，而不是在項目采購之后才開始介入。使用單位的項目組也要具備精通工控編程、OPC通訊、高級編程語言編程、報表工具開發和前端設計人員，尤其關鍵的是，項目組成員要深刻了解業務機理，才能做出企業管理人想要的數據分析功能。

3.2? 重點工作

3.2.1? 設備層

總體來說就是實現基礎設備層“一個數據標準”建設。

（1）形成適用于選煤廠生產系統的數據采集及傳感器配備方案，按照生產工藝特點、設備特點、系統故障特點、生產環境特點配置基于全過程智能感知的傳感器解決方案和技術標準。

（2）基礎數據的分類歸集與標準化治理。按照結構化業務數據、實時數據、非結構化數據三大類進行分類歸集，形成規范性技術文件，是數據標準化的“標準作業流程”。如圖3所示。

3.2.2? 通訊層

實現網絡通信“一張網”建設。辦公網、工控網、智能選煤廠通訊網“三類”網絡實現安全互聯。由于辦公網和工控網的組網方式基本固定，智能化建設主要涉及智能選煤廠通訊網。智能選煤廠通訊網主要涉及視頻數據傳輸，傳感器數據傳輸，儀器儀表數據傳輸，單機控制器數據傳輸，4G/5G終端數據傳輸。通訊層建設的重點就是根據各類不同的終端設備數據傳輸要求統一設計廠級網絡架構，完成現場數據向后臺服務的傳輸，并考慮通訊帶寬和網絡拓撲。

（1）建設廠級主干網。主干網絡為萬兆網。主干網部署可網管交換機、接入交換機及配套通訊組件。主機房部署一臺可網管交換機，接入交換機按照區域覆蓋全廠，以星形拓撲或環狀網絡結構互聯。主干網所有設備為一級。

（2）部署二級交換機。二級交換機為主干網的下一層網絡設備，作為終端設備的直接接入或中轉。視頻網根據攝像頭部署情況在滿足數據帶寬要求的情況下選擇千兆或萬兆交換機。傳感器及儀器儀表的網關設備按照就近原則接入二級交換機或主干網。單機控制器根據控制要求自行選擇接入主干網交換機或二級交換機。

（3）合理選用無線通信網關。無線通信網關一般作為傳感器、水表、電表的通信設備，可直接接入二級交換接或主干網。

（4）4G/5G網絡部署。信號覆蓋全廠，局部部署CPE實現通信方式轉換。如圖4所示。

3.2.3? 數據層

實現數據服務“一平臺”建設。建設標準化機房，服務器及云管理軟件進行一次性部署，各廠按照業務需求上傳指定數據目錄的數據，建設標準數據庫。通過數據標準化的指導性文件完成數據標準化存儲，協同與關聯。利用物聯網、接入平臺、算法模型、績效模型支撐各類應用的開發。

（1）服務器及云平臺部署。建設數據存儲服務中心，部署服務器及云管理軟件。

（2）數據融合與互聯互通機制。通過在云端部署數據接口平臺，AI算法平臺（基于業務），實現下層基礎數據自動采集和上層應用的數據互聯，充分發揮各個業務之間的聯動互通。

（3）建設標準數據庫。通過IOT或智能管理平臺讀取基礎設備層的各類數據進行標準化存儲[3]。由數據管理員（DBA）統一管理，保障數據安全及正常運維。

3.2.4? 應用層

廠級數據分析平臺在統一的架構下進行實現，廠級數據分析應用平臺分為智能門戶管理，智能運行監測，智能生產管理，智能報警管理，智慧報表平臺5大板塊若干項數據分析功能，并支持智能選煤廠APP，智能任務管理，看板管理和消息訂閱等功能，如圖5所示。

該平臺可融合原有系統的基礎數據和頁面，讀取集團及公司統建系統數據，按照統一架構形成大數據分析應用平臺，支持各類數據分析決策應用，如生產組織一體化管控，產品結構策略分析，設備全壽命周期管理[4]，智能安全管理，智能經營核算等智能決策功能等。根據不同應用場景適用大屏、PC、手機APP等各類終端。

4? 效果

通過對神東某選煤廠數據分析應用平臺建設，主要實現了生產運營管理中的生產組織、工藝煤質、機電管理、經營分析、安全管理等廠級業務的數據分析功能。

4.1? 數據關聯和共享

實現了各類業務數據的關聯和融合。同時建成了基礎數據庫，可讀取第三方應用系統的和原有系統的數據并進行融合，完成基礎數據的關聯和共享[5]。如圖6所示。

4.2? 生產系統實時監控

對生產系統的生產方式、關鍵控制參數和重點管控對象進行了展示，讓生產管理人員對生產系統的運行狀況有一個直觀、實時的掌握。如圖7所示。

4.3? 生產系統智能運維

通過對智能化選煤廠系統的服務器、PC工作站、網關、交換機、PLC、單機控制器、接口服務、發布服務等各類軟件的工作狀態進行監控，將工作狀態數據進行提取和分析，對整個智能化選煤廠進行智能化監控和運維[6]。如圖8所示。

5? 結? 論

通過對數據分析應用的整體架構設計，利用合理的技術路線，運用到數據分析項目管理中去，將數據“用”起來，解決運營管理中的存在的問題，對建設選煤廠生產管理的數據分析應用系統起到了關鍵作用。所以，針對企業本身的特點制定合理和架構和技術路線，才能更好地結合企業實際，助力企業數字化轉型并提升企業核心競爭力。

參考文獻：

[1] 王然風，高建川，付翔.智能化選煤廠架構及關鍵技術 [J].工礦自動化，2019，45（7）：28-32.

[2]徐靜，譚章祿.智慧礦山系統工程與關鍵技術探討 [J].煤炭科學技術，2014，42（4）：79-82.

[3] 王莉.智慧礦山概念及關鍵技術探討 [J].工礦自動化，2014，40（6）：37-41.

[4] 謝廣元.選礦學 [M].徐州：中國礦業大學出版社，2016.

[5] 匡亞莉.選煤工藝設計與管理（設計篇） [M].徐州：中國礦業大學出版社，2017.

[6] 戴少康.選煤工藝設計的思路與方法 [M].北京：煤炭工業出版社，2003.

作者簡介：王安佳（1987.02—），男，漢族，遼寧朝陽人，主管，工程師，學士學位，研究方向：煤炭洗選智能化。