基于仿真模式的智能礦山管控一體化系統構建與應用

馬龍

(開灤（集團）有限責任公司，河北唐山，063000)

0 引言

隨著煤礦井下巷道的不斷延伸，礦井生產環節中的生產系統、運輸系統、排水系統、供電系統和通風系統都越來越復雜，開采成本也越來越高，對煤礦的規劃設計、安全管理和生產管理工作都提出了更高的要求。在物聯網技術基礎上，實現礦山“人、機、環”數據智能化精準采集、網絡化傳輸、規范化集成[1]；建立統一的集成控制平臺，實現生產全過程一體化智能控制、經營全流程一體化協同管理；建設基于大數據中心的安全生產信息云服務系統；實現煤炭無人（少人）開采與災害防控一體化的智能化采礦；實現原煤運輸、供電、排水、通風、壓風等環節遠程智能控制、無人值守。最終將煤礦建設為安全、高效、智能、綠色的世界一流礦山。

就我國煤礦行業整體而言，為了適應智能化礦山建設的要求，通過對現有的礦井三維展示系統、應急調度指揮系統、綜合自動化系統等的功能進行整合和深度開發，形成基于仿真模式的智能礦山管控系統[2]。通過使用該系統，能夠實現以下目標：(1)建立三維礦山模型，使用戶能夠全方位、多角度的觀察礦山整體結構。(2)分圖層顯示礦區的人員、設備、環境、管理等信息，及時更新和同步各種數據，為不同專業人員的數據應用提供數據支持。(3)實現對礦井提升、皮帶運輸、纜車運輸、泵房排水、工作面采煤等生產過程等的3D動畫仿真和遠程控制。(4)實現定位軌跡回放、避災路線模擬等效果，當礦井發生火災、大面積停電等事故時，啟動應急預案執行程序，輔助調度指揮人員進行指揮決策，提高事故處理效率，降低事故影響時間。(5)實現過程報警，對發生的報警進行聲光提示。(6)建立可擴展的數據服務中心，存儲實時數據，根據歷史數據和報表模板生成各種生產報表和管理報表，為不同用戶開展各項業務提供參考。

1 總體設計

基于仿真模式的智能礦山管控系統集生產調度指揮、報警聯動應急救援、礦井綜合自動化平臺和通信聯絡等系統于一體的綜合管控系統。通過該系統可實現對工業現場安全生產環境、人員、設備狀態實時監測，運用基于OpenGL的三維可視化技術、OPC接口技術等，對皮帶、泵房、采掘工作面等生產部位實現進行基于3D仿真畫面的交互控制，具備故障聲光報警，發生事故自動響應智能調度功能。生產管控人員可方便快捷的通過三維動態仿真（3D GIS）查看礦井內各種狀態，提高調度指揮科學性，提高事故處理效率，保證礦井安全生產。

2 系統構成

系統采用C/S結構，由服務端、客戶端、三維GIS編輯平臺和數據庫四部分組成，其中，服務端、客戶端和數據庫用于項目運行階段，三維GIS編輯平臺用于項目設計階段。

圖1 智能礦山管控一體化系統服務端功能結構圖

圖2 智能礦山管控一體化系統客戶端功能結構圖

服務端子系統為客戶端實現各種功能提供服務，主要有實時數據采集、報警分析、事件分析、數據服務、歷史數據保存、主備狀態切換、用戶管理等模塊，系統功能結構圖如圖1所示。

客戶端子系統主要實現三維場景展示、聲光報警、實時監控、應急預案執行、報表輸出、報表輸出、信息查詢、用戶登錄等功能，系統功能結構圖如圖2所示。

三維GIS編輯平臺集三維場景建模、監控數據管理、報表管理、應急預案管理等功能于一體，系統功能結構圖如圖3所示。

圖3 三維GIS編輯器功能結構圖

系統的物理結構如圖4所示，系統的服務器和客戶端與安全監控系統Web服務器、定位系統數據庫、自動化系統的OPC服務器、電力監控系統分站、網絡高清攝像頭等都在同一個工業環網內，使得服務端能夠與這些服務器和網絡設備利用相應的協議進行直接通訊，進而獲取需要的數據。

3 應用效果及前景

圖4 系統網絡拓撲圖

基于動態仿真模式的智能礦山管控一體化系統實現了集日常生產調度指揮和應急救援，礦井綜合自動化系統和智能通信系統聯動報警于一體的綜合管控一體化管理系統，作為智能礦山建設的重要組成部分[3]。通過使用該平臺，能夠取得以下顯著的效益：(1)系統建立的大數據服務中心，不僅可以為基于動態仿真模式的智能礦山管控一體化系統本身提供數據服務，也可以為煤礦企業內部的其他應用提供數據服務，提高企業信息化水平。(2)系統具有遠程控制功能，能夠綜合 運 用 OPC、Modbus TCP、WebAPI、Socket、OLEDB等數據訪問技術，對PLC、電力監控分站等多種設備進行遠程監控，從而實現對現場自動化設備的遠程集中控制，減少現場操作人員，提高礦井安全生產水平。(3)在礦山日常安全培訓中，本系統以三維仿真可視化的方式對礦山的建筑、礦井和各種設施，對各種設備的運行狀態進行3D GIS展示；能夠模擬避災路線，對人員軌跡進行回放，模擬事故現場等，能夠提高參培人員的學習熱情，加深印象，提高安全培訓效果。(4)系統以多源異構大數據應用為基礎，融合運用安全監測、人員定位、工業視頻、綜合自動化、供電自動化等多系統的數據，把各系統有機整合在一起，實現數據的深入挖掘、綜合分析、分級報警，形成應急預案處理系統。通過提前編制應急預案，在發生事故時，能夠指導作業人員按照相應的事故處理流程進行搶險救災工作。總之，本系統構建與應用對智能化礦山建設方面工作在實踐中進行了卓有成效的探索，取得了成功經驗和示范引領作用，對今后的工作具有建設性指導意義。