黃金智慧礦山大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)研究與開(kāi)發(fā)

王啟健，于 濤

(招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦，山東 煙臺(tái) 265400)

數(shù)字化、信息化、無(wú)人化、智能化及綠色開(kāi)采是目前礦山發(fā)展的主要方向。智慧礦山是信息產(chǎn)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的一種先導(dǎo)性技術(shù)理念，是兩化融合在礦山行業(yè)內(nèi)的具體體現(xiàn)[1]。智慧礦山集合了采礦技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等多項(xiàng)技術(shù)，是建立在礦山數(shù)字化基礎(chǔ)上的能夠完成礦山企業(yè)所有信息的精準(zhǔn)適時(shí)采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成、可視化展現(xiàn)、自動(dòng)化運(yùn)行和智能化服務(wù)的數(shù)字化智慧體[2-3]。

大尹格莊金礦近年來(lái)積極開(kāi)展礦山智能化建設(shè)，主要從礦井無(wú)人化智能裝備研制、無(wú)人值守智能選礦及尾礦回填關(guān)鍵技術(shù)研究、基于物聯(lián)網(wǎng)的井下環(huán)境感知與安全健康生產(chǎn)研究等方面進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)，在全面提升自動(dòng)化的同時(shí)搭建了完整的礦山物聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，逐步建立礦山大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，以期實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)與安全管理全方位的可視化集中監(jiān)測(cè)或監(jiān)控、數(shù)據(jù)挖掘、分析、診斷和決策，用于完成礦山各種感知信息的收集、加工和再利用，實(shí)現(xiàn)礦山的透明管理[4-6]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通信體系建設(shè)

利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)相結(jié)合方式，可實(shí)現(xiàn)礦山井上下網(wǎng)絡(luò)高速穩(wěn)定傳輸[7]。大尹格莊金礦通信體系建設(shè)包括井上下1 000 M高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，同時(shí)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋全礦。

1.1 礦山工業(yè)環(huán)網(wǎng)

智慧礦山綜合管理平臺(tái)的主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)。在井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)井下人員定位管理系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、水泵運(yùn)行監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、主扇運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)信號(hào)集控系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中傳輸與管理。目前該系統(tǒng)包含工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)36臺(tái)，機(jī)柜31臺(tái)，光模塊81個(gè)，光纜22 000余米。

1.2 礦山無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

礦用無(wú)線通信系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的井下通訊系統(tǒng)，以光纜為骨干，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為延伸，在井下設(shè)立若干基站，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋井下巷道，在井下建立有線與無(wú)線混合型的局域網(wǎng)。根據(jù)無(wú)線基站的覆蓋性能，設(shè)計(jì)在井下主要作業(yè)區(qū)域每隔500 m處安裝一個(gè)無(wú)線基站，實(shí)現(xiàn)井下主要作業(yè)區(qū)域的信號(hào)覆蓋。利用智能手機(jī)安裝對(duì)應(yīng)APP可實(shí)現(xiàn)相互之間語(yǔ)音通信的功能，從而實(shí)現(xiàn)井上對(duì)井下的調(diào)度，能夠更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速地進(jìn)行生產(chǎn)指揮、調(diào)度、搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)、安全監(jiān)測(cè)、移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。目前該系統(tǒng)主要包含AC控制器1臺(tái)，無(wú)線覆蓋基站86臺(tái)，光纜24 000余米，接入交換機(jī)12臺(tái)。部分終端設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)表1。

2 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)及數(shù)據(jù)管理

基于微軟的IoT服務(wù)平臺(tái)，構(gòu)建一體化設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控管理應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)IoT Hub將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿④浽破脚_(tái)，通過(guò)Stream Analytics流分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾，利用Power BI的多數(shù)據(jù)源報(bào)表分析提供面向不同使用者的數(shù)據(jù)報(bào)表和可視化展示，并針對(duì)管理者、運(yùn)維人員及用戶開(kāi)發(fā)web版本等物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用。同時(shí)，擴(kuò)展應(yīng)用對(duì)于自動(dòng)實(shí)時(shí)捕獲的來(lái)自各種資產(chǎn)設(shè)備的海量數(shù)據(jù)，包含位置信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、耗材消耗量等，利用Machine Learning及HD Isight進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和洞察預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能分析功能。

大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供可視化的存儲(chǔ)資源管理界面，通過(guò)Web UI界面操作HDFS、Hbase和Hive等組件，包括對(duì)HDFS文件目錄的增刪、查詢、上傳、下載等功能，對(duì)HBase的增刪表、列族的數(shù)據(jù)查詢編輯等功能，對(duì)Hive的建庫(kù)建表建分區(qū)、數(shù)據(jù)查詢、上傳、下載等功能。平臺(tái)中MPP數(shù)據(jù)管理是對(duì)Greenplum數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的增刪查、表的增刪改查、字段的增刪改查、分區(qū)的增刪查以及SQL編輯器。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理中包括了數(shù)據(jù)源連接的管理、數(shù)據(jù)表元數(shù)據(jù)的管理以及數(shù)據(jù)字典管理，同時(shí)平臺(tái)支持所有格式的數(shù)據(jù)文件上傳、存儲(chǔ)及下載瀏覽功能，支持常用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)字典格式存儲(chǔ)、編輯、新增及刪除。平臺(tái)數(shù)據(jù)管理界面見(jiàn)圖1。

圖1 平臺(tái)管理界面Fig.1 Management interface

大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SQL實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源多異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一高效訪問(wèn)，即基于數(shù)據(jù)湖為基礎(chǔ)，Big SQL可以讓用戶通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的SQL，訪問(wèn)HDFS、Hbase和Hive中的數(shù)據(jù)。平臺(tái)采用高速M(fèi)SSQL分布式存儲(chǔ)，以分區(qū)表的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)按時(shí)間存儲(chǔ)到不同的物理文件中，達(dá)到高速安全的便捷訪問(wèn)。

3 大數(shù)據(jù)分析功能

在依托礦山物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，搭建的黃金礦山大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)包含排水、提升、選礦、通風(fēng)、運(yùn)輸、配電、充填、供風(fēng)、水平衡、尾礦庫(kù)、六大系統(tǒng)、其它系統(tǒng)管理等多個(gè)分析模塊，同時(shí)平臺(tái)設(shè)置了系統(tǒng)管理和用戶管理兩個(gè)自定義模塊，便于平臺(tái)的維護(hù)。

3.1 排水系統(tǒng)模塊

礦區(qū)關(guān)鍵排水環(huán)節(jié)耗電多，分時(shí)用電效果顯著。目前排水系統(tǒng)有良好的自動(dòng)化基礎(chǔ)，但缺乏對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的有效分析及利用，難以有效輔助現(xiàn)場(chǎng)人員排水作業(yè)。引入大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，將排水系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析分為排水看板、排水詳情、開(kāi)機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)、每日排水單價(jià)、效率統(tǒng)計(jì)分析、歷史數(shù)據(jù)綜合查詢、排水報(bào)表等多個(gè)分析維度，可進(jìn)行數(shù)據(jù)深入挖掘與分析預(yù)測(cè)，將業(yè)務(wù)知識(shí)數(shù)字化、模型化，讓生產(chǎn)指導(dǎo)實(shí)時(shí)化。

排水看板是排水系統(tǒng)的集成展示，根據(jù)排水系統(tǒng)采集的自動(dòng)化數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)排水量、能耗、排水時(shí)間、單耗、單價(jià)等數(shù)據(jù)，形成綜合性看板，方便管理人員快速掌握當(dāng)前排水情況。排水看板界面見(jiàn)圖2。

圖2 排水看板Fig.2 Drainage system board

排水詳情可指定查詢某一日排水詳情，包括統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(排水量、尖峰平谷用電量、單價(jià)等)、運(yùn)行工況(水泵啟停信息、井下水倉(cāng)液位、井上選廠液位等)，為優(yōu)化排水作業(yè)和減少排水費(fèi)用提供數(shù)據(jù)支持。排水詳情查詢界面見(jiàn)圖3。

圖3 排水詳情Fig.3 Drainage system details

開(kāi)機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)可統(tǒng)計(jì)每日各臺(tái)水泵單耗、平均排水量，指定查詢某段時(shí)間內(nèi)的各水泵累計(jì)開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)，指導(dǎo)設(shè)備檢修。每日排水單價(jià)可瀏覽每日排水單價(jià)；效率統(tǒng)計(jì)分析模塊可瀏覽各水泵的單耗及排水量情況；歷史數(shù)據(jù)綜合查詢可查詢各水泵的電流、流量、軸溫、壓力歷史數(shù)據(jù)及水倉(cāng)、選廠液位歷史數(shù)據(jù)；排水報(bào)表模塊可查詢?nèi)請(qǐng)?bào)表及月報(bào)表。排水系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析在保障礦山安全與選廠用水情況下，可實(shí)現(xiàn)平谷用電，節(jié)約電能消耗，提高水泵效率，優(yōu)化生產(chǎn)與維保工作。

3.2 提升系統(tǒng)模塊

礦區(qū)已有的提升控制信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但對(duì)提升機(jī)的提升效率缺乏有效分析。通過(guò)對(duì)提升機(jī)油壓、電流、速度、加速度、位置、提升量、能耗、軸溫、油品等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立提升機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)模型，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)提升機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集診斷，極大提升提升機(jī)的提升效率與維護(hù)水平。提升系統(tǒng)模塊主要從提升井提升量、提升速度分析、班組報(bào)表、提升日?qǐng)?bào)表、鄂破運(yùn)行時(shí)間、皮帶運(yùn)行時(shí)間等多個(gè)分析維度分析。

根據(jù)各井提升工況，統(tǒng)計(jì)各提升井的提升量等數(shù)據(jù)，迅速掌握主井提升詳情，形成可查詢、可輸出的報(bào)表。各提升井每日提升情況見(jiàn)圖4。

圖4 提升看板Fig.4 Hoisting system board

提升系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)(電流、速度、位置、油壓、溫度、加速度等)按1 s的頻率存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MSSQL分布式存儲(chǔ)，以分區(qū)表的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)不會(huì)清空，支持高效快速的便捷查詢。根據(jù)歷史工況可詳細(xì)分析提升機(jī)狀況，為優(yōu)化、診斷提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)分析提升機(jī)運(yùn)行電流、速度、位置、能耗變化情況，找出提升機(jī)提升效率、維護(hù)保養(yǎng)與故障規(guī)律，設(shè)計(jì)提升預(yù)知性維護(hù)。

3.3 選礦系統(tǒng)模塊

目前有較完備的自動(dòng)化系統(tǒng)，并采集了一定的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，但缺少對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析與指導(dǎo)，生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制多依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)。引入大數(shù)據(jù)分析模型，形成破碎看板、每日破碎統(tǒng)計(jì)、破碎日?qǐng)?bào)表 、料位查詢、球磨機(jī)工況、歷史數(shù)據(jù)綜合查詢、球磨機(jī)電流、加球報(bào)表、地磅日?qǐng)?bào)表模塊等多個(gè)分析維度，發(fā)現(xiàn)能耗效率提升點(diǎn)，能夠自動(dòng)控制并指導(dǎo)生產(chǎn)機(jī)制，指導(dǎo)工藝優(yōu)化改造，提升工作效率。

根據(jù)自動(dòng)化數(shù)據(jù)取得的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)破碎量、選礦量、主要設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、噸礦單耗、噸礦費(fèi)用、用電量比例等數(shù)據(jù)，形成綜合看板及報(bào)表，破碎看板界面見(jiàn)圖5。

圖5 破碎看板Fig.5 Crushing system board

破碎工段主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及主要指標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)周期30 s，歷史數(shù)據(jù)不會(huì)清空。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算破碎效率、破碎做功等參數(shù)，點(diǎn)擊某日參數(shù)可跳轉(zhuǎn)到當(dāng)日具體工況，具體分析當(dāng)日主要設(shè)備做功、空轉(zhuǎn)、能耗等數(shù)據(jù)。破碎工段歷史數(shù)據(jù)查詢界面見(jiàn)圖6。

圖6 歷史數(shù)據(jù)綜合查詢Fig.6 Comprehensive query of historical data

3.4 其他生產(chǎn)、安全系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，融合物資(設(shè)備)供應(yīng)鏈系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、項(xiàng)目管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、地磅計(jì)量系統(tǒng)、化驗(yàn)室系統(tǒng)等現(xiàn)有生產(chǎn)安全相關(guān)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全礦信息化、數(shù)字化辦公，降低設(shè)備與物料庫(kù)存，讓數(shù)據(jù)流動(dòng)起來(lái)，提高辦公效率，為礦山整體降本增效。

1)生產(chǎn)管理系統(tǒng)

通過(guò)前端數(shù)據(jù)采集將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以日?qǐng)?bào)、月報(bào)等形式向相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)情況有效統(tǒng)計(jì)和監(jiān)督，給管理決策提供直接的數(shù)據(jù)。集成生產(chǎn)系統(tǒng)中指定礦山填報(bào)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括采礦信息、選礦信息、品位信息等，形成綜合看板及各種日?qǐng)?bào)、月報(bào)等。采礦月報(bào)界面見(jiàn)圖7。

圖7 采礦月報(bào)Fig.7 Monthly mining report

2)項(xiàng)目管理系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)度與成本對(duì)比分析，通過(guò)評(píng)估項(xiàng)目進(jìn)度、費(fèi)用的綜合執(zhí)行效果，量化地反映項(xiàng)目的進(jìn)展情況。集成項(xiàng)目管理系統(tǒng)中可顯示指定礦山的項(xiàng)目招標(biāo)、進(jìn)度、管理、付款等信息，按月統(tǒng)計(jì)投資結(jié)算比例并形成項(xiàng)目清單。項(xiàng)目管理看板界面見(jiàn)圖8。

圖8 項(xiàng)目管理看板Fig.8 Project management board

3)安全管理系統(tǒng)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)隱患整改率、安全檢查頻次、證照情況、安全績(jī)效考核等內(nèi)容，實(shí)時(shí)展示礦山安全現(xiàn)狀。集成礦山雙體系安全管理系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)安全生產(chǎn)天數(shù)、隱患數(shù)、整改數(shù)、安全投入、證照管理(企業(yè)證照、施工隊(duì)證照、員工證照等)、員工職業(yè)檔案管理等功能，形成綜合看板，見(jiàn)圖9。

圖9 安全管理看板Fig.9 Safety management board

4 結(jié)論

構(gòu)建的黃金智慧礦山大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘、運(yùn)輸、提升、通風(fēng)、排水、充填、選礦、尾礦處理等生產(chǎn)環(huán)節(jié)所涉及的影響礦山生產(chǎn)工藝指標(biāo)、能耗、作業(yè)效率及成本費(fèi)用等數(shù)據(jù)信息的采集，通過(guò)專(zhuān)題分析與大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)隱形問(wèn)題，比如主井提升速度優(yōu)化：通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析發(fā)現(xiàn)主井提升機(jī)原先運(yùn)行速度圖存在問(wèn)題，減速不是平滑運(yùn)行，通過(guò)數(shù)據(jù)分析提出優(yōu)化改進(jìn)方案，將速度圖優(yōu)化后，每次提升時(shí)間縮短20多秒，縮短1/9時(shí)間，效率與能耗也相應(yīng)提高。