智能礦山建設規劃思路及建議探析

龍楓

神華神東煤炭集團布爾臺煤礦 內蒙古 鄂爾多斯 017209

引言

智能礦山建設代表著先進生產力的發展方向，是實現煤炭工業高質量發展的重要支撐，已經在煤炭行業形成廣泛共識。智能礦山是基于現代智慧理念，將物聯網、大數據、人工智能、機器人、智能裝備、5G等與現代煤炭開發利用深度融合，形成礦山全面感知、實時互聯、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統。

1 智能礦山

智能礦山以信息化建設為基礎，以自動化建設為手段，融合5G 通信、物聯網、云計算、大數據、智能傳感、人工智能等先進技術，最大限度地減少井下作業人數，改善礦井員工作業環境，提高工作效率，并打造跨系統多維度的數據分析平臺，為管理層制定礦井發展方向與決策提供可靠數據支持。智能礦山建設技術架構包括感知層、傳輸層、數據層、平臺支撐層和應用層。感知層將前端感知的視頻監控數據、安全監測數據、生產自動化數據等通過串口、網關、PLC、綜合分站、移動設備等進行集中采集。傳輸層利用井上下工業環網、視頻專網、4G/5G 無線網絡等對感知數據進行傳輸。數據層按照統一標準對感知層數據進行分類存儲。平臺支撐層基于實時數據和業務需求進行數據抽取、數據可視化、大數據分析等，提供基礎技術支撐服務、數據管理支撐服務、數據共享與交換服務、應用與分析支撐服務。應用層提供面向業務應用的服務，主要包括基于時空 GIS“一張圖”的安全監測系統、基于時空 GIS“一張圖”的生產監控系統、生產執行系統、經營管理系統及綜合決策大數據分析系統，并通過調度大屏、PC 應用端、門戶網站、移動 APP等方式進行展示，PC 應用端、門戶網站和移動APP均可基于權限控制實現煤礦不同用戶需求[1]。

2 智能礦山建設中存在的問題

a.思想認識不足、重視程度不夠。一線生產礦井的從業人員對智能礦山建設重視程度不夠，僅僅滿足于安全生產前提下完成生產任務，對智能化、信息化工作還停留在表面。b.政策支持力度不足，導向作用不明顯。政府、企業檢查、考核多注重安全、效益、產量，對智能化技術、設備應用情況沒有相應的考核、激勵機制。c.目前智能化水平，特別是煤炭行業的智能化技術、設備還不能很好地滿足現場實際需求。由于煤炭行業屬于特殊行業，能夠適用行業的平臺、裝備還遠遠不足，受限于防爆性能要求，能夠應用于煤炭行業的平臺、技術、設備一般都落后最新技術，其功能、性能與礦井實際需求還有一定差距。d.智能礦山建設成本高。新的智能化、信息化技術、設備成本本身較高，加之煤炭行業的特殊要求，這些技術、設備應用于智能礦山建設中后成本進一步提高，導致部分效益差的礦井無法建設智能礦山。e.智能礦山建成后的運維困難。智能礦山勢必會應用大量先進的智能化、信息化技術、設備，導致的直接后果一是智能礦山建成后運維成本增加；二是雖然可以減少崗位作業人員、改善工作環境，但是專業的運維人員缺乏，會對智能礦山運維造成困難[2]。

3 智能礦山建設規劃思路

針對智能礦山規劃及建設，大多數配套服務廠商智能化升級方向，均是以信息化集成等統籌規劃方案為主；而各煤機應用及制造企業，則重點以發展單機裝備的智能化為突破口。致使工藝及其設備合理銜接、能效匹配方面缺乏分析，容易形成各個子系統之間、各工藝銜接之間、上下游設備之間各自為營的局面。若沒有統籌的設備、工藝規劃改進分析，企業就會有可能在日后造成重復投資，因此，重點要打破各子系統之間各自為營的“視野局限”，并納入規劃當中。針對智能化升級改造，首先要實現以子系統或單機裝備為代表的獨立生產單元的智能化；其次要將各個關聯工藝子系統之間、上下游設備之間的銜接，實現多機裝備智能化協同聯動；最后是實現整個過程的智能決策[3]。

4 智能礦山建設規劃建議

4.1 框架設計

通過梳理當前煤炭行業智能化技術應用現狀和存在的問題，基于“全局優化、區域分級、多點協同”的控制模式，將煤炭生產、通風、運輸、供電、排水、洗選等合成為統一的整體，打造高效、智能、綠色、安全的煤礦開發總體框架體系。a.設備感知層。設備感知層是以物聯網等技術為核心，主要通過移動設備、多功能分站將礦井前端感知到的生產數據、管控數據、安全環境監測數據、智能化應用和成果數據進行集中采集，是智能礦山的支撐體系。b.網絡傳輸層。網絡傳輸層是設備感知層和數據支撐層的橋梁，主要是利用井下視頻有限專網、有限、無線網絡(5G、WiFi)等將設備感知層采集到的數據進行傳輸。c.數據支撐層。數據支撐層是由煤炭企業基礎信息、共享交換信息、業務信息、物聯網信息、互聯網信息建立的數據庫，實現數據融合與應用融合。d.數據可視層。在智能礦山系統工程中，數據可視層是重要的組成部分。與傳統礦山系統不同，智能礦山系統在數據呈現方式要求方面是比較高的，需要能夠以統計圖、表格的形式進行展示，同時還應該保證當有異常數據出現時，及時進行警報。e.應用決策層。應用決策層是面向不同業務部門實現按需服務，通過透明地質信息、智能生產、智能運輸、智能分選加工、智能調度管理來實現安全生產閉環管理、智慧決策支持和深度應用，并通過PC應用端、移動APP、調度大屏、門戶網站多種方式進行展示，實現企業不同用戶需求。

4.2 標準建設

為了對智能礦山建設的成本進行有效的控制，相關領導人必須對標準建設引起重視。首先應該實行統一的標準，保證礦山建設的規范性。另外作為一個開放性的物聯網應用平臺，應該給如今的“智能礦山”系統構建一個統一的接入端口，從而方便用戶對現有平臺進行增加、刪除、接入等。還需要對如今的“智能礦山”的關鍵技術、平臺等創建一個統一的標準，從而打通產業鏈的上下游。標準建設對于礦山物聯網來說是非常重要的一點，除了可以控制成本以外，還可以優化對礦山的控制和運行管理，節省大量的人力，從而為企業創造巨大的經濟效益。

4.3 供電智能化

煤礦變電所已實現無人值守。變電所引進軌道式智能巡檢機器人，按預設時間定時巡檢變電所各高壓柜運行狀態及周圍環境，解決固定視頻監控死角問題；可與自動化系統聯動，當某臺高壓柜發生故障時，機器人自行移動至柜前進行巡查；可對高壓柜合閘操作人員進行人臉識別確認，代替傳統的操作票制度；可對高壓柜操作情況進行視頻錄像，在員工因操作失誤造成事故后，可查看監控視頻進行追查；監測到環境氣體超限時，可自動切斷供電電源。

4.4 無線網絡建設

物聯網技術應用中數據可靠傳輸至關重要，傳統的有線傳輸方式明顯不符合旨在實現萬物互聯的物聯網應用需求，物聯網應用中需要建立傳輸速率快、時延低、可靠性高的無線網絡。隨著無線通信技術的不斷發展，目前5G技術商用已經有了成熟案例，物聯網技術在智能礦山建設應用中，可以建設礦井私有的5G網絡，井上下1個5G網絡全覆蓋，同時建設井上下全覆蓋的高速WiFi網絡，實現礦井設備進場、使用、回收、維修、二次發放、報廢等信息的實時、全面采集，達到設備全生命周期管理的目標。設備全生命周期管理是礦井無線網絡應用的一個方面，無線網絡還可用于作業現場通信、設備運行數據采集、現場作業人員手持終端與智能礦山監控、管理平臺之間的通訊等等。

4.5 割煤自動化

自動化割煤通過示范刀學習記錄工作面的輪廓，并可以自動重復學習割煤過程中的滾筒軌跡。適用于煤層穩定，頂底板比較平整穩定，周期來壓穩定的工作面。自動化割煤使用2個傾角傳感器跟蹤2個搖臂的高度，每個搖臂使用一個傾角傳感器，通常在電控箱內部也安裝有傾角傳感器，用來跟蹤煤機的俯仰和搖擺角度，結合軟件處理可以不受坡度和搖擺角度影響。自動化割煤使用傳感器來采集煤機信息，在顯示計算機屏幕顯示。顯示計算機是控制系統的信息顯示界面，2個搖臂傾角傳感器安裝在搖臂側面，俯仰和搖擺的傾角傳感器安裝在電控箱內。記憶割煤首先要設置相關參數，先進行一個完整循環的示范刀學習，然后進行記憶割煤，最后從工作面的一個端頭開始，按照實際采煤工藝完成整個工作面割煤的一個循環，在同一端頭結束。在示范刀割煤時，操作人員需要根據工作面煤層變化情況人為調整滾筒位置，控制器通過監測搖臂傳感器的角度變化來確定滾筒位置，并根據左右牽引部旋轉編碼器來自動計算采煤機的位置，同時控制器會記錄采煤機在工作面內的任一位置對應的滾筒高度參數。

4.6 加強信息化人才培養

礦山企業屬于資源性的企業，僅僅依靠資源生存，而不增加產品的附加值，利潤空間將被客戶不斷壓低，為了突破傳統產品的制約，這需要大量的技術型人才參與技術研發。信息化的建設降低管理成本和風險，可以直接提升產品的利潤空間，增強市場競爭力；所以礦山企業的信息化建設顯得尤為重要。信息化建設難度系數就比較高，倘若內部人才資源匱乏將影響整體建設質量，所以還應當加強信息化人才隊伍建設，應定期對內部人員進行技能培訓，不斷豐富他們的理論知識和提高工作經驗，信息化建設過程中出現的問題，也能夠在第一時間內采取措施予以解決，將經濟損失降到最低。要注重溝通銜接、強化崗位交流和團隊協作，可以說溝通是促進信息化建設的必要條件，這樣才能夠發揮信息化建設的作用和價值，為后續工作順利展開創下良好的條件。同時，也要加強人員職業道德和綜合素養培養，只有高素質、高技能人才才能夠為信息化建設注入活力，當然，企業領導人員要提高自身綜合能力，這樣才能夠調動其他工作人員的積極性，更好的展開信息化建設。

4.7 注重礦山監測監管

我國礦產資源豐富且地域廣闊，傳統的監測理念與技術已無法快速做出有效全面的監測。但隨著傳統的3S技術不斷豐富和完善，并融合其他技術，可對礦山實時高效的信息化并三維可視化，通過對比分析不同時相的高分辨率遙感影像，實現動態監測礦產資源開采變化情況，對礦區活動精準識別，為自然資源管理部門管理礦山及礦權企業提供決策輔助，為后續構建生態化礦山打下堅實基礎[4]。

5 結束語

針對大型礦山類企業的智能化建設，提出了智能礦山建設規劃思路及建議，智能化升級將是一個長久的持續改進的過程，并不是一次達標驗收工程。在各大礦山企業經歷智能化升級的漫漫長征路之后，終將實現單機裝備智能、相關聯的多機裝備智能化協同、智能決策的無人或少人化生產最終目標。