智能礦山一體化管控平臺關鍵技術研究

徐華龍

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，對于提升煤礦安全生產水平、保障煤炭穩定供應具有重要意義[1-2]。

2020 年2 月25 日，國家發展改革委、應急管理部等8 部委聯合發布了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，提出了加快我國煤礦智能化發展的原則、目標、任務和保障措施，明確提出首先建設一批智能化示范煤礦，通過典型示范推動煤礦智能化全面發展，國家能源局、國家煤礦安全監察局已審核確定71 處煤礦，作為國家首批智能化示范建設煤礦。目前，山東、河南、貴州、山西、內蒙古、陜西、寧夏等省份的煤炭主管部門積極出臺相關方案和政策，明確提出要建設智能礦山一體化管控平臺，加快煤礦智能化建設、升級改造[3]。

1 管控平臺含義及要求

智能礦山一體化管控平臺是在統一開發平臺的框架下，將物聯網、云計算、大數據、人工智能、智能控制等新一代信息技術與煤礦安全、生產、運營管控業務進行深度融合，基于面向服務的體系架構和“資源化、場景化、平臺化”思想，圍繞監測實時化、控制自動化、管理信息化、業務流轉自動化、知識模型化、決策智能化目標進行相應業務應用設計，開發用于煤炭生產、智慧生活、礦區生態的智慧礦山生產系統、安監系統、智能保障系統、智能決策分析系統、智能經營管理系統、智慧園區等場景化APP 支持服務，實現煤礦的數據集成、能力集成和應用集成[4-5]。

由國家能源局下發的《智能化示范煤礦驗收管理辦法（試行）》文件，對智能礦山一體化管控平臺提出了明確驗收要求：需要建立統一的系統接口標準，基于統一I/O 采集服務設計與實現，具有冗余采集和容錯機制；具有綜合監控中心，對“采、掘、機、運、通”等主要生產環節、井下環境安全、人員位置等安全生產實時信息進行綜合集成、聯動控制與可視化展示；具有大數據平臺，主要功能包括數據采集、數據存儲、數據服務、數據管控，將礦井監測監控類系統、生產執行類系統、經營管理類系統的數據全面場景化接入，實現分析決策與可視化展示；具備數據分析能力，根據業務需求構建識別模型、預測模型、控制模型、決策模型，實現模型庫管理；根據監測與分析計算結果，進行異常信息報警，能夠將異常信息自動通過電話語音或短信通知相關人員，實現預警、指揮調度與協同控制[6]。

2 平臺總體架構

智能礦山一體化管控平臺總體架構設計如圖1。

圖1 平臺架構圖Fig.1 Platform architecture diagram

智能礦山一體化管控平臺基于工業互聯網和微服務架構設計，以國家能源局《煤礦智能化建設指南》為依據，采用物聯網、大數據、云計算、人工智能、移動互聯等先進技術，平臺采用統一的數據標準，融合全礦井“人、機、環、管、控”等業務系統和數據資源，構建統一數據接入平臺、建設統一數據中臺，提供統一應用開發平臺和統一應用部署平臺，建立可靠的工業安全防護機制，實現了各系統之間數據的互聯互通與融合共享，全礦井安全生產智能監控、智能調度、智能預警和智能決策。

1）感知控制層。利用傳感技術、物聯網技術、控制技術和邊緣計算技術，全面感知井下人、機、環等的數據和狀態，主要涉及協議轉換、邊緣數據處理等。

2）基礎設施層。采用有線、無線相結合，現場總線和網絡通信的方式，上傳下達數據和命令。基于虛擬化、分布式存儲、并行計算、負載調度等技術，實現網絡、計算、存儲等計算機資源的資源池管理。

3）智能平臺層。智能化礦山云平臺基于統一的數據標準，向下實現各種感知數據的接入，向上為智能應用子系統開發提供統一數據網關服務、一體化管控服務、智能移動監控服務、大數據分析服務、智能化協調管理服務等，實現礦山多源異構數據互聯互通、多系統融合聯動與運營控制。

4）決策應用層。面向礦井生產、安全、管理、決策分析實現礦山三維一張圖集中監測、大數據融合分析、生產集中控制，智能終端APP 遠程監測監管。

3 平臺關鍵技術

3.1 統一數據中臺技術

礦山統一數據中臺提供煤炭企業各類型數據的采集、存儲、計算、分析、可視化、共享等全生命周期數據服務，并提供數據的安全保障服務。采集設備、自動化系統、安全監測系統的實時監控監測數據，接入生產執行系統以及其他子系統的實時和離線數據，構建礦級或者局級數據中心，實現數據的互聯互通，打破數據孤島，以統一數據標準為基礎，提供數據實時計算分析能力和海量數據處理能力，實現數據資源的資產化，支撐上層業務應用和智能化分析服務，為礦井智能化建設提供基礎服務和保障[7]。礦山統一數據中臺基于Hadoop 架構，針對煤礦應用場景可進行深度定制，提供煤礦專有數據倉庫和算法服務，并在運維管理、可視化組件封裝、圖形化人機交互方面可進行定制化開發和集成。數據中臺架構圖如圖2。

圖2 數據中臺架構圖Fig.2 Architecture diagram of data center

礦山統一數據中臺以統一數據標準和數據安全防護為基礎，從數據的處理流程（數據采集、數據存儲、數據處理）和數據完整生命周期管理2 方面出發，通過聚合和治理煤礦現有分散獨立的應用系統數據，打通數據孤島，形成數據資產沉淀，將數據抽象封裝成服務，實現數據共享，為智能礦山的應用提供基礎數據支持。

1）應用架構。整個大數據平臺擁有2 類用戶：數據管理員和三方數據應用系統。數據管理員通過數據管理功能，對數據采集、分析、數據內容進行管理；數據應用方通過數據發布、訂閱功能，申請獲取智能礦山統一數據中心管理的數據。

2）技術架構。智能礦山統一數據中心的核心采用Hadoop 生態大數據處理技術，通過Spark 流批一體實現數據清洗、存儲、統計、分析、建模等相關功能。同時，通過數據采集、數據開放服務，將數據源，數據處理和數據服務連接在一起。數據中臺技術架構圖如圖3。

圖3 數據中臺技術架構圖Fig.3 Technical architecture of data center

3）數據架構。數據架構包含了數據傳輸架構、數據存儲架構、數據服務架構，分別通過不同的工具、技術實現不同場景下的數據相關功能操作。數據傳輸包括文件數據傳輸、數據庫數據傳輸和海量結構化數據傳輸；數據存儲分為業務數據存儲、實時數據存儲、文件與對象存儲、海量歷史數據存儲；數據服務分為數據檢索服務、數據模型可視化服務和發布訂閱服務。數據中臺數據架構圖如圖4。

圖4 數據中臺數據架構圖Fig.4 Data architecture of data center

3.2 基于三維一張圖的集中監測技術

采用跨平臺跨瀏覽器、二三維一體化技術，平臺基于一張井巷工程底圖，融合井下安全監控、視頻監控、水文監測、瓦斯巡檢、智能通風、束管監測、光纖測溫、粉塵監測、應急廣播、調度通信等給專業系統，實現了采掘工程、機電運輸、一通三防、監測監控、應急管理、災害預警等信息的三維立體一張圖集中監測，各系統設備空間位置及運行狀態、環境參數和井下人員分布情況一目了然，達到全礦井、全要素、三維一張圖立體集中監控。全礦井三維一張圖如圖5。

圖5 全礦井三維一張圖Fig.5 One three-dimensional map of the whole mine

1）礦山多源多尺度時空數據集成技術。針對礦山企業“采、掘、機、運、通”等各專業數據分散、孤立的問題，通過研究礦山多源多尺度時空數據集成融合技術，建立一套統一的礦山時空數據集成的標準規范，基于統一的地理空間參考、對象屬性等關聯關系，全面整合煤礦數字地理模型、三維地質模型、三維設備模型、三維環境模型等，支持fbx、3ds、obj、3DTiles、glTF、點云模型、BIM 模型、傾斜攝影等常見三維數據格式，同時融合設備位置和姿態、環境狀態等實時數據，實現地質信息、工程信息、設備信息的有效融合及高精度建模，形成高精度、透明化的數字孿生礦山，將原有相互獨立的各類空間數據和業務數據，統一納入煤礦時空數據中心管理，為煤礦智能礦山一體化管控平臺建設提供全礦井三維一張圖數據底座[8-9]。

2）井上下三維高精模型輕量化處理技術。由于煤礦井上工業廣場、井巷工程模型和井下重點區域設備數量多、幾何造型復雜，其三維構造模型數據量極大，模型包含的三角面片數量可達百萬數量級，其全尺度高精度數值仿真模型數據量通常可達GB 級。然而普通電腦設備尤其是移動設備普遍存在計算性能較低、渲染能力偏低、內存帶寬和容量受限等缺點，與三維場景模型結構復雜、數據量大的特點存在難以調和的矛盾。提高超大規模三維模型的傳遞、加載和可視化效率的解決途徑之一就是模型輕量化，即對原始模型數據進行有效轉換、壓縮與再組織，這一過程能夠顯著降低模型的復雜度與存儲空間，提高繪制時模型加載與初始化的效率。輕量化通常包含模型格式轉換、模型數據組織、模型分割以及模型數據壓縮等過程，能夠在滿足誤差要求的條件下對幾何模型面片進行自適應簡化，過濾礦山原始三維模型冗余信息，保留礦山三維模型必要的產品結構和顯示信息等，并通過采用一種具有較高的壓縮比和壓縮效率的模型數據壓縮算法，減小復雜產品模型的存儲空間占用，實現井上下三維高精模型數據的簡化和壓縮，以減少三維模型瀏覽需要的工作量。三維模型輕量化處理如圖6。

圖6 三維模型輕量化處理Fig.6 Light weight processing of 3D model

3.3 可視化組態集中控制技術

可視化組態集中控制采用可配置的、前后端分離的微服務架構，支持全面的組態化開發，支持應用界面與業務邏輯的快速組態化構建，能夠滿足各類智能礦山應用的功能與性能需要。應用主流Web 技術，擁有先進、友好的UI，支持多平臺、多終端、多瀏覽器訪問。針對需要遠程監測、監控的煤礦各子系統可提供實時組態畫面監測，圖形支持局部放大功能。可在系統中定義故障條件，當各系統設備出現故障，符合故障條件后，實時彈出報警窗口，實現主要生產場景的實時數據監控和真實設備運行動畫展示，為用戶提供良好的操作體驗和擴展性。同時，對具有遠程控制功能、通過接口和通信協議的設備，獲得授權的人員可通過集中控制平臺，可對設備實現遠程開停操作。在綜合管控平臺上通過管理權限，可對相應的自動化系統發送控制命令，并根據預先設置的控制邏輯關系，實現跨系統的遠程集中控制煤礦生產設備，在具備條件的情況下可實現井下固定場所無人值守。

3.4 多系統多數據融合聯動技術

礦山企業普遍存在安全監控、人員定位、視頻監控、通信廣播、自動化等各類安全生產系統之間獨立和數據難以共享利用等問題，通過設計煤礦各安全監測應用子系統之間的聯動模型，實現當礦區內發生監測報警時，系統將根據報警點的位置自動搜索所在的區域，自動切換到報警所在區域，綜合展示報警所在區域配置的視頻、人員、環境監控、廣播等實時數據，讓管理者和決策者實時掌握井下監測報警的各類數據。同時，根據報警級別，系統在授權允許情況下可下發語音廣播通知，與人員定位系統聯動，實現區域報警與聯動。基于“三維一張圖”多系統融合聯動技術，實現煤礦多系統數據的預警提醒、報警推送，井下一旦發生災害報警，系統自動啟動應急預案，自主規劃避災逃生路線，可與應急廣播、人員定位、視頻監控、自動化控制系統進行多系統融合聯動，指導和幫助井下受災人員快速撤離，達到全礦井安全生產智能監控和智能預警。多系統融合聯動如圖7。

圖7 多系統融合聯動Fig.7 Multi-system integration and linkage

4 結 語

智能礦山的建設基于工業互聯網和微服務架構設計，實現對礦山“人、機、環、管、控”數據進行統一標準采集、存儲、計算、管理和數據共享交換，達到全礦井可視化監測、自動化操控和智能化決策服務。針對煤礦建設過程中存在的信息煙囪、子系統及數據割裂等問題，結合國家能源局下發的綜合管控平臺驗收辦法，提出了基于工業互聯網的智能礦山一體化管控平臺總體架構設計，重點探討和研究了統一數據中臺、基于三維一張圖的集中監測、可視化組態集中控制、多系統多數據融合聯動等關鍵技術，為智能礦山一體化管控平臺建設提供了一種可行技術路線。由于各個煤礦企業在安全生產和經營管理存在一定的差異性，加上綜合管控平臺承建單位技術和理解不一致，導致現有的智能礦山綜合管控平臺數據標準和建設內容不統一，是“聚堆”而不是“融合”，無法做到真正的“管”和“控”。因此，需要進一步研究綜合管控平臺統一標準和礦山智能管控相關技術。