基于工業互聯網大數據的遠程生產管控平臺研究

郝 軍，高文才，王旭峰

(國能神東煤炭集團有限責任公司上灣煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017209)

0 引言

綜采工作面集控系統已普遍應用于煤礦生產中[1-2]，井下設備傳感器數據能夠較穩定的傳輸進井下監控中心和地面監控平臺[3-4]，為實現無人化開采奠定堅實基礎[2,5]。隨著物聯網技術的不斷成熟和基于采煤業務智能算法模型的持續發展[6-7]，所收集的井下數據不斷產生新的價值[8]。

煤礦井下數據具有結構復雜、時效性強、關聯性強、數據源分散和特征稀疏等特點[9]。數據共享中心是一個針對煤礦數據特點設計的復雜且龐大的綜合系統平臺，是智慧礦山的基礎，是數字化、信息化、自動化與智能化的高度融合[10-11]。數據共享中心平臺將企業多層級煤礦生產業務系統進行融合，實現煤礦巷道掘進、煤炭開采、主輔運輸、通風、排水、供液、供電、安全防控等智能化集成[12-13]，從而實現多部門、多專業、多管理層面的數據集中應用、交互共享和決策支持，實現井上下各系統 監測、控制、管理的一體化及智能聯動控制[14]。

國內綜采工作面的監控功能主要集中于井下監控中心和井上監控平臺，缺乏監控的延展性。隨著煤礦井下5G技術的實際應用，產生了移動終端App進行井下遠程設備運維與故障管理的新需求。煤礦企業可構建遠程運維平臺，通過手機等移動終端對綜采工作面進行遠程監測與操控，使綜采工作面設備遠程運維伸展到礦區以外，邁向智能化遠程運維。

1 平臺總體規劃

信息化智能礦山是煤礦綜合自動化發展的必由之路，目的是實現“人-機-環-管”相聯，形成網絡一體化，解決信息孤島問題。基于工業物聯網和大數據平臺的建設思路，基于工業互聯網大數據的遠程生產管控平臺采用一套標準體系，構建一張全面感知網絡，建設一條高速數據傳輸通道，最終形成一個獨特的煤礦企業大數據應用中心，面向不同業務部門實現按需服務，并實現以下總體目標。

(1)安全監測。實現對綜采設備在線遠程實時監測，包含支護系統、采掘系統、“三機”系統，增強實時數據傳輸性能提高數據可靠度。

(2)歷史回溯。為每臺設備進行數據歷史回溯，通過數據回溯可以自動義的分析出設備在工作時的規律、異常信息，為設備故障診斷和機器學習做鋪墊。

(3)自動化率統計。對目前的自動化使用情況進行統計分析，如自動化開機率、記憶割煤率等。該統計指標可使企業了解不同煤礦的智能化程度，同時有助于生產班組針對智能化程度不足的專項問題進行整改，提高綜采自動化率。

(4)視頻監控。將綜采工作面攝像頭通過NVR進行視頻回傳，實現在線遠程視頻直播，便于用戶進行點檢查看。

(5)礦壓分析。通過不同維度進行監測分析，實時展示當前礦壓情況及預測未來礦壓變化情況。

(6)云平臺。以大數據云平臺為基礎，建立煤科云示范應用并推廣煤科云行業應用。

2 平臺技術架構

基于工業互聯網大數據的遠程生產管控平臺是為了滿足煤礦企業及時掌控工作面生產情況而設計研發。系統基于中煤科工集團中央大數據院的煤科云，在此基礎平臺之上構建企業級數據共享平臺。該系統緊密結合天瑪公司LongWallMind(簡稱LW)綜采集控系統平臺，數據經過工業以太網實時傳輸工況監控數據，包括綜采設備的傳感器數據和監控視頻數據等。通過對收集的監控數據進行分析，得到各種與生產息息相關的指標數據，并及時通知相關工作人員。整個平臺分為4層，基于工業互聯網大數據的遠程生產管控平臺技術架構如圖1所示。

(1)基礎層。該層承載平臺運行、數據分析及其數據存儲的基礎應用。

(2)LW數據層。該層是平臺獲取數據的重要的途徑也是唯一途徑，生產數據、傳輸數據基礎應用。

(3)業務層。該層是平臺對數據收集、整理、加工重要環節。原始數據通過業務層處理和分析以友好方式存儲，方便展示層存取。

(4)展示層。該層是直接面向客戶的重要窗口，以多種形式展示給客戶，作為用戶指導生產一個重要的依據。

基于工業互聯網大數據的遠程生產管控平臺采用B/S架構，為用戶推出Web端大屏與手機App移動終端應用，滿足不同煤礦群體的用戶需求，建設一個由監測、歷史、統計、分析4個維度組成的大數據集成共享中心，實現對智能化采掘全方位的數據監測。

3 數據共享中心

數據共享中心功能開發分為集團級、礦級、工作面級3個層次。根據煤礦企業各層級管理人員所關注的重點信息，選擇合適的可視化展示方式，解決煤礦信息化建設中數據利用不充分的問題，從而提高管理人員對企業生產經營的認知效率，促進煤礦企業數字化、信息化和智能化發展。

3.1 集團級

集團級的數據共享中心定位是煤礦企業生產經營的管理層，該層級可視化展示的不是單獨信息，而是經過加工整合后的關聯信息，呈現的是不同決策管理場景。集團級功能主要匯總展示各個礦區的綜合信息，信息以PC端大屏方式界面呈現給用戶，集團級用戶登錄后，進入集團數據中心的首頁。其中展示的主要信息包括各礦區的概覽圖、推進度、設備狀態、產量信息、考核報表管理等。集團級平臺與礦級平臺實時互聯，可全面感知下屬生產單位的生產、安全等信息數據，提升了智能化生產、數字化運營、智慧化管理的水平。集團級數據共享中心界面如圖2所示。

圖2 集團級數據共享中心界面

3.2 礦級

礦級的數據共享中心以PC端大屏界面呈現給礦級用戶，礦級用戶可以通過此頁面查看所有工作面的情況，用戶可以點擊按鈕切換工作面，從而查看不同工作面的監測畫面。進入首頁界面后能夠顯示礦井各個工作面的統計分析指標，例如各工作面的推進度、跟機率、設備總量等，同時也支持各類報表(生產報表、運行報表、礦壓報表)的查看和打印功能。礦級數據共享中心界面如圖3所示。

圖3 礦級數據共享中心界面

結合機器學習、大數據等技術，工程師可在地面監控中心對礦井下各異常情況進行及時監控與處理，將地面仿真設備的虛擬操作轉化為現實指令并對真實設備進行操作。該平臺結合設備故障預測算法，例如限值算法、過載算法、健康診斷算法、數值突變算法、值累積算法等，可高效便捷地預測故障發生概率，提高綜采設備智能化運行時間和設備使用壽命。

3.3 工作面級

工作面級的數據共享中心通過集控系統采集井下數據，深度集成各系統和設備的關鍵點位，監測用戶級別并將自動呈現權限所能觀測到的工作面情況。工作面實時監測畫面包含采煤機、支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機、泵站的實時監測數據及報警數據列表。工作面礦壓畫面包含礦壓云圖、工作面各個支架壓力、周期來壓預測等相關信息的展示，從而進行綜采支護的質量分析。對目前的智能化使用情況進行數據統計分析，如智能化開機率、記憶割煤率。隨著數據的不斷增多逐步加入新的統計，如割煤刀數統計等。

工作面級數據共享中心圍繞開采工藝，直觀展示工作面自動化程度，提高生產管理可視化、過程管控智能化的水平，并對人-機-環的隱患、故障進行預警提示。工作面級數據共享中心界面如圖4所示。

圖4 工作面級數據共享中心界面

4 平臺權限管理

權限管理是針對不同人員訪問的資源進行權限控制，避免因權限控制缺失或操作不當引起的風險問題，如操作錯誤、隱私數據泄露等問題。在監控工作面設備運行姿態方面，能夠做好訪問和控制權限限制，保證平臺數據安全。平臺能夠記錄用戶的所有操作日志，保證數據分享有據可查。

根據煤礦集團的管理調研情況，將用戶分為集團級用戶(公司信息中心、生產指揮中心、生產技術部、機電管理部、設備管理中心、公司管理層)、礦級用戶(礦級調度室、機電動力科、生產技術科、礦級領導)、工作面級用戶(綜采隊所有用戶)3個角色。

權限設計模型采用RBAC模型(Role-Based Access Control)，該模型是權限最基礎也是最核心的模型，包括用戶、角色、權限，其中用戶和角色是多對多的關系，角色和權限也是多對多的關系。用戶是發起操作的主體，按類型可分為對企業(2B)和對個人(2C)用戶，可以是后臺管理系統的用戶，可以是系統的內部員工，也可以是面向C端的用戶；角色起到了橋梁的作用，連接了用戶和權限的關系，每個角色可以關聯多個權限，同時一個用戶關聯多個角色，那么這個用戶就有了多個角色的多個權限；權限是用戶可以訪問的資源，包括頁面權限、操作權限、數據權限。

根據上述規則，平臺的用戶角色權限包括集團級操作用戶、集團級管理用戶、礦級管理用戶、礦級操作用戶、綜采隊用戶。

5 遠程生產管控平臺

現有的綜采工作面集控系統以集中控制為主，還缺乏設備的運維管理功能，無法將用戶的檢修、運維、手動操作記錄進行有效的記錄。需要充分調研綜采工作面設備的日常運維需求，設計開發滿足用戶需求的智能移動終端App，為集控系統的過程監測數據提供標簽數據支撐，更好地解決樣本數據的有效性和真實性，提升訓練模型的精度。

智能移動App按照智慧安監、生產執行、經營管理等模塊進行分類，并通過智慧決策將各系統融合分析結果進行展示。智能移動App在功能設計上主要以數據展示和信息的快速錄入為主，包括首頁、系統和設置，首頁中以全礦井組態圖展示生產動態，包括主要設備的運行、生產參數、安全情況等。

(1)智慧安監模塊。該模塊使決策層、管理人員、技術人員可以隨時在移動端對各設備各系統進行實時監測，提升任務分配及匯報的效率及規范，高效及時下達和接收任務，并對任務內容和工作成果進行提醒和記錄。

(2)生產執行模塊。該模塊具備工作協同功能，可以使檢修工、操作工將每日工作崗位設備運行情況進行填寫和提交。該模塊的任務分派功能具備多人崗位分派、任務匯報等功能。

(3)經營管理模塊。該模塊根據用戶權限主動推送信息給各個不同用戶，實現無縫高效的經營管理。該模塊具有統計分析、設備的運行記錄、一鍵啟停統計、故障信息統計、產量統計分析等功能。

6 應用情況

2019年1月，基于工業互聯網大數據的遠程生產管控平臺在上灣煤礦8.8 m特厚煤層12401超大采高綜采工作面進行了試驗應用。通過采集設備信息和設備智能控制數據，建立基于智能控制的遠程協同集控平臺和基于大數據的故障診斷和專家決策中心，利用智能控制、故障預警、大數據分析、視頻可視化系統、高可靠供電系統、礦壓監測預警等現代化新技術，實現了世界首套大采高工作面智能化開采全面監測與管控。

綜采面成套重要設備監測共計搜集了9.4億條數據，利用手持終端App監測和控制工作面重要設備。系統集成工作面急停閉鎖和預警喊話功能，可以實現采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機、泵站等的急停閉鎖、語音預警和工作面廣播與調度電話的連接等功能，總體上建立了3級主從控制模式，實現了主從實時傳輸備份，主服務器出現故障，從服務器可代替主服務器的功能，實現生產連續；通過建立統一接口平臺和分析建模，實現對設備故障預警和診斷，建立完整的“預測、預判、預控”專家輔助決策系統和智能開采控制系統，實現超大采高工作面設備的集中、協同控制和輔助決策。

7 結語

基于工業互聯網大數據的遠程生產管控平臺，可將各個礦區井下的多源異構數據進行融合，實現了安全監測、歷史回溯、礦壓分析、視頻監控等功能，解決了井下數據孤島問題，完成數據賦能，為煤礦智能化運行打下基礎。數據共享中心將數據分析與展示分為3層，針對不同層次所關注的信息進行綜合展示，使得相關信息得到有效利用。以RBACO模型為基礎構建的平臺權限管理實現了分級管理，避免了數據隱私泄漏等問題。