某鐵礦自動化生產信息平臺的設計與應用

許丹

（河鋼集團礦業有限公司石人溝鐵礦）

河北省石人溝鐵礦第3 期開采工程建成并投入生產運營，同時設計安裝了安全監控系統、視頻監控系統、井下人員定位系統、網絡通信系統，各系統從軟件到硬件均互相獨立運行，由于都需要通訊和數據傳輸，因此存在大量的重復建設，而各系統所建網絡所采用的技術、產品選型和規格等都各不相同，所選設備和具體的建設施工上與井下環境不相符，導致了數據通信鏈路的性能低，制約了更多應用的擴展和集成。另一方面由于各系統未進行必要的整合，未實現數據共享和互聯互通，限制了各個系統功能的發揮，從而不能為生產提供高價值的數據分析結果和工作指導，使得現有各個系統完全相互獨立，不能實現功能互補，從而不能發揮出最大的效能［1-5］。

存在上述問題的原因是欠缺綜合集成化的統一平臺，對監測監控、井下人員定位、視頻監控以及聯絡通信4 個子系統進行協同管理調度。依據工信部《原材料工業兩化深度融合推進計劃（2015-2018年）》的指導要求，礦井采用物聯網、云計算（IaaS）及大數據分析等技術，將石人溝鐵礦各個獨立系統進行融合，建立混合型智能生產物聯網，應用數據協調、數值模擬和二維碼識別等技術，搭建具備人員、設備、工藝、物料、能源等要素的自動識別、信息共享、自發協作、集約調度的網絡系統，來實現井下采礦作業過程動態可調可控，增強企業的安全生產管理能力［6-15］。

1 設計方案

1.1 訊聯絡系統

在地表總控制室增加1 套統一通信網關和1 套保安配線設備，用于承載全礦通信與上游運營商的對接和地表辦公區域的有線電話。在第3 期副井井口機房、斜坡道配電室、動力作業區和南山聯通局端機房設置4 套IAD 設備及相關配套設備（包括配線柜和UPS），其中副井口和斜坡道口2 套IAD 用于井下通信雙回路和采礦、提升、充填等區域通信；動力作業區IAD 負責本作業區、選礦、碎礦、地勘、銷售等單位的通信；南山局端IAD負責南山區域的通信。無線通信可使用人員定位終端，通過已經覆蓋的WiFi 鏈路與機房統一通信網關互聯，從而實現無線通信與有線通信的無縫銜接。機房設置的統一通信網關與運營商的T1 中繼線路對接，從而實現自動總機和內部電話與公網電話的互通。

1.2 人員定位系統

1.2.1 定位系統機房擴容

通過增加網絡管理服務器，便于對擴容后的現場設備設施（AP、交換機、統一通信網關）進行管理；增加虛擬化管理服務器，用于增加計算資源，為擴容后的人員定位系統和監測監控系統提供計算能力；增加存儲服務器，對機房現有和新增的計算資源存儲容量實現統一管理。

將GIS 地理信息系統技術和iBeacon 藍牙通信技術相結合，使用iBeacon 藍牙信標代替原有RFID射頻進行定位，應用于井下人員定位系統，實現井下人員實時準確定位（圖1）。當定位標簽脫網后，利用手持搜索儀的定位模塊和APP 軟件完成定位，再通過WIFI 無線信號，接入工業以太網向地面系統傳輸數據。

1.2.2 基于RSSI的人員定位算法設計

定位系統采用RSSI 測距方法，利用定位基站天線接收到信號強弱來計算測定信號點與接收點的距離。通過將“測距離”變更為“定比例”，在井下復雜環境中，定位需求得到較好應用。

軟件設計流程如圖2 所示，通過定位標簽向iBeacon 基站定時發送代表工作人員身份的UUID 碼和地址信息，iBeacon 基站接收到定位標簽的無線信號后，開始計算來自同一定位標簽的RSSI 均值，通過RSSI 算法將無線信號換算成距離值，從而來確定定位標簽粗略位置；與較近距離的多個基站采集的節點信息進行組合分析，通過一次三邊定位算法算出定位標簽的位置，將定位標簽的位置信息進行集合，計算出平均值，采用差分修正法進行修正，確定定位標簽所處的準確位置。

iBeacon 基站采用“之”字形擺放方式布置，以確保在任意位置周圍至少可以檢測到3 個iBeacon 基站的信號，保證定位標簽無線信號的接收和定位算法的精度。

1.2.3 系統設計

系統采用B/S 架構的主通信方式，由最基層的定位標簽、iBeacon基站、千兆以太環網、上位機服務器、遠程數據端等組成。專用搜索儀計算井下人員位置信息，藍牙無線信號將數據發送給iBeacon基站，基站連接進入井下千兆級的工業以太網，將數據實時傳送至地面服務器，由融合程序界面顯示定位信息，并將數據存儲在服務器數據庫中。在經過廣域網，遠端的終端設備上也可隨時隨地訪問本系統，即時查看人員位置信息及相關數據，以達到人員實時定位的目的。

該系統及時準確地將井下作業人員實時動態信息傳輸到井上調度控制室，調度管理人員直接掌握井下人員及設備的分布情況，作業人員的運動軌跡及作業時長，從而實現合理調度指揮作業。

2 監控系統

2.1 監測監控系統

監測監控系統主要設備由系統服務器、監控主機、監控分站、交換機、直流穩壓電源、斷電控制器以及各類傳感器（包括溫度、風速、差壓、甲烷、二氧化碳、二氧化氮、一氧化碳、硫化氫、氧氣、風向風速、機電設備開停、風門位置等）組成。監測系統軟件基于win10 環境平臺開發，采用My SQL 數據庫存儲方式，具有Web 聯網功能，便于隨時調取實時運行數據。原監測監控系統使用獨立專門的軟硬件解決方案，雖然能提供聯網查詢功能，但監測系統與電控系統獨立運行，不能真實、全面地反映通風系統的運行狀況。因此，集控系統與Web 服務器之間需要有一套通信協議或接口，本次系統改造使用IBM 開發的MQTT 即時通訊協議，將集控系統運行數據上傳至代理系統服務器，并通過二次開發的Web 服務器將采集到的數據進行數據可視化，數據的各個屬性值以多維數據的形式進行顯示，實現從不同維度對數據分析研判，從而對井下實時數據進行更深入廣闊的分析。

2.2 視頻監控系統

在調度室和動力作業區中控室設置視頻監控終端，井下水泵房、配電室、通風機站、避災硐室、運輸皮帶、主要巷道岔口和工作面設置視頻監控攝像儀。將井下主要場所的攝像儀的通信信號通過光纖接入千兆以太環網中，電源由獨立開關電源提供，視頻實時顯示畫面由地面監控室大屏進行分割顯示，遠程終端計算機也可以通過互聯網進行分享，可實現重要設備運行狀態和重點現場環境的視頻信息的記錄和實時查看。電子封條系統可實現對重要位置的實時情況進行異常報警及突發狀況的預報，可以及時對異常狀況制定應對措施。

3 系統集成及功能實現

數據庫系統將各系統進行匯聚，基礎數據和業務數據共享后通過各基礎系統的變成接口或數據組合實現系統集成，項目功能實現方法如下：

（1）實時定位（導航）。智能終端已實現定位功能，與基礎GIS 系統組合，即可構建出井下導航的APP。

（2）通信服務。終端設備自身與VoIP 服務器組合即可實現通信功能及設備自身定位功能。

（3）爆破預警。當井下有爆破作業時，通過GIS系統和交互系統的數據交叉組合，可以檢索出爆破安全警戒線內的作業人員，并通過VoIP 系統直接聯系滯留人員撤離及交互系統控制作業人員的手持終端聲光報警。

（4）實時環境監測。在巷道內密集部署物聯網監測分站，實時監測巷道內的氣壓、風速、溫度、濕度等數據，并將數據與GIS 系統結合，能夠直觀地反映井下各巷道實時的環境情況。

（5）重要設備運行數據實時監測。通過安裝在移動設備上的終端，可以將重要的生產設備納入監測系統當中，對生產或運輸設備的運行數據（如位置、油壓、氣壓、電流、電壓、速度等）進行實時采集和預警。

（6）數據挖掘。通過云計算平臺部署的Hadhoop系統，使用大數據技術實現數據的自動挖掘和分析，為生產決策提供有力的支持。

4 經濟效益分析

4.1 直接經濟效益

井下“四網合一”集成系統建設運行后，年累計減少電能消耗32 萬kW·h，按0.78 元/（kW·h）計節約電力成本24.9 萬元；通過監測數據的分析實現設備故障的預判，延長維修及使用周期，升級改造傳感器延長監測傳感器的壽命，年可降低備品、備件消耗資金5萬元，每年綜合創效133萬元，2018—2020 3年共創效399萬元。

4.2 間接經濟效益

減損產出量（B1）即礦井下“四網合一”集成系統建設實施后減少因人身傷亡損失，職業病損失，事故財產損失及危害事件的經濟消耗損失。該礦近3 a各種損失情況與2017年損失進行對比，見表1。減損產出量計算公式為

式中，Ji代表各種損失的減少量，包括人身傷亡損失、職業病損失、事故財產損失、危害事件等；Ki代表各種損失的間直比。

由表1 可以看出，自2018 年以后因各類安全事故造成的損失明顯下降。通過經驗取值K1=1.75，K2=1.34，K3=1.57，K4=1.66，K5=1.76，通過公式計算得出B1=248萬元。

5 結語

通過建立的千兆工業以太網環網平臺，基于國際先進的開源技術（大數據、物聯網、GIS 等）的系統二次開發，合理地將已投產運行多年的安全監控系統、人員定位系統、聯絡通信系統以及視頻監控系統進行關聯，實現統一的礦用綜合信息化平臺，為未來應用開發提供所需的云服務平臺和開發接口，為進一步實現智慧礦山的目標提供更多的技術保障。