私有云和物聯網技術在煤礦智能化建設中的綜合應用

張 磊,瞿曉倩

(1.國能神東煤炭集團,陜西 神木 719315;2.陜西億杰鑫信息技術有限公司,陜西 西安 710065)

0 引言

煤礦智能化建設中應用的私有云特點鮮明,集中表現在四大方面:(1)高可靠性;(2)安全性;(3)易擴展性;(4)易管理性。從部分地區煤礦智慧園區建設現狀看,應用私有云時,將重點放在硬件與虛擬服務器方面。與私有云技術相比,當前的物聯網技術在煤礦智能化建設中已獲得廣泛應用,主要按“感知層?現場管理層?網絡層?平臺層?應用層”的基本架構搭建物聯網綜合管控平臺。從當前的實踐經驗看,可實現對各類設施設備的集成化管理,也能借助數據清洗技術、數據引擎存儲技術完成對采集數據的清洗、分類、存儲[1]。當前,煤礦企業集團應將私有云與物聯網技術融合起來為其實踐賦能。

1 項目概況

以某煤礦集團企業為例,自2018年全面實施互聯網與物聯網改革,該煤礦企業集團已初步實現了煤礦智能化建設目標。近幾年,在中國式現代化改革過程中,結合“并聯式”發展方案,持續推進了煤礦工業化、技術化、生態化、產業化方向的資源融合及實踐。然而,隨著煤礦智能化建設工作的逐漸深入,該煤礦在開采、運輸、通風、供風、抽水、監測等方面的更新部分設備設施的同時,也增加了數據類型,需要進一步在新時期高質量發展主題下結合技術賦能路徑,擴大對私有云、物聯網技術的融合及推廣應用。

2 煤礦智能化建設問題分析

目前,該煤礦集團企業在智慧煤礦建設過程中已建成智慧管理平臺與能夠滿足綜合服務的各類系統,形成了以“大平臺+小系統”為主的基本架構。從問題方面看,物聯網改革的持續推進雖然增強了對感知技術的應用、擴大了感知網絡的覆蓋范圍,但是在原來的結構數據基礎上增加了半結構數據與非結構數據,每日的數據增長量呈幾何倍數式增長,給其數據采集、存儲、分析、報表管理等增加了一定的難度,不僅拖慢了系統運行效率,也給網絡安全埋下了重大隱患。為了有效解決上述問題,應在當前的物聯網平臺基礎上融合私有云、中心云、邊緣云等技術優化平臺系統,全面提升其應用效果。

3 煤礦智能化建設中對私有云和物聯網技術的綜合應用

3.1 綜合應用架構

在該煤礦智能化建設過程中,工作人員先對私有云方面的“物理服務器→虛擬服務器→虛擬資源池→數據匯聚→核心交換機堆疊”等流程做進一步分析,在“1個中心云+N多個邊緣云”的云協同兩級架構將其部署到物聯網綜合管控平臺中,然后根據虛擬資源池建設要求把中心云層與邊緣層部署到生產網絡中,使中心云層、邊緣云計算服務層、終端物聯設備(負責各項業務)之間,形成一個內容完整的“云+邊+端”閉環[2]。該架構既可利用原來的物聯網綜合管控平臺為云端數據中心提供數據服務,又能完成對終端物聯設備關聯業務處理,進而解決上述問題。

3.1.1 感知設備與邊緣計算節點連接

工作人員應借助不同類型的接口、以太網把應用場景中的泛在感知設備與邊緣計算節點進行聯合,完成感知層、現場管理層、網絡層的全面關聯。例如:當前煤礦的數據結構復雜、數量增長較快,此時可以在煤礦集團企業編制基礎上進行物聯網對象編碼:(1)對應用對象進行具體編碼、組織機構編碼、煤礦物聯網信息化分類節點編碼、煤礦物聯網節點編碼、OID中國節點編碼。例如:在具體編碼方面,可以根據設備序列號代碼、設備型號代碼、設備分類代碼等完成具體編碼工作,員工則根據工號完成編碼等。(2)泛在感知設備與邊緣計算節點之間的融合過程中,應配套引入大數據技術滿足各個采集站的數據交互要求。例如:當前應用較多的RS485、CAN、以太網等工業現場總線及末端無線自組網,將無線感知節點(1,2,3,…n)與無線自組網基站(1,2,3…N)進行關聯,通過有線與無線通信方式連接到邊緣計算節點,完成采集站的數據交互、采集、清洗、分類存儲、數值模型分析等。其中,物聯設備應包括人員位置感知節點、車輛位置感知節點、低功耗環境與工況感知節點、智能大型設備、報警裝置等。

3.1.2 邊緣云計算服務節點數據交互

邊緣云計算節點到地面邊緣云計算服務節點間的數據交互既應保障中心云、邊緣云之間的數據交互,可以通過交互協議設置完成。通常情況下,可借助云端IP工業網絡、云端大數據分析技術或者相關算法加以解決。具體而言,云中心既可以對業務應用方面的數據進行實時采集、存儲、分析,也能通過云側提供邊緣平臺,滿足工作負載管理、算法推送、邊緣節點管理,利用采集平臺實現設備集成、消息集成、數據集成、應用集成,借助物聯網平臺進行設備接入、規則引擎、設備鑒權、設備影子等[3]。此時,實質上使現場管理(應用場景)和業務應用(應用層)實現了一種多元化的數據交互,最后將云端數據中心處理后生成的報表發送到各業務模塊,從而形成云、邊、端的閉環式管理目標,構建一個實時化、動態化、可視化、智能化的新型生態圈。

3.1.3 搭建技術主導的綜合應用平臺

該綜合應用架構牽涉多種技術的融合,建議在實施期間按數據感知與采集、基礎公共數據緩沖區、數據處理與存儲管理、數據發布、PC端與移動客戶端煤礦礦井一體化數據融合應用、關鍵技術與基礎服務等進行技術配置,形成一個技術主導的私有云與物聯網技術綜合應用平臺架構,如圖1所示。

圖1 私有云與物聯網技術綜合應用架構

3.2 主要功能

在融合私有云與物聯網技術后,應采用模塊化設計思想設置模塊與子模塊,并根據模塊化處理需求進行配套的功能設計,滿足智能煤礦全局生產、信息研判、自動彈屏、故障診斷、風險預警、應急指揮調度等方面的智能化管控需求。其中,常用模塊包括首頁、聯合報警、高清視頻、人員定位、三維地圖、安全監測、報警查詢及設施設備監測等,每個模塊的功能則根據實際情況進行設置。

3.2.1 首頁

在私有云與物聯網技術綜合應用平臺中,首頁模塊十分關鍵,應保障整體上的全貌展示與區域清晰劃分。設計人員僅需設置一個子模塊,將功能定位在二維半圖可視化展示即可,具體包括:(1)生產區;(2)生活區;(3)安全設備聯動等。

3.2.2 聯合報警

新時期的煤礦智慧園區中已應用了GIS“一張圖”,在此基礎上利用GIS三維圖提供的信息,可使煤礦中常用的“八大系統”,構建一個上層數據與下層數據的交互關系,實時地通過礦井管理“一張圖”更為精準地呈現人員、環境、機械設備方面的生產狀況與安全狀態[4]。結合雙重預防機構中的AHP模型分析結果,及時地實現視頻聯動報警。例如:發生警情后,可以將三維視頻中的預警信息關聯發送到二維半地圖之中的報警位置,然后通過其中的報警設備標識向應用層推送相關信息與畫面。煤礦調度中心的調度值班人員接收到報警信息后,可以在第一時間響應應急措施并加以解決。

3.2.3 高清視頻

在煤礦智能化建設期間,考慮到配電場所、巷道、筒倉、輸煤、順槽、掘進、綜采等生產場景中的危險,普遍設置了本安型防腐防爆智能攝像頭,在這個綜合應用平臺中,此類攝像頭采集到的高清視頻,可以通過APN專網或者其他網絡通道發送到平臺。在模塊功能設計方面,可以配套設置如下功能:(1)設備智能循檢;(2)AI智能分析;(3)視頻報警聯動;(4)多系統融合等[5]。這樣做,有利于整合不同類型的數據,完成立體化的生產管理。設計人員可以根據上述攝像頭安裝的具體位置與應用場景,在綜合應用平臺中的視頻監控模塊,根據“區域欄”下拉菜單進行不同區域的設置,并對每個應用場景做出相應的細化處理。例如:在煤礦綜合區域菜單欄下,可以繼續設置中央變電所、永久遙感硐室、采區變電所、集運大巷、回風大巷、儲運大巷等。

3.2.4 人員定位

在人員定位方面,直接設置集成化程度較高的人員定位系統。參與煤礦工作的所有人員通過穿戴配置有移動傳感器的安全防護服、安全帽,可以在井下工作區域通過高清視頻、人體紅外監測儀等不同的監測裝置,對人員數量、分布、動向、工作狀態、所處環境等,做出全方位的數據采集。同時,當工作人員進入相應的工作區域后,車輛實時狀態或設備狀態也可以間接反映出人員的歷史狀態,共同構成對人員的實時動態定位、跟蹤及對“三違”現象的監測。

3.2.5 三維地圖

三維地圖重點放在可視化模型應用,設計人員可以利用礦區地面、井下及其他建(構)筑物等方面的歷史資料,如結合三維激光掃描圖、點云圖、無人機影像圖等直接搭建礦區外部三維模型,將AutoCAD圖導入Revit完成建筑物及各模型內部構成要素的建模。選擇Infraworks可視化工具快速完成全區域的漫游,并將其作為第一人稱視角下的常態化巡檢查方式[6]。把具體的設備數據、傳感器數據、攝像機數據等關聯起來,通過堆疊技術將其整合到仿真模型之中,通過實時巡查對異常數據進行記錄上報與關聯預警等。

3.2.6 安全監測

煤礦生產區位于井下,其中不排除一氧化碳、煙霧、瓦斯等有毒有害氣體,當前井下設置了各類監測裝置。設計人員可以把安全監測監控系統與綜合應用平臺關聯起來,將其作為一個子模塊,根據安全風險區域、位置、監測裝置等制作安全監測列表,并通過表格、圖形等方式更為直接地顯示安全監測結果。一旦監測到的數據超出正常值范圍則通過不同顏色的數據、安全風險等級等向平臺發出告警信息,平臺接收信息后即刻以執行命令的形式推送到安全管理部門,開展相關的核實并采取相應的應急處理措施。

3.2.7 報警查詢及監測

該綜合應用平臺中的報警查詢模塊中,可以根據子系統實際級別對報警信息進行集中管理,設計人員根據與報警相關的文字信息、數字信息、視頻信息、音頻信息等,可以及時地展示人、機、材、技、法、環、管方面存在的異常信息。當管理人員需要對其報警信息進行查詢時,可以通過信息截取的方式完成對報警前一分鐘畫面的處理,并將其當作報警前后的對比數據。除此之外,通風設備、水泵房、變電所等方面也可以根據相應的子系統及模塊功能設置完成實時監測等。

4 結語

新時期煤礦智能化建設中的物聯網技術應用過程中,普遍存在數據管理方面的短板,為了進一步解決相關問題,應持續加強對私有云的應用。結合上述分析可以看出,私有云內容豐富、特點鮮明,應用后可以起到提質增效、保障安全、提升系統性能、解決數據管理難題等多重功用。建議該煤礦企業集團一方面在煤礦工業物聯網平臺科學融入私有云技術,有效關聯中心云、邊緣云、終端設備,另一方面應充分利用私有云中的虛擬化技術,搭建虛擬服務器、建設虛擬資源池,全面提高整個平臺的數據處理效率,通過為煤礦集團賦能的方式提高其全要素生產率。