數(shù)字時代智慧礦山建設(shè)的探索與實踐

摘要：礦山企業(yè)在新一輪工業(yè)化改革過程中，一方面借助設(shè)計生產(chǎn)一體化實踐模式提高了標準化建設(shè)水平，另一方面通過擴大數(shù)字技術(shù)要素配置比例實現(xiàn)了提質(zhì)增效目標。當前正值中國式現(xiàn)代化改革時期，全面貫徹“并聯(lián)式”發(fā)展方案，礦山企業(yè)為了進一步加快數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，應(yīng)持續(xù)加強智慧礦山建設(shè)。文章分析了某智慧礦山建設(shè)問題，并在此基礎(chǔ)上對基于私有云的“云+邊+端”解決方案進行了討論。

關(guān)鍵詞：數(shù)字時代；智慧礦山；建設(shè)

Exploration and Practice of Smart Mine Construction in the Digital Era

REN Yanyan1， WANG Yunna2， CHAO Meng2

（1. Guoneng Shendong Coal Group， Shenmu 719315， China;

2. Shaanxi Yijiexin Information Technology Co.， Ltd.， Xi'an 710065， China）

Abstract： In the new round of industrial reform， mining enterprises have， on the one hand， enhanced the level of standardization construction through the integration of design and production practice mode， and on the other hand， achieved the goal of improving quality and efficiency by expanding the proportion of digital technology element allocation. At present， in the period of Chinese path to modernization reform， the \"parallel\" development plan is fully implemented. In order to further accelerate the digital industrialization and industrial digital transformation， mining enterprises should continue to strengthen the construction of smart mines. The article analyzes the construction problem of a smart mine and discusses a \"cloud+edge+end\" solution based on private cloud.

Key words： digital age; smart mines; build

礦山開采屬于復(fù)雜化程度較高的系統(tǒng)工程，新時代為了節(jié)能降耗、提質(zhì)增效，我國礦山企業(yè)普遍開展了互聯(lián)網(wǎng)加改革、物聯(lián)網(wǎng)改革，初步建成了自動化水平較高的智慧礦山。然而，隨著工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)的深度融合發(fā)展，智慧礦山中建設(shè)的子系統(tǒng)越來越多，數(shù)據(jù)從原來的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)擴展到了半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，礦山生產(chǎn)運營管理期間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了海量增長現(xiàn)象，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)深度挖掘及應(yīng)用需求顯著增加，當前的智慧礦山系統(tǒng)并不能滿足其實踐需求。因而，應(yīng)加強數(shù)字時代智慧礦山建設(shè)的探索與實踐。

1" "項目概況

以某礦山為例，2012年開始進行“一張網(wǎng)、一個中心、全礦井智能生態(tài)”建設(shè)，在實現(xiàn)安全與效益雙提升目標的同時，在礦井排水系統(tǒng)、井下供電系統(tǒng)、固定膠帶運輸系統(tǒng)、綜采工作面等方面減少了308人。2020年在“雙碳”目標指引下，該礦山企業(yè)結(jié)合《煤炭工業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出的“建成智慧礦山1 000座以上”要求與所在省下發(fā)的《關(guān)于印發(fā)lt;2021年全省深入推進煤礦智慧化建設(shè)工作方案gt;的通知》，梳理了智慧礦山建設(shè)目標并指定以“1平臺+10系統(tǒng)+27子系統(tǒng)”為主的建設(shè)方案，經(jīng)過近年來的實踐雖然初步達到了預(yù)期目標，但是由于子系統(tǒng)多、感知網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全、信息融合差等，造成了數(shù)據(jù)處理效率低、故障診斷差、協(xié)同效應(yīng)小等突出問題。此時，亟須從“無人化開采、實時化感知、智能化預(yù)警、快速化應(yīng)急、生態(tài)化發(fā)展”綜合目標出發(fā)，通過技術(shù)賦能路徑將其升級為全新的智慧礦山生態(tài)系統(tǒng)。

2" "數(shù)字時代智慧礦山建設(shè)問題分析

2.1 感知網(wǎng)絡(luò)有限，應(yīng)用信息融合不足

首先，礦山開采作業(yè)場景相對典型，牽涉穿孔、爆破、采裝、運輸、排土、輔助運輸、邊坡監(jiān)測等內(nèi)容。該礦山企業(yè)在新時期建設(shè)智慧礦山期間，雖然在平臺與系統(tǒng)方面的建設(shè)滿足了實際需求，但是由于各個應(yīng)用場景中仍采用單一感知方式，加上部分礦用傳感器在精度、可靠性、能耗方面存在不足，實際使用期間并不能達到“無處不在的感知網(wǎng)絡(luò)”建設(shè)要求。尤其在當前建成網(wǎng)絡(luò)中，在設(shè)備定位過程中仍有“盲區(qū)”存在，礦井下作業(yè)區(qū)域的全覆蓋目標尚未實現(xiàn)，需根據(jù)“機載監(jiān)測、離線分析”實際情況升級到適配性更高的無線感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)水平。其次，該企業(yè)在智慧礦山建設(shè)過程中，根據(jù)綜合自動化建設(shè)要求對子系統(tǒng)進行了集成化處理，然而受到數(shù)據(jù)指數(shù)級增長、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加等因素影響，網(wǎng)絡(luò)化集成后各系統(tǒng)間的信息簡單交互容易實現(xiàn)，在數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析等方面困難較多，導(dǎo)致了應(yīng)用信息融合不足的問題[1]。

2.2 風險預(yù)警不足，智能化故障診斷較差

該智慧礦山中的業(yè)務(wù)較多，包括指揮決策、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)分析、礦山儲量核查、成本核算、征地信息規(guī)劃、國家行業(yè)政策信息、風險預(yù)警、邊坡監(jiān)測等，其中在風險預(yù)警方面缺乏對風險源的精準辨識，并且將風險預(yù)警事項作為安全管理中的子內(nèi)容，未進行獨立的風險管理系統(tǒng)建設(shè)，不利于雙重預(yù)防機制與風險管理的融合，較難實現(xiàn)在線實時化風險監(jiān)測、預(yù)警、識別、分析、處理、結(jié)果反饋等。當風險預(yù)警不足時，智能化故障診斷往往流于形式，較難真正落到實處。尤其是各應(yīng)用場景中的設(shè)備數(shù)量較多，設(shè)備控制主要依靠數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)分析、報表管理、下達指令等環(huán)節(jié)解決，當故障診斷的自判斷與自處理能力較低時，會阻礙其智慧化運營。

2.3 協(xié)同流程不全，協(xié)同效應(yīng)相對偏低

智慧礦山主要通過各系統(tǒng)間的協(xié)同合作呈現(xiàn)其智慧性，從該企業(yè)協(xié)同流程建設(shè)現(xiàn)狀看，一方面未從宏觀的行業(yè)競爭角度出發(fā)，構(gòu)建具有競爭優(yōu)勢的智慧礦山戰(zhàn)略目標與方向，另一方面未將經(jīng)營決策協(xié)同、安全生產(chǎn)協(xié)同、生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同做進一步分析，加上缺乏模型算法支撐、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)協(xié)同并為其提供協(xié)同生產(chǎn)能力，整體上的協(xié)同流程與實際要求的多系統(tǒng)協(xié)同存在差距。在這種協(xié)同流程下開展分工協(xié)作時，既不利于各個系統(tǒng)的高效運行，也會降低協(xié)同效應(yīng)，阻礙智慧礦山配套技術(shù)要素優(yōu)勢的充分發(fā)揮。因而，當務(wù)之急是引入云計算中的私有云技術(shù)，根據(jù)其中的中心云建設(shè)、邊緣云建設(shè)情況，創(chuàng)建能夠綜合解決上述問題的“云+邊+端”解決方案[2]。

3" "數(shù)字時代智慧礦山建設(shè)問題的解決方案

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

按上述解決方案搭建以云服務(wù)層、邊緣計算服務(wù)層、終端服務(wù)層為主的智慧礦山系統(tǒng)架構(gòu)。如圖1所示。

其中，云服務(wù)層按照IaaS（基礎(chǔ)即服務(wù)）、PaaS（平臺即服務(wù)）進行搭建，配套大數(shù)據(jù)平臺可滿足邊坡監(jiān)測、風險預(yù)警、三維視頻、一張圖安全管控、虛擬仿真、二維三維協(xié)同管理等需求。邊緣計算服務(wù)層能夠?qū)K端設(shè)備中的應(yīng)用場景進行識別，同時，通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)、智能邊緣節(jié)點硬件、智能邊緣平臺、智能邊緣節(jié)點軟件，完成與云服務(wù)層提供的邊緣平臺、采集平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺的邊云協(xié)同、數(shù)據(jù)交互等。終端設(shè)備安裝在典型應(yīng)用場景（包括穿孔、爆破、采裝、運輸、排土、輔助運輸、邊坡監(jiān)測）之中，經(jīng)“5G+Wi-Fi”通信技術(shù)與邊緣計算服務(wù)層連接。在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，系統(tǒng)可接入多元異構(gòu)數(shù)據(jù)（文字、圖片、音頻、視頻），并通過邊緣計算服務(wù)層的初步處理與云服務(wù)層提供的模型、算法計算，最終生成滿足其業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的報告，輔助該礦山企業(yè)完成以下任務(wù)：①地質(zhì)儲量分析；②開采方案優(yōu)化；③邊坡安全監(jiān)測與風險預(yù)警；④設(shè)備實時調(diào)度；⑤經(jīng)營指標多維分析等，保障其綜合發(fā)展戰(zhàn)略的落地實施[3]。

3.2 業(yè)務(wù)應(yīng)用

該企業(yè)的業(yè)務(wù)相對較多，為了實現(xiàn)對多業(yè)務(wù)的標準化管理應(yīng)搭建“5層+3體系”業(yè)務(wù)架構(gòu)，一方面對各項業(yè)務(wù)進行分類優(yōu)化，另一方面在模塊化的設(shè)計思路下使各項業(yè)務(wù)通過對應(yīng)模塊中設(shè)置的功能實現(xiàn)精準、高效、動態(tài)跟蹤管理。

（1）在實施時，該企業(yè)可以根據(jù)劃分的層次配套設(shè)置相應(yīng)硬件集成設(shè)備與軟件系統(tǒng)。以基礎(chǔ)設(shè)備層為例，旨在滿足硬件基礎(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要求，應(yīng)配置存儲設(shè)備、計算平臺、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)器等資源。

（2）以業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層為例，側(cè)重于多維數(shù)據(jù)的涵蓋、采集，宜通過接口技術(shù)滿足各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入，主要數(shù)據(jù)包括邊坡監(jiān)測、輔助運輸、排土、采裝、爆破、穿孔數(shù)據(jù)等。

（3）以分析服務(wù)層為例，重點放在數(shù)據(jù)清洗、分類存儲、數(shù)據(jù)查詢等方面，該企業(yè)可以選擇GIS技術(shù)（應(yīng)包括GIS融合分析應(yīng)用、GIS查詢、GIS專題、GIS下站、GIS空間）、大數(shù)據(jù)清洗技術(shù)、大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，完成統(tǒng)計分析、多維分析、報警統(tǒng)計、產(chǎn)量統(tǒng)計、故障統(tǒng)計、綜合查詢、關(guān)鍵字查詢、模糊查詢、組合查詢、專題報告等，

（4）以分析業(yè)務(wù)層為例，根據(jù)模塊化設(shè)計劃分實際所需的模塊，具體可應(yīng)用可視化組件、統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析模型、大數(shù)據(jù)分析平臺等技術(shù)，滿足國家行業(yè)政策信息、礦產(chǎn)開采信息、礦區(qū)土地信息、車輛工況數(shù)據(jù)監(jiān)測、礦產(chǎn)品信息、邊坡數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、生產(chǎn)計劃規(guī)劃、征地信息規(guī)劃、成本實時核算、礦產(chǎn)儲量核查、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)分析、指揮決策分析等模塊的業(yè)務(wù)分析需求。

（5）以分析展現(xiàn)層為例，重點集中在可視化、融合化、趨勢化、離線化、報表化、綜合化方面。該企業(yè)宜根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)框架中對業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求，分別設(shè)置數(shù)據(jù)報表分析、離線統(tǒng)計分析、多條件綜合查詢、趨勢組合分析、GIS融合分析、可視化圖分析等模塊，確保整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠在GIS“一張圖”中獲得全面展示。

雖然上述5層業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計能夠優(yōu)化業(yè)務(wù)管理體系，但是在該體系下始終以數(shù)據(jù)為中心，因而應(yīng)圍繞這個中心進一步設(shè)置3個標準體系：①安全規(guī)范標準體系；②元數(shù)據(jù)及代碼規(guī)范標準體系；③數(shù)據(jù)分析標準體系。

3.3 協(xié)同流程應(yīng)用

該礦山企業(yè)智慧礦山協(xié)同流程存在缺限，需要優(yōu)化。在上述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)架構(gòu)下，鑒于目前的行業(yè)競爭環(huán)境，行業(yè)競爭已從規(guī)模化轉(zhuǎn)向定價權(quán)、供應(yīng)鏈方面，相應(yīng)地從戰(zhàn)略層面構(gòu)建具有競爭優(yōu)勢的智慧礦山“1支撐+3協(xié)同”流程，如圖2所示。

首先，應(yīng)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)協(xié)同要求下為其提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)支撐能力。在具體實施時，建議按“基礎(chǔ)+數(shù)據(jù)”進行實踐。具體包括：①地質(zhì)云技術(shù)，提供三維地質(zhì)數(shù)據(jù)資源；②數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過時序、關(guān)系、非關(guān)系應(yīng)用SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)快速搭建對應(yīng)數(shù)據(jù)庫；③大數(shù)據(jù)技術(shù)，對結(jié)構(gòu)、半結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行同步化、實時化采集，并進行分類存儲，保障多源異構(gòu)數(shù)據(jù)獲得融合分析；④移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將信息技術(shù)與5G通信網(wǎng)絡(luò)進行深度融合，為其提供接口、通信服務(wù)，保障各項信息交流與溝通；⑤模型算法，則根據(jù)故障診斷、邊坡風險等方面存在的實際監(jiān)測→預(yù)警→識別→分析→處理→結(jié)果反饋需求，選擇適配性算法及算法更新方式等完成相關(guān)評價任務(wù)[4]。

其次，在礦山生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同、災(zāi)害風險分析協(xié)同、經(jīng)營決策協(xié)同方面，建議根據(jù)各系統(tǒng)的實際環(huán)節(jié)，選擇適配性技術(shù)進行實踐。例如，在生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同方面，建立從地質(zhì)部門、測量部門、采礦部門的實際業(yè)務(wù)出發(fā)，對應(yīng)測量、穿孔、爆破、采掘、運輸、推土等方面的實際工藝及設(shè)施設(shè)備進行數(shù)據(jù)管理，滿足其協(xié)同要求等。災(zāi)害風險分析系統(tǒng)與經(jīng)營決策系統(tǒng)的協(xié)同則根據(jù)各自的構(gòu)成要素及各要素間的關(guān)系開展數(shù)據(jù)管理工作等[5]。

4" "結(jié)束語

總之，數(shù)字時代的到來給智慧礦山的建設(shè)提供了新機遇，礦山企業(yè)應(yīng)結(jié)合高質(zhì)量發(fā)展主題進一步配置數(shù)字技術(shù)為其生產(chǎn)經(jīng)營賦能。結(jié)合上述分析可以看出，數(shù)字時代的智慧礦山內(nèi)容豐富、特征鮮明，先后經(jīng)歷了多個發(fā)展階段，當前雖然進入了高質(zhì)量發(fā)展階段，但是由于數(shù)據(jù)類型增多、數(shù)量快速增長，各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)同步采集、分類存儲、關(guān)聯(lián)提取、統(tǒng)一分析等問題日益突出，為了解決此類問題，一方面應(yīng)選擇適配性較高的私有云技術(shù)，另一方面應(yīng)結(jié)合實際業(yè)務(wù)采用“云+邊+端”的方案設(shè)計功能齊全的智慧礦山網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并在協(xié)同流程設(shè)置條件下，通過配置各項技術(shù)，建成集成化程度更高的智慧礦山，全面提升其全要素生產(chǎn)率。

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作者簡介：任艷艷（1991-），女，漢族，陜西神木人，中級工程師，本科，研究方向為煤礦智能化。