智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)分析與平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-8073

作者簡(jiǎn)介：王京濤（1982—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榈V山電氣自動(dòng)化。

摘要：首先以智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用思路和場(chǎng)景為切入點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上分析智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)設(shè)計(jì)，包括基本設(shè)計(jì)模式、核心技術(shù)以及作業(yè)方法等，其次就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、智能技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行論述，最后結(jié)合BX煤礦某礦山實(shí)際情況進(jìn)行模擬分析，了解智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)建設(shè)優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)有關(guān)技術(shù)的具體運(yùn)用、優(yōu)化提供少許參考。

關(guān)鍵詞：智慧礦山 ?大數(shù)據(jù)技術(shù) ?平臺(tái)設(shè)計(jì) ?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD97

智慧礦山（Smart mines）是對(duì)生產(chǎn)、職業(yè)健康與安全、技術(shù)和后勤保障等進(jìn)行主動(dòng)感知、自動(dòng)分析、快速處理、智能管控的礦山，是一種現(xiàn)代化、綜合性作業(yè)系統(tǒng)，其建設(shè)能夠提升礦山工作的效率、質(zhì)量，是當(dāng)前、未來采礦業(yè)發(fā)展的核心要求和基本趨勢(shì)。從特點(diǎn)上看，智慧礦山建設(shè)關(guān)注各類新技術(shù)的運(yùn)用，包括大數(shù)據(jù)技術(shù)在內(nèi)[1]。目前各地已經(jīng)普遍重視礦山智慧化，并引入了一些現(xiàn)代技術(shù)和方法、設(shè)備，但效果各有不同，這與其對(duì)大數(shù)據(jù)的運(yùn)用、處理以及平臺(tái)建設(shè)存在一定關(guān)聯(lián)，從提升智慧礦山建設(shè)水平的角度出發(fā)，有必要分析智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用常見、平臺(tái)設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù)，以服務(wù)未來礦山建設(shè)工作。

1 智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)分析

1.1 ?智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用思路

從思路上看，智慧礦山建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過程中，大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用主要強(qiáng)調(diào)全面化、重點(diǎn)化、持續(xù)化3個(gè)方面。其中，全面化是指大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧礦山的各個(gè)方面均應(yīng)嘗試運(yùn)用，以發(fā)揮其價(jià)值，優(yōu)化礦山建設(shè)、運(yùn)營(yíng)水平，包括生產(chǎn)安全、工作效率、業(yè)務(wù)決策、設(shè)施采買和運(yùn)維、井下通風(fēng)和抑塵等。重點(diǎn)化相較于全面化，廣泛運(yùn)用大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取一些重點(diǎn)環(huán)節(jié)，深入發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，針對(duì)性改善智慧礦山的工作能力，如部分礦山生產(chǎn)效率不高，可通過大數(shù)據(jù)分析其生產(chǎn)效率低下的原因，以及可行的應(yīng)對(duì)方法，為礦山工作提供具有針對(duì)性的指導(dǎo)和幫助[2]。持續(xù)化是指智慧礦山建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等工作中，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用應(yīng)是持續(xù)的，能夠在礦山運(yùn)營(yíng)的全周期或大部分時(shí)間內(nèi)發(fā)揮積極作用。

1.2 ?智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧礦山中的應(yīng)用場(chǎng)景不是單一的，可按照其共性要求大致分為三類：基礎(chǔ)信息采集場(chǎng)景、信息處理場(chǎng)景、信息應(yīng)用場(chǎng)景。

基礎(chǔ)信息采集是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的前置性工作，從一般要求上看，智慧礦山強(qiáng)調(diào)應(yīng)用各類技術(shù)完成對(duì)礦山內(nèi)各類工作、各環(huán)節(jié)進(jìn)行主動(dòng)感知、自動(dòng)分析、快速處理、智能管控，上述工作均以實(shí)時(shí)產(chǎn)生的各類信息為參考。例如：安全工作，以井下、礦山周邊的客觀環(huán)境為依據(jù)，生產(chǎn)控制以鍋爐、設(shè)備的運(yùn)營(yíng)情況為基礎(chǔ)，這些信息均應(yīng)組織實(shí)時(shí)采集和分析[3]。信息處理場(chǎng)景，即大數(shù)據(jù)技術(shù)處理各類原始信息的場(chǎng)景，一般以計(jì)算機(jī)或其他智能工具、設(shè)備為平臺(tái)，利用默認(rèn)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、加工、挖掘其深層次價(jià)值，如安全生產(chǎn)的常見影響因素、安全事故的主要誘因等。信息應(yīng)用場(chǎng)景是指以大數(shù)據(jù)為中心，將該技術(shù)下的成果應(yīng)用于智慧礦山建設(shè)或運(yùn)營(yíng)，以發(fā)揮其價(jià)值的場(chǎng)景。例如：通過大數(shù)據(jù)建設(shè)安全工作系統(tǒng)，應(yīng)用于井下作業(yè)、生產(chǎn)控制、爆破計(jì)算等，其基本目的在于完成數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的具體轉(zhuǎn)化和運(yùn)用，以確保智慧礦山工作能力符合預(yù)期[4]。

2 ?智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，思路上關(guān)注邏輯清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練、工作能力符合礦山實(shí)際情況。在此思路下，其主要結(jié)構(gòu)可分為五個(gè)部分，如圖1所示。

按照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)，智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)主要由大數(shù)據(jù)工作中心、大數(shù)據(jù)采集端、大數(shù)據(jù)處理端、大數(shù)據(jù)應(yīng)用端和遠(yuǎn)程控制端構(gòu)成，其中智慧礦山大數(shù)據(jù)工作中心作為中心結(jié)構(gòu)，其功能為執(zhí)行遠(yuǎn)程指令、為大數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)用提供平臺(tái)。大數(shù)據(jù)采集端主要由各類終端設(shè)施構(gòu)成，包括傳感器、影像采集設(shè)備以及必要的通信結(jié)構(gòu)等。數(shù)據(jù)處理端以各類性能較理想的電子設(shè)備為中心，包括電子計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端等，要求根據(jù)默認(rèn)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理，包括挖掘和存儲(chǔ)等。數(shù)據(jù)應(yīng)用端為各類工作系統(tǒng)，如安全作業(yè)系統(tǒng)、生產(chǎn)效率分析系統(tǒng)等。遠(yuǎn)程控制端負(fù)責(zé)對(duì)大數(shù)據(jù)工作中心、大數(shù)據(jù)采集端、大數(shù)據(jù)處理端、大數(shù)據(jù)應(yīng)用端進(jìn)行程序控制，設(shè)定、更改、優(yōu)化各類工作程序，保證該系統(tǒng)可以按照預(yù)期要求完成大數(shù)據(jù)的一般管控、運(yùn)用。

2.2 ?核心技術(shù)

智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)建設(shè)需要依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)，除上述基礎(chǔ)技術(shù)外，其建設(shè)需要的核心技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、智能技術(shù)等。

2.2.1 ?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)即“物物相聯(lián)”的互聯(lián)網(wǎng)，其建設(shè)沒有脫離互聯(lián)網(wǎng)一般范圍，但更重視發(fā)揮現(xiàn)代技術(shù)的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各類關(guān)聯(lián)主體的聯(lián)動(dòng)化。該系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵在于選定關(guān)聯(lián)主體，提供高質(zhì)量的通信保證。各礦山在工作中可以根據(jù)大數(shù)據(jù)工作需要選擇有關(guān)主體，將其納入物聯(lián)網(wǎng)范圍，以有線通信、無(wú)線通信并行的方式提供通信支持，另以CAN總線技術(shù)提供輔助。

例如：礦山井下通風(fēng)作業(yè)，關(guān)聯(lián)主體包括四大類：一是通風(fēng)設(shè)備；二是能提供大數(shù)據(jù)服務(wù)的智能作業(yè)系統(tǒng)；三是工作人員；四是工作環(huán)境。要求在工作環(huán)境（也即通風(fēng)環(huán)境）內(nèi)放置感知設(shè)備，對(duì)通風(fēng)區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量、通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行收集，感知設(shè)備通過有線系統(tǒng)內(nèi)的通信線路與智能作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行連接，智能作業(yè)系統(tǒng)通過通信線路與通風(fēng)設(shè)備、工作人員進(jìn)行連接。工作人員利用大數(shù)據(jù)對(duì)智能作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行降維訓(xùn)練，使其擁有智能辨識(shí)和分析能力。當(dāng)井下通風(fēng)不暢、空氣質(zhì)量下降時(shí)，由感知設(shè)備進(jìn)行信息采集，通過智能作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行判斷，要求通風(fēng)設(shè)備更改參數(shù)、增加通風(fēng)能力，并提示工作人員進(jìn)行必要干預(yù)，應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的故障。該系統(tǒng)也可以采用無(wú)線通信形式提供輔助，如人員之間的中短距離對(duì)講等[5]。

2.2.2區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧礦山建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過程中的作用比較突出，尤其是規(guī)模較大、工作內(nèi)容較多的礦山，可利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)各部分工作內(nèi)容的獨(dú)立化，提升工作覆蓋效應(yīng)。具體而言，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用強(qiáng)調(diào)建設(shè)各自獨(dú)立的工作系統(tǒng)，并提供可以獨(dú)立工作的大數(shù)據(jù)工作平臺(tái)。

系統(tǒng)建設(shè)方面，主要強(qiáng)調(diào)配置性能較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)（或其他智能化終端），為保證大數(shù)據(jù)處理能力，計(jì)算機(jī)的虛擬內(nèi)存不宜低于32 GB，顯存不宜低于8 GB，磁盤空間或云存儲(chǔ)作業(yè)空間應(yīng)達(dá)到1 TB以上。為保證區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)揮預(yù)期的數(shù)據(jù)處理作用，還可以在條件允許的情況下在各終端建設(shè)小型計(jì)算機(jī)群，以改善大數(shù)據(jù)同步采集、同步處理的水平。大數(shù)據(jù)工作平臺(tái)建設(shè)方面，除按基本要求配置工作設(shè)備外，還應(yīng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)緩存、存儲(chǔ)、運(yùn)用能力。可建立原始數(shù)據(jù)臨時(shí)緩存系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)磁盤空間或云空間，對(duì)本日產(chǎn)生的各類原始信息進(jìn)行臨時(shí)緩存，次日一體清除[6]。本日產(chǎn)生的有價(jià)值信息，以大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行處理，形成便于應(yīng)用和存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)磁盤空間或云空間進(jìn)行獨(dú)立建庫(kù)保存，以備后用。區(qū)塊鏈模式下，所有單獨(dú)工作的數(shù)據(jù)處理中心，一體化與礦山大數(shù)據(jù)工作中心保持實(shí)時(shí)連接，后者可根據(jù)需要調(diào)取任何數(shù)據(jù)處理中心的工作信息，服務(wù)安全生產(chǎn)、效率調(diào)整等一般性工作。

2.2.3智能技術(shù)

智慧礦山建設(shè)過程中，可由技術(shù)人員進(jìn)行粉塵濃度有關(guān)信息采集，形成大數(shù)據(jù)結(jié)果，重點(diǎn)為“人員發(fā)現(xiàn)粉塵濃度的臨界值”?“爆炸隱患的粉塵濃度臨界值”等，數(shù)據(jù)采集越全面，其精準(zhǔn)性越高。以“人員發(fā)病粉塵濃度的臨界值”為例，完成采集和計(jì)算后，默認(rèn)該值為Z，則礦井實(shí)際工作中粉塵濃度往往圍繞Z上下波動(dòng)：

[…AW；8G；Z；6Y8；0H-；7B…]

該數(shù)集中，除Z以下，其他均為隨機(jī)參數(shù)，理論上下至0，上至100%。工作人員可以根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將Z值代入計(jì)算機(jī)中，該計(jì)算機(jī)接受礦山大數(shù)據(jù)工作中心控制，并直接參與礦山的抑塵系統(tǒng)工作。當(dāng)抑塵系統(tǒng)前端設(shè)施（信息采集設(shè)備）收集的信息表明工作區(qū)域內(nèi)粉塵濃度較低，處于數(shù)集中Z以下水平時(shí)，系統(tǒng)不作業(yè)，繼續(xù)進(jìn)行粉塵信息采集；當(dāng)抑塵系統(tǒng)前端設(shè)施收集的信息表明工作區(qū)域內(nèi)粉塵濃度較高，處于數(shù)集中Z水平或超過Z值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)投入作業(yè)、進(jìn)行區(qū)域抑塵，并繼續(xù)進(jìn)行粉塵信息采集。

3 智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)建設(shè)模擬

對(duì)BX煤礦某礦山進(jìn)行模擬，以了解智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并對(duì)上述設(shè)計(jì)思路和方法進(jìn)行論證。模擬采用參數(shù)代入法，在獲取BX煤礦某礦山一般工作數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、智能技術(shù)等以參數(shù)形式代入計(jì)算機(jī)模型中，通過動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行工作能力分析。主要有以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

3.1 ?常規(guī)實(shí)驗(yàn)

對(duì)煤礦礦井通風(fēng)情況、粉塵濃度、設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行模擬調(diào)整，但調(diào)整范圍不超過其允許值，即通風(fēng)情況、粉塵濃度、設(shè)備工作參數(shù)出現(xiàn)變動(dòng)但仍是安全的，不影響礦山一般工作，模擬進(jìn)行5min，以1∶50 000的速率進(jìn)行加速，各設(shè)定礦井通風(fēng)情況、粉塵濃度、設(shè)備工作參數(shù)出現(xiàn)100次變化，評(píng)估系統(tǒng)是否出現(xiàn)誤操作，統(tǒng)計(jì)誤操作發(fā)生率。

3.2 ?異常實(shí)驗(yàn)

對(duì)煤礦礦井通風(fēng)情況、粉塵濃度、設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行模擬調(diào)整，且調(diào)整范圍超過其允許值，即通風(fēng)情況、粉塵濃度、設(shè)備工作參數(shù)出現(xiàn)變動(dòng)且不是安全的，影響礦山一般工作，模擬進(jìn)行5?min，以1∶50?000的速率進(jìn)行加速，各設(shè)定礦井通風(fēng)情況、粉塵濃度、設(shè)備工作參數(shù)出現(xiàn)100次變化，評(píng)估系統(tǒng)針對(duì)故障的辨識(shí)能力，統(tǒng)計(jì)故障辨識(shí)率。

根據(jù)結(jié)果可知，第一組實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)2次誤操作，誤操作發(fā)生率0.6%，第二組完成296次故障辨識(shí)，故障辨識(shí)率98.7%，效果理想。這表明大數(shù)據(jù)技術(shù)可以改善智慧礦山建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)工作水平。

4 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，其應(yīng)用以高質(zhì)量的作業(yè)平臺(tái)為基礎(chǔ)，可以顯著改善礦山各項(xiàng)工作水平。從思路上看，大數(shù)據(jù)可以服務(wù)礦山安全工作、生產(chǎn)活動(dòng)，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境和作業(yè)質(zhì)量。其作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要以信息技術(shù)為中心，核心技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、智能技術(shù)等，作業(yè)過程中以實(shí)時(shí)感知、實(shí)時(shí)分析、默認(rèn)程序和必要的人工干預(yù)為主。根據(jù)對(duì)BX煤礦某礦山工作系統(tǒng)的模擬，可發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)以及其平臺(tái)設(shè)計(jì)可以優(yōu)化智慧礦山的工作水平，未來可在此思路下尋求智慧礦山設(shè)計(jì)、建設(shè)優(yōu)化，進(jìn)一步發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，改善礦山工作質(zhì)量。

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