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智慧矿山建设架构体系及其关键技术探究

发布时间:2018-10-19 点击量:1950次

作者:陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪二号井,田骞 来源:


摘要:本文阐述了智慧矿山的概念和特点,构建了智慧矿山架构体系,在此基础上探索了构建智慧矿山的关键技术,开展“智慧矿山”的研究,可以更好地实现煤矿信息网络化管理与实时监督管理。

关键词:智慧矿山;建设;架构体系;关键技术

随着煤炭行业的发展,通过信息化手段为煤矿企业提供生产、物资设备,安全生产、管理经营等方面的辅助与支撑,成为矿业集团、煤矿企业所关注的重点,经过多年的信息化建设与投人,目前煤炭企业在生产自动化、管理应用的信息化方面已基本完成,完善了信息化的基础工作,随着业务的发展和信息化的逐渐完善,对于安全生产、安全监测等方面的信息化需求逐渐扩大,并取得了阶段性的成果,基本具备了“智慧矿山”的建设基础,但信息化建设主要集中在业务建设层面,在整个信息化过程中还面临一些问题与不足,急需通过先进的信息化技术手段构建数据标准体系,实现生产管理、设备、自动生产、空间地理等信息的整合、共享与交互,全面地展现煤矿生产、安全、物资、设备等全方位信息,进而为科学、及时的生产经营决策提供依据。

1 智慧矿山的概念和特点

智慧矿山的内涵包括基础理论、各种技术、系统功能的界定,因研究对象和目的不同而有所差别,尚无广泛共识,缺少精确性。国内众多学者和机构从不同角度对数字矿山、感知矿山、智慧矿山建设的关键技术和建设方案提出了各自的看法及思路。

从空间信息技术的角度来看,智慧矿山就是矿山数据的实时获取、普适的数据通信和集成、智能化数据处理及面向需求的智能化服务。具体是指采用遥感技术和全球定位系统对矿山进行测量和监测,获得实时数据,通过物联网进行数据通信,在虚拟的数据中心进行数据处理和集成,并采用专业模型进行数据分析、挖掘和预测,最终实现面向行业应用的智能化服务。智慧矿山的核心是数据处理,载体是物联网,关键是智能化,目标是服务,即实现以最便捷的方式给最需要的人提供最需要的服务。

从矿山角度来看,“智慧”是指智能的信息获取、智能的生产运营、智能的决策管理3个方面,而“智慧”的体现是这些方面以协同的方式相互连接、相互促进、相互保障,从而有效地提高矿山企业生产经营效率及生产管理水平。

从概念内涵上看,数字矿山的核心是对真实矿山及其相关现象的统一认识和模拟再现,而智慧矿山更强调在数字矿山基础上的智能化服务。

从技术角度看,数字矿山所涉及的技术多是空间信息技术,而智慧矿山是网络技术和空间信息技术的融合。智慧矿山以物联网、云计算、3G等信息技术为基础,通过各种传感器实现对真实矿山数字化、网络化、模型化、可视化和智能化管理,即将矿山工程地质、矿山开采、矿山安全预警、产品运输与销售、矿山生态等综合信息全面实现智能化管理,将现代智能采矿技术与传感器网络技术、空间信息技术、现代控制技术等紧密结合,构成人与人、人与矿山、矿山与矿山相联的矿山网络,管理者能实时动态地控制矿山安全生产与运营的全过程,保证矿山的生态稳定和经济可持续增长。

智慧矿山应该具有以下特点:具有功能齐全的各类传感器;具有高速的网络系统;具有功能齐全的数据库系统;具有工程三维模拟仿真、计算机分析、制图平台;具有多功能数据挖掘工具;具有功能齐全的数据采集、数据转换系统;具有完整的数据标准与规范;具有矿山安全指挥调度和用户管理系统;具有全面的采矿设计与计划编制系统等。

2 智慧矿山架构体系

2.1 智慧矿山业务架构

智慧矿山业务架构是在统一的标准与规范及安全运维保障体系下,参照工业企业信息化集成系统规范标准,按分层设计模式,分为设备层、控制层、生产执行层、经营管理层与决策层 5 个层次

(1) 设备层

设备层主要负责现场信号实时采样与控制指令的执行,其主要由环境参数传感器、设备工况传感器、目标跟踪定位传感器、生产控制设备、通信联络设备、视频采集设备、便携式智能设备等构成。

(2) 控制层

基于“工业以太环网 + 现场总线+ 无线”技术和大型组态软件结合定制开发模式,利用 OPCUA驱动、数据库、平面文件、PLC 等多种软硬件接口,构建统一、稳定、高效的全矿井集控平台与一体化通信网络,实现对矿山环境参数、设备工况、生产流程的集中监视和协同控制。

(3) 生产执行层

在统一的时间与空间框架下,以安全生产为主线,用户为中心,采用面向服务架构(SOA),基于企业服务总线(ESB),对安全生产数据、业务功能、工作流程、界面进行有效融合无缝集成。该服务基于组件模式开发,可灵活扩展,业务功能涵盖安全、生产、调度、机电与设计多个环节。

(4) 经营管理层

该层主要以精细化管理为核心目标,建设企业资源计划(ERP)、客户关系管理(CRM) 、供应商关系管理(SRM)、办公自动化 (OA)、绩效管理 (PM) 等系统建立,打通与生产执行层数据实时交互,构建从生产需求预测、生产任务分解、生产组织执行到结果反馈、量化分析的精细化经营管理系统。

(5) 决策层

支持以矿山各类结构化、半结构化、非结构化数据为基础,通过高效数据预处理技术解决信息元间存在的相互影响、相互印证、语义矛盾、冗余问题,综合利用数据仓库和大数据技术,实现信息多维在线分析、挖掘和可视化表达,为安全、生产、经营提供服务。

2.2 智慧矿山技术架构

智慧矿山整体技术架构可以分为设备层、传输层、服务层与应用层。智慧矿山基于一套标准体系与业务流程规范、构建一张全面感知网络、建设一条高速数据传输通道、形成一个大数据应用中心、研制一个业务云服务平台,面向不同业务部门实现按需服务,相关信息基于“一套指标、一张图、一张表”在 DLP 大屏、PC 端、智能终端、井下设备等多种不同终端同步多维形象展示。

2.2.1应用层

在统一时空框架下,以用户为中心,遵循安全生产与经营管理业务线,采用面向服务架构,基于企业服务总线,围绕监测实时化、控制自动化、管理信息化、业务流程化、知识模型化、决策智能化等目标进行相应业务应用设计。应用层由全矿井智能监控系统、安全生产执行系统、企业经营管理系统、智能分析决策系统、企业应用门户系统和三维透明矿山系统组成。

(1) 全矿井智能监控系统是以“安全监控实时化,过程控制自动化”为目标,构建全矿井统一、稳定、高效的集控平台。以原煤生产为主线,对“采、掘、机、运、通、洗”等主要安全生产环节实现多要素全流程集中、协同、优化控制与智能运行,主要功能包括安全监测、目标定位、融合通信、生产过程自动控制等。

(2) 安全生产执行系统是以安全生产为主线,以用户为中心,采用面向服务架构,基于企业服务总线,对安全生产数据、工作流程、业务功能与交互界面进行有效集成与融合。服务集基于组件模式开发,可灵活扩展,业务功能涵盖设计管理、安全管理、生产调度、资产管理、智能物流、能源管理、环保健康、应急指挥与运维保障等多个环节。基于信息融合与移动互联技术,对生产计划、生产执行、生产过程控制等多个环节信息进行有效整合,主要承担生产组织、任务排程、动态调度、实时反馈和量化分析等任务。

(3) 企业经营管理系统围绕需求预测、合同管理、客户关系管理、供应链管理、生产计划制定、外销管理、成本分析、绩效分析等工作,达到运营精细化管理的目的。

(4) 智能分析决策支持系统以结构化、半结构、化和非结构化矿山数据为基础,通过高效数据预处理技术解决信息元之间存在的相互影响、相互印证、语义矛盾、数据冗余等问题,综合利用数据仓库和大数据技术,实现信息多维度在线分析、挖掘和可视化表达,为安全、生产、经营提供辅助决策。

(5) 企业应用门户系统是访问企业各种信息资源的入口,基于角色的内容组织,最终实现用户个性化服务。系统提供个人门户、部门门户、高层领导门户等不同模式,并可根据模板自定义门户内容。

(6) 透明矿山系统。在时空维度下,以矿井煤层、岩层、构造、巷道、硐室、设备等信息为基础,在四维场景下对矿井信息进行真实、客观、准确表达,利用虚拟现实技术可对设备进行远程操控,通过专业模型与空间分析算法,为全矿井工程技术设计、地质专业分析、采煤优化分析等提供共享的空间数据服务,实现全矿井“以图管量、以图管矿、以图防灾”。

2.2.2 服务层

服务层主要由基础设施建设、数据中心服务和云应用服务构成。以云计算平台相关技术为依托,建设智慧矿山云服务基础设施平台,包括云计算平台、管理节点、计算节点、存储节点、网络交换机和数据传输服务器等硬件设备和管理服务系统。数据中心服务是在云计算平台基础之上实现全矿井数据资源的管理与维护的,具备海量数据存储与分析等基础服务功能。云应用服务提供诸如包括单点登录、工作流、企业服务总线、元数据管理、主数据管理等智慧矿山应用层共享服务功能。

2.2.3 传输层

采用骨干网络与分支网络相结合的方式,设计组建智慧矿山传输层网络平台,实现海量数据实时、可靠的高速传输。采用光纤通信技术、万兆交换技术,通过井下光纤和万兆交换机,构建万兆传输骨干网平台。基于TCP / IP 协议形成井上井下长距离、高带宽、高可靠地数据、语音及视频等多媒体传输通道,传输平台具有网络冗余、网络管理和网络自愈等功能。

采用 Wi-Fi 宽带无线通信技术,通过矿用通信类区域协同控制器,实现井下巷道内无线覆盖,便于移动设备互联互通,大容量数据传输。采用 CAN总线技术,通过区域控制器,实现现场传感/执行设备间的快速数据交互,保证信息的有效性和实时性。采用低功耗无线 mesh 技术,部署低功耗无线mesh 网络,实现井下局部区域内传感设备快速自组网和数据传输。

2.2.4 设备层

设备层主要负责现场信号实时采样与控制指令的执行,主要由环境参数传感器、设备工况传感器、目标跟踪定位传感器、生产控制设备、通信联络设备、便携式智能设备、摄像头等构成,可实现对矿山作业环境、设备运转等参数的全面感知以及设备与设备、设备与人之间的交互感知。

3 智慧矿山建设涉及的关键技术

当今世界科技的飞速发展为智慧矿山建设提供了强大的技术保障。根据前述智慧矿山建设的架构体系,在煤炭行业智慧矿山建设过程中将会涉及的一些关键技术如下:

1) 空间信息技术。

在其他行业,以地理信息系统、定位、遥感技术为核心的空间信息技术,为快速实时获取“天空地一体化”的空间信息提供了有力的保障,矿山行业可以借鉴相关技术,并结合矿井办公自动化和调度指挥系统,实现矿山安全生产过程中数据的精准实时采集、融合分析、快速处理;形成统一的矿山信息管理机制、直观的三维可视化展现平台。

2) 智慧采煤技术。

我国煤炭行业,通过多年大力推行机械化、自动化装备,综采工作面装备目前已基本实现自动控制,其中有些甚至实现了智能化,但大部分装备依然处于单机自动化控制阶段,智能采煤成套装备与技术还有待研究,相关研究内容包括煤岩界面智能识别技术、采煤机记忆割煤技术、设备感知及地面远程控制技术、惯性导航控制技术、工作面视频监控系统、一键启停及保护系统、电液控制自动跟机系统、输送机控制系统、地理信息及煤层跟踪系统。

3) 矿山真三维地质模型与集成应用技术。

随着矿井巷道的不断向前延伸,只有利用真三维地质模型对巷道设计、钻探、物探解释与实际测量等数据进行过滤与集成,并通过实时动态修正,才能实现井下最新真实状态的可视化再现。

4) 先进的矿用传感器技术。

井下恶劣的环境条件致使矿用的传感器普遍精度偏低、工作寿命偏短,为满足矿山企业对在线实时监测数据的强制性需求,有必要研发精度和工作寿命更好的矿用传感器。

5) 自动控制技术。

矿山开采属于高危行业,减少井下作业人员的数量是有效遏制事故发生的重要手段之一,而广泛使用自动控制技术的装备是实现减人的有效途径。当前,对于煤矿生产运行的主要环节,已成功开发了包括采掘、供电、排水、运输、压风等多种自动控制装备系统,实现了记忆割煤、工作面少人作业、部分区域与设备的无人值守和地面远程控制。当然,还有待继续研制更多自动化控制的装备,以期实现无人开采。

6) 矿山数据仓库技术。

矿山的安全、生产、经营管理等方面都会产生海量的数据,为便于数据的存储、更新、发布、检索、跨平台或系统的顺畅交互,必须对矿山数据分类组织、分类编码、元数据进行规范化和标准化,并构建完善的矿山信息数据资源目录,形成统一的数据仓库技术。

7) 数据通信技术。

通过研究制定便于矿山多网、多系统融合的通用通信协议; 规范数据传输格式,使不同厂商的设备与系统能实现无缝互换,逐渐淘汰落后技术与装备,遴选出先进技术与装备,从而保障数据获取的准确性与可靠性。煤矿井下环境恶劣、电磁干扰严重、数据传输路线长、高速光纤网络无法实现无盲区覆盖,因此,基于多种介质的异构网络传输技术,特别是低速传输链路限制下的高效数据传输调度算法,是改善井下数据传输实时性的重要研究内容。

8) 组件式矿山软件

在矿山设计、生产运行、经营管理、安全管理与决策等各个运行环节,矿山企业管理和技术人员都需要功能适宜的应用软件来辅助进行工作。为满足不同的应用场景的多样性需求,有针对性地开发功能合理的组件式软件是大势所趋。

9) 虚拟现实技术

利用虚拟现实技术实现的多源信息融合、交互式的动态三维可视化场景和实体行为体验,在大量领域均取得了令人瞩目的应用成果。在矿山行业,目前已成功研制基于虚拟现实技术的安全培训系统、开采模拟系统、车辆运行模拟系统、灾害过程模拟系统、三维地震可视化分析系统、带式输送机远程监控系统等应用系统。

10) 云网融合技术

云网融合技术是一个将云计算与物联网进行融合的全新研究发展方向。通过物联网技术建立“人—人、人—物、物—物”互联的矿井传感网络、形成矿井信息高效获取与共享的合理机制; 再融合具有强大计算能力的云计算技术,以及结合各类组件式矿山软件,将为矿山管理和技术人员对海量信息数据进行处理和分析提供高效的应用工具。

11) 基于大数据的智能决策技术

针对矿山企业信息数据海量性的特点,利用大数据技术,并采用图像识别、模式识别、关联准则以及时空序列分析等方法,来进行数据挖掘和提取有用知识十分有必要。以此为基础,再通过搭建矿山智能决策承载平台与深度学习的知识库,并结合多专业融合的分析模块,方能为矿山提供有效的智能决策服务。

12) 人工智能技术

随着科学技术水平的不断提升,人工智能理论与技术的应用领域越来越广泛。在矿山地质勘查、设计、生产、分选、安全评估、安全监测、事故预警、装备智能控制与故障诊断等领域,人工智能技术已经有了初步探索,但尚处在按预设程序执行命令的阶段,因此,对系统自学习功能的研究还有待深入开展工作。完善的自学习功能将是真正实现智慧矿山的必要条件之一。

4 结语

智慧矿山是基于数字矿山、物联网和云计算而建立的现实矿山与数字矿山的融合,以实现对矿山的感知、控制和智能服务。智慧矿山为矿山信息化建设和矿山企业的发展提供各种智能化的服务,从而使矿山更加协调地发展。智慧矿山相关理论的研究、技术的突破、信息基础设施的建设,以及政府、相关管理部门和矿山企业的重视,有利于实现矿山安全生产,提高矿山企业生产效率,为智慧地球提供支持,并促使智慧矿山更快发展,从而走向绿色矿山、无人矿山。

 

作者简介:田骞(1979-),陕西周至人,2002年毕业于西安科技学院计算机应用与维护专业,2015年本科毕业于西安科技大学机械电子工程专业,现供职于陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪二号井通讯信息部,现在主要从事管理智慧化矿山方面工作。