平煤神馬集團智能礦山建設的研究與示范

劉素華　郭坤閃

【摘 要】以數字礦山為基礎，利用物聯網、大數據、智能決策等技術手段，不斷深化和延伸智能礦山的內涵，打造“安全、高效、智能、綠色”礦山，提高礦山企業(yè)核心競爭力。

【關鍵詞】數字礦山;智能決策;云計算;物聯網;大數據

中圖分類號： TD672 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）29-0200-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.094

Research and Demonstration on Intelligent Mine Construction in Pingcheng Coal Group

LIU Su-hua GUO Kun-shan

（Henan zhongping automation co.， LTD.， Pingdingshan Henan 467000， China）

【Abstract】Based on digital mines， we will use technology such as the Internet of Things， big data， and intelligent decision-making to continuously deepen and extend the connotation of smart mines， build mines that are “safe， efficient， intelligent， and green”， and improve the core competitiveness of mining enterprises.

【Key words】Digital mines; Intelligent decision-making; Cloud computing; Internet of Things; Big data

0 引言

智能礦山是以互聯網和物聯網為基礎的現代礦山建設的總稱，通過智能信息技術的應用，實現三維全面信息集成和響應能力，使煤礦具有人類般的思考、反應和行動能力，主動感知、分析、并快速做出正確處理的礦山模式。[1]

當前我國在煤礦機械裝備自動化程度較低，同時礦業(yè)專用軟件方面發(fā)展速度與質量不高，降低了礦山辦公的效率與可靠性，制約了煤礦信息化的進程。針對我國煤礦產資源的特點和企業(yè)的實際需求，建立擁有具有自主知識產權的功能先進的智能礦山示范系統(tǒng)是面臨的重要任務。

1 智能礦山發(fā)展現狀

1.1 國外狀況

國外從上世紀90年代開始研發(fā)煤礦自動化智能化技術。有限無人化開采是智能化開采的中高級階段。在這個階段，尤其要對工作面煤層地質條件進行高精度探測，構造數字模型，基于這一模型進行程序化的智能化開采;實時監(jiān)測煤層地質條件變化，對開采行為提前預判和修正;通過高效率的機器學習算法使綜采系統(tǒng)裝備擁有自主學習能力，通過訓練使其獲得解決問題的能力，提高智能化水平與開采效率等。國外發(fā)達國家礦山計算機應用不僅時間早，而且已經開發(fā)出一些功能比較成熟的商業(yè)化系統(tǒng)。

1.2 國內發(fā)展現狀

國內煤企對于生產工藝這塊也在不斷摸索中前行，神華集團錦界礦、陜煤化黃陵二號井等煤礦已成功實現遠程控制技術，有些煤礦已實現無人開采。[2]河鋼集團礦業(yè)公司將智能礦山工作分為數字化建模、自動化控制、信息化管理三個部分，在采礦、選礦礦山信息化管控平臺建設以及智能礦山物聯網建設方面已取得相應進展;鞍鋼礦業(yè)開展的“礦山智能工廠研究與應用”建設。我國煤炭行業(yè)發(fā)展整體水平正處于從量變到質變的躍升期，進入行業(yè)轉型升級發(fā)展的關鍵時期?？偟膩碚f，既有豐碩的成果，也有現實的問題。存在主要問題如下：

1.2.1 對高科技的應用主要是拿來主義，缺乏技術攻關的整體規(guī)劃

國內煤礦行業(yè)的高新技術應用通常比其他行業(yè)晚5～10年，新技術的應用主要是引入其他行業(yè)的現有技術，缺乏針對煤礦專業(yè)特點的整體規(guī)劃和實質性突破。[3]

1.2.2 人員技術水平有待提升造成資源利用不充分

重視對硬件的投入 ，軟件方面只是數據的采集及堆砌。雖然相關硬件系統(tǒng)也有軟件模塊，但主要是對數據的采集、傳輸和簡單的分析或閾值報警，與水、火、瓦斯、頂板等危險源專業(yè)防治技術人員的結合不緊密。

智能礦山建設涉及很多知識學科，技術人員只對本專業(yè)知識掌握較好，礦山知識不全面，造成研發(fā)的系統(tǒng)實用性利用大大降低。

1.2.3 重事務處理，輕決策支持

目前，國內煤礦日常工作仍然側重基礎數據，未建立決策支持模型和系統(tǒng)，不能實現對未知安全隱患、生產風險的預測預警和智能分析決策。

1.2.4 缺乏數字化的高精度傳感設備

國內大多數監(jiān)測系統(tǒng)數據采集在線功能弱，巡檢周期一般在10-30秒之間，缺乏系統(tǒng)性和合理的空間結構性，不能全面及時反映煤礦的最新動態(tài)變化;采集數據的傳感器精度較低，絕大多數傳感器未實現數字化傳輸，傳輸穩(wěn)定性差，使用壽命短。[4]

1.2.5 缺乏與現代化相適應的企業(yè)管理制度，缺乏管理模式的創(chuàng)新

目前煤炭企業(yè)的管理模式無法適應信息化管理的需求，不能充分發(fā)揮信息技術快速、準確、實時的優(yōu)點。

1.2.6 管理平臺不統(tǒng)一

各大礦業(yè)集團和煤礦企業(yè)的網絡基本建成并聯通，各業(yè)務系統(tǒng)也相繼建設，部分礦業(yè)集團實現了縱向業(yè)務打通，但是橫向部門間的業(yè)務流轉極少，而且橫向部門之間的管理系統(tǒng)沒有實現統(tǒng)一，更沒有實現業(yè)務協(xié)同。

1.2.7 缺乏透明化礦山關鍵技術的攻關和工程建設的實踐

目前的系統(tǒng)主要是二維的，表現形式單一，而且與綜合自動化、在線檢測等系統(tǒng)的集合不緊密。更為關鍵的是現有的系統(tǒng)動態(tài)數據處理功能弱，無法適應煤礦動態(tài)生產的需求。

2 平煤神馬集團智能礦山建設規(guī)劃

2.1 建設背景

《中國制造2025》明確提出：加快推動新一代信息技術與制造技術融合發(fā)展，把智能制造作為兩化（信息化和工業(yè)化）深度融合的主攻方向;著力發(fā)展智能裝備和產品，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產、管理和服務的智能化水平。

2017年4月，河南省質量技術監(jiān)督局批準發(fā)布《智能煤礦建設規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》），自2017年7月起實施。《規(guī)范》的制定參考了《標準》。在全省煤炭行業(yè)，平煤神馬集團是智能礦山建設的標桿。

平煤神馬集團下發(fā)的《關于加強2018年安全生產工作的決定》指出，要牢固樹立“無人則安、少人則安”理念，以完善大系統(tǒng)、控制大風險、治理大隱患、防范大事故為切入點，堅持“多用裝備少用人，多用技術少用工”，實施機械化換人、自動化減人;強化工業(yè)化和信息化“兩化”融合，全力提升安全生產機械化、自動化、信息化、智能化水平，切實發(fā)揮科技在安全高效發(fā)展方面的支撐與保障作用，集團計劃在五年內建成5對智能礦山。

2.2 智能礦山關鍵技術

智能礦山就是礦山數據的實時獲取、數據集成和通信、智能化數據處理及面向需求的智能化服務。主要包括以下關鍵技術：

2.2.1 云網融合技術

云計算是一種用量付費使用互聯網提供動態(tài)易擴展且虛擬化資源的模式，其提供可用的、方便的、按需的訪問計算資源共享池（網絡，服務器，存儲，應用軟件，服務）。當前的云計算還是集中式中心化的云，不能適用于低延遲、帶寬等業(yè)務要求。需要向分布式去中心化的云發(fā)展。云網融合能力作為云應用發(fā)展的一個重要方向。云網融合，顧名思義是“云平臺+網絡”的模式，是一種全新的理念。借助SDN（Software Defined Network）的先天優(yōu)勢與數據中心的現實需求，是數據的計算、存儲、網絡等資源實現完全虛擬化，進而通過SDN把NFV（Network Function Virtualization）融入其中，再把防火墻、硬件設備的傳統(tǒng)功能轉化為軟件能力以滿足用戶個性化的網絡需求。[5]

2.2.2 大數據挖掘技術

智能礦山原始數據庫是指以測量（全球定位系統(tǒng)GPS、井下測量US等）、勘探（礦山工程、化探等）、傳感（礦山專用傳感與監(jiān)控設備結合等）和文檔錄入（檔案、統(tǒng)計數據等）綜合手段獲得的收據，以礦山用圖、統(tǒng)計表為輔助數據。挖掘的過程就是從信息到知識的轉換過程，這其中需要人機結合，而這一過程是礦山數據挖掘系統(tǒng)形成有價值的信息結構來實現的。

2.2.3 決策分析

智能決策支持系統(tǒng)，它是決策分析平臺的核心。主要應用于經營決策、設備選擇、安全監(jiān)測、預警預報、故障診斷等，其他應急救援等也有所發(fā)展。智能決策支持系統(tǒng)以產量指標、計劃執(zhí)行結果等參數為基礎，根據選擇的執(zhí)行策略自動生成相關計劃，并對計劃進行模擬的成本分析，以時間、經濟成本原則給出調整方案，融入專業(yè)化分工與服務共享模式，構建基礎數據標準和服務，從數據和服務兩個維度實現信息共享和實時更新，并提出了原煤生產各業(yè)務環(huán)節(jié)的數據銜接與自動匹配，實現了業(yè)務的數據傳遞和業(yè)務貫通，有效提升了生產效率和品質、調度水平，保障了工作面的安全生產。

2.3 基礎平臺

2.3.1 智能礦山“一網一站”建設

當前，煤礦多采用獨站、獨源、獨線纜的建設方式，浪費投資且無法滿足日益變化的生產和市場需求?！耙痪W一站”建設營運而生，所謂“一網” 即井下萬兆光纖環(huán)網，一網承載語音廣播系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)、工業(yè)自動化系統(tǒng)、監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)（工業(yè)電視）、調度指揮系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)八大業(yè)務系統(tǒng)?！耙徽尽奔匆惑w化綜合分站，一站集成4G無線通信、定位、語音廣播、IP電話、以及Wi-Fi五大業(yè)務分站。通過“一網一站”方案極大簡化了原有多套復雜的通信系統(tǒng)，提升運營效率，同時通過光纖環(huán)網提高了通信系統(tǒng)的可靠性，保障井下安全生產。目前部分煤礦已建立萬兆工業(yè)環(huán)網，實現“一網一站”簡化了多套系統(tǒng)負責的通訊問題。

2.3.2 智能傳感與集成化傳輸

基礎設施為生產管控系統(tǒng)提供底層數據的傳輸通道和集中處理中心，智能傳感與集成化傳輸成為關鍵。所謂智能傳感是一種帶有微處理器的兼有監(jiān)測、判斷與信息處理功能的傳感器，其最大的特點就是與微處理器的信息處理功能有機融合在一起，集成化傳輸來保證它的高精度，可靠性與穩(wěn)定性極高，自適應性強都帶來強有力的傳輸支持。這些技術的實現為智能礦山建設提供了強有力的技術保障和支撐。

2.3.3 大型設備在線監(jiān)測系統(tǒng)

建設面向煤礦大型設備的在線服務、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控、遠程維護等信息系統(tǒng)，它將計算機技術、網絡通訊技術和故障診斷技術融為一體，實現遠程故障診斷，節(jié)省了現場采集的人力成本資源的投入，同時方便快速的分析設備運行情況?？梢哉嬲龑崿F單機自動化與礦井信息化的高度融合，方便各級設備管理及故障診斷人員對設備的情況進行量化分析和判斷，實現了狀態(tài)監(jiān)測技術的在線與離線相結合的可能。[6]

2.3.4 礦山應急救援指揮系統(tǒng)

礦山應急指揮系統(tǒng)整合現有系統(tǒng)的基礎上，具備應急救援指揮和管理等功能，實現地理信息、救援綜合信息的發(fā)布和共享。在安全生產管理、應急突發(fā)事件處理中實現監(jiān)測防控、指揮調度和應急保障等功能。為煤礦企業(yè)安全生產和事故應急救援指揮提供管理平臺，將事故產生的危害和損失降到最低程度。系統(tǒng)建成后，可以使用此平臺進行每年一次的大型應急演練。

2.3.5 移動OA辦公系統(tǒng)

移動信息化系統(tǒng)緊跟時代步伐，將大平臺的重要信息展示在移動終端上，實現了真正意義上的隨時監(jiān)測、隨時調度。平臺實現移動化辦公功能，提高辦公高效性、決策高效性，避免了信息的失真、失時傳達。隨著移動互聯網的快速發(fā)展，應用的不斷升級，得到了廣大領導及職工的一致贊譽，應用效果良好。[7]

3 示范工程建設

3.1 集示范工程背景

集團智能礦山建設主要內容為引進六大理念、建設五大平臺，達到設施標準化、生產自動化、管理信息化、辦公移動化、決策智能化的目標。其中，六大理念為智能礦山、"兩網"融合、云計算、大數據、物聯網、移動信息化，五大平臺為基礎設施平臺、綜合自動化平臺、管理信息平臺、協(xié)同辦公平臺和智能決策平臺。截至目前，五大平臺中的前4個已初步建成，智能決策平臺仍待進一步完善。[8]

2016年1月，河南省智能礦山工程技術研究中心落戶平煤神馬集團，河南省智能礦山工程技術研究中心成立以來，依靠集團、中平信息公司的技術力量，聯合河南理工大學、河南城建學院、中國礦業(yè)大學等高校，就智能礦山建設開展了一系列研究，為集團智能礦山建設提供了智力支持。

2018年，平煤神馬集團建設智能礦山隊列中，增加了平煤八礦、平煤十二礦兩家試點單位，同時平煤一礦、平煤股份二礦、平煤四礦、平煤十一礦四家已啟動調研及論證工作。加上此前已經先試先行的平寶公司，集團已有7家單位邁進智能礦山建設通道。

3.2 示范工程實例

3.2.1 平寶公司建設案例

作為集團建設智能礦山的首家試點單位。自2007年起，該公司就開始了智能礦山建設的規(guī)劃工作，專門成立了信息化科。平寶公司通過幾年努力，已享受到智能礦山建設帶來的好處。

“一張圖”綜合管控平臺是該公司智能礦山建設的核心。是一個以數據為核心、各子系統(tǒng)相關聯的綜合管控平臺。"一張圖"綜合管控平臺建成后，即礦井三維立體圖、礦井地質和水文地質圖、巷道布置圖、井下避災路線圖等11種圖可以隨時調出，實現在"一張圖"上數據聯動、調度指揮、監(jiān)測監(jiān)控，為礦山設計、地測等部門設計、施工和應急救援等提供支持，為進一步提高勞動效率，實現礦山可持續(xù)開采、少人甚至無人開采奠定基礎。

為實現所有采掘頭面膠帶運輸機和局部通風機無人值守和遠程控制，目前，該公司正在加速建設礦井自動化補充項目，屆時井下12個采掘頭面減員近40人，不僅達到“機械化換人、自動化減人”目的，還可提高安全系數。智能礦山建成后，該公司預計能減少崗位人員106人，每年節(jié)約支出約588萬元。

3.2.2 平煤股份八礦建設案例

平煤股份八礦堅持走工業(yè)化和信息化融合之路，實現了“數據采集自動化、業(yè)務信息集成化、信息管理網絡化，管理決策科學化”，榮獲2012年度中國煤炭工業(yè)協(xié)會信息化先進單位稱號。2017年八礦對戊組大巷帶式輸送機、井下泵房、井下變電站、地面壓風機房等進行自動化改造后，相關設備全部實現無人值守，提高了生產效率和經濟效益。今年，該礦進一步加快智能礦山建設，計劃將己五采區(qū)集控平臺打造集團首個區(qū)域集控中心，建設井下無線網絡，對井下達到條件的變電所、水泵房、瓦斯抽采泵站和主運輸皮帶、局部通風機等進行自動化改造。目前集團煤礦單班入井人數全部控制在千人以內，今年還將在去年基礎上進一步壓減。

3.2.3 平煤股份十二礦建設案例

平煤股份十二礦是平煤股份公司高突礦井中首家由中國煤炭工業(yè)協(xié)會命名的行業(yè)特級雙高礦井，是平頂山百里礦區(qū)的"東方明珠"。其綜合自動化平臺已經集成了地面生產系統(tǒng)、主副井提升系統(tǒng)、井下皮帶系統(tǒng)等48個子系統(tǒng)，實現了數據的歷史查詢、報警查詢、事件查詢、網絡監(jiān)測、報警聯動，實現了調度室遠程監(jiān)測監(jiān)控。綜合自動化和管理信息化推進的程度相對較高。在基礎設施建設上，十二礦在平煤內部率先建設了高清視頻會議系統(tǒng)，井上下建設了千兆環(huán)網，工業(yè)電視系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)。

該礦堅持以裝備提升促進安全發(fā)展，特別是近年來先后投入大量資金提高機械化程度，使全礦機械化程度達到100%，大幅降低了職工的勞動強度，同時狠抓安全生產標準化工作。該礦通過優(yōu)化通風系統(tǒng)，積極改善通風條件，使大巷溫度常年保持在20攝氏度左右;進一步完善井下載人系統(tǒng)，安裝了總長度近3000米的架空乘人裝置，并使用無極繩牽引人車，降低了職工的勞動強度。

4 結語

智能化是礦業(yè)技術發(fā)展的高級階段，只有實現智能化才能根本上提高煤礦生產效率和安全水平，作為煤礦人，數字化、智能化已成為現代礦山建設的終極目標。平煤神馬集團在國內同行業(yè)已率先啟動，有責任有義務做好示范與引領作用。

【參考文獻】

[1]吳立新，汪云甲，丁恩杰，朱旺喜，張瑞新，張申，王植.三論數字礦山-借力物聯網保障礦山安全與智能采礦[J].煤炭學報，2012，03：289-332.

[2]路試翔.基于AutoCAD的礦山三維地測地理信息系統(tǒng)的技術方案與實現[J].科技風.2013.

[3]陳建宏，周科平，古德生.新世紀采礦CAD技術的發(fā)展：可視化集成化和智能化[J].科技導報，2004，12：33-38.

[4]邵登陸，岳宗紅.基于GIS的煤礦災害應急救援管理信息系統(tǒng)研究[J].金屬礦山，2008.

[5]鄔長城.安全管理體系質量評估方法研究[D];中國礦業(yè)大學（北京）;2012.

[6]汪明.數據挖掘綜述[J].河北軟件職業(yè)技術學院學報;2012.01.

[7]毛善君，劉橋喜，馬藹乃等.數字煤礦框架體系及其應用研究[J].地理與地理信息科學，2003.

[8]別新峰，冉宏振.煤礦應急救援系統(tǒng)存在問題及其對策[J].中州煤炭，2007.