智能化礦山建設(shè)

趙金升　丁宇輝　 王鵬　劉偉

摘? ?要：智能化礦山建設(shè)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山資源領(lǐng)域的應(yīng)用，是指通過各類傳感設(shè)備、傳輸設(shè)備與控制設(shè)備，構(gòu)成礦山人與物、人與人、物與物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦山災(zāi)害環(huán)境、設(shè)備工作狀況、人員安全信息的實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)與控制;礦山復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、環(huán)境、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施等信息的智能采集;覆蓋全礦山的多網(wǎng)融合通信、集中調(diào)度;煤炭生產(chǎn)全過程的全面感知和動(dòng)態(tài)協(xié)同控制、故障自診斷;煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)云服務(wù)、災(zāi)變環(huán)境應(yīng)急通信及人員精確定位等。提升礦井智能化水平。

關(guān)鍵詞：智能化? 智能感知? 物聯(lián)網(wǎng)? 智能終端? 集成控制

中圖分類號(hào)：TD67? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（a）-0055-02

礦山自動(dòng)化先后經(jīng)歷了單機(jī)自動(dòng)化、綜合自動(dòng)化和礦井智能化3個(gè)階段。目前礦井智能化技術(shù)在礦山的研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了大量的成果，但是國內(nèi)外關(guān)于智能化礦井還是沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，很多概念與智能化礦井相混淆，在國內(nèi)，使用較多的概念有數(shù)字礦山、感知礦山、智能礦山、智慧礦山、礦山物聯(lián)網(wǎng)等。

1? ?系統(tǒng)研究背景及意義

國務(wù)院公布《中國制造2025》，其中明確提出了：組織開發(fā)智能控制系統(tǒng)、工業(yè)應(yīng)用軟件、故障診斷軟件和相關(guān)工具、傳感和通信系統(tǒng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備與產(chǎn)品的實(shí)時(shí)聯(lián)通、精確識(shí)別、有效交互與智能控制。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)礦山“人、機(jī)、環(huán)”數(shù)據(jù)智能化精準(zhǔn)采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成;建立統(tǒng)一的集成控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程一體化智能控制、經(jīng)營全流程一體化協(xié)同管理;建設(shè)基于大數(shù)據(jù)中心的安全生產(chǎn)信息云服務(wù)系統(tǒng);實(shí)現(xiàn)煤炭無人（少人）開采與災(zāi)害防控一體化的智能化采礦;實(shí)現(xiàn)原煤運(yùn)輸、供電、排水、通風(fēng)、壓風(fēng)等環(huán)節(jié)遠(yuǎn)程智能控制、無人值守。最終將煤礦建設(shè)為安全、高效、智能、綠色的世界一流煤礦。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能化礦井建設(shè)主要內(nèi)容包括：基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)建設(shè)、經(jīng)營管理系統(tǒng)建設(shè)、安全智能決策系統(tǒng)建設(shè)。

一個(gè)平臺(tái)：統(tǒng)一的智能集成控制平臺(tái)。

一個(gè)系統(tǒng)：煤礦大數(shù)據(jù)及云服務(wù)系統(tǒng)。

三個(gè)網(wǎng)絡(luò)：企業(yè)管理網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)（控制網(wǎng)、視頻網(wǎng)、安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)）、通信聯(lián)絡(luò)網(wǎng)（程控調(diào)度通信、移動(dòng)通信、擴(kuò)播通信）。

五個(gè)中心：數(shù)據(jù)匯集中心、調(diào)度指揮中心、智能控制中心、安全監(jiān)測(cè)中心、生產(chǎn)運(yùn)營管理中心。

2.1 設(shè)計(jì)思路

近年來，各大型煤礦均開展了數(shù)字化、智能礦山的建設(shè)，取得了諸多成果，同時(shí)也出現(xiàn)許多問題，通過充分的調(diào)研，總結(jié)目前礦井智能化建設(shè)存在以下的問題：

（1）信息化體系的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不健全，智能化礦井建設(shè)各自為政、摸索建設(shè)，造成智能化礦井建設(shè)五花八門，阻礙了智能化礦井的發(fā)展。

（2）眾多信息化服務(wù)企業(yè)也沒有標(biāo)準(zhǔn)，自行研發(fā)，子系統(tǒng)接口協(xié)議各式各樣，互相不兼容，數(shù)據(jù)不能共享。

（3）實(shí)現(xiàn)智能化的傳感技術(shù)穩(wěn)定性、精確度仍欠缺，不實(shí)時(shí)，直接影響到礦井智能化系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。

（4）新技術(shù)應(yīng)用如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，在礦井智能化建設(shè)還沒未真正發(fā)揮有效作用。

（5）礦井智能化設(shè)計(jì)的管、控與企業(yè)管理模式不匹配，無法實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合。

（6）綜合自動(dòng)化平臺(tái)搭建不合理，無法在智能化框架下完成專業(yè)調(diào)度與綜合調(diào)度相互融合與銜接。

（7）系統(tǒng)融合、數(shù)據(jù)共享深度不夠，需供、產(chǎn)、銷及開發(fā)設(shè)備單位共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)順暢交互，為礦井整體智能化軟件開發(fā)提供條件。

2.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能化礦井總體架構(gòu)依托于礦山物聯(lián)網(wǎng)三層體系，通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)、統(tǒng)一的業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)和統(tǒng)一管控應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能感知、協(xié)同通信、智能控制與大數(shù)據(jù)決策支持。

智能感知層：各類智能傳感器和智能分站等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備、環(huán)境智能化感知、可視化監(jiān)控、精準(zhǔn)定位。

傳輸層：融合井上下千兆/萬兆工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、礦山4G/WIFI網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)井上下多數(shù)據(jù)的傳輸調(diào)用，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、互聯(lián)互通。

數(shù)據(jù)共享層： 建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)各類異構(gòu)數(shù)據(jù)的高度共享。

智能管控層：建立礦山生產(chǎn)過程控制平臺(tái)和礦山生產(chǎn)技術(shù)管理平臺(tái)。利用先進(jìn)的智能控制算法及智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山應(yīng)用設(shè)備和感知層應(yīng)用終端的自動(dòng)化、智能化控制。

應(yīng)用與分析層：實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用與智能分析、專家決策及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等。

2.3 建設(shè)路線

智能化礦井建設(shè)路線如下圖所示：包括：基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)建設(shè)、經(jīng)營管理系統(tǒng)建設(shè)、安全智能決策系統(tǒng)建設(shè)等。

2.3.1 設(shè)備層

（1）安全生產(chǎn)井上下動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線信息的采集。這里主要包括生產(chǎn)環(huán)境在線檢測(cè)系統(tǒng)、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、其他生產(chǎn)指揮信息采集系統(tǒng)。

（2）生產(chǎn)技術(shù)和運(yùn)營管理數(shù)據(jù)的采集。主要包括非實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如鉆孔、地震、機(jī)電設(shè)備、通風(fēng)阻力測(cè)定等;運(yùn)營管理的數(shù)據(jù)，如財(cái)務(wù)管理、運(yùn)銷管理、人力資源管理等。

（3）執(zhí)行控制層或管理決策層信息。通過管理決策層的分析、處理，其結(jié)果通過控制層、傳輸層達(dá)到執(zhí)行層，完成對(duì)設(shè)備的控制、礦體的空間形態(tài)和屬性的動(dòng)態(tài)修正。

2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層采用以太網(wǎng)技術(shù)，由工業(yè)環(huán)網(wǎng)與信息網(wǎng)組成，采用網(wǎng)閘加防火墻技術(shù)進(jìn)行安全隔離。整個(gè)礦井采用有線和無線結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

2.3.3 運(yùn)營管控層

運(yùn)營管控層包括控制、調(diào)度、決策三大中心：

（1）控制中心由采掘工作面、主煤流運(yùn)輸、生產(chǎn)輔助等分控中心組成;

（2）調(diào)度中心由動(dòng)目標(biāo)運(yùn)維、調(diào)度通信等模塊組成;

（3）決策中心由區(qū)域環(huán)境作業(yè)評(píng)估、生產(chǎn)效能評(píng)估、危險(xiǎn)源風(fēng)控管理、通風(fēng)解算、火災(zāi)模擬分析、管網(wǎng)決策分析、礦井地質(zhì)分析、供電網(wǎng)絡(luò)分析、大型設(shè)備故障診斷、透水淹沒分析等模塊組成。

2.3.4 經(jīng)營管理層

經(jīng)營管理層包括供電設(shè)計(jì)、采礦設(shè)計(jì)、設(shè)備管理、地測(cè)管理、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)銜接等系統(tǒng)。

2.3.5 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心包括統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘、災(zāi)備處理等。

2.3.6 二維及三維可視化展示

二維及三維可視化展示包括三維建模、三維漫游、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息查詢等。

3? 應(yīng)用效果

平臺(tái)實(shí)施后，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位管理系統(tǒng)等礦井所有的設(shè)備、環(huán)境、人員等各類異構(gòu)系統(tǒng)的全面集成;同時(shí)應(yīng)該具體集成通訊、廣播、視頻等多媒體系統(tǒng)的能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻的一體化監(jiān)控、調(diào)度、管理應(yīng)用。

4? 效益分析

智能化礦山建設(shè)是在數(shù)字礦井建設(shè)的整體框架下，采用國內(nèi)一流和世界先進(jìn)的技術(shù)和裝備，建成一個(gè)能用、實(shí)用、管用、高效運(yùn)行的智能化礦井，實(shí)現(xiàn)礦井“管、控、營”一體化，實(shí)現(xiàn)礦井安全可靠化、管理高效化、成本最小化、效益最大化。為煤礦安全、高效、智能生產(chǎn)具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5? 結(jié)語

智能化礦山是礦山物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)，通過引入智能傳感器、礦山融合通信、多系統(tǒng)協(xié)同控制、故障診斷與智能決策、基于云服務(wù)的大數(shù)據(jù)處理、災(zāi)變環(huán)境智能機(jī)器人和無人機(jī)偵測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、環(huán)境、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施等信息的智能采集;覆蓋全礦山的多網(wǎng)融合通信、集中調(diào)度;煤炭生產(chǎn)全過程的全面感知和動(dòng)態(tài)協(xié)同控制、故障自診斷;煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)云服務(wù)、災(zāi)變環(huán)境應(yīng)急通信及人員精確定位等。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉丹.智能礦山的研究與開發(fā)[J].國外金屬礦山，1994（11）：86-88.

[2] 張寶明.建設(shè)智能化礦山，促進(jìn)煤炭工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展[J].中國煤炭工業(yè)，2019（1）：9.

[3] 中國恩菲技術(shù)專家到德銅開展智能化礦山建設(shè)調(diào)研[J].有色設(shè)備，2018（3）：62.