基于大數(shù)據(jù)的煤礦生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)研究與應(yīng)用

張 慧 劉宏杰 魏志強(qiáng)

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司塔山煤礦，山西大同 037000)

0 引言

隨著信息時(shí)代數(shù)據(jù)量的劇增，深化煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)管理最為有效的方法之一是引入數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，取代經(jīng)驗(yàn)論，幫助決策者做出快速、準(zhǔn)確的決策。大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義不在于掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，而在于對(duì)這些含有意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處理。

現(xiàn)階段，信息技術(shù)已成為各行業(yè)快速發(fā)展的新動(dòng)力，如何將數(shù)據(jù)綜合關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)分析等新時(shí)代信息技術(shù)手段轉(zhuǎn)變?yōu)槊禾啃袠I(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的新引擎，是近幾年煤炭人一直探索努力的方向。在整個(gè)信息化建設(shè)過程中，首先需不斷梳理生產(chǎn)安全、調(diào)度指揮、經(jīng)營管理各主要環(huán)節(jié)流程，將信息技術(shù)植入其中，以點(diǎn)帶面、追求實(shí)效，通過解決實(shí)際問題，使信息技術(shù)手段逐步融入煤炭生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，從而在展現(xiàn)形式上和深層內(nèi)涵上實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革，最后實(shí)現(xiàn)技術(shù)與管理、變革與傳統(tǒng)、數(shù)據(jù)支撐與智慧決策的無縫對(duì)接。本文通過分析礦井生產(chǎn)調(diào)度指揮中心對(duì)于生產(chǎn)安全相關(guān)各類數(shù)據(jù)的篩選處理、直觀可視化展現(xiàn)等需求，在三維地理信息平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了滿足調(diào)度指揮工作實(shí)際需求的基于數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用的三維安全生產(chǎn)調(diào)度管理平臺(tái)。

1 安全生產(chǎn)三維調(diào)度管理平臺(tái)概況

塔山煤礦通過近兩年多的信息化建設(shè)，礦井總體信息化基礎(chǔ)平臺(tái)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已經(jīng)基本建立完畢，下一步將面臨的重點(diǎn)工作將是對(duì)建立起來的各系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行整合，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，通過數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)分析，將有用數(shù)據(jù)進(jìn)行整合利用，達(dá)到信息化輔助煤礦安全生產(chǎn)、高效綠色生產(chǎn)的目標(biāo)。

全息化數(shù)字化礦山管理平臺(tái)是一種全新的礦山信息化管理技術(shù)手段[1]，該平臺(tái)依托世界領(lǐng)先的3D-GIS技術(shù)[2]和虛擬仿真技術(shù)，通過構(gòu)建一體化的三維可視化平臺(tái)，將礦山地形地貌、地表設(shè)施、井巷工程、礦體圍巖等客觀空間構(gòu)造，在平臺(tái)系統(tǒng)中真實(shí)再現(xiàn)，同時(shí)將各類實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、人員信息、管理信息等植入系統(tǒng)，從而構(gòu)建成能真實(shí)反映企業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境和狀態(tài)的三維數(shù)字化礦山；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)不同層級(jí)、不同部門的業(yè)務(wù)需求，定制相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能，為企業(yè)運(yùn)營管理提供可視化的信息支持。

該平臺(tái)將平時(shí)調(diào)度指揮[3]工作相關(guān)的各系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效篩選和整合，并且實(shí)現(xiàn)以三維模擬場景為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為核心的礦井所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)可視化展現(xiàn)，如圖1所示：

圖1安全生產(chǎn)與調(diào)度監(jiān)視平臺(tái)

三維安全生產(chǎn)綜合調(diào)度管理平臺(tái)[4]，集成與礦井安全、生產(chǎn)相關(guān)生產(chǎn)運(yùn)輸、人員定位、視頻監(jiān)控、通風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控、瓦斯抽采、制氮、排水、壓風(fēng)及語音廣播等重要系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了有效數(shù)據(jù)篩選和管理模式的簡化，有效監(jiān)測管理礦井各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

隨著數(shù)字化礦山的發(fā)展[5]，塔山礦籌劃構(gòu)建礦山塔山礦生產(chǎn)調(diào)度信息系統(tǒng)綜合系統(tǒng)，即建設(shè)數(shù)據(jù)整合與承載平臺(tái)和多元應(yīng)用平臺(tái)。大數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合與承載平臺(tái)，能夠?qū)⒌V山的生產(chǎn)、安全、監(jiān)測等數(shù)據(jù)集中進(jìn)行管理、統(tǒng)計(jì)、分析；平臺(tái)還提供了接入服務(wù)，包括外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入和向外系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

2 創(chuàng)新的展現(xiàn)形式

（1）數(shù)據(jù)儀表盤模式。礦山智能儀表盤在分析中能夠很直觀地展示重要的數(shù)據(jù)，提供決策支持作用，它也被稱為管理者駕駛艙的重要組成部分，無論是管理決策者，還是企業(yè)業(yè)務(wù)流程中的普通員工，都可以利用它來展示聚合分析的結(jié)果，讓決策更加快速準(zhǔn)確，更快地推動(dòng)業(yè)務(wù)流程的進(jìn)展，提高工作效率，如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)儀表盤模式

（2）真三維場景模式。該系統(tǒng)的建設(shè)嚴(yán)格采用目前國內(nèi)外最為先進(jìn)的可視化三維構(gòu)建技術(shù)，建立集大范圍三維地景地貌、礦山企業(yè)地表生產(chǎn)設(shè)施、三維地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存模型、井巷工程真實(shí)三維場景、所有管線設(shè)備真實(shí)位置和形貌等全要素一體化顯示系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各類實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的三維呈現(xiàn)和實(shí)時(shí)顯示，通過三維地理信息系統(tǒng)的建立，可以將真實(shí)的礦山企業(yè)“搬”到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，做到足不出戶即能對(duì)礦山井上、井下所有信息了如指掌，而且以身臨其境的視角關(guān)注和管理各類業(yè)務(wù)信息，切實(shí)解決礦山企業(yè)面臨的管理難題。

（3）炫酷科技藍(lán)模式。系統(tǒng)支撐目前采用先進(jìn)的空間GIS技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、應(yīng)用的管理，并支持炫酷藍(lán)和設(shè)備透視的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，這種呈現(xiàn)方式廣泛的應(yīng)用于政府、能源行業(yè)和智慧城市領(lǐng)域。

3 創(chuàng)新的數(shù)據(jù)專題分析

（1）實(shí)時(shí)領(lǐng)航專題。將企業(yè)現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)、膠輪車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)、主煤流監(jiān)控系統(tǒng)、煤倉煤位系統(tǒng)、火車外運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接入，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)相融合進(jìn)行全面分析，實(shí)時(shí)反映井下人員和車輛的變化趨勢，人員位置分布情況、當(dāng)月車輛下井統(tǒng)計(jì)、煤倉煤位的變化情況、工作面人員分布情況、火車裝運(yùn)情況、構(gòu)建領(lǐng)導(dǎo)者駕駛倉，為管理者提供一種全景視圖，綜合展示礦井的生產(chǎn)運(yùn)行態(tài)勢。

（2）設(shè)備健康專題。實(shí)時(shí)監(jiān)視井下設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析井下設(shè)備健康情況。通過融合企業(yè)已有的設(shè)備管理、維修管理、備品備件管理、運(yùn)行管理、預(yù)防性維護(hù)等運(yùn)維信息，將決策者關(guān)注的設(shè)備故障停機(jī)率、工作面設(shè)備KPI值、井下設(shè)備故障情況、檢維修計(jì)劃完成情況、設(shè)備維修成本、設(shè)備使用壽命等信息進(jìn)行匯總展示，通過監(jiān)測同型號(hào)設(shè)備運(yùn)行工況，記錄設(shè)備運(yùn)行故障的數(shù)據(jù)切片進(jìn)行存儲(chǔ)，通過海量的數(shù)據(jù)切片，建立符合企業(yè)自身的設(shè)備故障模型庫，實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備的實(shí)時(shí)對(duì)比分析、趨勢分析、預(yù)測分析，監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備異常情況系統(tǒng)可以快速調(diào)取設(shè)備的監(jiān)視參數(shù)、視頻畫面、設(shè)備安裝圖紙、檢維修記錄信息。

（3）環(huán)境安全專題。將井下與生產(chǎn)環(huán)境相關(guān)業(yè)務(wù)信息和監(jiān)控信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建可視化監(jiān)測監(jiān)控預(yù)警臺(tái)。系統(tǒng)接入采空區(qū)溫度監(jiān)測、礦壓監(jiān)測、安全監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)高溫預(yù)警、頂板周期來壓預(yù)警、有害氣異常預(yù)警監(jiān)視機(jī)制，支持井下監(jiān)控設(shè)備超過預(yù)警值進(jìn)行異常報(bào)警管理，如圖3所示。

圖3采空區(qū)溫度綜合分析專題

（4）人車調(diào)度專題。實(shí)現(xiàn)下井人員位置、密度、軌跡和人員下井變化趨勢的可視化分析。系統(tǒng)采用特殊高亮和透視藍(lán)的形式呈現(xiàn)井下重點(diǎn)區(qū)域和下井人員所在巷道位置信息構(gòu)建礦井熱力圖，根據(jù)井下生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)人員時(shí)間、位置、軌跡等信息，按由深到淺的顏色來表示數(shù)據(jù)的從大到小、集中到稀疏的形式顯示。系統(tǒng)支撐歷史回放功能，將不同時(shí)序的人員下井情況進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加顯示，建立在突發(fā)情況下快速調(diào)閱下井人員熱力軌跡及活動(dòng)范圍，支持決策者制定搜救方案或避災(zāi)疏散路線，如圖4所示。

圖4井下人員分布熱力圖

（5）生產(chǎn)運(yùn)輸專題。接入井下主運(yùn)輸系統(tǒng)與工作面設(shè)備開停信息，實(shí)時(shí)監(jiān)視皮帶和工作面設(shè)備工況并支撐三維可視化的組態(tài)編輯，根據(jù)系統(tǒng)提供三維組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)三維可視化組態(tài)管理支持采煤機(jī)，刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、工作面風(fēng)筒等設(shè)備的自由組態(tài)，宏觀掌握設(shè)備開停狀態(tài)，也可微觀查看設(shè)備運(yùn)行的詳細(xì)參數(shù)，滿足宏微觀一體化的業(yè)務(wù)需求。

（6）能耗控制專題。將獲取所有相關(guān)數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)及管理。系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、統(tǒng)籌、對(duì)比、分析和總結(jié)以及進(jìn)一步深入挖掘。系統(tǒng)支持按照責(zé)任級(jí)別、區(qū)域、責(zé)任類別對(duì)井下生產(chǎn)耗電量及材料消耗分級(jí)顯示，支持各級(jí)各類用戶的按需監(jiān)測、按需配電。

4 總結(jié)

（1）該技術(shù)創(chuàng)新的將全礦井信息數(shù)據(jù)池中的數(shù)據(jù)與三維平臺(tái)相結(jié)合，以三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)展示的方式，建立起了可直觀指導(dǎo)安全生產(chǎn)調(diào)度管理工作的三維安全生產(chǎn)調(diào)度管理平臺(tái)，大幅提高了生產(chǎn)調(diào)度管理效率。

（2）通過該技術(shù)的研究及應(yīng)用保證了礦井安全生產(chǎn)各項(xiàng)工作有序推進(jìn)，使生產(chǎn)相關(guān)資源配置更加及時(shí)合理，調(diào)度管理更加科學(xué)。

（3）通過數(shù)據(jù)挖掘及決策支持平臺(tái)的建立，助推企業(yè)科學(xué)決策，企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度管理效率大幅提升，從根本上實(shí)現(xiàn)減人增效，礦井生產(chǎn)調(diào)度運(yùn)行方式由數(shù)字化逐步向智能化方向發(fā)展。