露天煤礦網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與智慧礦山建設(shè)的關(guān)系

龍永祥，王 健

（內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司 北露天煤礦，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

在智慧礦山建設(shè)領(lǐng)域，美國(guó)、加拿大、澳大利亞等歐美西方國(guó)家在20世紀(jì)90年代已經(jīng)開始構(gòu)建了模型，目前已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平[1]。為了促成我國(guó)從礦業(yè)大國(guó)向礦業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，早在2008年，中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)牽頭，北京龍德時(shí)代承辦，神華集團(tuán)、中煤集團(tuán)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究院等多家單位聯(lián)合成立了“產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”。內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司北露天煤礦已經(jīng)在設(shè)計(jì)、開采等方面運(yùn)用了一些數(shù)字化、智能化的技術(shù)手段，但整個(gè)生產(chǎn)工藝流程的智慧化工作尚未歸屬到統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行無縫銜接。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況出發(fā)，論述露天礦網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與智慧型礦山建設(shè)的關(guān)系[2]。

1 智慧型礦山定義和內(nèi)容

智慧礦山就是對(duì)生產(chǎn)要素、危險(xiǎn)有害因素、生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)原材料、后勤保障資源和人力資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)感知，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)信息的共享、傳遞并對(duì)其自動(dòng)分析處理的一種礦山運(yùn)作模式。也就是說，智慧礦山的建設(shè)將是以生產(chǎn)工藝流程為線索，將礦山工作面設(shè)計(jì)、爆破、開采、排土、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)及其附帶的人的安全、健康、績(jī)效考核問題串接起來，在一個(gè)統(tǒng)一的信息管理平臺(tái)上進(jìn)行全過程一體化管理。

智慧型礦山建設(shè)項(xiàng)目是一個(gè)龐大而精細(xì)的系統(tǒng)化工程，涉及到采礦學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、AI機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、信息學(xué)、測(cè)控與遙感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，是多學(xué)科知識(shí)與高新科技的集合體，考驗(yàn)的是一個(gè)企業(yè)的人才儲(chǔ)備、創(chuàng)新水平和對(duì)各種技術(shù)的整合能力[3]。

在當(dāng)前技術(shù)條件下，智慧型礦山的建設(shè)應(yīng)將工作重點(diǎn)放在智慧礦山整體框架的搭設(shè)上，如無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議框架、控制系統(tǒng)接口協(xié)議框架等。企業(yè)需要做的是對(duì)未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行一種預(yù)判，確保這個(gè)框架具有技術(shù)前瞻性，最大程度地避免后期建設(shè)過程中因框架老化而產(chǎn)生的資金浪費(fèi)。

在露天煤礦企業(yè)，智慧型礦山建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與三維建模、礦山開采設(shè)計(jì)、危險(xiǎn)有害因素的分析與應(yīng)對(duì)措施的制定、作業(yè)人員關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)考核、電子信息管理、礦山機(jī)械智能化和車輛調(diào)度等工作要素的自動(dòng)化與智能化。

1.1 建立統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

智慧型礦山的建設(shè)，最重要且最應(yīng)先實(shí)現(xiàn)的是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立。露天礦現(xiàn)有的各類設(shè)備種類繁多、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多樣，不利于形成統(tǒng)一的、集成的管理控制系統(tǒng)。

要進(jìn)行智慧型礦山框架的搭建并持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該先對(duì)礦山所用的各類設(shè)備進(jìn)行技術(shù)摸底統(tǒng)計(jì)，主要是對(duì)設(shè)備技術(shù)、設(shè)備特征進(jìn)行一個(gè)基本的了解，對(duì)設(shè)備控制模塊的接口、通信協(xié)議及其迭代情況有一個(gè)匯總和規(guī)劃，方便以后進(jìn)行的設(shè)備改造入網(wǎng)。

1.2 智慧礦山建設(shè)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)先行

智慧型礦山建設(shè)項(xiàng)目無疑是一個(gè)系統(tǒng)性的、耗資巨大的長(zhǎng)期項(xiàng)目，其具有總投入大、建設(shè)周期長(zhǎng)、產(chǎn)生收益慢的特點(diǎn)。在工程前期，完成了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)論證階段后，應(yīng)先建設(shè)配套的網(wǎng)絡(luò)。在生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中，沒有接入網(wǎng)絡(luò)的智能礦山機(jī)械，只能起到降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度的作用。而使用網(wǎng)絡(luò)將每臺(tái)設(shè)備的實(shí)時(shí)位置、發(fā)動(dòng)機(jī)工況、車載安全部件狀態(tài)、作業(yè)量等數(shù)據(jù)通過各類傳感器經(jīng)車載電腦匯總整合再通過安全可靠的礦山專用網(wǎng)絡(luò)匯入管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管理中心對(duì)所有礦山生產(chǎn)環(huán)節(jié)的無死角式監(jiān)控，管理調(diào)度中心的人員便可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備上的隱患，實(shí)時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，從而做出最優(yōu)決策。

智慧礦山通信網(wǎng)絡(luò)框架的建設(shè)，要考慮到很多的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，如設(shè)備容量，網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，另外，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的后續(xù)升級(jí)改造成本也是一個(gè)需要著重考慮的方面。

1）網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的選擇。露天礦的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，地形處于持續(xù)變化的過程中，設(shè)備處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，無法利用有線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，此時(shí)，以基站為硬件基礎(chǔ)的移動(dòng)通訊技術(shù)必然會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的首選方案。

2）安全性及可靠性。移動(dòng)基站是獨(dú)立于“中國(guó)移動(dòng)”、“中國(guó)聯(lián)通”等這種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商而存在的、礦山內(nèi)部專屬的、由礦山技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)的通訊基站。采用此種方式，一是為了確保網(wǎng)絡(luò)安全，避免礦山各設(shè)備數(shù)據(jù)和設(shè)備操控權(quán)落入“網(wǎng)絡(luò)黑客”手中從而發(fā)生不可控的安全事件；二是為了確保網(wǎng)絡(luò)容量，確保礦山移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站專門服務(wù)于礦山設(shè)備和作業(yè)人員，不會(huì)被礦山以外人員的移動(dòng)設(shè)備干擾信號(hào)和搶占帶寬。

3）4G向5G的平滑過渡及設(shè)備間的兼容性。目前我國(guó)商用的移動(dòng)通訊技術(shù)是4G技術(shù)（4th Generation Mobile Networks），4G技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到100Mbps的傳輸速率，已經(jīng)可以勝任智慧礦山管理調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控要求，但是4G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)延遲率依然很高，平均值在20 ms到120 ms之間，鑒于我國(guó)入網(wǎng)的移動(dòng)設(shè)備越來越多，4G網(wǎng)絡(luò)延遲率將會(huì)維持在較高的數(shù)值，這對(duì)遠(yuǎn)程操控設(shè)備是不利的，可以設(shè)想，如果因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲，現(xiàn)場(chǎng)工程設(shè)備沒有在規(guī)定時(shí)間進(jìn)入既定地點(diǎn)，可能會(huì)造成多臺(tái)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡在同一作業(yè)面發(fā)生交叉，這就會(huì)導(dǎo)致車輛發(fā)生碰撞事故，這也更加說明了礦山建設(shè)私有通訊基站的必要性[4]。截止目前，我國(guó)多個(gè)省市已經(jīng)開通了5G通訊技術(shù)作為試點(diǎn)城市，5G通訊技術(shù)（5th Generation Mobile Networks）沿用并優(yōu)化了4G具有的IPV6技術(shù)[5]，IPV6技術(shù)相對(duì)于IPV4技術(shù)，可以為網(wǎng)絡(luò)用戶提供更多的IP地址，號(hào)稱可以“給地球上每一粒砂都賦予唯一的編碼”，所以說IPV6技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的重要技術(shù)基礎(chǔ)[6]。此外，5G還有一個(gè)重要的技術(shù)特性，它的空中接口延遲率可以低至1 ms，這項(xiàng)技術(shù)可以極大地降低乃至徹底消除網(wǎng)絡(luò)通訊高延遲率帶來的車輛碰撞隱患。此前已有新聞報(bào)導(dǎo)，技術(shù)人員在中國(guó)上海的斗山工程機(jī)械控制中心通過5G通訊技術(shù)來操控遠(yuǎn)在韓國(guó)的一臺(tái)挖掘機(jī)設(shè)備實(shí)施工程作業(yè)。5G技術(shù)已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操控領(lǐng)域展露了其技術(shù)前瞻性，露天煤礦智慧礦山構(gòu)建過程中必須要考慮到4G通訊技術(shù)向5G通訊技術(shù)升級(jí)的技術(shù)可操作性和升級(jí)維護(hù)成本，提前做好論證和技術(shù)儲(chǔ)備，在5G技術(shù)商用時(shí)做到兩代技術(shù)的平穩(wěn)過度，做好已經(jīng)投入使用的設(shè)備與5G技術(shù)的兼容性。

2 智慧礦山管理調(diào)度中心的建立

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析和利用，智慧型礦山需要以硬件和管理系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，打造一個(gè)管理中心作為整個(gè)礦山信息處理的樞紐[7]。

2.1 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)為依托的智慧礦山管理調(diào)度中心

“萬物互聯(lián)”已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代逐漸成為現(xiàn)實(shí)，在當(dāng)前這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代，煤礦安全生產(chǎn)及管理運(yùn)作已與網(wǎng)絡(luò)密不可分，只有將硬件設(shè)施與配套的管理系統(tǒng)軟件結(jié)合起來，形成一個(gè)管理調(diào)度中心作為整個(gè)智慧礦山體系的中樞，智慧型礦山才能高效有序的運(yùn)轉(zhuǎn)。在組成上，智慧礦山管理調(diào)度中心應(yīng)包含數(shù)據(jù)中心，監(jiān)控中心，信息管理系統(tǒng)，智能設(shè)備遠(yuǎn)程操控臺(tái)等幾個(gè)重要部分。數(shù)據(jù)中心應(yīng)具備抗震、抗洪水、抗數(shù)據(jù)丟失等容災(zāi)能力；監(jiān)控中心應(yīng)分門別類的展示各類信息；智能設(shè)備遠(yuǎn)程操控臺(tái)要對(duì)故障車輛進(jìn)行人工操控干預(yù)。

若要打造一個(gè)優(yōu)秀的智慧礦山管理調(diào)度中心，企業(yè)應(yīng)當(dāng)有計(jì)劃的培養(yǎng)自己的網(wǎng)站開發(fā)編程技術(shù)人才，儲(chǔ)備網(wǎng)絡(luò)硬件維修維護(hù)技術(shù)以滿足未來管理調(diào)度中心的運(yùn)營(yíng)需求。管理調(diào)度中心應(yīng)實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)軟件的自動(dòng)控制，具備管理全礦山人員信息、機(jī)電設(shè)備參數(shù)工況和環(huán)境現(xiàn)狀等的能力，減少人的干預(yù)，開發(fā)人員要與技術(shù)人員協(xié)同，制定一套安全可靠、符合煤礦“三大規(guī)程”的標(biāo)準(zhǔn)化工作流程和電腦控制程序。整個(gè)管理調(diào)度中心要實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)、不同部門的協(xié)作機(jī)制，以管理調(diào)度中心為原點(diǎn)，呈輻射狀地協(xié)調(diào)好各部門生產(chǎn)需求、分配生產(chǎn)任務(wù)。

2.2 管理調(diào)度中心工作流程和具體功能

1）數(shù)據(jù)的采集處理。通過安裝在礦山工程設(shè)備上的傳感器、行車電腦和遙感測(cè)繪等技術(shù)收集到的信息，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到管理調(diào)度中心的信息管理系統(tǒng)上。

2）數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)化。信息管理系統(tǒng)平臺(tái)即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理分析和三維建模，設(shè)計(jì)人員通過系統(tǒng)形成的數(shù)字模型，進(jìn)行在線設(shè)計(jì)、在線作業(yè)方案模擬，對(duì)整個(gè)模擬過程中可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行辨識(shí)并與安全管理人員協(xié)同制定行之有效的處置措施，與礦山救援隊(duì)伍敲定應(yīng)急處預(yù)案[8]。

3）控制指令的發(fā)出。將上一個(gè)步驟敲定的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)計(jì)方案和控制指令通過礦山網(wǎng)絡(luò)發(fā)給有關(guān)人員和智能礦山車輛，由無人駕駛的車輛開展采礦作業(yè)，實(shí)現(xiàn)煤礦的本質(zhì)化安全。

4）綜合管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)庫(kù)存管理。智慧型礦山，不僅要體現(xiàn)在生產(chǎn)第一線，也要體現(xiàn)在企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的“大后方”。利用統(tǒng)一的平臺(tái)，對(duì)生產(chǎn)原材料等后勤保障資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，對(duì)重要備件或采購(gòu)周期長(zhǎng)的備件進(jìn)行閾值設(shè)定，當(dāng)瀕臨閾值時(shí)立刻在系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行警示。對(duì)物資，進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和入庫(kù)出庫(kù)。這一方面，我國(guó)的快遞行業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房已實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)分揀調(diào)撥，這也是智慧型礦山建設(shè)項(xiàng)目可以借鑒的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)[9]。

3 結(jié)語

以傳感技術(shù)、遙感探測(cè)技術(shù)、數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算為技術(shù)支撐的智慧型礦山建設(shè)項(xiàng)目，將在礦山地質(zhì)探測(cè)、信息精準(zhǔn)采集、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)匯總分析、三維實(shí)景展現(xiàn)、在線設(shè)計(jì)、集中控制生產(chǎn)開采等領(lǐng)域發(fā)力，在起步階段，要先實(shí)現(xiàn)基本的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，分步分項(xiàng)的逐步完成智慧礦山建設(shè)項(xiàng)目框架并持續(xù)改進(jìn)，力爭(zhēng)上游，統(tǒng)一協(xié)議和數(shù)據(jù)接口，建立一個(gè)大一統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理控制系統(tǒng)中心。

隨著技術(shù)的成熟，智慧型礦山建設(shè)項(xiàng)目會(huì)在生產(chǎn)管控、智能調(diào)度、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)管控、人員設(shè)備績(jī)效考核、災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警等方面展露風(fēng)采，最終實(shí)現(xiàn)礦山的無人化與智能化，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)出零傷亡的安全生產(chǎn)目標(biāo)。