智慧露天礦山底層平臺(tái)構(gòu)建

王猛，馬曉燕，國(guó)承斌

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 遼寧 阜新 123000；2.陜煤集團(tuán)神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司， 陜西 神木 719300；3.深圳市智物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有限公司， 廣東 深圳 518000)

0 引言

《“十三五”資源領(lǐng)域科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》提出為全面提升我國(guó)礦山行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平，推動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，要充分利用現(xiàn)代通信、傳感、信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、智能監(jiān)測(cè)、智能控制和智慧調(diào)度，提高礦產(chǎn)資源采出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率及經(jīng)濟(jì)效益。智慧礦山是煤炭版的“工業(yè)4.0”，是煤炭行業(yè)的“中國(guó)制造2025”，是智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山領(lǐng)域的全面應(yīng)用[1-3]。建設(shè)智慧礦山符合國(guó)家戰(zhàn)略，是煤炭工業(yè)發(fā)展的必然選擇[4]。

譚章祿等[5]結(jié)合智慧礦山發(fā)展現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)情況，分析了我國(guó)智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展路徑；王國(guó)法等[6]結(jié)合煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)智慧化特征及要求，給出了智慧礦山概念及內(nèi)涵，提出了智慧煤礦2025情景目標(biāo)和發(fā)展路徑；李梅等[7]從創(chuàng)新技術(shù)角度提出了智慧礦山的技術(shù)框架，研究了智慧礦山建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)；陳曉晶等[8]針對(duì)礦山信息化建設(shè)缺乏信息化標(biāo)準(zhǔn)、存在“信息孤島”等問(wèn)題，研究了智慧礦山建設(shè)的架構(gòu)體系及其關(guān)鍵技術(shù)；陳越超等[9]借助中國(guó)移動(dòng)提供的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)——OneNet平臺(tái)，建立了一套智慧礦山監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。然而，我國(guó)智慧露天礦山建設(shè)處于起步階段，針對(duì)智慧露天礦山底層平臺(tái)構(gòu)建的研究較少。本文提出了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云操作系統(tǒng)的智慧露天礦山底層平臺(tái)，以期為智慧露天礦山建設(shè)提供新的思路和方向。

1 智慧露天礦山建設(shè)現(xiàn)狀

目前露天礦山生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)、卡車(chē)防碰撞系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、采礦計(jì)劃系統(tǒng)、地測(cè)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)初步完成了各自業(yè)務(wù)領(lǐng)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、分析等功能，但存在以下問(wèn)題。

(1) 系統(tǒng)獨(dú)立?，F(xiàn)有子系統(tǒng)多數(shù)是獨(dú)立建設(shè)，建設(shè)前缺少整體規(guī)劃或統(tǒng)一集成的設(shè)計(jì)，各子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，信息處于孤島狀態(tài)[10-11]。例如某些露天礦山現(xiàn)有的采礦計(jì)劃系統(tǒng)、卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)、卡車(chē)防碰撞系統(tǒng)等均沒(méi)有統(tǒng)一接入環(huán)網(wǎng)，各子系統(tǒng)以單機(jī)或工作站版本為主，礦山調(diào)度中心運(yùn)行的子系統(tǒng)或單機(jī)版軟件眾多，主機(jī)或顯示器均密集地布置在調(diào)度中心的辦公平臺(tái)上。

(2) 人工管控為主。各子系統(tǒng)的控制是一種局部或有限的控制，多數(shù)操作或控制需要人為參與或干預(yù)。例如多數(shù)露天礦山均安裝了卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，調(diào)度中心與車(chē)輛之間仍采取對(duì)講機(jī)方式進(jìn)行通信調(diào)度指揮；穿爆、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)仍以人工管控為主導(dǎo)，設(shè)備采購(gòu)、巡檢、保養(yǎng)、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)還不能形成完整的數(shù)據(jù)鏈，未實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理。

(3) 災(zāi)害監(jiān)測(cè)被動(dòng)執(zhí)行。露天礦山災(zāi)害以邊坡滑坡災(zāi)害為主，邊坡滑坡監(jiān)測(cè)主要采用邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)、三維激光掃描技術(shù)等，但邊坡滑坡監(jiān)測(cè)以事后響應(yīng)模式為主，對(duì)災(zāi)害的判斷處于被動(dòng)狀態(tài)，不能主動(dòng)實(shí)時(shí)地對(duì)邊坡滑坡進(jìn)行預(yù)警。

(4) 缺乏智能分析。目前露天礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)果分析多數(shù)依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，而且是單點(diǎn)判斷，缺少各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享與關(guān)聯(lián)，未形成智能分析結(jié)果。

2 智慧露天礦山內(nèi)涵

智慧露天礦山與智慧社會(huì)、智慧城市、智慧交通等具有類(lèi)似的科學(xué)內(nèi)涵，是指露天礦山生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化，將物聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動(dòng)控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人等與現(xiàn)代露天礦山開(kāi)發(fā)技術(shù)相整合，開(kāi)發(fā)露天礦山感知、互聯(lián)、分析、自學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)、決策、控制的完整智能系統(tǒng)，建設(shè)露天礦山爆破、采裝、運(yùn)輸及排土、環(huán)境監(jiān)控、機(jī)電設(shè)備管理、通信調(diào)度等全過(guò)程智能化運(yùn)行的智慧露天礦山，創(chuàng)建露天礦山完整智慧系統(tǒng)、全面智能運(yùn)行、科學(xué)綠色開(kāi)發(fā)的全方位產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行新模式，達(dá)到露天礦山的少人化或無(wú)人化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)露天礦山生產(chǎn)的綠色、安全、高效[12-13]。智慧露天礦山應(yīng)包括以下3個(gè)方面。

(1) 萬(wàn)物互聯(lián)。智慧露天礦山生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)人、機(jī)、環(huán)協(xié)同合作的有機(jī)整體，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，全面感知井下人、機(jī)、環(huán)的位置和狀態(tài)，并可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

(2) 平臺(tái)融合。智慧露天礦山生產(chǎn)及管理過(guò)程涉及多平臺(tái)(如露天礦山設(shè)備及生產(chǎn)工藝平臺(tái)、露天礦山生產(chǎn)計(jì)劃與工程管理平臺(tái)、露天礦山綜合管理平臺(tái)等)，平臺(tái)之間相互聯(lián)系、信息共享，且同處于一個(gè)頂層框架之下，平臺(tái)與平臺(tái)之間融合為一體。

(3) 智慧驅(qū)動(dòng)?；诘V山海量數(shù)據(jù)，構(gòu)建露天礦山開(kāi)采過(guò)程中人、機(jī)、物、環(huán)及信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的智慧系統(tǒng)，并快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化，達(dá)到少人或無(wú)人的智慧驅(qū)動(dòng)模式。

3 智慧露天礦山底層平臺(tái)

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云操作系統(tǒng)MixIOT為基礎(chǔ)，構(gòu)建智慧露天礦山底層平臺(tái)，如圖1所示。該平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層構(gòu)成。

圖1 智慧露天礦山底層平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Underlying platform architecture of intelligent open-pit mine

(1) 數(shù)據(jù)采集層。主要功能是實(shí)現(xiàn)露天礦山相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并以規(guī)范化的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，相關(guān)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)分類(lèi)共享，消除各生產(chǎn)系統(tǒng)之間的信息孤島。數(shù)據(jù)采集對(duì)象：露天礦山地質(zhì)測(cè)量、采礦設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、邊坡監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)；露天礦山穿爆、采裝、運(yùn)輸、排土等環(huán)節(jié)工程設(shè)備數(shù)據(jù)；露天礦山生產(chǎn)任務(wù)指令和各監(jiān)測(cè)監(jiān)控終端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；露天礦山安全、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)各方面綜合管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集方式：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可由APRUS(Advanced Programmable Remote Utility Server，高級(jí)可編程適配器)通過(guò)Modbus/OPC/PPI/MPI等工業(yè)協(xié)議獲得；離線(xiàn)數(shù)據(jù)可按現(xiàn)場(chǎng)工作需要進(jìn)行手工錄入；接入露天礦山企業(yè)現(xiàn)有ERP(Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃)或MES(Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)無(wú)縫連接。

(2) 數(shù)據(jù)處理層。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云操作系統(tǒng)MixIOT為平臺(tái)，按照數(shù)據(jù)不同來(lái)源，建立柵格數(shù)據(jù)庫(kù)、離線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表數(shù)據(jù)庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)露天礦山各類(lèi)數(shù)據(jù)路由、交換、存儲(chǔ)。同時(shí)通過(guò)INDASS(Industrial Data Analysis Service System，工業(yè)數(shù)據(jù)分析服務(wù)系統(tǒng))對(duì)露天礦山生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行映像圖分析、指數(shù)分析、穩(wěn)定性分析、趨勢(shì)分析、風(fēng)險(xiǎn)分析等。

(3) 數(shù)據(jù)應(yīng)用層。FIDIS(Flexible Information Data Integrate System，柔性信息與數(shù)據(jù)集成系統(tǒng))以PC端應(yīng)用、大屏監(jiān)控及手機(jī)端應(yīng)用等多種形式的展示，實(shí)現(xiàn)露天礦山生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障預(yù)測(cè)、告警通知、工單管理等功能。同時(shí)通過(guò)INDASS支持下的邊緣計(jì)算及大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)露天礦山生產(chǎn)工藝優(yōu)化、設(shè)備節(jié)能減排、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

智慧露天礦山底層平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)技術(shù)、應(yīng)用展示技術(shù)。

(1) 數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。APRUS作為適配型可編程工業(yè)數(shù)據(jù)采集終端，可與露天礦山已有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速對(duì)接，也可通過(guò)傳感器獲取露天礦山設(shè)備的信息。APRUS的核心板模塊提供了豐富的工業(yè)接口，如RS485，RS232，CAN，IIC，SPI等常用設(shè)備接口，便于集成到工業(yè)設(shè)備PLC、控制器中或接入傳感器；集成了LUA開(kāi)發(fā)環(huán)境，方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

(2) 數(shù)據(jù)分析服務(wù)技術(shù)。INDASS是對(duì)工業(yè)設(shè)備或系統(tǒng)數(shù)據(jù)更加深入的應(yīng)用，其目的是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深入計(jì)算和分析，找出數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，從而分析設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律。INDASS可對(duì)單臺(tái)設(shè)備或系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)做出客觀評(píng)估，并對(duì)單臺(tái)設(shè)備或系統(tǒng)在未來(lái)一段時(shí)間的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(3) 應(yīng)用展示技術(shù)。FIDIS承擔(dān)著與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云操作系統(tǒng)MixIOT進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的職能，并提供前端界面給終端用戶(hù)進(jìn)行交互操作。FIDIS是一個(gè)開(kāi)放的底層應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可根據(jù)智慧露天礦山用戶(hù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，配置成各個(gè)應(yīng)用模塊。

4 結(jié)語(yǔ)

智慧露天礦山是一個(gè)以礦山數(shù)據(jù)數(shù)字化、生產(chǎn)自動(dòng)化、管理信息化為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)傳感技術(shù)、5G通信技術(shù)、空間信息技術(shù)及人工智能技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)露天礦山生產(chǎn)及管理的智能感知、辨識(shí)、記憶、分析、計(jì)算等功能，達(dá)到整個(gè)露天礦山的無(wú)人化或少人化，實(shí)現(xiàn)露天礦山安全生產(chǎn)為目的的大系統(tǒng)。基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云操作系統(tǒng)的智慧露天礦山底層平臺(tái)不僅能兼容露天礦山已有的生產(chǎn)系統(tǒng)或操作平臺(tái)，而且對(duì)未來(lái)要建設(shè)的系統(tǒng)或平臺(tái)也能擴(kuò)展兼容，是建設(shè)智慧露天礦山的基礎(chǔ)。