智慧礦山系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)分析

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)掌石溝煤業(yè)有限公司 山西 048404）

隨著時(shí)代的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的高速發(fā)展，促使智慧地球理念應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸出現(xiàn)在大眾的視野中。在煤礦開(kāi)采行業(yè)，智慧礦山系統(tǒng)工程建設(shè)成為了重要的研究課題，并且也是采礦行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。因此，積極探索智慧礦山系統(tǒng)工程與關(guān)鍵技術(shù)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)該給予其足夠的重視。

1.智慧礦山的相關(guān)概述

2009年，智慧礦山這一詞語(yǔ)應(yīng)運(yùn)而生，其主要是對(duì)職業(yè)健康與安全、生產(chǎn)、后勤保障、技術(shù)等進(jìn)行高速處理、自動(dòng)分析和主動(dòng)感知的無(wú)人礦山。智慧礦山系統(tǒng)主要有四大部分構(gòu)成，一是智慧職業(yè)健康與安全系統(tǒng)；二是后勤保障系統(tǒng)；三是智慧生產(chǎn)系統(tǒng)；四是智慧技術(shù)。不同系統(tǒng)所發(fā)揮的作用也具有差異性。在智慧礦山系統(tǒng)中，智慧職業(yè)健康和智慧生產(chǎn)系統(tǒng)屬于最基本的框架。

相對(duì)數(shù)字化礦山、自動(dòng)化礦山而言，智慧礦山更加先進(jìn)，是新時(shí)代的產(chǎn)物，也是煤礦開(kāi)采行業(yè)日后發(fā)展的主要方向之一。智慧礦山涉及到了多個(gè)學(xué)科，不僅有著超高的技術(shù)性，而且呈現(xiàn)了較強(qiáng)的實(shí)踐性。

2.智慧礦山系統(tǒng)工程

(1)傳輸與匯接層

借助系統(tǒng)設(shè)備可獲取原始數(shù)據(jù)。但是要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，還需要依靠智慧礦山系統(tǒng)工程的傳輸與匯接層，在其支持下，可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、無(wú)線、有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的傳輸，將其傳送到相關(guān)的機(jī)房。為了達(dá)到此目的，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的設(shè)計(jì)，始終堅(jiān)持一體化設(shè)計(jì)原則，在確保其設(shè)計(jì)水平達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該確保其能夠覆蓋整個(gè)礦山。在此方面，若是機(jī)房或者主機(jī)接到數(shù)據(jù)之后，還需要強(qiáng)化對(duì)不同的接入?yún)f(xié)議與接入方式進(jìn)行科學(xué)的處理。例如，針對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)而言，其可借助Modbus開(kāi)展相關(guān)的數(shù)據(jù)處理工作。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，在開(kāi)展數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要充分發(fā)揮消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸處理設(shè)備的作用。針對(duì)于傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)，開(kāi)源工具Sqoop是主要處理設(shè)備之一。

(2)系統(tǒng)設(shè)備層

感知、采集數(shù)據(jù)是智慧礦山工程中首要的任務(wù)。所以，對(duì)此系統(tǒng)最底層的構(gòu)成有著高要求，其主要包括以下幾方面：一是監(jiān)測(cè)音頻。如，煙霧監(jiān)測(cè)設(shè)備、粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備、水監(jiān)測(cè)設(shè)備等；二是監(jiān)控視頻。三是各種傳感器。在這些設(shè)備的良好運(yùn)行下，可為智慧礦山提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)都是原始的，可供有效的參考。此外，在智慧礦山工程中，系統(tǒng)設(shè)備也是執(zhí)行各類操作的場(chǎng)所，因此其屬于一項(xiàng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，包括探測(cè)設(shè)備、挖掘設(shè)備等自動(dòng)化。從中可知，系統(tǒng)設(shè)備層在智慧礦山的系統(tǒng)工程中占有舉足輕重的地位，與礦山人員安全是息息相關(guān)的。

(3)數(shù)據(jù)分析層

數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣是智慧礦山工程較為顯著的特點(diǎn)，在一定程度上加大了數(shù)據(jù)分析難度。所以，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效分析，需要以多元化數(shù)據(jù)分析方法為依托。一般情況下，會(huì)增加基于Docker技術(shù)的容器層，以便為多種異構(gòu)業(yè)務(wù)的良好運(yùn)用奠定基礎(chǔ)。在高密度價(jià)值的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，由于其處理工作較為復(fù)雜，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行科學(xué)的選擇，例如可使用Greenplum、Teradata等，有助于促使數(shù)據(jù)分析效果提升。在進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化處理工作中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)實(shí)時(shí)流計(jì)算工具進(jìn)行運(yùn)用。如，Spark Streaming。在處理海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或者半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，需要注重對(duì)Hadoop框架的上層組件進(jìn)行運(yùn)用，其中較為常見(jiàn)的有兩種，一是Impala，二是Hive。

(4)數(shù)據(jù)可視層

在智慧礦山系統(tǒng)工程中，數(shù)據(jù)可視層是重要的組成部分。與傳統(tǒng)礦山系統(tǒng)不同，智慧礦山系統(tǒng)在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式要求方面是比較高的，需要能夠以統(tǒng)計(jì)圖、表格的形式進(jìn)行展示，同時(shí)還應(yīng)該保證當(dāng)有異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)進(jìn)行警報(bào)。因此，數(shù)據(jù)可視層也是不可忽視的。另外，在數(shù)據(jù)查詢與提取方面應(yīng)盡可能促使其簡(jiǎn)單化，以便降低礦山管理人員工作難度。在數(shù)據(jù)可視層，為更好的展示相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)該注重對(duì)三維技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，以強(qiáng)化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效果。

(5)決策控制層

決策控制層屬于智慧礦山的最后一層，也是核心部分。為了促使智慧礦山工程順利開(kāi)展，需要確保決策控制層能夠控制智慧礦山生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以便提升生產(chǎn)效率與質(zhì)量。這就要求決策控制層功能多元化，如調(diào)度指揮通信功能、應(yīng)急救援功能等。在科技環(huán)境下，人工智能技術(shù)水平不斷提升，因此可將其應(yīng)用在決策控制層，以將其作用最大化。在大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等支持下，有助于提升對(duì)礦山安全生產(chǎn)控制的實(shí)效性，實(shí)現(xiàn)控制命令的自動(dòng)實(shí)行。為了促使決策控制層作用最大化，還應(yīng)該確保其具備系統(tǒng)自學(xué)功能，以在整體上完善智慧礦山系統(tǒng)，為其穩(wěn)定、高效運(yùn)行打造良好的環(huán)境。

3.智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)

(1)建筑信息模型技術(shù)

建筑信息模型技術(shù)即BIM技術(shù)。BIM是Building Information Modelin的縮寫(xiě)。在2002年，建筑信息模型技術(shù)被提出，隨著其不斷發(fā)展和應(yīng)用，也日趨成熟和完善，具有協(xié)調(diào)性、可視化、模擬性等眾多優(yōu)勢(shì)，屬于智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)之一。將BIM技術(shù)合理的應(yīng)用在智慧礦山生產(chǎn)中，能夠?qū)ο嚓P(guān)產(chǎn)生人員產(chǎn)生指導(dǎo)作用，合理安排設(shè)備，并有針對(duì)性的調(diào)整開(kāi)采方案。同時(shí)，還可借助其建模功能，結(jié)合礦山的具體情況，建立與之相適應(yīng)的模型，進(jìn)行災(zāi)害預(yù)演，以提前制定相應(yīng)對(duì)策，降低地下災(zāi)害發(fā)生的事故。

例如，在某工程中，其礦井北部與井田相連接，西部以礦區(qū)總體規(guī)劃的井田邊界（杜窯溝斷層）為界，主要可采煤層18煤、3煤、2煤、4煤。此礦山工程地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，存在多種危險(xiǎn)因素，不僅開(kāi)采難度比較大，而且對(duì)作業(yè)人員生命安全造成了威脅。若是運(yùn)用傳統(tǒng)礦山采礦技術(shù)很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)開(kāi)采中的不穩(wěn)定性因素，尤其是在生產(chǎn)運(yùn)維管理中，以傳統(tǒng)采礦技術(shù)為支撐，將會(huì)消耗大量的人力，而且難以實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)管，容易引發(fā)安全事故。但是在BIM技術(shù)的應(yīng)用下，可構(gòu)建相關(guān)的安全生產(chǎn)監(jiān)控場(chǎng)景，及時(shí)排除惡劣生產(chǎn)環(huán)境中的不良因素，有助于優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，進(jìn)而進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，可將危險(xiǎn)事件扼殺在萌芽中，實(shí)現(xiàn)智慧礦山建設(shè)工作的有序進(jìn)行。

此外，將BIM技術(shù)融入到智慧礦山中，還可構(gòu)建信息網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)設(shè)備管網(wǎng)建設(shè)，進(jìn)而有效展示設(shè)備維護(hù)信息，以科學(xué)調(diào)整和優(yōu)化相關(guān)方案，推動(dòng)礦井智能生產(chǎn)工作順利開(kāi)展。

(2)三維激光掃描技術(shù)

在智慧礦山建設(shè)中，融入三維技術(shù)，能夠建立相應(yīng)的三維礦山模型，為其實(shí)際生產(chǎn)提供可靠參考。主要是因?yàn)槿S激光掃描技術(shù)又被成為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物的高精度、非接觸、完整地、自動(dòng)化掃描。因此，比較適合運(yùn)用在礦山開(kāi)采工作中，以對(duì)昏暗、狹小的礦井巷道進(jìn)行觀察和分析，精準(zhǔn)掌握礦山工程進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)三維立體化的地下管理，為智能無(wú)人開(kāi)采奠定基礎(chǔ)。

另外，由于三維激光掃描技術(shù)呈現(xiàn)了簡(jiǎn)便、高效、精確、快捷的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，所以將其應(yīng)用在礦山工程還有利于精確地監(jiān)測(cè)礦山變形，為工作人員的生命安全保駕護(hù)航。

三維激光掃描技術(shù)也為智慧礦山建設(shè)提供了有利條件，對(duì)其進(jìn)行充分的運(yùn)用，可獲得全面且精準(zhǔn)的礦山信息。與此同時(shí)，還可建立三維礦山模型，能夠促使有關(guān)人員對(duì)礦山的具體情況進(jìn)行深入的了解。在智慧礦山工程中，三維激光掃描技術(shù)可對(duì)不同類型的信息進(jìn)行掃描，如礦山的地形情況、采礦巷道、尾礦庫(kù)、采場(chǎng)情況等，在將其輸送到相應(yīng)的計(jì)算機(jī)之后，通過(guò)數(shù)據(jù)的合理轉(zhuǎn)化，可促進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析工作順利進(jìn)行，對(duì)礦山精心化管理的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。此外，在三維激光掃描技術(shù)的支持下，可有效建立礦山模型，重現(xiàn)虛擬礦山，可呈現(xiàn)理想的三維立體效果，能夠?yàn)閷?shí)際礦山采礦工作開(kāi)展提供可靠依據(jù)，確保其開(kāi)采的針對(duì)性、科學(xué)性，減少安全問(wèn)題出現(xiàn)，優(yōu)化開(kāi)采質(zhì)量。例如，由于三維激光掃描技術(shù)可將巷道中的各種信息全面的、準(zhǔn)確的記錄下來(lái)，改變了以往手工素描記錄的形式，在降低有關(guān)人員工作強(qiáng)度的同時(shí)，也可建立巷道相關(guān)設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)地下三維立體化管理，加快智慧礦山建設(shè)步伐。

(3)異構(gòu)業(yè)務(wù)承載技術(shù)

異構(gòu)業(yè)務(wù)承載技術(shù)在智慧礦山數(shù)據(jù)分析與處理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其實(shí)際上屬于一個(gè)承載容器，如現(xiàn)階段較為常見(jiàn)的Docker就屬于最主要的一種。異構(gòu)業(yè)務(wù)承載技術(shù)可將各種處理功能打包起來(lái)，為避免其之間產(chǎn)生干擾，還可促使其相互隔離，在智慧礦山中獲取了良好的應(yīng)用效果。

4.結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在新時(shí)期，煤礦開(kāi)采行業(yè)雖然獲得了新發(fā)展，但由于地質(zhì)條件復(fù)雜，開(kāi)采環(huán)境惡劣，所以開(kāi)采成效并不理想。在此情況下，智慧礦山受到了關(guān)注，并且其對(duì)智慧化的要求十分迫切。因此，應(yīng)該加強(qiáng)智慧礦山工程建設(shè)，深入挖掘相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的智慧礦山。