設(shè)備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的研究

張 偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，山西 大同 037000）

1 項(xiàng)目概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山礦位于山西省大同煤田東翼中東部邊緣地帶，距大同市約30 km。井田東西走向長度17.22～20.84 km，平均24.3 km，南北傾斜寬度9.36～12.56 km，平均11.7 km，井田面積為168.88 km2。塔山礦為同煤集團(tuán)第一個開采石炭系特厚煤層的千萬噸級礦井，礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)能15 Mt/a，服務(wù)年限140 a。

塔山礦結(jié)合礦山生產(chǎn)設(shè)備管理以及安全生產(chǎn)的具體需求，圍繞礦山設(shè)備協(xié)同管控、在線診斷及安全生產(chǎn)智能調(diào)度的理論、技術(shù)和方法，研究基于云平臺的礦山設(shè)備協(xié)同管控、在線診斷及安全生產(chǎn)智能調(diào)度的系統(tǒng)架構(gòu)與集成開發(fā)技術(shù)；按照礦山“人、機(jī)、環(huán)”的異構(gòu)資源與各類服務(wù)的統(tǒng)一描述方法和安全判識準(zhǔn)則，建立基于云交互平臺的設(shè)備協(xié)同管控、在線診斷與智能調(diào)度的服務(wù)系統(tǒng)，為該煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程在線診斷與智能調(diào)度綜合服務(wù)[1-2]。

2 設(shè)備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)

塔山礦設(shè)備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)主要是從設(shè)備協(xié)調(diào)管控系統(tǒng)、安全生產(chǎn)智能調(diào)度、煤流運(yùn)輸設(shè)備在線診斷、大型機(jī)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)集成展示五個方面進(jìn)行建設(shè)。

2.1 設(shè)備協(xié)同管控系統(tǒng)

設(shè)備協(xié)同管控系統(tǒng)主要包含四部分，主煤流實(shí)時監(jiān)測、協(xié)同管控模型、模型訓(xùn)練、歷史記錄四個部分。

協(xié)同管控模型：將底層復(fù)雜的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)形式統(tǒng)一封裝成上層抽象資源；將設(shè)備管理與生產(chǎn)管理相結(jié)合；將每一個設(shè)備管理層次視作一個設(shè)備智能協(xié)同管控模塊；將物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中礦山生產(chǎn)設(shè)備的各種時間和空間功能服務(wù)與信息服務(wù)，按照業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行流程組合與任務(wù)編排，從而建立礦山物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)設(shè)備多級協(xié)同管控模型。

模型訓(xùn)練：利用煤流運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行信息、設(shè)備故障信息、環(huán)境安全信息等各方面的歷史數(shù)據(jù)，通過多智能體學(xué)習(xí)訓(xùn)練，生成設(shè)備協(xié)同管控模型；將設(shè)備實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后輸入到訓(xùn)練好的設(shè)備協(xié)同管控模型，實(shí)現(xiàn)在線智能決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)協(xié)同管控任務(wù)調(diào)度，如圖1。

圖1 協(xié)同管控模型訓(xùn)練示意圖

2.2 安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)

面向多生產(chǎn)場景的礦山安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)是在生產(chǎn)資源模型和生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建智能調(diào)度算法，為塔山礦井下安全生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度輔助決策提供參考。

2.3 煤流運(yùn)輸設(shè)備在線診斷系統(tǒng)

塔山礦煤流運(yùn)輸設(shè)備在線診斷系統(tǒng)主要包括一部皮帶系統(tǒng)和二部皮帶系統(tǒng)。分析界面主要包含核心傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)、系統(tǒng)實(shí)時的健康狀態(tài)、實(shí)時的能量轉(zhuǎn)換效率，并統(tǒng)計(jì)了一段時間內(nèi)的健康狀態(tài)。皮帶檢測算法模型如圖2。

圖2 皮帶檢測算法模型示意圖

2.4 大型機(jī)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)

2.4.1 通風(fēng)機(jī)

塔山礦主通風(fēng)系統(tǒng)分析界面分為兩部分：實(shí)時監(jiān)測和風(fēng)機(jī)狀態(tài)分析。其中實(shí)時監(jiān)測界面，用戶通過左側(cè)模型樹定位具體的部件模型，并同時顯示該部件傳感器的實(shí)時數(shù)據(jù)。風(fēng)機(jī)狀態(tài)分析界面，主要通過圖表的分析展示了風(fēng)機(jī)的核心傳感器的實(shí)時數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)曲線。系統(tǒng)10 s計(jì)算一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，并實(shí)時更新知識界面。塔山礦主通風(fēng)電機(jī)故障診斷模型如圖3。

圖3 主通風(fēng)電機(jī)故障診斷模型示意圖

2.4.2 提升機(jī)

提升機(jī)的界面主要包含了基本的傳感器數(shù)據(jù)以及實(shí)施的穩(wěn)態(tài)工況，直觀地表達(dá)出當(dāng)前提升機(jī)的健康狀態(tài)以及能量轉(zhuǎn)換效率。提升機(jī)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)故障分析診斷模型如圖4。

圖4 提升機(jī)故障分析診斷模型

2.5 應(yīng)用系統(tǒng)集成展示

應(yīng)用系統(tǒng)集成展示主要包括以下幾方面：（1）定時任務(wù)管理：定時任務(wù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)處理的定時執(zhí)行；（2）緩存管理：緩存管理將系統(tǒng)經(jīng)常使用的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存中，便于前端展示界面實(shí)時調(diào)用；（3）數(shù)據(jù)采集管理：數(shù)據(jù)采集管理實(shí)現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)的實(shí)時采集；（4）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理將系統(tǒng)接入的自動化實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行單位、設(shè)備、傳感器編碼統(tǒng)一，便于算法及實(shí)時展示界面調(diào)用；（5）門戶管理：用戶點(diǎn)擊左側(cè)系統(tǒng)管理功能菜單，進(jìn)入系統(tǒng)管理，系統(tǒng)管理主要維護(hù)系統(tǒng)的用戶、權(quán)限、sql監(jiān)控、用戶操作日志、菜單管理等基礎(chǔ)功能。

3 系統(tǒng)技術(shù)分析

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集管理、統(tǒng)一的算法集成、統(tǒng)一身份服務(wù)實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理和信息綜合展現(xiàn)。系統(tǒng)由采集層、存儲計(jì)算層、服務(wù)層、應(yīng)用層四個層面組成。

系統(tǒng)向下采集數(shù)據(jù)，向上為算法提供支撐，最終通過三維可視化進(jìn)行效果展示。通過采集層實(shí)現(xiàn)從自動化集成監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；在存儲計(jì)算層中的數(shù)據(jù)存儲、備份、清洗進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲；通過服務(wù)層各類服務(wù)組件，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)底層業(yè)務(wù)的統(tǒng)一處理；最終應(yīng)用層通過統(tǒng)一應(yīng)用門戶集成設(shè)備在線診斷、協(xié)同管控與系統(tǒng)智能調(diào)度的綜合服務(wù)三維可視化的統(tǒng)一對外發(fā)布。

3.1.2 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖5。

圖5 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意圖

在技術(shù)架構(gòu)上，平臺需要具備采集設(shè)備、傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)的能力，需要具備支撐非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲、計(jì)算和處理能力，滿足不同類型數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的并發(fā)訪問和響應(yīng)時間的要求，滿足煤礦企業(yè)靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及各類在線監(jiān)測監(jiān)控類數(shù)據(jù)進(jìn)行煤礦大數(shù)據(jù)分析。

因此平臺具備以下能力：（1）數(shù)據(jù)采集：對于實(shí)時傳輸型的數(shù)據(jù)，基于OPC、SOCKET等技術(shù)開發(fā)前端數(shù)據(jù)接收模塊，將采集數(shù)據(jù)生成統(tǒng)一格式的中間結(jié)果文件后，通過MATT協(xié)議傳輸給平臺采集層；（2）數(shù)據(jù)存儲：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用hive、spark、storm等方式存儲，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用hbase、文件服務(wù)器等方式進(jìn)行存儲；（3）批量計(jì)算：大規(guī)模并行批處理作業(yè)的分布式計(jì)算，主要是1}iIR和Spark等計(jì)算框架；（4）實(shí)時/準(zhǔn)實(shí)時計(jì)算：平臺具備針對海量數(shù)據(jù)毫秒級/秒級處理能力，主要采用funk和SparkStreaming等計(jì)算框架；（5）查詢技術(shù)：平臺可通過Kafka，SQL客戶端、文件等方式提供數(shù)據(jù)查詢能力；（6）擴(kuò)展性設(shè)計(jì)：通過X86服務(wù)器構(gòu)建規(guī)?；阂詫?shí)現(xiàn)架構(gòu)的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，以便今后面臨業(yè)務(wù)發(fā)展和應(yīng)用拓展帶來的數(shù)據(jù)增長時，可以方便地進(jìn)行硬件擴(kuò)容，保障存儲和處理性能線性提升。

3.1.3 數(shù)據(jù)流向

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖6。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖

系統(tǒng)首先從自動化集成監(jiān)控平臺采集算法需要的自動化實(shí)時數(shù)據(jù)，統(tǒng)一進(jìn)入邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)采集端進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲計(jì)算，最后將實(shí)時數(shù)據(jù)或計(jì)算后結(jié)果提供各類應(yīng)用。

3.1.4 前端開發(fā)

系統(tǒng)前端展示，結(jié)合扁平化和三維的理念，通過vue和canvas技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三維展示效果。系統(tǒng)前端采用Web SCADA圖形組態(tài)可視化編輯器平臺，實(shí)現(xiàn)Web化的2D和3D工業(yè)監(jiān)控可視化維護(hù)系統(tǒng)平臺。用戶在云端直接進(jìn)行矢量行業(yè)圖標(biāo)編輯、三維模型擺放、場景構(gòu)建及量測數(shù)據(jù)綁定配置，一鍵式無縫發(fā)布到桌面和移動終端，實(shí)現(xiàn)純HTMLS一體化的開發(fā)流程平臺，具有輕量、高效、易用和跨平臺等特性。

Canvas技術(shù)不約束用戶后臺框架，不限制通訊方式和傳輸格式，加上基于純HTMLS的跨平臺特性，能靈活適應(yīng)各行業(yè)架構(gòu)需求，作為輕巧的圖形組件可集成到任何行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。

系統(tǒng)前端提供了通用組件、圖表組件、拓?fù)浣M件到三維組件，組件間可無縫融合嵌套，所有組件內(nèi)置都已支持、自動適配桌面和移動觸屏交互體驗(yàn)。

系統(tǒng)前端所有組件采用局部刷新、批量聚合、圖像緩存、極少化DOM元素等，圖形優(yōu)化（內(nèi)存//CPU/GPU）等技術(shù)，使組件皆可承受上萬甚至幾十萬以上圖元量，上萬的表格數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D元和儀表圖表承載力，更好地適應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代需求。

系統(tǒng)前端組件可與多種第三方GIS地理信息平臺無縫融合，實(shí)現(xiàn)宏觀場景和局部設(shè)備相配合的2D/3D可視化。

3.2 現(xiàn)場部署情況

系統(tǒng)現(xiàn)場部署情況：服務(wù)器地址128.127.30.73，系統(tǒng)各部分程度運(yùn)行路徑見表1。

4 結(jié)論

設(shè)備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)已在塔山礦建設(shè)完成，系統(tǒng)運(yùn)行情況總體良好，功能技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)實(shí)施后，該煤礦可以對設(shè)備實(shí)現(xiàn)協(xié)同管控、在線診斷與智能調(diào)度服務(wù)，有效提高了設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)的安全性和可靠性。