智能礦山建設(shè)規(guī)劃思路及建議探析

龍楓

神華神東煤炭集團(tuán)布爾臺(tái)煤礦 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209

引言

智能礦山建設(shè)代表著先進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展方向，是實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，已經(jīng)在煤炭行業(yè)形成廣泛共識(shí)。智能礦山是基于現(xiàn)代智慧理念，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人、智能裝備、5G等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成礦山全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)。

1 智能礦山

智能礦山以信息化建設(shè)為基礎(chǔ)，以自動(dòng)化建設(shè)為手段，融合5G 通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能傳感、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，最大限度地減少井下作業(yè)人數(shù)，改善礦井員工作業(yè)環(huán)境，提高工作效率，并打造跨系統(tǒng)多維度的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，為管理層制定礦井發(fā)展方向與決策提供可靠數(shù)據(jù)支持。智能礦山建設(shè)技術(shù)架構(gòu)包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)支撐層和應(yīng)用層。感知層將前端感知的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)等通過(guò)串口、網(wǎng)關(guān)、PLC、綜合分站、移動(dòng)設(shè)備等進(jìn)行集中采集。傳輸層利用井上下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、視頻專網(wǎng)、4G/5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)層按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)。平臺(tái)支撐層基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)分析等，提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐服務(wù)、數(shù)據(jù)管理支撐服務(wù)、數(shù)據(jù)共享與交換服務(wù)、應(yīng)用與分析支撐服務(wù)。應(yīng)用層提供面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的服務(wù)，主要包括基于時(shí)空 GIS“一張圖”的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于時(shí)空 GIS“一張圖”的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)及綜合決策大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并通過(guò)調(diào)度大屏、PC 應(yīng)用端、門戶網(wǎng)站、移動(dòng) APP等方式進(jìn)行展示，PC 應(yīng)用端、門戶網(wǎng)站和移動(dòng)APP均可基于權(quán)限控制實(shí)現(xiàn)煤礦不同用戶需求[1]。

2 智能礦山建設(shè)中存在的問(wèn)題

a.思想認(rèn)識(shí)不足、重視程度不夠。一線生產(chǎn)礦井的從業(yè)人員對(duì)智能礦山建設(shè)重視程度不夠，僅僅滿足于安全生產(chǎn)前提下完成生產(chǎn)任務(wù)，對(duì)智能化、信息化工作還停留在表面。b.政策支持力度不足，導(dǎo)向作用不明顯。政府、企業(yè)檢查、考核多注重安全、效益、產(chǎn)量，對(duì)智能化技術(shù)、設(shè)備應(yīng)用情況沒(méi)有相應(yīng)的考核、激勵(lì)機(jī)制。c.目前智能化水平，特別是煤炭行業(yè)的智能化技術(shù)、設(shè)備還不能很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。由于煤炭行業(yè)屬于特殊行業(yè)，能夠適用行業(yè)的平臺(tái)、裝備還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，受限于防爆性能要求，能夠應(yīng)用于煤炭行業(yè)的平臺(tái)、技術(shù)、設(shè)備一般都落后最新技術(shù)，其功能、性能與礦井實(shí)際需求還有一定差距。d.智能礦山建設(shè)成本高。新的智能化、信息化技術(shù)、設(shè)備成本本身較高，加之煤炭行業(yè)的特殊要求，這些技術(shù)、設(shè)備應(yīng)用于智能礦山建設(shè)中后成本進(jìn)一步提高，導(dǎo)致部分效益差的礦井無(wú)法建設(shè)智能礦山。e.智能礦山建成后的運(yùn)維困難。智能礦山勢(shì)必會(huì)應(yīng)用大量先進(jìn)的智能化、信息化技術(shù)、設(shè)備，導(dǎo)致的直接后果一是智能礦山建成后運(yùn)維成本增加；二是雖然可以減少崗位作業(yè)人員、改善工作環(huán)境，但是專業(yè)的運(yùn)維人員缺乏，會(huì)對(duì)智能礦山運(yùn)維造成困難[2]。

3 智能礦山建設(shè)規(guī)劃思路

針對(duì)智能礦山規(guī)劃及建設(shè)，大多數(shù)配套服務(wù)廠商智能化升級(jí)方向，均是以信息化集成等統(tǒng)籌規(guī)劃方案為主；而各煤機(jī)應(yīng)用及制造企業(yè)，則重點(diǎn)以發(fā)展單機(jī)裝備的智能化為突破口。致使工藝及其設(shè)備合理銜接、能效匹配方面缺乏分析，容易形成各個(gè)子系統(tǒng)之間、各工藝銜接之間、上下游設(shè)備之間各自為營(yíng)的局面。若沒(méi)有統(tǒng)籌的設(shè)備、工藝規(guī)劃改進(jìn)分析，企業(yè)就會(huì)有可能在日后造成重復(fù)投資，因此，重點(diǎn)要打破各子系統(tǒng)之間各自為營(yíng)的“視野局限”，并納入規(guī)劃當(dāng)中。針對(duì)智能化升級(jí)改造，首先要實(shí)現(xiàn)以子系統(tǒng)或單機(jī)裝備為代表的獨(dú)立生產(chǎn)單元的智能化；其次要將各個(gè)關(guān)聯(lián)工藝子系統(tǒng)之間、上下游設(shè)備之間的銜接，實(shí)現(xiàn)多機(jī)裝備智能化協(xié)同聯(lián)動(dòng)；最后是實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的智能決策[3]。

4 智能礦山建設(shè)規(guī)劃建議

4.1 框架設(shè)計(jì)

通過(guò)梳理當(dāng)前煤炭行業(yè)智能化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，基于“全局優(yōu)化、區(qū)域分級(jí)、多點(diǎn)協(xié)同”的控制模式，將煤炭生產(chǎn)、通風(fēng)、運(yùn)輸、供電、排水、洗選等合成為統(tǒng)一的整體，打造高效、智能、綠色、安全的煤礦開發(fā)總體框架體系。a.設(shè)備感知層。設(shè)備感知層是以物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為核心，主要通過(guò)移動(dòng)設(shè)備、多功能分站將礦井前端感知到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管控?cái)?shù)據(jù)、安全環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、智能化應(yīng)用和成果數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集，是智能礦山的支撐體系。b.網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是設(shè)備感知層和數(shù)據(jù)支撐層的橋梁，主要是利用井下視頻有限專網(wǎng)、有限、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(5G、WiFi)等將設(shè)備感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。c.數(shù)據(jù)支撐層。數(shù)據(jù)支撐層是由煤炭企業(yè)基礎(chǔ)信息、共享交換信息、業(yè)務(wù)信息、物聯(lián)網(wǎng)信息、互聯(lián)網(wǎng)信息建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用融合。d.數(shù)據(jù)可視層。在智能礦山系統(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，智能礦山系統(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)。e.應(yīng)用決策層。應(yīng)用決策層是面向不同業(yè)務(wù)部門實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)，通過(guò)透明地質(zhì)信息、智能生產(chǎn)、智能運(yùn)輸、智能分選加工、智能調(diào)度管理來(lái)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)閉環(huán)管理、智慧決策支持和深度應(yīng)用，并通過(guò)PC應(yīng)用端、移動(dòng)APP、調(diào)度大屏、門戶網(wǎng)站多種方式進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)企業(yè)不同用戶需求。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

為了對(duì)智能礦山建設(shè)的成本進(jìn)行有效的控制，相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)人必須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)引起重視。首先應(yīng)該實(shí)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，保證礦山建設(shè)的規(guī)范性。另外作為一個(gè)開放性的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，應(yīng)該給如今的“智能礦山”系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的接入端口，從而方便用戶對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行增加、刪除、接入等。還需要對(duì)如今的“智能礦山”的關(guān)鍵技術(shù)、平臺(tái)等創(chuàng)建一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從而打通產(chǎn)業(yè)鏈的上下游。標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)對(duì)于礦山物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)是非常重要的一點(diǎn)，除了可以控制成本以外，還可以優(yōu)化對(duì)礦山的控制和運(yùn)行管理，節(jié)省大量的人力，從而為企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 供電智能化

煤礦變電所已實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。變電所引進(jìn)軌道式智能巡檢機(jī)器人，按預(yù)設(shè)時(shí)間定時(shí)巡檢變電所各高壓柜運(yùn)行狀態(tài)及周圍環(huán)境，解決固定視頻監(jiān)控死角問(wèn)題；可與自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)某臺(tái)高壓柜發(fā)生故障時(shí)，機(jī)器人自行移動(dòng)至柜前進(jìn)行巡查；可對(duì)高壓柜合閘操作人員進(jìn)行人臉識(shí)別確認(rèn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的操作票制度；可對(duì)高壓柜操作情況進(jìn)行視頻錄像，在員工因操作失誤造成事故后，可查看監(jiān)控視頻進(jìn)行追查；監(jiān)測(cè)到環(huán)境氣體超限時(shí)，可自動(dòng)切斷供電電源。

4.4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中數(shù)據(jù)可靠傳輸至關(guān)重要，傳統(tǒng)的有線傳輸方式明顯不符合旨在實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中需要建立傳輸速率快、時(shí)延低、可靠性高的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前5G技術(shù)商用已經(jīng)有了成熟案例，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能礦山建設(shè)應(yīng)用中，可以建設(shè)礦井私有的5G網(wǎng)絡(luò)，井上下1個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，同時(shí)建設(shè)井上下全覆蓋的高速WiFi網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦井設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、使用、回收、維修、二次發(fā)放、報(bào)廢等信息的實(shí)時(shí)、全面采集，達(dá)到設(shè)備全生命周期管理的目標(biāo)。設(shè)備全生命周期管理是礦井無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個(gè)方面，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)還可用于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員手持終端與智能礦山監(jiān)控、管理平臺(tái)之間的通訊等等。

4.5 割煤自動(dòng)化

自動(dòng)化割煤通過(guò)示范刀學(xué)習(xí)記錄工作面的輪廓，并可以自動(dòng)重復(fù)學(xué)習(xí)割煤過(guò)程中的滾筒軌跡。適用于煤層穩(wěn)定，頂?shù)装灞容^平整穩(wěn)定，周期來(lái)壓穩(wěn)定的工作面。自動(dòng)化割煤使用2個(gè)傾角傳感器跟蹤2個(gè)搖臂的高度，每個(gè)搖臂使用一個(gè)傾角傳感器，通常在電控箱內(nèi)部也安裝有傾角傳感器，用來(lái)跟蹤煤機(jī)的俯仰和搖擺角度，結(jié)合軟件處理可以不受坡度和搖擺角度影響。自動(dòng)化割煤使用傳感器來(lái)采集煤機(jī)信息，在顯示計(jì)算機(jī)屏幕顯示。顯示計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的信息顯示界面，2個(gè)搖臂傾角傳感器安裝在搖臂側(cè)面，俯仰和搖擺的傾角傳感器安裝在電控箱內(nèi)。記憶割煤首先要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，先進(jìn)行一個(gè)完整循環(huán)的示范刀學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行記憶割煤，最后從工作面的一個(gè)端頭開始，按照實(shí)際采煤工藝完成整個(gè)工作面割煤的一個(gè)循環(huán)，在同一端頭結(jié)束。在示范刀割煤時(shí)，操作人員需要根據(jù)工作面煤層變化情況人為調(diào)整滾筒位置，控制器通過(guò)監(jiān)測(cè)搖臂傳感器的角度變化來(lái)確定滾筒位置，并根據(jù)左右牽引部旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)自動(dòng)計(jì)算采煤機(jī)的位置，同時(shí)控制器會(huì)記錄采煤機(jī)在工作面內(nèi)的任一位置對(duì)應(yīng)的滾筒高度參數(shù)。

4.6 加強(qiáng)信息化人才培養(yǎng)

礦山企業(yè)屬于資源性的企業(yè)，僅僅依靠資源生存，而不增加產(chǎn)品的附加值，利潤(rùn)空間將被客戶不斷壓低，為了突破傳統(tǒng)產(chǎn)品的制約，這需要大量的技術(shù)型人才參與技術(shù)研發(fā)。信息化的建設(shè)降低管理成本和風(fēng)險(xiǎn)，可以直接提升產(chǎn)品的利潤(rùn)空間，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；所以礦山企業(yè)的信息化建設(shè)顯得尤為重要。信息化建設(shè)難度系數(shù)就比較高，倘若內(nèi)部人才資源匱乏將影響整體建設(shè)質(zhì)量，所以還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)信息化人才隊(duì)伍建設(shè)，應(yīng)定期對(duì)內(nèi)部人員進(jìn)行技能培訓(xùn)，不斷豐富他們的理論知識(shí)和提高工作經(jīng)驗(yàn)，信息化建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，也能夠在第一時(shí)間內(nèi)采取措施予以解決，將經(jīng)濟(jì)損失降到最低。要注重溝通銜接、強(qiáng)化崗位交流和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，可以說(shuō)溝通是促進(jìn)信息化建設(shè)的必要條件，這樣才能夠發(fā)揮信息化建設(shè)的作用和價(jià)值，為后續(xù)工作順利展開創(chuàng)下良好的條件。同時(shí)，也要加強(qiáng)人員職業(yè)道德和綜合素養(yǎng)培養(yǎng)，只有高素質(zhì)、高技能人才才能夠?yàn)樾畔⒒ㄔO(shè)注入活力，當(dāng)然，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人員要提高自身綜合能力，這樣才能夠調(diào)動(dòng)其他工作人員的積極性，更好的展開信息化建設(shè)。

4.7 注重礦山監(jiān)測(cè)監(jiān)管

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富且地域廣闊，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)理念與技術(shù)已無(wú)法快速做出有效全面的監(jiān)測(cè)。但隨著傳統(tǒng)的3S技術(shù)不斷豐富和完善，并融合其他技術(shù)，可對(duì)礦山實(shí)時(shí)高效的信息化并三維可視化，通過(guò)對(duì)比分析不同時(shí)相的高分辨率遙感影像，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)礦產(chǎn)資源開采變化情況，對(duì)礦區(qū)活動(dòng)精準(zhǔn)識(shí)別，為自然資源管理部門管理礦山及礦權(quán)企業(yè)提供決策輔助，為后續(xù)構(gòu)建生態(tài)化礦山打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大型礦山類企業(yè)的智能化建設(shè)，提出了智能礦山建設(shè)規(guī)劃思路及建議，智能化升級(jí)將是一個(gè)長(zhǎng)久的持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，并不是一次達(dá)標(biāo)驗(yàn)收工程。在各大礦山企業(yè)經(jīng)歷智能化升級(jí)的漫漫長(zhǎng)征路之后，終將實(shí)現(xiàn)單機(jī)裝備智能、相關(guān)聯(lián)的多機(jī)裝備智能化協(xié)同、智能決策的無(wú)人或少人化生產(chǎn)最終目標(biāo)。