煤礦智能化綜合管控平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李慶振 吳敬建

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

隨著物聯(lián)網(wǎng)與5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普及，信息技術(shù)與制造業(yè)的融合程度逐步加深，各國參與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的國際競爭日趨激烈。為搶抓新一輪工業(yè)革命機(jī)遇，我國正在加速發(fā)展與應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字驅(qū)動的工業(yè)新生態(tài)[1]，而智慧礦山建設(shè)理念的出現(xiàn)為確保煤礦行業(yè)在日益激烈的國際市場競爭中保持核心的競爭力、提高煤礦企業(yè)的信息化與智能化水平創(chuàng)造了理論基礎(chǔ)[2-3]。

我國在煤礦智能化建設(shè)方面進(jìn)展迅速，在項(xiàng)目運(yùn)營管理、資源分配、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面已經(jīng)取得較為明顯的成果，但目前國內(nèi)外在智慧礦山建設(shè)方面的研究并不成熟，許多煤礦企業(yè)都建設(shè)了綜合自動化平臺對各個自動監(jiān)測監(jiān)控、工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行了集成，但這種集成僅是將原本獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的集中展示，系統(tǒng)間聯(lián)動困難形成數(shù)據(jù)孤島，更無法進(jìn)行深層次的挖掘分析[4-6]?；诖?，通過研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理念與體系架構(gòu)基礎(chǔ)，提出了基于“數(shù)據(jù)全面感知采集-數(shù)據(jù)寫入與標(biāo)準(zhǔn)化-模型算法耦合挖掘-大數(shù)據(jù)分析-智能綜合管控”理念的智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)此方案，在霄云煤礦已有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了智能綜合管控平臺建設(shè)，為智慧煤礦建設(shè)與發(fā)展提供了參考。

1 智慧煤礦管控平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

2018 年5 月1 日，國家標(biāo)準(zhǔn)《智慧煤礦信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 34679-2017）正式開始實(shí)施，標(biāo)志著智慧煤礦概念開始以國家標(biāo)準(zhǔn)的形式落地推廣。

基于此規(guī)范，可將現(xiàn)今已經(jīng)成熟的多種智能技術(shù)與煤礦生產(chǎn)建設(shè)中的方方面面進(jìn)行深入融合，以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同化、系統(tǒng)一體化和技術(shù)智能化為原則[3]，研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)主體架構(gòu)如圖1。該架構(gòu)利用5G 技術(shù)、大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)建智慧煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)采用最新的互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)防護(hù)，制定智慧煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全管理規(guī)范，建立智慧煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全運(yùn)維體系，確保智慧煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全可信運(yùn)行。

圖1 智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)主體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)主體架構(gòu)從下到上分為邊緣層、IaaS 層、管理服務(wù)平臺層、應(yīng)用服務(wù)層四個層次。

第一層為邊緣層，通過對現(xiàn)場中的大范圍、深層次的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。一是通過各類通信手段接入不同系統(tǒng)與設(shè)備，采集大量數(shù)據(jù)；二是依托協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和邊緣集成；三是利用智能組件實(shí)現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)的匯聚處理，并將數(shù)據(jù)向云端平臺集成。

第二層是IaaS 層，利用云基礎(chǔ)設(shè)施，基于虛擬化、分布式存儲、并行計(jì)算、負(fù)載調(diào)度等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源的池化管理，主要包含網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲等方面，確保資源使用的安全與隔離，為用戶提供云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

第三層是管理服務(wù)平臺層，基于通用PaaS 疊加大數(shù)據(jù)處理、工業(yè)數(shù)據(jù)分析、工業(yè)微服務(wù)等創(chuàng)新功能，構(gòu)建可擴(kuò)展的開放式云操作系統(tǒng)。一是通過通用PaaS 平臺進(jìn)行資源部署與管理；二是利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對煤礦現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、標(biāo)準(zhǔn)化處理、管理、分析等；三是通過理論機(jī)理對大數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，或利用智能算法進(jìn)行計(jì)算等，對智慧煤礦現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行深入耦合挖掘與分析；四是借助微服務(wù)組件和工業(yè)應(yīng)用開發(fā)工具構(gòu)建應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。

第四層是應(yīng)用服務(wù)層，結(jié)合煤礦行業(yè)的工作環(huán)境形成滿足該行業(yè)的工業(yè)SaaS 和工業(yè)APP，實(shí)現(xiàn)智慧煤礦行業(yè)的基本功能。

2 霄云煤礦智能綜合管控平臺建設(shè)

2.1 綜合管控平臺建設(shè)

霄云煤礦位于濟(jì)寧市霄云鎮(zhèn)境內(nèi)，隸屬于濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司，核定生產(chǎn)能力90 萬t/a，服務(wù)年限41 a。霄云煤礦以子系統(tǒng)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、數(shù)據(jù)中心建設(shè)為基礎(chǔ)，以平臺建設(shè)為中心，通過各類數(shù)據(jù)的全面感知和采集，構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析指標(biāo)庫和知識庫，利用模型和算法的緊密耦合對數(shù)據(jù)深入挖掘，最終打造出智能化煤礦綜合管控平臺。

（1）子系統(tǒng)建設(shè)

為實(shí)現(xiàn)信息的綜合采集，同時(shí)完善各類子系統(tǒng)建設(shè)并接入大數(shù)據(jù)分析平臺，研發(fā)團(tuán)隊(duì)按功能板塊劃分共接入生產(chǎn)類子系統(tǒng)14 個、管理類子系統(tǒng)11個、安全類子系統(tǒng)14 個，為智能綜合管控平臺的集中展示和輔助決策提供數(shù)據(jù)支撐。建設(shè)了綜合自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)囊括了水務(wù)管理系統(tǒng)、主副井提升監(jiān)視系統(tǒng)、通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、全礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)等，通過項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了礦井大型機(jī)電設(shè)備在調(diào)度室集中監(jiān)控，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控判斷故障、遠(yuǎn)程操控設(shè)備啟停；通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，將雙防系統(tǒng)、礦壓地壓系統(tǒng)、微震監(jiān)測系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員精確定位等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并交換寫入數(shù)據(jù)中心PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫。

（2）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

智慧煤礦綜合管控平臺網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中通過利用已建成的監(jiān)測監(jiān)控類工業(yè)環(huán)網(wǎng)、視頻監(jiān)控和工控類工業(yè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行井上下各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，以2 臺赫斯曼MACH4002 交換機(jī)為核心、以4 臺赫斯曼MSP40 交換機(jī)作為井上接入，以6 臺赫斯曼MSP40交換機(jī)作為井下接入，所有交換機(jī)均采用模塊化設(shè)計(jì)，使用冗余環(huán)形結(jié)構(gòu)構(gòu)建了萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，如圖2 所示。核心交換機(jī)與接入交換機(jī)均為三層交換機(jī)，具備路由功能、冗余功能、vlan 劃分功能，且系統(tǒng)能夠自診斷環(huán)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，自愈時(shí)間＜50 ms。

圖2 工業(yè)環(huán)網(wǎng)冗余環(huán)形結(jié)構(gòu)示意圖

（3）數(shù)據(jù)中心建設(shè)

平臺建設(shè)中使用6 臺服務(wù)器在計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)三個維度上采用分布超融合架構(gòu)構(gòu)建了FusionCube 2000 數(shù)據(jù)中心，以FusionSphere 為核心，以軟件定義的方式整合包括虛擬化計(jì)算、軟件定義存儲以及虛擬網(wǎng)絡(luò)資源，具備硬件解耦能力。它是通過全分布式的架構(gòu)促進(jìn)計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全的IT 服務(wù)大融合，有助于提升系統(tǒng)可靠性與可用性，并具備易于擴(kuò)展的特性。

基于上述子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心建設(shè)，霄云煤礦將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯入數(shù)據(jù)中心，通過對各類數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、規(guī)范存儲、空間時(shí)序分析，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從不同維度對安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度關(guān)聯(lián)分析，為霄云煤礦安全生產(chǎn)輔助決策提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合顯示。大數(shù)據(jù)分析平臺分為智能調(diào)度一張圖、生產(chǎn)決策分析、安全決策分析、預(yù)警預(yù)報(bào)、AI 視頻分析等五大版塊，在平臺中可監(jiān)控和掌握全礦的生產(chǎn)、安全情況以及預(yù)警預(yù)報(bào)的內(nèi)容和執(zhí)行的措施結(jié)果。例如基于已集成的安全、生產(chǎn)、管理各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過對流程自動化配置與預(yù)報(bào)警模型融合，建立了礦井災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警平臺，實(shí)現(xiàn)各類預(yù)警、報(bào)警的自動推送，推送內(nèi)容包括預(yù)警信息、報(bào)警信息、故障處理流程等，同時(shí)實(shí)現(xiàn)PC端和移動端的同步定向推送。

2.2 綜合管控平臺功能模塊簡介

研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用B/S 架構(gòu)建立了煤礦智能綜合管控平臺，整個平臺共分為7大智能化板塊，分別是“智能安全”“智能生產(chǎn)”“智能管理”“三維礦山”“一礦一圖”“多業(yè)務(wù)管控平臺”“大數(shù)據(jù)分析”。

其中智能安全板塊綜合集成井上下各類安全監(jiān)控類子系統(tǒng)的集成監(jiān)控，分為安全管理類、安全監(jiān)控類、災(zāi)害監(jiān)控系統(tǒng)三大部分。智能管理板塊實(shí)現(xiàn)經(jīng)營數(shù)據(jù)、績效數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)展現(xiàn)，為經(jīng)營決策提供參考，為經(jīng)營管理提供依據(jù)，為生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。智能生產(chǎn)板塊對煤礦主要生產(chǎn)系統(tǒng)和輔助生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，以生產(chǎn)為主線，實(shí)現(xiàn)了對綜采工作面、主井煤流、礦井通風(fēng)、電力監(jiān)控等共計(jì)18 個生產(chǎn)類系統(tǒng)的數(shù)字化集成。三維礦山板塊服務(wù)于煤礦的地測、采掘、通防、安全、機(jī)電、監(jiān)測、調(diào)度等多專業(yè)、多用戶的管理需求，在三維環(huán)境中實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)管理、協(xié)同工作等功能。

此外，一礦一圖板塊融合空間數(shù)據(jù)存儲、共享、更新，將采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、安等各專業(yè)整合在一個平臺上協(xié)同辦公；多業(yè)務(wù)管控平臺板塊通過各專業(yè)協(xié)同辦公，打破了專業(yè)壁壘、數(shù)據(jù)孤島，形成面向安全、生產(chǎn)、調(diào)度的協(xié)同管控平臺；大數(shù)據(jù)分析板塊是結(jié)合日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)性監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)建立的安全動態(tài)診斷系統(tǒng)，是集安全決策、生產(chǎn)決策、預(yù)警報(bào)警、AI 視頻、智能調(diào)度于一體決策分析模型及可視化應(yīng)用。

3 結(jié)論

（1）利用多種智能技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，提出了以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同化、系統(tǒng)一體化和技術(shù)智能化為原則，基于“數(shù)據(jù)全面感知采集-數(shù)據(jù)寫入與標(biāo)準(zhǔn)化-模型算法耦合挖掘-大數(shù)據(jù)分析-智能綜合管控”理念的智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

（2）智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)主體架構(gòu)從下到上分為邊緣層、IaaS 層、管理服務(wù)平臺層（工業(yè)PaaS）、應(yīng)用服務(wù)層四個層次，設(shè)計(jì)了各層次包含的關(guān)鍵技術(shù)和主要功能。

（3）結(jié)合霄云煤礦現(xiàn)場實(shí)際情況，從子系統(tǒng)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、數(shù)據(jù)中心建設(shè)三方面構(gòu)建了霄云煤礦智慧礦山綜合管控平臺，以期為類似條件煤礦的智慧化建設(shè)與發(fā)展提供一定借鑒。