面向露天場(chǎng)景的礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊云協(xié)同架構(gòu)*

馬文靜， 楊 林， 徐加利， 楊志勇

(①中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院，100102，北京市；②山東能源集團(tuán)有限公司，250014，山東省濟(jì)南市；③新疆天池能源責(zé)任有限公司，831799，新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州)

0 引 言

當(dāng)前，隨著全球范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的蓬勃興起，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)力量.煤礦工業(yè)作為我國能源支柱產(chǎn)業(yè)，具有開采環(huán)境復(fù)雜，機(jī)械化程度高，業(yè)務(wù)管控要求高等特點(diǎn)，使得具備獨(dú)特的行業(yè)屬性和特點(diǎn).礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是與煤炭等礦產(chǎn)行業(yè)緊密相關(guān)的全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈互聯(lián)體系，實(shí)現(xiàn)煤炭等礦產(chǎn)采掘生產(chǎn)、洗選加工、運(yùn)輸銷售、使用以及安全監(jiān)管、企業(yè)決策、生態(tài)影響等關(guān)鍵要素的數(shù)字化全面連接.相比于傳統(tǒng)的礦產(chǎn)智能化應(yīng)用，礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更注重強(qiáng)化各類要素的連接與融合，頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)變得尤為重要.

本文開展面向露天礦用場(chǎng)景的智能化礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系研究，通過強(qiáng)化邊緣平臺(tái)、礦區(qū)組網(wǎng)以及礦用中心平臺(tái)等的邊云協(xié)同能力建設(shè)，推進(jìn)以煤礦為重點(diǎn)的礦山高質(zhì)量開采和建設(shè)工作.

1 礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀

2020年，王國法院士提出了智能化煤礦總體技術(shù)架構(gòu)[1]，涉及設(shè)備感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用層4層架構(gòu)，但主要聚焦于智能化煤礦標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，并未涉及邊云協(xié)同相關(guān)內(nèi)容.文獻(xiàn)[2]提出了煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體框架，把煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分成了設(shè)備感知層、IaaS層、PaaS層、SaaS層4層架構(gòu)，但設(shè)備感知層僅是作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，需要把采集數(shù)據(jù)上傳至云端處理.這種處理方式不僅對(duì)礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境有著較高的安全性和穩(wěn)定性要求，而且對(duì)于各類突發(fā)事故難以做到實(shí)時(shí)處理.文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于邊緣云協(xié)同計(jì)算的智慧礦山架構(gòu)，聚焦采用OPC UA協(xié)議，解決系統(tǒng)內(nèi)部信息孤島問題，采用TSN協(xié)議，構(gòu)建高質(zhì)量的實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)，較好地解決了工業(yè)自動(dòng)化控制與大帶寬網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，但未能體現(xiàn)云邊協(xié)同的概念，尤其是未能解決煤炭工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的智能化操作問題.文獻(xiàn)[4]提出了基于“邊緣端、霧端和云端”3級(jí)彈性體系架構(gòu)，較好地體現(xiàn)了邊云協(xié)同架構(gòu)和智能化操作特性，但仍把主要計(jì)算能力放在云端處理，缺乏對(duì)于邊緣設(shè)備能力提升的描述.針對(duì)智能礦山應(yīng)用，文獻(xiàn)[5]提出了針對(duì)礦用工業(yè)的移動(dòng)邊緣計(jì)算MI-MEC系統(tǒng)架構(gòu).在該架構(gòu)中，數(shù)據(jù)發(fā)送至本地MEC服務(wù)器，并把超大數(shù)據(jù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)到云.相比于傳統(tǒng)的云計(jì)算，MI-MEC架構(gòu)有著較低的時(shí)延，但對(duì)通信組網(wǎng)的能力仍有較高的要求，通過精準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)部署，實(shí)現(xiàn)的MI-MEC系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理和控制.

2 現(xiàn)狀問題綜析

文獻(xiàn)[2-3]和文獻(xiàn)[5]提出的針對(duì)智慧礦山的邊緣計(jì)算解決方案，是在露天礦場(chǎng)內(nèi)建立邊緣數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)礦用設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和操作，不僅要求作業(yè)人員具備較高的操作能力，而且還應(yīng)保證礦區(qū)具備低時(shí)延、高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，才能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)地遠(yuǎn)程操作.為此，本文構(gòu)建了一種涵蓋邊緣平臺(tái)、礦區(qū)組網(wǎng)以及礦用云平臺(tái)的邊云系統(tǒng)架構(gòu)，能夠提升礦用設(shè)備的實(shí)時(shí)感知和處理能力，降低因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn).

3 礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體設(shè)計(jì)要求

露天礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

(1)為保障煤炭安全生產(chǎn)環(huán)境，礦山應(yīng)盡可能采用無人操作和有人值守相結(jié)合的業(yè)務(wù)模式；

(2)應(yīng)遵循邊云協(xié)同的架構(gòu)體系，采用邊緣平臺(tái)、中心平臺(tái)邊云雙層架構(gòu)模式，增強(qiáng)礦用邊緣設(shè)備的感知、計(jì)算、控制能力，提升智能礦山設(shè)備智能化水平；

(3)應(yīng)根據(jù)露天礦用的不同場(chǎng)景，靈活選用有線通信、無線通信等多種技術(shù)，滿足礦用設(shè)備通信聯(lián)網(wǎng)需求.

4 礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)組成如圖1所示，各部分簡要說明如下：

圖1 露天礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

(1)礦用作業(yè)設(shè)備

礦用作業(yè)設(shè)備是指用于露天礦產(chǎn)開采的傳統(tǒng)設(shè)備，通常包括破碎機(jī)、挖掘機(jī)、運(yùn)輸卡車等.

(2)礦用邊緣平臺(tái)

礦用邊緣平臺(tái)通常集成于各類礦用作業(yè)設(shè)備中，用于輔助各類礦用設(shè)備自主執(zhí)行各種作業(yè)任務(wù)，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)，向礦用中心平臺(tái)發(fā)送接管請(qǐng)求，由遠(yuǎn)程人工操作替代當(dāng)前自動(dòng)操作.

(3)露天礦區(qū)組網(wǎng)

露天礦區(qū)組網(wǎng)是指依托礦用無線和有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類礦用邊緣平臺(tái)與礦用中心平臺(tái)間數(shù)據(jù)通信，負(fù)責(zé)把車輛基本狀態(tài)、無人操作狀態(tài)、環(huán)境感知信息和礦區(qū)關(guān)鍵位置、視頻監(jiān)控信息等數(shù)據(jù)回傳至中心平臺(tái)；把中心平臺(tái)確定作業(yè)任務(wù)、參考路徑、車輛控制命令等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給邊緣平臺(tái).

(4)礦用中心平臺(tái)

礦用中心平臺(tái)通常指露天礦用中心監(jiān)控與資源調(diào)度平臺(tái)，包括礦用云平臺(tái)的支撐硬件和礦用云平臺(tái)2部分內(nèi)容.

5 礦用邊緣平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 概述

露天礦用邊緣平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示，組成說明如下：

圖2 露天礦用邊緣平臺(tái)架構(gòu)

(1)礦用邊緣硬件

礦用邊緣硬件是指部署在各類礦用設(shè)備上，用于執(zhí)行各類自動(dòng)化礦用操作以及與其相關(guān)的智能計(jì)算、處理、存儲(chǔ)等硬件.

(2)礦用設(shè)備邊緣操作子平臺(tái)(簡稱“操作平臺(tái)”)

該平臺(tái)組件面向爆破、采剝、破碎等精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的礦用操作，提供基于強(qiáng)實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)功能，達(dá)到高可靠、高安全性的要求，滿足礦用設(shè)備在操作環(huán)境下個(gè)性化的功能需求.

(3)礦用設(shè)備邊緣聯(lián)網(wǎng)子平臺(tái)(簡稱“聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)”)

由于網(wǎng)絡(luò)存在一定的延遲和干擾，針對(duì)礦用設(shè)備協(xié)同、聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等非實(shí)時(shí)操作，需采用一套滿足非實(shí)時(shí)性、高性能計(jì)算需求的平臺(tái)架構(gòu)組件，滿足礦用設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維監(jiān)測(cè)、調(diào)度管理等聯(lián)網(wǎng)需求.

(4)邊緣網(wǎng)關(guān)

在露天礦用場(chǎng)景中，邊緣網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能聯(lián)接物理和數(shù)字世界，提供輕量化的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接管理，智能地執(zhí)行礦用設(shè)備與中心平臺(tái)、礦用邊緣平臺(tái)之間的組網(wǎng)通信功能.

(5)礦用工業(yè)總線

礦用工業(yè)總線是指解決各類礦用生產(chǎn)設(shè)備的傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置、計(jì)算存儲(chǔ)硬件等的控制信息傳遞以及數(shù)字通信等的專用工業(yè)數(shù)據(jù)總線，可分為實(shí)時(shí)控制總線和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸總線等.

(6)時(shí)鐘基準(zhǔn)模塊

時(shí)鐘基準(zhǔn)模塊是一個(gè)產(chǎn)生精準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的組件，可提供包含頻率、周期、抖動(dòng)、漂移等參考指標(biāo)，用以實(shí)現(xiàn)礦用設(shè)備各類采集信號(hào)、控制信號(hào)、執(zhí)行信號(hào)的同步管理.

5.2 邊緣硬件

按照功能，礦用邊緣硬件分為以下3類：

(1)邊緣感知硬件

邊緣感知硬件是指用于感知礦用作業(yè)環(huán)境的設(shè)備，包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、各類傳感器、圖像采集設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備等[6].

(2)邊緣處理硬件

邊緣處理硬件是指用于計(jì)算、處理和存儲(chǔ)各類邊緣感知硬件的設(shè)備，包括計(jì)算芯片、存儲(chǔ)芯片、圖像處理芯片、數(shù)據(jù)采集卡、AI芯片等[7].

(3)邊緣控制硬件

邊緣控制硬件是指用于控制礦用設(shè)備的啟動(dòng)、操作、動(dòng)力供給等生產(chǎn)作業(yè)的硬件[8-9]，包括PLC控制器、伺服電機(jī)、車載控制總線等.

5.3 操作平臺(tái)

操作平臺(tái)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，部署于礦用作業(yè)設(shè)備控制硬件，保障礦用作業(yè)設(shè)備控制的實(shí)時(shí)性與功能安全性，按照功能劃分可分為基礎(chǔ)軟件層、實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境以及軟件服務(wù)層.

(1)基礎(chǔ)軟件層

基礎(chǔ)軟件層位于操作平臺(tái)的底層，提供標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)功能以及功能接口，通過對(duì)邊緣控制硬件、邊緣處理硬件等進(jìn)行抽象描述，實(shí)現(xiàn)底層硬件接口的規(guī)范化和統(tǒng)一化，具備指令、響應(yīng)和數(shù)據(jù)相分離的消息機(jī)制.基礎(chǔ)軟件層對(duì)各種基礎(chǔ)軟件功能模塊以服務(wù)的形式進(jìn)行封裝，供上層應(yīng)用調(diào)用.服務(wù)封裝模塊可分為系統(tǒng)服務(wù)、內(nèi)存服務(wù)和通信服務(wù)等模塊.基礎(chǔ)軟件層包括復(fù)雜驅(qū)動(dòng)，為難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一封裝的復(fù)雜硬件與上層應(yīng)用之間的訪問通信提供支持，可以直接訪問各類礦用控制設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)涉及到嚴(yán)格時(shí)序問題的復(fù)雜傳感器和控制器操作.

(2)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境

實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境在軟件架構(gòu)中介于應(yīng)用服務(wù)層和基礎(chǔ)軟件層之間，主要用于為應(yīng)用服務(wù)層的軟件組件間通信以及應(yīng)用服務(wù)層與基礎(chǔ)服務(wù)層的軟件組件間通信提供服務(wù)支持.

(3)應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層的功能由各應(yīng)用軟件組件實(shí)現(xiàn).組件中封裝了部分或者全部的礦用設(shè)備電子功能，包括對(duì)其功能的具體實(shí)現(xiàn)以及描述，與礦用設(shè)備硬件系統(tǒng)沒有直接連接.應(yīng)用軟件組件應(yīng)封裝一段標(biāo)準(zhǔn)的可執(zhí)行程序，具有標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序接口，通過實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行通信以及訪問基礎(chǔ)軟件組件的各種資源.

5.4 聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與操作平臺(tái)相比，實(shí)時(shí)性要求較弱，但在保證一定功能安全等級(jí)的基礎(chǔ)上，支持高性能處理能力和智能互聯(lián)應(yīng)用功能的開發(fā)，彌補(bǔ)操作平臺(tái)缺陷，提供更好的靈活性和計(jì)算能力.

聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)共分為3層：平臺(tái)支撐層、平臺(tái)運(yùn)行層、應(yīng)用服務(wù)層，功能簡要描述如下：

(1)平臺(tái)支撐層

平臺(tái)支撐層基于云化的平臺(tái)，采用輕量級(jí)的Hypervisor虛擬層架構(gòu)，支持對(duì)各類計(jì)算、存儲(chǔ)芯片進(jìn)行虛擬化操作，實(shí)現(xiàn)彈性化的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源管理，可提供進(jìn)程管理、通信服務(wù)、執(zhí)行管理、診斷管理等多種基礎(chǔ)服務(wù)模塊和規(guī)范化API接口，支持上層應(yīng)用服務(wù)調(diào)用.

(2)平臺(tái)運(yùn)行層

平臺(tái)運(yùn)行層負(fù)責(zé)管理平臺(tái)支撐層各類基礎(chǔ)服務(wù)模塊的API接口，提供調(diào)用服務(wù)，同時(shí)定義操作系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)與POSIX,Linux等其他操作系統(tǒng)的適配，供上層應(yīng)用程序使用.

(3)應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層包括運(yùn)行在聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的一系列智能應(yīng)用軟件組件，可支持通過遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)分發(fā)等方式，實(shí)現(xiàn)中心云平臺(tái)的各類應(yīng)用服務(wù)在聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的加載和部署.

5.5 礦用邊緣網(wǎng)關(guān)

邊緣網(wǎng)關(guān)可以直接集成在礦用設(shè)備中，或者采用標(biāo)準(zhǔn)化的插槽進(jìn)行安裝. 架構(gòu)如圖3所示.

圖3 邊緣網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

(1)設(shè)備側(cè)接口

設(shè)備側(cè)接口是指連接礦用邊緣硬件的內(nèi)部接口，可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景需求，靈活適配串行接口、工業(yè)以太網(wǎng)接口以及現(xiàn)場(chǎng)總線接口等多種標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議.

(2)網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口

網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口是指用于對(duì)外連接至礦用組網(wǎng)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)與礦用中心平臺(tái)或者其他礦用設(shè)備之間協(xié)同通信所需的接口，可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景需求，靈活適配以太網(wǎng)接口、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、自組網(wǎng)、WIFI或者WIA-PA,PON 等多種標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議.

(3)網(wǎng)絡(luò)功能

邊緣網(wǎng)關(guān)所實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能覆蓋以下內(nèi)容，在使用過程中，可根據(jù)具體要求進(jìn)行裁剪適配.

a)接入功能

邊緣網(wǎng)關(guān)應(yīng)支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)連接.當(dāng)邊緣網(wǎng)關(guān)建立了一條以上網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，應(yīng)支持不同網(wǎng)絡(luò)連接之間數(shù)據(jù)的完全隔離.

b)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能

邊緣網(wǎng)關(guān)應(yīng)支持把設(shè)備側(cè)接入的各類協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)側(cè)所要求的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)，應(yīng)采用軟硬件協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換.

c)調(diào)制解調(diào)功能

具備無線傳輸能力的邊緣網(wǎng)關(guān)，應(yīng)具備把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到載波信號(hào)上，并通過射頻傳送到接收端進(jìn)行解調(diào).

d)信道編碼功能

具備無線傳輸能力的邊緣網(wǎng)關(guān)，應(yīng)具備傳輸數(shù)據(jù)的編碼糾錯(cuò)能力.

e)組網(wǎng)功能

邊緣網(wǎng)關(guān)可具備礦用設(shè)備組網(wǎng)能力，即邊緣網(wǎng)關(guān)之間的組網(wǎng)通信能力.邊緣網(wǎng)關(guān)應(yīng)支持根據(jù)作業(yè)需要，合理進(jìn)行任務(wù)分配和組網(wǎng)，支持礦用設(shè)備終端間的數(shù)據(jù)交互.

f)網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能

邊緣網(wǎng)關(guān)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信需求，可用于為聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的各類計(jì)算、存儲(chǔ)、控制硬件，提供統(tǒng)一的虛擬化資源技術(shù)和調(diào)度機(jī)制，便于各類資源的協(xié)調(diào)管理.

g)多模態(tài)工作

邊緣網(wǎng)關(guān)應(yīng)支持橋接、路由或橋接/路由混合等多工作模式.

5.6 礦用工業(yè)總線

圍繞著露天礦用場(chǎng)景的特殊需求，針對(duì)日益復(fù)雜的礦用電子通信系統(tǒng)架構(gòu)和拓?fù)溥B接，開展礦用工業(yè)總線的設(shè)計(jì)，從智能重構(gòu)、終端數(shù)目、實(shí)時(shí)性等方面，改進(jìn)和提升現(xiàn)有各類現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議. 礦用工業(yè)總線按照功能可分為實(shí)時(shí)控制工業(yè)總線和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸總線兩部分，可考慮基于SPE,AUTBUS等工業(yè)總線協(xié)議實(shí)現(xiàn).

5.7 時(shí)鐘基準(zhǔn)模塊

通過采用北斗GNSS授時(shí)、IEEE 1588精準(zhǔn)時(shí)鐘協(xié)議PTP等軟硬件相結(jié)合的時(shí)鐘同步技術(shù)，為礦用邊緣硬件、操作平臺(tái)、聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及礦用工業(yè)總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍峁┩綍r(shí)鐘信號(hào).

6 礦區(qū)組網(wǎng)架構(gòu)方案

6.1 概述

露天礦場(chǎng)景下的作業(yè)流程具有多工種聯(lián)合流水作業(yè)特點(diǎn)，需要多種設(shè)備參與. 設(shè)備之間的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試配合度要求較高，信息傳輸須及時(shí)、準(zhǔn)確. 同時(shí)，管理部門、經(jīng)營分析部門及其他生產(chǎn)輔助環(huán)節(jié)又存在指揮、管理、分析等需求，優(yōu)先考慮建立穩(wěn)定高效的通訊網(wǎng)絡(luò).

6.2 組網(wǎng)架構(gòu)

礦區(qū)組網(wǎng)通信包括無線組網(wǎng)和有線組網(wǎng)2類，可提供授時(shí)、導(dǎo)航、定位、廣播、通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù). 其中，無線組網(wǎng)主要是指無線接入的網(wǎng)絡(luò)部分，可根據(jù)實(shí)際礦用需求，靈活選擇合適的無線頻譜技術(shù)(參見表1)和組網(wǎng)方案，建設(shè)礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng). 有線組網(wǎng)應(yīng)基于標(biāo)準(zhǔn)化集成系統(tǒng)，提供使露天礦各種有線和無線設(shè)備相互連接的服務(wù)，應(yīng)綜合考慮礦山結(jié)構(gòu)、采礦設(shè)備構(gòu)成和規(guī)模、采礦方案等要素，進(jìn)行母線拓?fù)洹h(huán)狀拓?fù)?、星狀拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)?、鏈狀拓?fù)涞炔煌負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的有線網(wǎng)絡(luò)部署.

表1 無線組網(wǎng)頻譜列表

續(xù)表1 無線組網(wǎng)頻譜列表

典型的礦用組網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)包括礦用設(shè)備(內(nèi)置通信模組)、專用網(wǎng)關(guān)/專用基站、礦用云(數(shù)據(jù))中心、用戶終端設(shè)備等，具體見圖4.

圖4 礦用組網(wǎng)架構(gòu)圖

(1) 礦用作業(yè)設(shè)備

礦用作業(yè)設(shè)備應(yīng)加載邊緣網(wǎng)關(guān)，即專用的通信模組，支持實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)的對(duì)外傳輸和交互. 通信模組可支持多種頻段技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同制式的組網(wǎng)通信. 各頻段應(yīng)用情況參見表1. 礦用作業(yè)設(shè)備應(yīng)部署邊緣平臺(tái)系統(tǒng)，自適應(yīng)選擇相應(yīng)的頻段技術(shù)，對(duì)外傳輸數(shù)據(jù)信息.

(2) 專用網(wǎng)關(guān)或者專用基站

專用網(wǎng)關(guān)/專用基站作為發(fā)送和接收相應(yīng)頻率信號(hào)的無線通信接入和交換設(shè)備，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收相應(yīng)頻段的通信數(shù)據(jù)，通過局域自組網(wǎng)、蜂窩通信、衛(wèi)星通信、光纖以太網(wǎng)等方式，傳輸至礦用中心平臺(tái).

(3) 礦用云數(shù)據(jù)中心

礦用云數(shù)據(jù)中心作為支撐礦用中心平臺(tái)建設(shè)、運(yùn)維的基礎(chǔ)設(shè)施，負(fù)責(zé)各類礦區(qū)數(shù)據(jù)信息的采集、處理、交互、分析與決策等. 用戶終端是指連接至礦用云數(shù)據(jù)中心，支持各類應(yīng)用服務(wù)的通信設(shè)備.

7 礦用中心平臺(tái)架構(gòu)方案

7.1 概述

礦用中心平臺(tái)包括礦用云服務(wù)支撐硬件和礦用云服務(wù)平臺(tái)2部分，具體如下頁圖5所示.

圖5 礦用中心平臺(tái)架構(gòu)

7.2 礦用云服務(wù)支撐設(shè)備

礦用云服務(wù)支撐設(shè)備是指支撐實(shí)現(xiàn)礦區(qū)三維視圖、動(dòng)態(tài)巡檢服務(wù)、礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)等各類礦用SaaS服務(wù)所需要的硬件設(shè)備.與礦用作業(yè)設(shè)備不同，礦用服務(wù)支撐硬件與生產(chǎn)作業(yè)無關(guān)，而是用于礦用云服務(wù)平臺(tái)所提供的各類智能化服務(wù).為實(shí)現(xiàn)露天礦用場(chǎng)景下各類信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)等的有效關(guān)聯(lián)、協(xié)同處理，應(yīng)構(gòu)建礦用云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)采掘過程控制、設(shè)備運(yùn)維管理、安全預(yù)警等通用服務(wù)的優(yōu)化管控[10-13].

7.3 礦用云服務(wù)平臺(tái)

礦用云服務(wù)平臺(tái)作為各類露天礦用數(shù)據(jù)采集、傳輸、邊緣處理、存儲(chǔ)、計(jì)算等的集成平臺(tái)，對(duì)下應(yīng)兼容露天礦山應(yīng)用中各類信息化子系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程工況數(shù)據(jù)及報(bào)警信息進(jìn)行監(jiān)控；對(duì)上應(yīng)支持各類大數(shù)據(jù)分析及人工智能技術(shù)在露天礦用場(chǎng)景的應(yīng)用，提供基礎(chǔ)的運(yùn)行環(huán)境及服務(wù).

礦用云服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)如圖5所示，由露天礦用IaaS層、PaaS層、Saas層構(gòu)成，各部分說明如下：

(1)露天礦用IaaS層

露天礦用IaaS層負(fù)責(zé)執(zhí)行中心平臺(tái)硬件層的設(shè)備接入、數(shù)據(jù)協(xié)議解析與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與匯聚等功能；通過采用虛擬機(jī)或者容器等虛擬化技術(shù)，統(tǒng)一管理服務(wù)器、硬盤存儲(chǔ)介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等各類物理硬件實(shí)體，為露天礦用企業(yè)構(gòu)建虛擬計(jì)算資源池、虛擬存儲(chǔ)資源池、虛擬網(wǎng)絡(luò)資源池.

(2)露天礦用PaaS層

露天礦用PaaS層按照功能分為APaaS和IPaaS兩部分.

APaaS介于PaaS層和SaaS層之間，負(fù)責(zé)為SaaS層各類服務(wù)提供所需的中間件集成、數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)支撐等功能，用于各類SaaS應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)打通、軟件業(yè)務(wù)開發(fā)等.

IPaaS介于PaaS層與IaaS之間，負(fù)責(zé)執(zhí)行SaaS層、APaaS層各類應(yīng)用服務(wù)的全生命周期管理和基礎(chǔ)環(huán)境部署支撐.

(3)露天礦用SaaS層

露天礦用SaaS層基于礦用云基礎(chǔ)設(shè)施，可提供專業(yè)的SaaS服務(wù)，涉及礦區(qū)三維建模、設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)度與運(yùn)維、礦用無人采掘與運(yùn)輸、人員定位與通信服務(wù)等多種服務(wù).

8 總結(jié)與展望

目前，我國礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)尚處于初級(jí)發(fā)展階段.相比于井工礦而言，露天礦產(chǎn)由于具備開采較為簡單，投資較少、產(chǎn)量高、運(yùn)營成本低、工作面大，方便使用各類大型開采裝備等特點(diǎn)，使其較為容易地開展礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)工作.

本論文圍繞著露天礦產(chǎn)典型應(yīng)用場(chǎng)景，提出了礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，構(gòu)建涵蓋礦用邊緣平臺(tái)、礦區(qū)組網(wǎng)、礦用中心平臺(tái)等關(guān)鍵要素的邊云協(xié)同架構(gòu).該架構(gòu)通過在礦用邊緣設(shè)備上集成感知、計(jì)算、存儲(chǔ)、控制等于一體的軟硬件系統(tǒng)，較好地提升礦用邊緣設(shè)備在執(zhí)行各類復(fù)雜礦用操作時(shí)的實(shí)時(shí)處理能力和智能化水平；通過礦用獨(dú)立專網(wǎng)組網(wǎng)，在保障安全可靠的前提下，滿足露天礦區(qū)各項(xiàng)服務(wù)的通信需求；礦用中心平臺(tái)則作為中心調(diào)度管理服務(wù)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)露天礦用場(chǎng)景下各類信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)等的有效關(guān)聯(lián)、協(xié)同處理以及規(guī)范化的應(yīng)用服務(wù)，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、傳輸時(shí)延高、平臺(tái)服務(wù)混亂等突出問題提供了解決方案，有助于我國礦用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)整體的協(xié)同發(fā)展，加快我國以煤礦為重點(diǎn)的礦山開采和建設(shè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí).