鄭莊煤礦智能礦山創(chuàng)新建設(shè)探索與實踐

柴鳳良

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部鄭莊煤礦，山西 晉城 048000）

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團鄭莊煤礦為400 萬t/a 大型現(xiàn)代化煤礦，配套建設(shè)相同規(guī)模的選煤廠。從2016 年起，鄭莊煤礦就提出了智慧礦山建設(shè)目標(biāo)[1-3]，主要包括生產(chǎn)智能控制、安全大數(shù)據(jù)預(yù)測預(yù)警、軟件平臺開發(fā)和示范工程建設(shè)。按照“6+1+1”總體建設(shè)理念，搭建智能化礦井總體架構(gòu)?！?”是指6 個“一”，即：一個標(biāo)準（統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口與編碼標(biāo)準），一個中心（智能化礦井運營管理中心），一個數(shù)據(jù)庫（統(tǒng)一計算存儲管理庫），一個平臺（綜合管控信息平臺），一朵云（礦山云服務(wù)平臺），一系列裝備（諸多智能化子系統(tǒng)與裝備）；第一個“1”是指一張網(wǎng)，全面感知與高速傳輸網(wǎng)絡(luò)；第二個“1”是指一張圖，即煤礦地理信息系統(tǒng)。智能化礦井總體架構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 智能化礦井總體架構(gòu)示意圖

智能化礦井建設(shè)以煤礦綜合管控信息平臺建設(shè)為核心，打通數(shù)據(jù)鏈條、貫穿業(yè)務(wù)流程、統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準；以基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為前提，為智能化系統(tǒng)提供完善的信息傳輸、數(shù)據(jù)存儲、安全防護能力；以業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)為主干，全面提升礦井自動化、信息化、智能化水平。

2 智能化礦井實施方案

2.1 萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)建設(shè)

萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)采用三環(huán)加支線的有線架構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和井下WiFi 無線通信系統(tǒng)的混合架構(gòu)。從大巷、運輸巷一直延伸到工作面，為各個子系統(tǒng)接入提供千兆網(wǎng)絡(luò)接口，滿足多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全、穩(wěn)定、高效傳輸。萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)建成后，各個智能化礦井建設(shè)中的子系統(tǒng)全部以網(wǎng)絡(luò)接口方式接入萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

2.2 關(guān)鍵區(qū)域5G 通信建設(shè)

應(yīng)用無線傳感器通過5G 網(wǎng)絡(luò)對采煤環(huán)境的智能感知，視頻監(jiān)控或智能巡視機器人的動態(tài)監(jiān)測，由采煤裝備自動獨立完成煤炭開采。智能化礦井5G 網(wǎng)絡(luò)智能感知示意圖如圖2。

圖2 智能化礦井5G 網(wǎng)絡(luò)智能感知示意圖

2.3 私有云平臺建設(shè)

采用虛擬化云平臺方式建設(shè)，滿足多套業(yè)務(wù)系統(tǒng)云上運行環(huán)境要求。增強數(shù)據(jù)中心可管理性，提高應(yīng)用兼容性和可用性，加速應(yīng)用部署，提升硬件資源利用率，降低能源消耗，動態(tài)伸縮，滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用隨時增長。

2.4 大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)（DAAS）

包含9 個子平臺：大數(shù)據(jù)交換匯集平臺、大數(shù)據(jù)治理平臺、大數(shù)據(jù)存儲計算平臺、大數(shù)據(jù)智能運維平臺、大數(shù)據(jù)智能分析平臺、大數(shù)據(jù)可視化平臺、大數(shù)據(jù)知識認知平臺、大數(shù)據(jù)應(yīng)用駕駛艙、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)。

2.5 運營管理中心建設(shè)

運營管理中心建設(shè)是實現(xiàn)云化架構(gòu)下所有運行系統(tǒng)的集中運維管理工作。

3 智能化礦井平臺設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)接口建設(shè)

綜合管控信息平臺與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口主要是通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換與信息共享，要求在網(wǎng)絡(luò)級和串口級提供多種符合國際主流標(biāo)準的接口方式，便于各種子系統(tǒng)接入。當(dāng)前子系統(tǒng)有以下PLC 接入、上位機接入、以太網(wǎng)接入、OPC 通信、驅(qū)動通信5種接入方式，如圖3、圖4。

圖3 PLC 接入結(jié)構(gòu)圖

圖4 上位機接入結(jié)構(gòu)圖

3.2 智能礦山統(tǒng)一門戶建設(shè)

（1）建立一個統(tǒng)一的監(jiān)控、安全、生產(chǎn)、經(jīng)營等信息綜合管理門戶平臺，提供統(tǒng)一信息訪問入口和系統(tǒng)運行管理。

（2）在一張時空三維地圖上，實現(xiàn)直觀管理、透明管理，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計打造一個基于數(shù)據(jù)匯總、加工、分析于一體的安全生產(chǎn)調(diào)度管理門戶。

（3）一張圖綜合信息展示：① 基于遙感影像一張圖展示企業(yè)基本情況，用文字、圖片介紹煤礦地址、性質(zhì)、業(yè)務(wù)范圍等企業(yè)信息。② 以礦井地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，對礦井的空間位置數(shù)據(jù)分析坐標(biāo)定位。③ 利用礦井導(dǎo)航定位功能動態(tài)查詢顯示礦井的重要基礎(chǔ)信息。④ 基于礦井GIS 一張圖實現(xiàn)礦井分布。⑤ 基于一張圖遙感影像與地形圖疊加，反映井上下對應(yīng)關(guān)系。⑥ 基于一張圖遙感影像宏觀反映全礦井安全生產(chǎn)重要指標(biāo)及當(dāng)前礦井動態(tài)診斷安全狀況。⑦ 生產(chǎn)協(xié)同一張圖。建立生產(chǎn)空間數(shù)據(jù)庫，將地測、通風(fēng)、機電、生產(chǎn)等專業(yè)圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理。⑧ 經(jīng)營管理一張圖。建立經(jīng)營基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，在一張圖基礎(chǔ)上實現(xiàn)產(chǎn)銷存和人財物統(tǒng)一數(shù)據(jù)顯示。⑨ 安全評估一張圖?；诘V井GIS 一張圖動態(tài)顯示生產(chǎn)企業(yè)安全狀況，實時分析評估安全動態(tài)自動評價打分。⑩ 應(yīng)急救援一張圖?；谌V井一張圖建立應(yīng)急值守、應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急處置、應(yīng)急救援、應(yīng)急管理等。

3.3 智能礦山生產(chǎn)管控

智能礦山生產(chǎn)管控應(yīng)用信息技術(shù)、自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)和煤礦生產(chǎn)工藝技術(shù)對礦井生產(chǎn)過程實現(xiàn)全面監(jiān)控，運用G1S 三維可視化和AI 技術(shù)對系統(tǒng)設(shè)備進行建模仿真，通過對采掘生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、機電運輸監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)運行狀態(tài)、參數(shù)等數(shù)據(jù)進行集中展示，實現(xiàn)對各系統(tǒng)集中監(jiān)控和高效聯(lián)動，建立采掘、機運、分選等系統(tǒng)的過程管理和3D 再現(xiàn)實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)仿真，通過趨勢、報警、報表、分析等方式實現(xiàn)管理駕駛艙。

3.4 智能礦山安全管控

智能礦山安全管控包括：安全監(jiān)測監(jiān)控、火災(zāi)束管監(jiān)測、人員定位、井下應(yīng)急廣播、水文監(jiān)測、智能雙控、智能應(yīng)急指揮。

（1）安全監(jiān)測監(jiān)控。采集井下瓦斯數(shù)據(jù)，同時設(shè)置限值，對超限或異常監(jiān)測點進行報警，及時提醒相關(guān)部門采取應(yīng)對措施。實時上傳監(jiān)控數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、設(shè)備故障信息等數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)情況，及時向相關(guān)監(jiān)管人員及數(shù)據(jù)監(jiān)控異常區(qū)域進行聯(lián)動報警提示。對各監(jiān)控節(jié)點進行全壽命管理，對即將達到或已達到壽命周期監(jiān)控節(jié)點進行報警，以便相關(guān)管理人員及時進行更換。

（2）火災(zāi)束管監(jiān)測。通過獲取火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對所有井下氣體火情數(shù)據(jù)的監(jiān)測與智能分析。

（3）人員定位。通過獲取人員定位系統(tǒng)中數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對所有人員位置數(shù)據(jù)的監(jiān)測與智能分析。① 實時監(jiān)控井下人員信息，相關(guān)管理人員隨時隨地了解井下作業(yè)人員變化情況。② 動態(tài)展示實時井下人數(shù)曲線，讓管理人員對井下各班次人數(shù)變化情況了如指掌，防止各班次入井人數(shù)超過規(guī)定人數(shù)。③ 對當(dāng)班人員進行動態(tài)監(jiān)控，如果其未出現(xiàn)在工作區(qū)域，而是在別的區(qū)域，則實時報警，以便相關(guān)管理人員及時掌握井下人員動態(tài)。④ 對人員誤入危險區(qū)域或關(guān)鍵區(qū)域?qū)崟r報警，防止意外人身傷亡事故發(fā)生。

（4）井下應(yīng)急廣播。提供專門的井下應(yīng)急廣播圖層，支持二維、三維、圖表形式實時顯示所有廣播設(shè)備運行情況、安設(shè)位置，采用調(diào)用廣播預(yù)案的方式，向現(xiàn)場發(fā)送緊急指令。

（5）水文監(jiān)測。實時監(jiān)測井田范圍內(nèi)各含水層的水位和水溫，監(jiān)測井下各涌水地點的水量和水溫，監(jiān)測地面河流的水位和水溫，實現(xiàn)超限報警，建立水文動態(tài)觀測數(shù)據(jù)庫。

（6）智能雙控。系統(tǒng)融合接入已建設(shè)的智能“雙控”安全管理系院，實現(xiàn)安全風(fēng)險分級管控、隱患排查治理、不安全行為管控、開工許可證簽批、規(guī)程措施審批等功能。結(jié)合煤礦“一張圖”展示區(qū)域風(fēng)險分布、隱患合賬、管控記錄，融合安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，動態(tài)評估顯示全礦與各區(qū)域安全風(fēng)險水平。

（7）智能應(yīng)急指揮。智能應(yīng)急指揮包含應(yīng)急預(yù)案管理、救援隊伍管理、救援裝備管理、應(yīng)急救援案例、智能避災(zāi)路線分析、應(yīng)急演練計劃等功能，實現(xiàn)應(yīng)急指揮從預(yù)案到演練、到救援、到全面管理。

3.5 智能礦山經(jīng)營管控

智能礦山經(jīng)營管控平臺可以展示全礦經(jīng)營管控數(shù)據(jù)。建設(shè)機電設(shè)備管理系統(tǒng)對全礦井資產(chǎn)信息進行維護記錄，在設(shè)備全生命周期過程中所產(chǎn)生的有關(guān)設(shè)備業(yè)務(wù)信息，可通過自動更新或手動記錄方式在設(shè)備檔案中體現(xiàn)，并且可對設(shè)備資產(chǎn)凈值按月進行計算，達到一定凈值金額后，進行報廢流程處理等。

3.6 智能分析

將人工智能（AI）引入智能輔助決策業(yè)務(wù)場景，在基礎(chǔ)設(shè)施、調(diào)度管理、計算框架、模型算法、系統(tǒng)管理、服務(wù)管理的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練模型、發(fā)布模型，使模型發(fā)布后與具體的綜合管控信息平臺功能進行對接，實現(xiàn)人員行為分析、安全動態(tài)分析、設(shè)備能耗分析、大型機電設(shè)備健康診斷分析、設(shè)備壽命周期預(yù)測、視頻AI 分析、語音AI 分析等功能。

4 效果

鄭莊煤礦智慧礦山的建設(shè)和應(yīng)用，大幅度提高了煤礦生產(chǎn)效率，降低了煤礦企業(yè)安全管理成本，安全水平躍上了一個新的臺階。智慧礦山的建設(shè)，能夠適應(yīng)煤礦安全工作新形勢的需要。該系統(tǒng)以災(zāi)害預(yù)防、事故救助、電子信息化管理為主要目標(biāo)，提高安全管理效率，滿足安全策略綜合性、預(yù)見性、跨區(qū)域管理要求，為井下安全生產(chǎn)管理提供實時、可靠的技術(shù)保障。