智能礦山一體化管控平臺關鍵技術研究

徐華龍

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐，對于提升煤礦安全生產水平、保障煤炭穩(wěn)定供應具有重要意義[1-2]。

2020 年2 月25 日，國家發(fā)展改革委、應急管理部等8 部委聯(lián)合發(fā)布了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，提出了加快我國煤礦智能化發(fā)展的原則、目標、任務和保障措施，明確提出首先建設一批智能化示范煤礦，通過典型示范推動煤礦智能化全面發(fā)展，國家能源局、國家煤礦安全監(jiān)察局已審核確定71 處煤礦，作為國家首批智能化示范建設煤礦。目前，山東、河南、貴州、山西、內蒙古、陜西、寧夏等省份的煤炭主管部門積極出臺相關方案和政策，明確提出要建設智能礦山一體化管控平臺，加快煤礦智能化建設、升級改造[3]。

1 管控平臺含義及要求

智能礦山一體化管控平臺是在統(tǒng)一開發(fā)平臺的框架下，將物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據、人工智能、智能控制等新一代信息技術與煤礦安全、生產、運營管控業(yè)務進行深度融合，基于面向服務的體系架構和“資源化、場景化、平臺化”思想，圍繞監(jiān)測實時化、控制自動化、管理信息化、業(yè)務流轉自動化、知識模型化、決策智能化目標進行相應業(yè)務應用設計，開發(fā)用于煤炭生產、智慧生活、礦區(qū)生態(tài)的智慧礦山生產系統(tǒng)、安監(jiān)系統(tǒng)、智能保障系統(tǒng)、智能決策分析系統(tǒng)、智能經營管理系統(tǒng)、智慧園區(qū)等場景化APP 支持服務，實現(xiàn)煤礦的數(shù)據集成、能力集成和應用集成[4-5]。

由國家能源局下發(fā)的《智能化示范煤礦驗收管理辦法（試行）》文件，對智能礦山一體化管控平臺提出了明確驗收要求：需要建立統(tǒng)一的系統(tǒng)接口標準，基于統(tǒng)一I/O 采集服務設計與實現(xiàn)，具有冗余采集和容錯機制；具有綜合監(jiān)控中心，對“采、掘、機、運、通”等主要生產環(huán)節(jié)、井下環(huán)境安全、人員位置等安全生產實時信息進行綜合集成、聯(lián)動控制與可視化展示；具有大數(shù)據平臺，主要功能包括數(shù)據采集、數(shù)據存儲、數(shù)據服務、數(shù)據管控，將礦井監(jiān)測監(jiān)控類系統(tǒng)、生產執(zhí)行類系統(tǒng)、經營管理類系統(tǒng)的數(shù)據全面場景化接入，實現(xiàn)分析決策與可視化展示；具備數(shù)據分析能力，根據業(yè)務需求構建識別模型、預測模型、控制模型、決策模型，實現(xiàn)模型庫管理；根據監(jiān)測與分析計算結果，進行異常信息報警，能夠將異常信息自動通過電話語音或短信通知相關人員，實現(xiàn)預警、指揮調度與協(xié)同控制[6]。

2 平臺總體架構

智能礦山一體化管控平臺總體架構設計如圖1。

圖1 平臺架構圖Fig.1 Platform architecture diagram

智能礦山一體化管控平臺基于工業(yè)互聯(lián)網和微服務架構設計，以國家能源局《煤礦智能化建設指南》為依據，采用物聯(lián)網、大數(shù)據、云計算、人工智能、移動互聯(lián)等先進技術，平臺采用統(tǒng)一的數(shù)據標準，融合全礦井“人、機、環(huán)、管、控”等業(yè)務系統(tǒng)和數(shù)據資源，構建統(tǒng)一數(shù)據接入平臺、建設統(tǒng)一數(shù)據中臺，提供統(tǒng)一應用開發(fā)平臺和統(tǒng)一應用部署平臺，建立可靠的工業(yè)安全防護機制，實現(xiàn)了各系統(tǒng)之間數(shù)據的互聯(lián)互通與融合共享，全礦井安全生產智能監(jiān)控、智能調度、智能預警和智能決策。

1）感知控制層。利用傳感技術、物聯(lián)網技術、控制技術和邊緣計算技術，全面感知井下人、機、環(huán)等的數(shù)據和狀態(tài)，主要涉及協(xié)議轉換、邊緣數(shù)據處理等。

2）基礎設施層。采用有線、無線相結合，現(xiàn)場總線和網絡通信的方式，上傳下達數(shù)據和命令?；谔摂M化、分布式存儲、并行計算、負載調度等技術，實現(xiàn)網絡、計算、存儲等計算機資源的資源池管理。

3）智能平臺層。智能化礦山云平臺基于統(tǒng)一的數(shù)據標準，向下實現(xiàn)各種感知數(shù)據的接入，向上為智能應用子系統(tǒng)開發(fā)提供統(tǒng)一數(shù)據網關服務、一體化管控服務、智能移動監(jiān)控服務、大數(shù)據分析服務、智能化協(xié)調管理服務等，實現(xiàn)礦山多源異構數(shù)據互聯(lián)互通、多系統(tǒng)融合聯(lián)動與運營控制。

4）決策應用層。面向礦井生產、安全、管理、決策分析實現(xiàn)礦山三維一張圖集中監(jiān)測、大數(shù)據融合分析、生產集中控制，智能終端APP 遠程監(jiān)測監(jiān)管。

3 平臺關鍵技術

3.1 統(tǒng)一數(shù)據中臺技術

礦山統(tǒng)一數(shù)據中臺提供煤炭企業(yè)各類型數(shù)據的采集、存儲、計算、分析、可視化、共享等全生命周期數(shù)據服務，并提供數(shù)據的安全保障服務。采集設備、自動化系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據，接入生產執(zhí)行系統(tǒng)以及其他子系統(tǒng)的實時和離線數(shù)據，構建礦級或者局級數(shù)據中心，實現(xiàn)數(shù)據的互聯(lián)互通，打破數(shù)據孤島，以統(tǒng)一數(shù)據標準為基礎，提供數(shù)據實時計算分析能力和海量數(shù)據處理能力，實現(xiàn)數(shù)據資源的資產化，支撐上層業(yè)務應用和智能化分析服務，為礦井智能化建設提供基礎服務和保障[7]。礦山統(tǒng)一數(shù)據中臺基于Hadoop 架構，針對煤礦應用場景可進行深度定制，提供煤礦專有數(shù)據倉庫和算法服務，并在運維管理、可視化組件封裝、圖形化人機交互方面可進行定制化開發(fā)和集成。數(shù)據中臺架構圖如圖2。

圖2 數(shù)據中臺架構圖Fig.2 Architecture diagram of data center

礦山統(tǒng)一數(shù)據中臺以統(tǒng)一數(shù)據標準和數(shù)據安全防護為基礎，從數(shù)據的處理流程（數(shù)據采集、數(shù)據存儲、數(shù)據處理）和數(shù)據完整生命周期管理2 方面出發(fā)，通過聚合和治理煤礦現(xiàn)有分散獨立的應用系統(tǒng)數(shù)據，打通數(shù)據孤島，形成數(shù)據資產沉淀，將數(shù)據抽象封裝成服務，實現(xiàn)數(shù)據共享，為智能礦山的應用提供基礎數(shù)據支持。

1）應用架構。整個大數(shù)據平臺擁有2 類用戶：數(shù)據管理員和三方數(shù)據應用系統(tǒng)。數(shù)據管理員通過數(shù)據管理功能，對數(shù)據采集、分析、數(shù)據內容進行管理；數(shù)據應用方通過數(shù)據發(fā)布、訂閱功能，申請獲取智能礦山統(tǒng)一數(shù)據中心管理的數(shù)據。

2）技術架構。智能礦山統(tǒng)一數(shù)據中心的核心采用Hadoop 生態(tài)大數(shù)據處理技術，通過Spark 流批一體實現(xiàn)數(shù)據清洗、存儲、統(tǒng)計、分析、建模等相關功能。同時，通過數(shù)據采集、數(shù)據開放服務，將數(shù)據源，數(shù)據處理和數(shù)據服務連接在一起。數(shù)據中臺技術架構圖如圖3。

圖3 數(shù)據中臺技術架構圖Fig.3 Technical architecture of data center

3）數(shù)據架構。數(shù)據架構包含了數(shù)據傳輸架構、數(shù)據存儲架構、數(shù)據服務架構，分別通過不同的工具、技術實現(xiàn)不同場景下的數(shù)據相關功能操作。數(shù)據傳輸包括文件數(shù)據傳輸、數(shù)據庫數(shù)據傳輸和海量結構化數(shù)據傳輸；數(shù)據存儲分為業(yè)務數(shù)據存儲、實時數(shù)據存儲、文件與對象存儲、海量歷史數(shù)據存儲；數(shù)據服務分為數(shù)據檢索服務、數(shù)據模型可視化服務和發(fā)布訂閱服務。數(shù)據中臺數(shù)據架構圖如圖4。

圖4 數(shù)據中臺數(shù)據架構圖Fig.4 Data architecture of data center

3.2 基于三維一張圖的集中監(jiān)測技術

采用跨平臺跨瀏覽器、二三維一體化技術，平臺基于一張井巷工程底圖，融合井下安全監(jiān)控、視頻監(jiān)控、水文監(jiān)測、瓦斯巡檢、智能通風、束管監(jiān)測、光纖測溫、粉塵監(jiān)測、應急廣播、調度通信等給專業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)了采掘工程、機電運輸、一通三防、監(jiān)測監(jiān)控、應急管理、災害預警等信息的三維立體一張圖集中監(jiān)測，各系統(tǒng)設備空間位置及運行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)和井下人員分布情況一目了然，達到全礦井、全要素、三維一張圖立體集中監(jiān)控。全礦井三維一張圖如圖5。

圖5 全礦井三維一張圖Fig.5 One three-dimensional map of the whole mine

1）礦山多源多尺度時空數(shù)據集成技術。針對礦山企業(yè)“采、掘、機、運、通”等各專業(yè)數(shù)據分散、孤立的問題，通過研究礦山多源多尺度時空數(shù)據集成融合技術，建立一套統(tǒng)一的礦山時空數(shù)據集成的標準規(guī)范，基于統(tǒng)一的地理空間參考、對象屬性等關聯(lián)關系，全面整合煤礦數(shù)字地理模型、三維地質模型、三維設備模型、三維環(huán)境模型等，支持fbx、3ds、obj、3DTiles、glTF、點云模型、BIM 模型、傾斜攝影等常見三維數(shù)據格式，同時融合設備位置和姿態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等實時數(shù)據，實現(xiàn)地質信息、工程信息、設備信息的有效融合及高精度建模，形成高精度、透明化的數(shù)字孿生礦山，將原有相互獨立的各類空間數(shù)據和業(yè)務數(shù)據，統(tǒng)一納入煤礦時空數(shù)據中心管理，為煤礦智能礦山一體化管控平臺建設提供全礦井三維一張圖數(shù)據底座[8-9]。

2）井上下三維高精模型輕量化處理技術。由于煤礦井上工業(yè)廣場、井巷工程模型和井下重點區(qū)域設備數(shù)量多、幾何造型復雜，其三維構造模型數(shù)據量極大，模型包含的三角面片數(shù)量可達百萬數(shù)量級，其全尺度高精度數(shù)值仿真模型數(shù)據量通?？蛇_GB 級。然而普通電腦設備尤其是移動設備普遍存在計算性能較低、渲染能力偏低、內存帶寬和容量受限等缺點，與三維場景模型結構復雜、數(shù)據量大的特點存在難以調和的矛盾。提高超大規(guī)模三維模型的傳遞、加載和可視化效率的解決途徑之一就是模型輕量化，即對原始模型數(shù)據進行有效轉換、壓縮與再組織，這一過程能夠顯著降低模型的復雜度與存儲空間，提高繪制時模型加載與初始化的效率。輕量化通常包含模型格式轉換、模型數(shù)據組織、模型分割以及模型數(shù)據壓縮等過程，能夠在滿足誤差要求的條件下對幾何模型面片進行自適應簡化，過濾礦山原始三維模型冗余信息，保留礦山三維模型必要的產品結構和顯示信息等，并通過采用一種具有較高的壓縮比和壓縮效率的模型數(shù)據壓縮算法，減小復雜產品模型的存儲空間占用，實現(xiàn)井上下三維高精模型數(shù)據的簡化和壓縮，以減少三維模型瀏覽需要的工作量。三維模型輕量化處理如圖6。

圖6 三維模型輕量化處理Fig.6 Light weight processing of 3D model

3.3 可視化組態(tài)集中控制技術

可視化組態(tài)集中控制采用可配置的、前后端分離的微服務架構，支持全面的組態(tài)化開發(fā)，支持應用界面與業(yè)務邏輯的快速組態(tài)化構建，能夠滿足各類智能礦山應用的功能與性能需要。應用主流Web 技術，擁有先進、友好的UI，支持多平臺、多終端、多瀏覽器訪問。針對需要遠程監(jiān)測、監(jiān)控的煤礦各子系統(tǒng)可提供實時組態(tài)畫面監(jiān)測，圖形支持局部放大功能?？稍谙到y(tǒng)中定義故障條件，當各系統(tǒng)設備出現(xiàn)故障，符合故障條件后，實時彈出報警窗口，實現(xiàn)主要生產場景的實時數(shù)據監(jiān)控和真實設備運行動畫展示，為用戶提供良好的操作體驗和擴展性。同時，對具有遠程控制功能、通過接口和通信協(xié)議的設備，獲得授權的人員可通過集中控制平臺，可對設備實現(xiàn)遠程開停操作。在綜合管控平臺上通過管理權限，可對相應的自動化系統(tǒng)發(fā)送控制命令，并根據預先設置的控制邏輯關系，實現(xiàn)跨系統(tǒng)的遠程集中控制煤礦生產設備，在具備條件的情況下可實現(xiàn)井下固定場所無人值守。

3.4 多系統(tǒng)多數(shù)據融合聯(lián)動技術

礦山企業(yè)普遍存在安全監(jiān)控、人員定位、視頻監(jiān)控、通信廣播、自動化等各類安全生產系統(tǒng)之間獨立和數(shù)據難以共享利用等問題，通過設計煤礦各安全監(jiān)測應用子系統(tǒng)之間的聯(lián)動模型，實現(xiàn)當?shù)V區(qū)內發(fā)生監(jiān)測報警時，系統(tǒng)將根據報警點的位置自動搜索所在的區(qū)域，自動切換到報警所在區(qū)域，綜合展示報警所在區(qū)域配置的視頻、人員、環(huán)境監(jiān)控、廣播等實時數(shù)據，讓管理者和決策者實時掌握井下監(jiān)測報警的各類數(shù)據。同時，根據報警級別，系統(tǒng)在授權允許情況下可下發(fā)語音廣播通知，與人員定位系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)區(qū)域報警與聯(lián)動。基于“三維一張圖”多系統(tǒng)融合聯(lián)動技術，實現(xiàn)煤礦多系統(tǒng)數(shù)據的預警提醒、報警推送，井下一旦發(fā)生災害報警，系統(tǒng)自動啟動應急預案，自主規(guī)劃避災逃生路線，可與應急廣播、人員定位、視頻監(jiān)控、自動化控制系統(tǒng)進行多系統(tǒng)融合聯(lián)動，指導和幫助井下受災人員快速撤離，達到全礦井安全生產智能監(jiān)控和智能預警。多系統(tǒng)融合聯(lián)動如圖7。

圖7 多系統(tǒng)融合聯(lián)動Fig.7 Multi-system integration and linkage

4 結 語

智能礦山的建設基于工業(yè)互聯(lián)網和微服務架構設計，實現(xiàn)對礦山“人、機、環(huán)、管、控”數(shù)據進行統(tǒng)一標準采集、存儲、計算、管理和數(shù)據共享交換，達到全礦井可視化監(jiān)測、自動化操控和智能化決策服務。針對煤礦建設過程中存在的信息煙囪、子系統(tǒng)及數(shù)據割裂等問題，結合國家能源局下發(fā)的綜合管控平臺驗收辦法，提出了基于工業(yè)互聯(lián)網的智能礦山一體化管控平臺總體架構設計，重點探討和研究了統(tǒng)一數(shù)據中臺、基于三維一張圖的集中監(jiān)測、可視化組態(tài)集中控制、多系統(tǒng)多數(shù)據融合聯(lián)動等關鍵技術，為智能礦山一體化管控平臺建設提供了一種可行技術路線。由于各個煤礦企業(yè)在安全生產和經營管理存在一定的差異性，加上綜合管控平臺承建單位技術和理解不一致，導致現(xiàn)有的智能礦山綜合管控平臺數(shù)據標準和建設內容不統(tǒng)一，是“聚堆”而不是“融合”，無法做到真正的“管”和“控”。因此，需要進一步研究綜合管控平臺統(tǒng)一標準和礦山智能管控相關技術。