智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

王 星，武 講，張 陽(yáng)，談娌娜

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

伴隨新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換和供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的不斷推進(jìn)，礦山運(yùn)行智能化已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)露天礦在設(shè)計(jì)建設(shè)研究、教育科技、礦山開發(fā)等方面的信息化、自動(dòng)化等也得到了一定的發(fā)展[1]。

華能伊敏煤電公司露天礦先后建立了卡車自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)(MIS)、疏干集控系統(tǒng)、破碎-膠帶集控系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)基本處于獨(dú)立運(yùn)行階段，只是通過(guò)MIS系統(tǒng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)綜合性能未能充分發(fā)揮[2]。

白音華三號(hào)露天礦目前建成的信息化系統(tǒng)主要有煤炭生產(chǎn)管理系統(tǒng)、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、電話及對(duì)講機(jī)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，生產(chǎn)管理主要沿用傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)指揮的方式，存在管理效率較低、安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)較大等問(wèn)題[3]。

東露天煤礦目前建成智能卡車調(diào)度系統(tǒng)、鉆機(jī)高精度自動(dòng)布孔導(dǎo)航及深度檢測(cè)系統(tǒng)、炸藥車動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。雖然部分實(shí)現(xiàn)單個(gè)系統(tǒng)、單項(xiàng)技術(shù)的智能化決策和自動(dòng)化運(yùn)行，但缺少統(tǒng)一的管控平臺(tái)對(duì)整個(gè)露天煤礦進(jìn)行調(diào)度、監(jiān)控等[4]。

綜上所述，露天煤礦系統(tǒng)業(yè)務(wù)層次多、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)施途徑也不盡相同，對(duì)露天煤礦科學(xué)、系統(tǒng)、有序的升級(jí)改造工作造成了極大的困難。因此當(dāng)前亟待形成一套智能露天煤礦的管控平臺(tái)，有效的解決信息孤島問(wèn)題，充分有效的利用底層數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)露天智能化建設(shè)。

1 智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)概述

智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)是將大數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)與露天煤礦開采工藝系統(tǒng)深度融合，建設(shè)用于露天煤礦智能化管控的一體化平臺(tái)。平臺(tái)將露天煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，進(jìn)行露天煤礦車輛調(diào)度管理、地質(zhì)資源管理、監(jiān)控與應(yīng)急指揮、原煤生產(chǎn)管理、生產(chǎn)輔助管理、穿爆生產(chǎn)管理和設(shè)備管理全鏈數(shù)據(jù)集成，構(gòu)建露天煤礦智能化應(yīng)用系統(tǒng)的框架，如圖1所示，為逐步實(shí)現(xiàn)露天礦全流程少人化、無(wú)人化生產(chǎn)墊定基礎(chǔ)。

圖1 智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)架構(gòu)

智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)分別包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸、PaaS層(平臺(tái)層)與SaaS層(應(yīng)用層)。采集層是平臺(tái)依托露天煤礦原有生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)露天煤礦各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，例如各類傳感器、監(jiān)控?cái)z像頭、車輛定位終端以及自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端等；傳輸層負(fù)責(zé)封裝傳輸協(xié)議，并保障接入的數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)絇aaS層，并為PaaS層提供訪問(wèn)接口，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)原有系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入功能。

PaaS層包括數(shù)據(jù)服務(wù)與云服務(wù)兩部分，數(shù)據(jù)服務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗以及數(shù)據(jù)質(zhì)量驗(yàn)證后，統(tǒng)一存儲(chǔ)，形成露天礦全礦數(shù)據(jù)湖。并通過(guò)數(shù)據(jù)映射自動(dòng)生成智能應(yīng)用所需的專用數(shù)據(jù)池，基于專用數(shù)據(jù)池進(jìn)行各類智能化分析及計(jì)算，挖掘出數(shù)據(jù)中的露天煤礦業(yè)務(wù)規(guī)律及安全預(yù)警等深層特征信息，以提升信息綜合管控平臺(tái)各個(gè)中心的服務(wù)響應(yīng)速度[5-7]。數(shù)據(jù)服務(wù)主要功能包括露天煤礦數(shù)據(jù)的映射、管理及存儲(chǔ)服務(wù)，并提供數(shù)據(jù)治理、安全加密和數(shù)據(jù)可視化展示服務(wù)。

云服務(wù)以容器化技術(shù)為基礎(chǔ)，借助Docker(應(yīng)用容器引擎)“一次構(gòu)建，任意運(yùn)行”的特點(diǎn)，將智能應(yīng)用的主要功能模塊封裝為獨(dú)立鏡像，形成可快速部署的云服務(wù)智能應(yīng)用架構(gòu)，以降低開發(fā)、維護(hù)成本。同時(shí)形成智能應(yīng)用鏡像庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用鏡像的統(tǒng)一管理、調(diào)用、重組及邊緣部署，為智能應(yīng)用提供彈性、靈活的運(yùn)行環(huán)境和算力支持。

SaaS層主要根據(jù)露天煤礦的實(shí)際業(yè)務(wù)特點(diǎn)，結(jié)合智能化現(xiàn)狀、實(shí)際需求、基礎(chǔ)條件等因素，劃分了三個(gè)中心應(yīng)用，分別從穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸、排棄、原煤生產(chǎn)等核心作業(yè)環(huán)節(jié)梳理，總結(jié)需要自動(dòng)化升級(jí)和智能化改造的功能模塊應(yīng)用，并進(jìn)行系統(tǒng)整體集成，分別為智能三維地質(zhì)中心、智能生產(chǎn)管控中心、綜合安全監(jiān)控與應(yīng)急指揮中心。三個(gè)中心在數(shù)據(jù)上相互共享，在業(yè)務(wù)上相互輔助。

綜上所述，本文利用大數(shù)據(jù)與云服務(wù)技術(shù)搭建了智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)，并結(jié)合露天煤礦智能化具體情況與需求，在平臺(tái)上設(shè)立了三個(gè)應(yīng)用中心，實(shí)現(xiàn)了“一個(gè)平臺(tái)，三個(gè)中心”的露天煤礦核心工藝一體化管控模式。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)

智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)的數(shù)據(jù)主要來(lái)自生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。由于設(shè)備廠家不同，各類系統(tǒng)通信協(xié)議不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式多樣、數(shù)據(jù)采集頻率不同、數(shù)據(jù)時(shí)鐘不一致，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)融合時(shí)需要面對(duì)數(shù)據(jù)接入難度大、數(shù)據(jù)質(zhì)量不可靠以及數(shù)據(jù)時(shí)延不穩(wěn)定等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，依托露天煤礦生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)，制定露天礦數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從數(shù)據(jù)的采集方式、通信協(xié)議、存儲(chǔ)格式、時(shí)鐘同步模式等方面對(duì)進(jìn)行約束，從源頭把控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量，為平臺(tái)上層智能應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)服務(wù)[8]。

2.2 技術(shù)架構(gòu)研究

1)在數(shù)據(jù)交互方面，智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)采用通用ELT工具對(duì)接露天礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)，主要包括Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)、生產(chǎn)圖紙文件以及監(jiān)控視頻；以kafka消息隊(duì)列構(gòu)建數(shù)據(jù)管道，對(duì)接ETL工具與hadoop集群，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)；同時(shí)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、Hadoop集群存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與云服務(wù)的數(shù)據(jù)交互，打通露天礦現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、圖紙、視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)壁壘，整合露天礦數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)了全域數(shù)據(jù)融合。

2)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，平臺(tái)以露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)為主體，結(jié)合智能露天礦信息綜合管理平臺(tái)三大中心，建立一套“一個(gè)數(shù)據(jù)湖，多個(gè)數(shù)據(jù)池”的智能露天煤礦數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)?！耙粋€(gè)數(shù)據(jù)湖”即融合了露天煤礦原有各生產(chǎn)、管理環(huán)節(jié)所有數(shù)據(jù)的海量數(shù)據(jù)庫(kù)；“多個(gè)數(shù)據(jù)池”即根據(jù)三大中心中各類智能應(yīng)用運(yùn)行需要，從數(shù)據(jù)湖中抽取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，形成應(yīng)用專有數(shù)據(jù)池，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)不受系統(tǒng)隔離限制的同時(shí)，保障原有系統(tǒng)和數(shù)據(jù)湖的穩(wěn)定運(yùn)行，并減少數(shù)據(jù)湖的負(fù)載壓力[9，10]。

3)在智能應(yīng)用管理方面，為了簡(jiǎn)化智能應(yīng)用開發(fā)流程，規(guī)范智能應(yīng)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，制定智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)的智能應(yīng)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。首先數(shù)據(jù)管理提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)服務(wù)，并開發(fā)數(shù)據(jù)服務(wù)接口；其次云服務(wù)以Docker+Kubernetes的容器化技術(shù)為核心分別構(gòu)建智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)應(yīng)用中心，實(shí)現(xiàn)管控平臺(tái)智能應(yīng)用快速部署和簡(jiǎn)易化配置[11，12]。

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述智能露天礦基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)的架構(gòu)的搭建，并基于關(guān)鍵技術(shù)的研究，本文提出智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)的主要內(nèi)容如圖2、圖3所示。

圖2 三大中心關(guān)系

圖3 智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)

按照工作業(yè)務(wù)與開采工藝，智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)采用“一個(gè)平臺(tái)，三個(gè)中心”的模式，劃分了三個(gè)中心，分別為智能三維地質(zhì)中心、智能生產(chǎn)管控中心、綜合安全監(jiān)控與應(yīng)急指揮中心。三個(gè)中心在數(shù)據(jù)上相互共享，在業(yè)務(wù)上相互輔助。

三個(gè)中心的關(guān)系，如圖4所示，圖中智能三維地質(zhì)中心將全礦區(qū)實(shí)時(shí)的高精度地圖、詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃等信息提供給智能生產(chǎn)管控中心用于決策調(diào)度指令，同時(shí)將相關(guān)的生產(chǎn)信息傳輸給智能三維地質(zhì)中心用于更新三維地圖。智能生產(chǎn)管控中心一方面為綜合安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急指揮中心提供生產(chǎn)類的信息，一方面接收各類安全監(jiān)測(cè)的信息與預(yù)警等。

圖4 三個(gè)中心的關(guān)系圖

智能三維地質(zhì)中心為綜合安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急指揮中心提供全礦區(qū)高精實(shí)時(shí)三維地圖，同時(shí)也將邊坡、排土場(chǎng)等高危險(xiǎn)區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)警結(jié)果顯示到地圖上，并同時(shí)共享視頻監(jiān)測(cè)類的數(shù)據(jù)。

3.1 智能三維地質(zhì)中心

智能三維地質(zhì)中心是集地質(zhì)資源管理、測(cè)量管理、采礦智能設(shè)計(jì)等功能于一體的露天礦資源數(shù)字化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)資源模型的精確構(gòu)建與實(shí)時(shí)更新，使地質(zhì)信息在礦山地質(zhì)、測(cè)量和開采之間數(shù)字化流轉(zhuǎn)，完成礦山地質(zhì)信息的精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)、高效處理和實(shí)時(shí)共享，為安全綠色智能開采提供地質(zhì)保障，具體內(nèi)容包括：地理信息系統(tǒng)、測(cè)量與管理系統(tǒng)、智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了原始勘探數(shù)據(jù)、生產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)和煤質(zhì)數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理與可視化展示，同時(shí)根據(jù)地質(zhì)工程數(shù)據(jù)、礦體資源數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、礦山設(shè)計(jì)等相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建露天礦高精度三維模型，實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)時(shí)更新、資源/儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)管理。管理的過(guò)程中需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。地質(zhì)資源數(shù)據(jù)一般是指二維的CAD圖紙和三維的模型數(shù)據(jù)(如點(diǎn)云、雷達(dá)數(shù)據(jù)等)。

測(cè)量與管理系統(tǒng)根據(jù)露天煤礦智能化建設(shè)需要，建立地表、采區(qū)、排土場(chǎng)等三維模型，以及礦山地質(zhì)高精三維實(shí)時(shí)地圖系統(tǒng)，該三維高精地圖主要用于礦山無(wú)人駕駛系統(tǒng)、礦床地質(zhì)模型及輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)、礦山采剝計(jì)劃、地面生產(chǎn)系統(tǒng)集控系統(tǒng)、邊坡監(jiān)測(cè)等各種礦山生產(chǎn)系統(tǒng)中，最終實(shí)現(xiàn)三維高精地圖與現(xiàn)有礦山各類系統(tǒng)融合、信息共享，達(dá)到指導(dǎo)露天礦智能化生產(chǎn)的需要。

智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)開采條件、開采工藝，結(jié)合地質(zhì)模型，在礦山三維模型上實(shí)現(xiàn)直接對(duì)短期及中長(zhǎng)期采剝計(jì)劃的智能編排，并對(duì)分臺(tái)階采掘計(jì)劃礦巖量進(jìn)行智能圈定和計(jì)算，完成短期及中長(zhǎng)期采掘計(jì)劃的采剝預(yù)演。同時(shí)，可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置自動(dòng)生成設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)穿爆智能等相關(guān)設(shè)計(jì)。

3.2 智能生產(chǎn)管控中心

智能生產(chǎn)管控中心按照生產(chǎn)工藝流程主要包括智能穿爆、智能調(diào)度、智能原煤生產(chǎn)、智能生產(chǎn)輔助與智能設(shè)備管理，具體關(guān)系如圖5所示。

圖5 智能生產(chǎn)管控中心

智能調(diào)度中的各個(gè)系統(tǒng)將相關(guān)運(yùn)輸?shù)V卡車輛狀態(tài)的信息與智能設(shè)備管理共享，設(shè)備管理通過(guò)車輛的故障分析將其狀態(tài)反饋到智能調(diào)度，用于實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)度方案。智能調(diào)度根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃給智能穿爆發(fā)送調(diào)度指令，進(jìn)行穿孔與爆破，并將作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋。智能原煤生產(chǎn)根據(jù)智能調(diào)度中煤量和土量運(yùn)輸?shù)那闆r對(duì)破碎站、帶式輸送機(jī)、排土機(jī)等進(jìn)行控制，并將作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋。智能生產(chǎn)輔助精密配合智能調(diào)度的車輛運(yùn)輸，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整，并將相關(guān)數(shù)據(jù)返回至智能調(diào)度進(jìn)行分析決策。

智能設(shè)備管理與智能穿爆、智能調(diào)度、智能原煤生產(chǎn)、智能生產(chǎn)輔助都在設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)方面進(jìn)行了互通，不僅保證了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的聯(lián)通，還對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行共享，為生產(chǎn)實(shí)時(shí)調(diào)整提供依據(jù)。

3.2.1 智能穿爆

智能穿爆主要用于監(jiān)控智能穿孔和爆破作業(yè)，需要對(duì)智能鉆機(jī)、智能裝藥車以及智能爆破作業(yè)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)與控制。其主要內(nèi)容如圖6所示。

圖6 智能穿爆內(nèi)容

鉆機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)采用導(dǎo)航、傳感器等技術(shù)，將設(shè)備工況、作業(yè)信息在鉆機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可遠(yuǎn)程傳輸至調(diào)度中心，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)并生成報(bào)表，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)鉆機(jī)作業(yè)進(jìn)度，包括穿孔過(guò)程監(jiān)測(cè)、穿孔作業(yè)監(jiān)測(cè)、消耗監(jiān)測(cè)。

露天礦鉆機(jī)高精度布孔導(dǎo)航功能通過(guò)鉆孔設(shè)計(jì)確定爆破區(qū)域及鉆孔分布圖，通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)下載到鉆機(jī)，司機(jī)即可依圖作業(yè)，并根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)計(jì)鉆孔位置，上傳鉆孔結(jié)果。為進(jìn)一步提高鉆機(jī)爆破效率和質(zhì)量，系統(tǒng)還可以監(jiān)測(cè)鉆機(jī)深度，完善鉆機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)。

采場(chǎng)爆破的遠(yuǎn)程監(jiān)控及危險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)采用無(wú)線紅外監(jiān)控或視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)人員入侵及物體移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，同時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警并聯(lián)動(dòng)相關(guān)電子設(shè)備，防止爆破器材遺失和實(shí)時(shí)周界防護(hù)的一套安全監(jiān)控系統(tǒng)。

裝藥車動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集炸藥車的作業(yè)地點(diǎn)、作業(yè)狀態(tài)、炸藥用量，并自動(dòng)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)視頻圖像，為生產(chǎn)考核、安全管理提供良好的支持。

3.2.2 智能調(diào)度

智能調(diào)度分為三個(gè)系統(tǒng)，分別為車輛調(diào)度系統(tǒng)、無(wú)人車智能調(diào)度系統(tǒng)、多機(jī)協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)。具體內(nèi)容如圖7所示。

圖7 智能調(diào)度

1)車輛調(diào)度系統(tǒng)。 車輛調(diào)度系統(tǒng)基礎(chǔ)功能包括調(diào)度功能、車輛狀態(tài)報(bào)告、通訊與導(dǎo)航、輔助車輛管理、基本信息管理、車輛參數(shù)計(jì)算功能、裝載自動(dòng)計(jì)量、跨礦區(qū)設(shè)備調(diào)撥等，同時(shí)，還可以通過(guò)利用大數(shù)據(jù)分析與云服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛的燃油精準(zhǔn)計(jì)量、輪胎數(shù)字化監(jiān)測(cè)、卡車報(bào)警管理等功能[13]。

燃油精準(zhǔn)計(jì)量通過(guò)智能型油耗監(jiān)測(cè)裝置，精確監(jiān)測(cè)卡車油耗，并對(duì)加油記錄、實(shí)時(shí)存油量、班組油耗以及統(tǒng)計(jì)報(bào)表等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)控，傳輸至信息綜合管控平臺(tái)，數(shù)據(jù)通過(guò)整合分析后，為卡車油耗異常分析、核算成本提供數(shù)據(jù)支撐。

輪胎數(shù)字化監(jiān)測(cè)利用邊緣端傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行車輛輪胎的溫度，壓力，加速度等信息，并對(duì)采樣信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)分析，形成歷史表格和預(yù)測(cè)曲線，有效的統(tǒng)計(jì)輪胎磨損以及破壞規(guī)律，對(duì)輪胎溫度過(guò)高，壓力過(guò)低進(jìn)行報(bào)警提示[14]。

卡車報(bào)警管理對(duì)各類數(shù)據(jù)的采集與整理，實(shí)時(shí)計(jì)算與分析預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)卡車防碰撞報(bào)警、卡車油耗異常分析與輪胎報(bào)警功能，并且對(duì)卡車超速報(bào)警、無(wú)故停車警報(bào)、駛離路線報(bào)警、超速報(bào)警等車載終端報(bào)警情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)自動(dòng)記錄報(bào)警位置、次數(shù)及時(shí)間，并作為卡車油耗異常分析、輪胎報(bào)警等智能分析的歷史數(shù)據(jù)，為報(bào)警管理提供依據(jù)。

2)無(wú)人車智能調(diào)度系統(tǒng)。無(wú)人車智能調(diào)度系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)露天礦山無(wú)人化作業(yè)的核心環(huán)節(jié)，是露天礦重要的數(shù)據(jù)收集端和決策執(zhí)行端。無(wú)人車智能調(diào)度相關(guān)因素復(fù)雜，關(guān)聯(lián)系統(tǒng)廣，實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格，因此基于跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析以及中心云+邊緣計(jì)算結(jié)合的無(wú)人車調(diào)度系統(tǒng)是目前主流的技術(shù)路線。無(wú)人車智能調(diào)度系統(tǒng)能夠進(jìn)行行駛區(qū)域的全局路徑規(guī)劃與下發(fā)、交通管理、作業(yè)任務(wù)分配、地圖數(shù)據(jù)接收、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析等功能[15]。

首先，無(wú)人駕駛車輛行駛區(qū)的路徑規(guī)劃與建設(shè)是通過(guò)路徑算法從當(dāng)前已經(jīng)存在的礦山道路網(wǎng)中計(jì)算出一條從礦卡起點(diǎn)到指定終點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑。該最優(yōu)路徑是綜合考慮運(yùn)輸距離、運(yùn)輸時(shí)間、輪胎損耗、路面狀況等因素的一條相對(duì)平衡最優(yōu)的路徑。

其次，無(wú)人駕駛需要自立交通管理規(guī)則，第一步建立管控仲裁列表，協(xié)助礦卡進(jìn)行自動(dòng)行駛控制，在每個(gè)路段控制車輛行駛權(quán)，第二步對(duì)交叉路口、各個(gè)區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)交通管控，根據(jù)不同權(quán)重對(duì)通行車輛進(jìn)行路權(quán)控制，最后對(duì)道路進(jìn)行臨時(shí)的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)修改或?qū)傩灾敌薷囊赃_(dá)到控制交通的目的。在進(jìn)行無(wú)人運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，任務(wù)調(diào)度首先要充分利用地圖信息、中心調(diào)度系統(tǒng)和車載調(diào)度終端的信息，組成輸入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛綜合運(yùn)輸效率應(yīng)不低于同車型有人駕駛。同時(shí)還需監(jiān)控正在行駛的礦卡的實(shí)時(shí)狀態(tài)。最后根據(jù)車輛行駛與作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需主動(dòng)發(fā)現(xiàn)異常情況并在發(fā)出報(bào)警狀態(tài)，及時(shí)接收到通過(guò)通信組件上報(bào)的來(lái)自車輛終端系統(tǒng)的故障信息，對(duì)車輛進(jìn)行故障類型的判別、故障內(nèi)容的分析。

3)多機(jī)協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)。目前無(wú)人駕駛礦車自動(dòng)行駛至裝載指定區(qū)域，是由駕駛員進(jìn)行接管完成裝載對(duì)接工作或是無(wú)人礦車內(nèi)仍設(shè)置有駕駛?cè)藛T以應(yīng)對(duì)裝車位置調(diào)整、緊急接管等問(wèn)題，無(wú)人礦車并不能夠完全自主完成與鏟裝設(shè)備的精準(zhǔn)對(duì)接工作，一般來(lái)說(shuō)鏟裝作業(yè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，其作業(yè)范圍內(nèi)的最優(yōu)裝車位置也在不斷變化，所以需要多機(jī)協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，完成無(wú)人礦車自主規(guī)劃識(shí)別最優(yōu)裝車位置，鏟裝設(shè)備與無(wú)人礦車精準(zhǔn)對(duì)位，提高挖掘設(shè)備裝車效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的高效協(xié)同作業(yè)。

系統(tǒng)首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求及設(shè)備情況，結(jié)合設(shè)備的定位數(shù)據(jù)，通過(guò)固定配車法、最早裝車法、最大卡車法等算法，實(shí)現(xiàn)無(wú)人卡車與有人電鏟的配對(duì)管理。其次，在電鏟作業(yè)時(shí)采用傳感器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電鏟的電氣參數(shù)、作業(yè)環(huán)境、用電量等數(shù)據(jù)，并在電鏟終端實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)電鏟的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。最后要實(shí)現(xiàn)鏟裝設(shè)備與無(wú)人礦車精準(zhǔn)對(duì)位，需要通過(guò)在鏟車車臂與鏟斗鉸接部位安裝高精度傳感器，對(duì)挖掘設(shè)備與無(wú)人卡車實(shí)時(shí)采集自身狀態(tài)、位置等數(shù)據(jù)信息，動(dòng)態(tài)加載要實(shí)時(shí)與設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)相匹配，為鏟車、卡車配合裝車過(guò)程提供協(xié)同信號(hào)，通過(guò)各自提示系統(tǒng)完成采裝工作。

3.2.3 智能原煤生產(chǎn)與智能生產(chǎn)輔助

智能原煤生產(chǎn)主要包括破碎站智能控制系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)和推土機(jī)智能控制系統(tǒng)。智能生產(chǎn)輔助主要包括地下水控制及排水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和給排水與供熱通風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中控制，設(shè)備具備自動(dòng)啟停和調(diào)速功能。

破碎站智能控制系統(tǒng)可對(duì)上料量智能判斷、破碎機(jī)遠(yuǎn)程操控、自動(dòng)啟停/調(diào)速、物料塊度智能監(jiān)測(cè)；帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)與破碎站智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，根據(jù)破碎站來(lái)料自動(dòng)啟停及物料的多少進(jìn)行智能調(diào)速；排土機(jī)智能控制系統(tǒng)與帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，根據(jù)帶式輸送機(jī)來(lái)料自動(dòng)啟?；蛘{(diào)速，通過(guò)遠(yuǎn)程操控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)域的選擇與排棄程序優(yōu)化。

地下水控制及排水系統(tǒng)通過(guò)智能潛水泵實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘場(chǎng)內(nèi)、疏干井內(nèi)水位的智能探測(cè)、分析；供配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)供電設(shè)備的遙測(cè)、遙調(diào)和遙控，監(jiān)控各個(gè)開關(guān)柜的電壓、電流、功率等參數(shù)及開停狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)檢測(cè)、定位、預(yù)警；給排水與供熱通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)人值守、遠(yuǎn)程集中監(jiān)控功能。

3.2.4 智能設(shè)備管理

智能設(shè)備管理包括設(shè)備管理系統(tǒng)和設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)，具體內(nèi)容如圖8所示。

圖8 智能設(shè)備

設(shè)備管理系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)入或手工錄入方式進(jìn)行設(shè)備臺(tái)賬信息的管理；設(shè)備指標(biāo)配置模塊中提供了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)的配置；設(shè)備運(yùn)行模塊可以查詢到所配置設(shè)備的指標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)；設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)模塊可以統(tǒng)計(jì)指定時(shí)間段內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行及停止的時(shí)長(zhǎng)信息，為礦內(nèi)進(jìn)行決策分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)；備品備件管理模塊對(duì)設(shè)備的備品備件基本信息進(jìn)行管理。

設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)中設(shè)備維護(hù)模塊提供了設(shè)備遷移記錄、設(shè)備維護(hù)記錄、設(shè)備保養(yǎng)記錄等管理功能；設(shè)備安全監(jiān)測(cè)根據(jù)在線監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)分析，制定科學(xué)的維護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)設(shè)備損耗性部件更換提示功能；設(shè)備故障診斷利用采裝、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備完善的單機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障自診斷功能，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及各信號(hào)交互和連鎖控制。

3.3 綜合安全監(jiān)控與應(yīng)急指揮中心

針對(duì)露天煤礦作業(yè)人員、邊坡穩(wěn)定性、環(huán)境及災(zāi)害等方面，從集成、系統(tǒng)化的角度出發(fā)，將人員安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、邊坡安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)、全礦區(qū)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、災(zāi)害管理監(jiān)控系統(tǒng)和環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成，并指定相關(guān)的綜合應(yīng)急指揮預(yù)案，實(shí)現(xiàn)面向“人員-環(huán)境-災(zāi)害-管理”的全方位的主動(dòng)安全管理。

人員安全監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集、上傳及調(diào)看作業(yè)人員的視頻，通過(guò)無(wú)線語(yǔ)音通話聯(lián)系作業(yè)人員。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員精確作業(yè)位置，并結(jié)合高精三維地圖，進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。邊坡安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)邊坡工程實(shí)際監(jiān)測(cè)需求，分別進(jìn)行地表變形、地下變形、應(yīng)力、降雨量、地下水、爆破震動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。全礦區(qū)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用可調(diào)整的云臺(tái)與可調(diào)整焦距的攝像機(jī)采集監(jiān)控場(chǎng)景的實(shí)時(shí)圖像，以達(dá)到對(duì)視頻監(jiān)控區(qū)域的清晰監(jiān)控。環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控露天煤礦生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中的廢水廢氣排放情況，以及固體廢物情況，對(duì)潛在的突發(fā)環(huán)境事件及時(shí)分析預(yù)警。災(zāi)害管理監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)露天煤礦不同的災(zāi)害類型，通過(guò)實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)異常情況，并發(fā)出警報(bào)信息。

綜合應(yīng)急預(yù)案首先對(duì)露天開采存在的危險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，包括邊坡坍塌、山體滑坡、水災(zāi)、火災(zāi)等危險(xiǎn)源，并結(jié)合各系統(tǒng)的預(yù)警模塊，并對(duì)其進(jìn)行分析、分類。其次制定對(duì)應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制與程序，明確應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)和職責(zé)，針對(duì)不同類型的事故和災(zāi)害，及時(shí)快速的開展對(duì)應(yīng)的救援指揮與行動(dòng)。最后，預(yù)案還包括事故與災(zāi)害的后期處理，以及保障預(yù)案的各類措施等。

4 結(jié) 論

1)智能露天煤礦信息綜合管控平臺(tái)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)與云服務(wù)為基礎(chǔ)，采用“一個(gè)平臺(tái)+三個(gè)中心”模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)根據(jù)露天煤礦半連續(xù)工藝流程，以鉆孔、爆破、采裝、運(yùn)輸、原煤生產(chǎn)工藝為主線，分別設(shè)計(jì)了智能三維地質(zhì)中心、智能生產(chǎn)管控中心、綜合安全監(jiān)控與應(yīng)急指揮中心。

3)闡明了三個(gè)中心的數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)互聯(lián)關(guān)系，并針對(duì)智能生產(chǎn)管控中心的系統(tǒng)與功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

4)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互與輔助管控，為露天煤礦提供了全業(yè)務(wù)智能一體化平臺(tái)。