基于“礦石流”的三山島金礦大數(shù)據(jù)綜合管控平臺研發(fā)

潘 偉 劉曉明 曲偉霞 趙 威 崔松濤 徐 婧

孫偉芳1 趙 昊1 方建平1

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 煙臺 261417;2.中南大學(xué)數(shù)字礦山研究中心,湖南 長沙 410083;3.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司,湖南 長沙 410083)

礦山開采是一項復(fù)雜的工程,其中包括開拓、提升、運(yùn)輸、通信、供電等工藝環(huán)節(jié),各工藝每天都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)與礦山生產(chǎn)和安全管理密切相關(guān)。隨著采礦工程和信息技術(shù)的交叉融合,數(shù)字化技術(shù)[1]、自動化控制技術(shù)[2]、5G通信技術(shù)[3]、信息化技術(shù)[4]、大數(shù)據(jù)技術(shù)[5-6]等先進(jìn)的信息技術(shù)理論越來越多地被應(yīng)用到智能礦山建設(shè)[7]。礦山綜合管控平臺貫穿地、測、采、選相關(guān)業(yè)務(wù),是將包括“勘探—采礦—運(yùn)輸—破碎—提升—選礦”等整個生產(chǎn)過程的各環(huán)節(jié)與業(yè)務(wù)領(lǐng)域關(guān)聯(lián)在統(tǒng)一平臺上,提高礦山企業(yè)的管理水平,促進(jìn)礦山各開采環(huán)節(jié)的協(xié)同作業(yè)與規(guī)范管理,最大化地實現(xiàn)礦山綠色開采,為礦山業(yè)務(wù)拓展和升級轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)[8]。

然而,現(xiàn)階段國內(nèi)礦山企業(yè)信息化水平參差不齊,各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)尚未打通,沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)模型對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),這給礦山綜合管控平臺建設(shè)與應(yīng)用造成了障礙[9-10]。申琢[11]開發(fā)了礦山事故預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)應(yīng)用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)可以及時發(fā)布安全預(yù)警信息,最大限度降低事故發(fā)生概率。楊毅[12]開發(fā)了礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)控系統(tǒng),有效地降低了設(shè)備閑置率。劉星星[13]、汪久建[14]開發(fā)了地質(zhì)大數(shù)據(jù)系統(tǒng),實現(xiàn)了地勘數(shù)據(jù)的數(shù)字化、可視化及智能化分析,極大地優(yōu)化了地質(zhì)勘查工作流程。王鵬[15]開發(fā)了安全管控大數(shù)據(jù)平臺,并對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。盡管上述學(xué)者開發(fā)了多種礦山管控系統(tǒng),但未就整個生產(chǎn)過程的各環(huán)節(jié)開展綜合管控開發(fā)。針對該領(lǐng)域現(xiàn)存的信息孤島、系統(tǒng)封閉問題,本研究采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動面向“礦石流”的礦山大數(shù)據(jù)融合技術(shù),建立了一個信息互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享交換、功能協(xié)同聯(lián)動的綜合業(yè)務(wù)管控平臺,并在三山島金礦進(jìn)行了工程應(yīng)用?！暗V石流”涉及地、測、采、選相關(guān)工藝,包括勘探、采礦、礦石運(yùn)輸、破碎、提升、選礦工藝,即與礦石相關(guān)的礦山所有生產(chǎn)流程的總稱。

三山島金礦位于山東省萊州市,瀕臨渤海,擁有豐富的資源和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝且地理位置優(yōu)越,水陸交通便利[16]。該礦山在數(shù)字化、信息化技術(shù)應(yīng)用上處于國內(nèi)領(lǐng)先地位,因此本研究以該礦為例,開展基于“礦石流”的金屬礦山綜合管控平臺研發(fā),助力三山島金礦成為智能礦山標(biāo)桿企業(yè),為我國礦山行業(yè)智能化建設(shè)提供借鑒。

1 礦山綜合管控平臺架構(gòu)設(shè)計

自《2006—2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》發(fā)布以來,我國各大礦山正在積極探索智慧礦山建設(shè)思路,其中各工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲與關(guān)聯(lián)分析是建設(shè)智慧礦山的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的大數(shù)據(jù)架構(gòu)需要自建服務(wù)器搭建平臺,存在成本高、效率低、維護(hù)難等問題,很難滿足海量數(shù)據(jù)的分類存儲和實時性讀取及分析。而礦山大數(shù)據(jù)體量大、增長快、價值密度低,基于此,本系統(tǒng)應(yīng)用華為大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行“礦石流”大數(shù)據(jù)研究。

礦山企業(yè)目標(biāo)是最大化生產(chǎn)礦石,因此各生產(chǎn)過程及業(yè)務(wù)流程設(shè)計規(guī)劃均以礦石量為基準(zhǔn)。以“礦石流”為主線建設(shè)礦山綜合管控平臺可以打通“資源儲量—采礦—運(yùn)輸—破碎—提升—選礦”整個生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)的信息壁壘,更容易實現(xiàn)礦山總體生產(chǎn)環(huán)節(jié)的互通互聯(lián)?；凇暗V石流”的礦山大數(shù)據(jù)綜合管控平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)主要包括大數(shù)據(jù)平臺層、數(shù)據(jù)整合分析層、管控平臺層及終端展示層,系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合管控平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture of the integrated management and control platform

綜合管控系統(tǒng)平臺架構(gòu)中的各層級功能特色為:

(1)大數(shù)據(jù)平臺層提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口及數(shù)據(jù),支撐綜合管控平臺分析所需的所有數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)整合層接收大數(shù)據(jù)平臺接口層的數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)系和分析主題對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織,并形成三維可視化及“礦石流”分析所需的格式化數(shù)據(jù)。

(3)管控平臺層對格式化的整合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析展示,有三維可視化及“礦石流”分析兩種方式。其中三維可視化包括對資源與開采環(huán)境、安環(huán)監(jiān)測監(jiān)控、智能裝備與自動化等方面的三維可視化,“礦石流”分析包括礦石流向分析、資源儲量分析、采掘充分析、運(yùn)輸提升分析、選礦分析、安全生產(chǎn)分析及成本分析。

(4)終端展示層通過大屏、PC端、移動端3種方式綜合分析展示三維可視化及“礦石流”相關(guān)業(yè)務(wù)。

綜合管控系統(tǒng)平臺主要包括“礦石流”分析和三維可視化兩部分功能,該系統(tǒng)詳細(xì)的功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合管控平臺系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.2 System functional architecture of the integrated management and control platform

2 基于“礦石流”的礦山大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

近年來,大數(shù)據(jù)技術(shù)在礦山有著較為廣泛的研究和試驗性應(yīng)用,但總體而言,研究的廣度和深度均處于初級階段[17]。在應(yīng)用領(lǐng)域主要是研究大數(shù)據(jù)技術(shù)與礦山生產(chǎn)流程的融合實踐?！暗V石流”是貫穿礦山整個生產(chǎn)過程,包括“資源儲量—采礦—運(yùn)輸—破碎—提升—選礦”等工藝環(huán)節(jié),其目的是實現(xiàn)礦石高效、綠色生產(chǎn)。因此本研究開展以“礦石流”為主線的礦山大數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究以及綜合管控平臺開發(fā)。礦山大數(shù)據(jù)包括企業(yè)信息化數(shù)據(jù)、安環(huán)與自動化數(shù)據(jù),其中企業(yè)信息化數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、生產(chǎn)化驗管理、生產(chǎn)驗收管理、設(shè)備管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、人力資源系統(tǒng)和成本系統(tǒng)數(shù)據(jù);安環(huán)與自動化數(shù)據(jù)包括安環(huán)監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)、智能裝備與自動化數(shù)據(jù)(圖3)。由圖3可知:礦山大數(shù)據(jù)來源于各子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化之后的數(shù)據(jù)以及相關(guān)圖表數(shù)據(jù)。

圖3 礦山大數(shù)據(jù)內(nèi)容Fig.3 Contents of mine big data

2.1 大數(shù)據(jù)采集與存儲技術(shù)

華為大數(shù)據(jù)平臺提供了大數(shù)據(jù)存儲、查詢、分析等功能,它是分布式計算、并行計算等傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物,對外可提供大容量的數(shù)據(jù)存儲、查詢和分析能力,可為海量信息構(gòu)建快速處理系統(tǒng),實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時挖掘[18]。數(shù)據(jù)采集范圍包括企業(yè)信息化數(shù)據(jù)、安環(huán)與自動化數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)、與自動化數(shù)據(jù)?；谌A為大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)采集流程包括準(zhǔn)備工作、數(shù)據(jù)資產(chǎn)采集、規(guī)范設(shè)計、數(shù)據(jù)開發(fā)、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用程序接口(Application Program Interface,API)開發(fā),按照數(shù)據(jù)展示及分析規(guī)則對企業(yè)信息化數(shù)據(jù)和安環(huán)與自動化數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、處理,流程如圖4所示。應(yīng)用其開發(fā)功能可進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)集成、腳本開發(fā)、作業(yè)開發(fā)、作業(yè)調(diào)度、運(yùn)維監(jiān)控等操作,完成整個數(shù)據(jù)的處理分析流程。

圖4 綜合管控平臺數(shù)據(jù)采集、處理與分析流程Fig.4 Flow for data collection,processing and analysis of the integrated management and control platform

礦山大數(shù)據(jù)存在準(zhǔn)確性低、干擾數(shù)據(jù)多等問題,智能裝備因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲時需要進(jìn)行數(shù)據(jù)治理。加之,礦山數(shù)據(jù)量較大,數(shù)據(jù)存儲應(yīng)當(dāng)根據(jù)數(shù)據(jù)類型選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。本研究提出的基于“礦石流”為主線的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)則如圖5所示?；跇I(yè)務(wù)流程(礦山規(guī)劃—地質(zhì)建?！删蛴媱潯傻V設(shè)計—采礦作業(yè)—選礦—尾礦充填—尾礦排放)實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及全流程的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),確保數(shù)據(jù)的完整性、一致性、規(guī)范性、準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)安全訪問控制。在此基礎(chǔ)上,使用華為大數(shù)據(jù)平臺按照業(yè)務(wù)邏輯將各類數(shù)據(jù)集成到數(shù)據(jù)湖平臺中分層存儲。

圖5 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理流程Fig.5 Flow of data standardization processing

2.2 數(shù)據(jù)整合技術(shù)

“礦石流”數(shù)據(jù)類型主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、安全管理和經(jīng)營投資數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)等。實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的有效整合,是建設(shè)礦山大數(shù)據(jù)綜合管控平臺的基礎(chǔ)。三山島金礦綜合管控平臺數(shù)據(jù)整合內(nèi)容包括數(shù)據(jù)對象整理、數(shù)據(jù)項整理、接口定義、接口測試、數(shù)據(jù)核對5個步驟,如圖6所示。

圖6 綜合管控平臺數(shù)據(jù)整合流程Fig.6 Data integration process of the integrated management and control platform

2.3 “礦石流”關(guān)聯(lián)技術(shù)

以往關(guān)于礦山信息化系統(tǒng)的研究均是分系統(tǒng)、業(yè)務(wù)及管理范圍,如單工藝或者單業(yè)務(wù)等,旨在解決單點或單一工藝問題,而礦業(yè)工程是一門系統(tǒng)性學(xué)科,生產(chǎn)出現(xiàn)的問題往往是由多個點和面產(chǎn)生,因此需要對各工藝系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性分析和監(jiān)控,才能有效發(fā)現(xiàn)問題的根源,為管理人員提供客觀、及時、準(zhǔn)確的決策依據(jù)。在完成對現(xiàn)有信息化、自動化及監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整理及標(biāo)準(zhǔn)化處理后,對生產(chǎn)過程中的各工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理,對其結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、提煉與分析,在此基礎(chǔ)上采用“礦石流”關(guān)聯(lián)技術(shù)將各環(huán)節(jié)的開始和結(jié)束位置進(jìn)行關(guān)聯(lián),形成一套完備的礦山大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

2.4 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

礦山大數(shù)據(jù)綜合管控平臺技術(shù)架構(gòu)包括操作系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)采集層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用展示層多層分離的相關(guān)技術(shù)框架。

(1)操作系統(tǒng)層。主要基于華為云平臺提供的Windows和Linux虛擬機(jī),移動APP基于Android操作系統(tǒng)開發(fā)。

(2)數(shù)據(jù)存儲層。采用華為大數(shù)據(jù)平臺提供的Hadoop分布式持久化數(shù)據(jù)中心采集的各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),Redis作為緩存數(shù)據(jù)庫緩存業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù),Tomcat作為應(yīng)用服務(wù)器解析和編譯各應(yīng)用的業(yè)務(wù)代碼,Nginx作為Web服務(wù)器為最終用戶提供高性能的應(yīng)用視圖。

(3)數(shù)據(jù)采集層。通過MyBatis和大數(shù)據(jù)平臺的API接口訪問數(shù)據(jù)。

(4)業(yè)務(wù)邏輯層。采用SpringBoot技術(shù)框架處理各應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯,三維綜合管控可視化基于3DGIS引擎實現(xiàn)。

(5)應(yīng)用展現(xiàn)層。采用Vue等前端技術(shù)架構(gòu)對前后端代碼進(jìn)行分離,為用戶展示不同的應(yīng)用視圖。移動APP基于WEEK框架,采用HTML5技術(shù)提供展示。

最后利用三維GIS、虛擬現(xiàn)實VR等技術(shù)手段,將礦山地上地下場景、礦床地質(zhì)體、井巷工程、采礦、選礦、尾礦處理生產(chǎn)過程及其引起的相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行三維數(shù)字化建模,實現(xiàn)基于“礦石流”的礦山大數(shù)據(jù)綜合管控平臺建設(shè),此外開發(fā)了移動應(yīng)用APP,解決多層級領(lǐng)導(dǎo)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)與預(yù)警信息獲取不及時的問題,實現(xiàn)多場景下移動辦公。

3 三山島金礦綜合管控平臺

三山島金礦經(jīng)歷了自動化、信息化、數(shù)字化等多個發(fā)展階段,現(xiàn)已具備開展礦山大數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)。為解決智慧礦山建設(shè)中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)信息孤島等問題,基于DIMINE軟件,本研究開發(fā)了基于“礦石流”的礦山大數(shù)據(jù)綜合管控平臺,立足于提高礦山生產(chǎn)管理效率,豐富生產(chǎn)過程表現(xiàn)手法,提高礦山大數(shù)據(jù)的分析能力和準(zhǔn)確性,促進(jìn)礦山生產(chǎn)的安全、高效與可持續(xù)發(fā)展?；诖髷?shù)據(jù)平臺的三山島金礦“礦石流”綜合管控平臺包含資源儲量、采掘充、輸運(yùn)提升、選礦生產(chǎn)、安全管理、輔助系統(tǒng)、成本管理等7個內(nèi)容,如圖7所示。

圖7 礦山大數(shù)據(jù)綜合管控平臺大屏Fig.7 Large screen of the mine big data integrated management and control platform

三山島金礦綜合管控平臺功能特色為:

(1)平臺首頁大屏包含全礦年度采掘、年度精礦含金量、日采掘充、月采掘充、日選礦、月選礦等各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可視化。

(2)資源儲量大屏主要呈現(xiàn)資源儲量保有與變動、三級礦量、資源開采損失貧化3大類信息,如圖8所示。

圖8 資源儲量信息大屏Fig.8 Large screen of resource reserve information

(3)采掘充大屏展示采掘工藝指標(biāo)數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計結(jié)果,幫助管理人員及時掌握掘進(jìn)作業(yè)、采礦作業(yè)、充填作業(yè)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)信息。

(4)運(yùn)輸提升大屏從出礦和設(shè)備2個維度展示溜井、豎井、電機(jī)車等礦石流轉(zhuǎn)路線上的工藝參數(shù)。

(5)選礦生產(chǎn)大屏展示各選廠的關(guān)鍵生產(chǎn)流程中的原礦處理量與精礦產(chǎn)量趨勢、原礦品位和精礦品位趨勢、旋流器流量和粒度指標(biāo)趨勢等,重點展示自動化設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),以及貫穿選礦業(yè)務(wù)流程的生產(chǎn)、裝備、物資、能耗等多主題的關(guān)聯(lián)分析結(jié)果。

(6)安全管理大屏展示人員定位信息,按不同維度展示安全隱患占比和總數(shù),尾礦庫指標(biāo)參數(shù),氣體監(jiān)測數(shù)據(jù),以及尾礦庫、人員定位、微震預(yù)警信息。此外,還可以展示相關(guān)安全隱患的詳細(xì)信息。

(7)輔助系統(tǒng)大屏展示配電、排水、壓風(fēng)和通風(fēng)等數(shù)據(jù),同時對提升機(jī)、水泵、壓風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)的具體耗電情況和趨勢進(jìn)行展示。

(8)成本管理大屏展示內(nèi)容包括總生產(chǎn)礦量、總生產(chǎn)成本、單位成本以及主要成本消耗分類的匯總信息,并用多種圖形方式展示一些主要業(yè)務(wù)指標(biāo)的趨勢分析和對比分析結(jié)果。此外,還可以展示細(xì)化到下一級成本管理單元,選廠的成本管理細(xì)分了工段以及工段下的崗位,通過選擇具體工段,可展示相應(yīng)崗位的消耗明細(xì)成本,結(jié)合成本考核制度,達(dá)到精細(xì)化管理成本消耗的目的。

4 結(jié) 論

(1)在現(xiàn)有自動化、數(shù)字化、信息化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合大數(shù)據(jù)私有云平臺對礦山生產(chǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行了全方位分析,實現(xiàn)了跨工藝、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的橫向貫通。

(2)開展了以“礦石流”為主線的礦山大數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究,有助于解決以往智慧礦山建設(shè)中出現(xiàn)的信息不全面、缺乏深度分析與挖掘、數(shù)據(jù)信息孤島等問題,充分發(fā)揮數(shù)據(jù)共享與協(xié)同分析的應(yīng)用價值,可為提升礦山生產(chǎn)效率及效益提供分析決策信息,為礦山安全管控、精準(zhǔn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)本研究開發(fā)的礦山大數(shù)據(jù)綜合管控平臺的三維可視化大屏可實現(xiàn)“礦石流”全流程能源、設(shè)備、物料、人員、管理等各指標(biāo)信息的綜合展示、分析及告警推送,有助于實現(xiàn)礦山從局部到全局的掌控、監(jiān)督和決策。