張 揚(yáng)
(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)
錫林郭勒盟勝利西三露天煤礦隸屬于內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)錫林郭勒勝利礦業(yè)有限公司。該露天煤礦采用單斗-卡車(chē)開(kāi)采工藝,核定產(chǎn)能達(dá)到了6 Mt/a,礦區(qū)面積總計(jì)11.592 km2。礦山智能化建設(shè)前,露天礦已建成門(mén)禁系統(tǒng)、電子汽車(chē)衡系統(tǒng)、邊坡及排土場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、OA系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)。各信息化子系統(tǒng)由不同的單位獨(dú)自承建,建設(shè)時(shí)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式各自定義、系統(tǒng)分別獨(dú)立運(yùn)行,無(wú)法形成數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合管理、數(shù)據(jù)資源共享、各信息化系統(tǒng)集中展示管控的目的,導(dǎo)致礦山各生產(chǎn)部門(mén)難以高效協(xié)同管理,制約礦山管理水平的提升。
隨著我國(guó)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和國(guó)家政策的鼓勵(lì)推動(dòng),露天礦山走向智能化建設(shè)是必然趨勢(shì)。為更好地實(shí)現(xiàn)露天礦安全生產(chǎn)信息的資源共享、生產(chǎn)車(chē)輛的聯(lián)動(dòng)管控和人員在崗可視化管理,形成露天礦統(tǒng)一的安全信息化管控平臺(tái),不斷提升露天煤礦的智能化水平及安全管理效率,有效預(yù)防和減少生產(chǎn)安全事故,勝利西三露天礦綜合參考其他露天礦山智能化建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn),最終選擇采用基于無(wú)線寬帶集群調(diào)度的智能化建設(shè)方法[1],確保無(wú)線集群、調(diào)度中心、卡車(chē)調(diào)度、安全管理、人員定位等各系統(tǒng)在安全可靠的基礎(chǔ)上,處于行業(yè)領(lǐng)先地位;同時(shí),對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互、共享,解決煤礦日常生產(chǎn)中各系統(tǒng)數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象,對(duì)外實(shí)現(xiàn)卡車(chē)調(diào)度、人員定位、邊坡監(jiān)測(cè)等安全數(shù)據(jù)對(duì)上級(jí)安監(jiān)部門(mén)開(kāi)放,安全監(jiān)管數(shù)據(jù)在保證數(shù)據(jù)安全性的前提下對(duì)外輸出。
集群系統(tǒng)演進(jìn)方向:窄帶模擬集群→窄帶數(shù)字集群→寬帶多媒體集群[2]。
窄帶模擬集群和窄帶數(shù)字集群,具備單呼、組呼、包容呼、臨時(shí)編組、緊急呼、互聯(lián)互通等語(yǔ)音通信功能,寬帶多媒體集群系統(tǒng)功能更加完善,在之前的基礎(chǔ)上又補(bǔ)充了圖像/視頻傳輸、寬帶雙向IP 數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?,支持多媒體雙向數(shù)據(jù)傳輸、融合語(yǔ)音、視頻、雙向IP 數(shù)據(jù),有線網(wǎng)絡(luò)延伸到無(wú)線網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)更加方便[3]。
無(wú)線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)具有專(zhuān)業(yè)集群通信性能、高吞吐量、高可靠性和實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)傳輸性能,可以用于行業(yè)用戶語(yǔ)音調(diào)度指揮、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互、協(xié)同作業(yè)等多種業(yè)務(wù)[4]。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在反恐、防爆、突發(fā)事件、事故災(zāi)難等緊急突發(fā)情況,應(yīng)急調(diào)度指揮效果顯著。為了應(yīng)對(duì)露天礦山可能出現(xiàn)的緊急災(zāi)難,如露天礦邊坡滑坡、地質(zhì)災(zāi)害,應(yīng)用無(wú)線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)及時(shí)應(yīng)對(duì)和處理災(zāi)難情況,能夠有效減少和避免災(zāi)難造成的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。
勝利西三露天礦建設(shè)的無(wú)線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)是露天煤礦生產(chǎn)調(diào)度主要的語(yǔ)音通信系統(tǒng)和通訊系統(tǒng),由基站模塊、調(diào)度模塊、大屏手機(jī)終端及線纜模塊4 部分組成,基于成熟的TD-LTE 先進(jìn)技術(shù)平臺(tái),解決了窄帶集群系統(tǒng)只具備單一語(yǔ)音通信調(diào)度的弊端,實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音、圖像、視頻等多形式的多媒體調(diào)度。能夠承載可視化指揮、無(wú)線視頻監(jiān)控,提供寬帶無(wú)線通信的通道,滿足融合多個(gè)信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>
無(wú)線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)按照邏輯主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、終端層。①應(yīng)用層:負(fù)責(zé)生產(chǎn)監(jiān)控、運(yùn)行管理、協(xié)同調(diào)度等,配備大帶寬傳輸管道,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸;②網(wǎng)絡(luò)層:達(dá)到礦山生活區(qū)、作業(yè)區(qū)、辦公區(qū)全覆蓋、無(wú)盲區(qū),滿足所有信息化子系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包、語(yǔ)音數(shù)據(jù)包、視頻數(shù)據(jù)包等各種數(shù)據(jù)的快速穩(wěn)定傳輸?shù)男枨?,保障各信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性、安全性;③終端層:實(shí)現(xiàn)終端語(yǔ)音、視頻、定位,車(chē)輛卡調(diào)、定位等數(shù)據(jù)信息的采集和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入,包含大屏手機(jī)終端、車(chē)載終端、CPE和視頻監(jiān)控?cái)z像頭等設(shè)備。
TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1。TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煞譃闊o(wú)線接入部分和核心網(wǎng)部分。無(wú)線接入部分能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程無(wú)線接入,向用戶提供基于IP方式的各種多媒體數(shù)據(jù)接入。核心網(wǎng)部分由邊界路由器、DHCP 服務(wù)器、Billing 服務(wù)器、EMS 服務(wù)器和磁盤(pán)陣列組成。
圖1 TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
無(wú)線一體化基站中集成了基站和基站控制器功能,支持用戶切換和位置管理功能,大大降低了對(duì)接入側(cè)核心網(wǎng)設(shè)備的依賴(lài),支持獨(dú)立組網(wǎng)應(yīng)用,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,同時(shí)降低了整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護(hù)成本[5]?;鞠到y(tǒng)模塊由基站與基站塔2部分構(gòu)成。為滿足覆蓋需求,同時(shí)確保網(wǎng)絡(luò)硬件容量能夠承載卡調(diào)系統(tǒng)、邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、礦山車(chē)輛及人員定位等系統(tǒng)的接入和信號(hào)傳輸。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查及仿真模擬,規(guī)劃新建基站3 臺(tái),其中新建20 m 單管塔基站3 座、15 m 單管塔拉遠(yuǎn)RRU 1 座,站點(diǎn)分布在礦區(qū)周邊。
1)基站。采用3 臺(tái)基站4 個(gè)站址覆蓋露天礦礦田(其中需要拉遠(yuǎn)1 個(gè)RRU),單小區(qū)上行吞吐量平均值不小于30 Mbps,下行吞吐量平均值不小于60 Mbps,實(shí)現(xiàn)露天礦礦坑內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋,基站基本功能模塊包括基帶控制單元BBU 和射頻拉遠(yuǎn)單元eRRU?;鶐Э刂茊卧狟BU 安裝在西三露天煤礦辦公樓機(jī)房?jī)?nèi),作為基站系統(tǒng)的管理單元,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作維護(hù)、指令自動(dòng)處理、時(shí)鐘校準(zhǔn),完成傳輸網(wǎng)絡(luò)的信息交互。射頻拉遠(yuǎn)單元eRRU 安裝在礦區(qū)新建的基站塔上,主要用于基帶數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,與基帶控制單元進(jìn)行通信,通信過(guò)程中對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)、功率放大、濾波處理。
2)基站塔。礦山共建4 座基站塔,其中20 m 高基站塔3 座,15 m 高基站塔1 座,均為單管塔,用于承載基站,塔體為鋼卷管結(jié)構(gòu),鋼材材質(zhì)為Q235,塔身設(shè)1 層平臺(tái),設(shè)爬梯,帶護(hù)欄,平臺(tái)設(shè)計(jì)6 副天線抱桿。
安全生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)是露天礦智能化建設(shè)中的必備系統(tǒng),是提升礦山生產(chǎn)管理人員管理水平的有效輔助手段。勝利西三露天礦安全生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)包含終端模塊、調(diào)度中心軟件系統(tǒng)、通訊模塊3部分。為了降低管理人員負(fù)擔(dān)、節(jié)約成本,終端模塊同步使用無(wú)線集群系統(tǒng)的大屏手機(jī)終端,承擔(dān)事故隱患現(xiàn)場(chǎng)排查數(shù)據(jù)上傳、事故隱患處理結(jié)果查詢(xún)的任務(wù)。調(diào)度中心軟件系統(tǒng)共開(kāi)發(fā)了安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控、事故隱患排查治理、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化3 個(gè)模塊,分PC 端和App 端(Android 版)2 套系統(tǒng),其中PC 端系統(tǒng)部署在煤礦內(nèi)網(wǎng)使用,App 端搭載在無(wú)線集群系統(tǒng)的大屏手機(jī)終端上使用;通訊模塊采用無(wú)線集群系統(tǒng)的TD-LTE 網(wǎng)絡(luò),完成終端模塊和調(diào)度中心的數(shù)據(jù)交互。
該系統(tǒng)根據(jù)礦方的相關(guān)安全規(guī)定實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)區(qū)和辦公區(qū)內(nèi)的危險(xiǎn)源的識(shí)別和評(píng)估分級(jí)。規(guī)范了事故隱患排查治理工作流程,對(duì)隱患進(jìn)行一般隱患和重大隱患分類(lèi)管理,實(shí)現(xiàn)隱患排查治理的閉環(huán)管理,詳細(xì)記錄每個(gè)流程的處理時(shí)間和處理結(jié)果,形成隱患檔案并按照管理人員要求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)于逾期未整改的隱患,系統(tǒng)提供消息提醒功能,實(shí)現(xiàn)隱患整改預(yù)警升級(jí),督促管理人員及時(shí)干預(yù)完成隱患整改。幫助管理人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有未處理隱患的全程管控和已處理完成的隱患的全方位梳理。
通過(guò)建立動(dòng)態(tài)露天煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)勝利西三礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理,企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化檢查、評(píng)分、考核、評(píng)比、反饋、整改全部實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)管控,生產(chǎn)安全管理人員可以動(dòng)態(tài)跟蹤整改現(xiàn)場(chǎng)存在的安全隱患,按照標(biāo)準(zhǔn)化檢查要求自動(dòng)統(tǒng)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控、事故隱患排查治理以及生產(chǎn)單位各專(zhuān)業(yè)的評(píng)分情況,實(shí)現(xiàn)了煤礦安全生產(chǎn)查漏補(bǔ)缺的目的。
勝利西三礦卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)由車(chē)載終端模塊和調(diào)度中心模塊組成,數(shù)據(jù)傳輸依托于無(wú)線集群調(diào)度系統(tǒng)的TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)[6]。車(chē)載終端模塊作為卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)的前端設(shè)備,主要用于采集車(chē)輛的位置信息、車(chē)輛狀態(tài)信息、司機(jī)登錄信息、請(qǐng)求指令等并發(fā)送給調(diào)度中心,同時(shí)接收調(diào)度中心下發(fā)的調(diào)度指令并進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)和文字消息提示。調(diào)度中心模塊主要用于車(chē)輛運(yùn)行情況的監(jiān)控、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的解析、統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ),并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息通過(guò)圖表、圖形等形式進(jìn)行展示。
勝利西三礦卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦山基礎(chǔ)信息智能管理,基礎(chǔ)信息涵蓋設(shè)備檔案、司機(jī)檔案、內(nèi)外障檔案、物料檔案、設(shè)備子類(lèi)及型號(hào)檔案等。運(yùn)用GIS 技術(shù),結(jié)合礦區(qū)采剝工程位置平面圖、地形圖、工業(yè)布置圖等信息,建立礦山二維地理信息圖,形成礦山道路網(wǎng)。通過(guò)車(chē)載終端模塊的采集信息實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛運(yùn)行位置跟蹤及狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別,同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)管理者制定的生產(chǎn)計(jì)劃完成優(yōu)化調(diào)度,為作業(yè)車(chē)輛提供最優(yōu)指令分配,班后根據(jù)作業(yè)車(chē)輛運(yùn)行軌跡和歷史調(diào)度指令自動(dòng)完成產(chǎn)量統(tǒng)計(jì),大大提高生產(chǎn)效率,避免人工統(tǒng)計(jì)作業(yè)量存在誤差。以司機(jī)點(diǎn)報(bào)、調(diào)度人員補(bǔ)錄等多種形式完善現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛故障信息管理,實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛設(shè)備監(jiān)控和維修人員考核功能。運(yùn)用先進(jìn)的BI 報(bào)表技術(shù),基于系統(tǒng)內(nèi)的采集數(shù)據(jù),結(jié)合礦山管理者的實(shí)際需求,進(jìn)行數(shù)據(jù)分類(lèi)分析與統(tǒng)計(jì),生成各類(lèi)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。
勝利西三礦卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)在傳統(tǒng)卡調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,擴(kuò)展開(kāi)發(fā)了防碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能和防疲勞駕駛功能?;贕PRS 和UWB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行車(chē)輛位置定位、行進(jìn)方向預(yù)測(cè),達(dá)到碰撞預(yù)警值時(shí)對(duì)駕駛員進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)提示。防疲勞駕駛功能通過(guò)采集駕駛員的臉部特征和手臂標(biāo)志動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)了閉眼、打哈欠、抽煙、打電話、未系安全帶等影響駕駛安全的行為檢測(cè),在給司機(jī)同步報(bào)警提醒的同時(shí)進(jìn)行行為抓拍,完善司機(jī)管理體系。
勝利西三露天礦人員定位系統(tǒng)作為人員安全管理的必備系統(tǒng),主要應(yīng)用于礦山辦公區(qū)管理人員,配合卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)辦公區(qū)人員和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的全覆蓋集中管理。
人員定位系統(tǒng)由調(diào)度中心軟件模塊和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成,數(shù)據(jù)傳輸依托無(wú)線集群系統(tǒng)的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集模塊采用的是礦山專(zhuān)用人員定位識(shí)別卡,具備抗震防爆的優(yōu)良性能和緊急求救的功能,完成人員定位信息的采集和緊急求救指令發(fā)送。調(diào)度中心軟件利用卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)生成的礦山二維地理信息圖,實(shí)時(shí)顯示人員定位卡的實(shí)時(shí)位置,進(jìn)行位置追蹤;可自由設(shè)置電子圍欄,進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域人員管理并進(jìn)行人員考勤;人員行走軌跡提供回放功能,能夠進(jìn)行圖形顯示和報(bào)表輸出。人員考勤情況、重點(diǎn)區(qū)域人員滯留根據(jù)礦方管理人員需求,進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)并以報(bào)表形式輸出;為了及時(shí)應(yīng)對(duì)露天礦緊急災(zāi)難,開(kāi)發(fā)了緊急避險(xiǎn)功能,在發(fā)生危險(xiǎn)的第一時(shí)間,完成人員的合理避險(xiǎn)路線分配。
人員定位系統(tǒng)基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GIS 地理信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了人員實(shí)時(shí)定位監(jiān)控和員工自動(dòng)考勤,提高了安全管理效率,達(dá)到了高質(zhì)量、高效率、低成本、高可靠性地實(shí)現(xiàn)人員綜合管理的目的。
為了解決勝利西三礦新建信息化子系統(tǒng)和原有子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立,容易出現(xiàn)“數(shù)據(jù)孤島”,無(wú)法達(dá)到各系統(tǒng)統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)集中展現(xiàn)的智能化需求的現(xiàn)狀,建設(shè)了智能綜合調(diào)度平臺(tái)[7]。將邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)線集群調(diào)度系統(tǒng)、卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)、安全生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合,實(shí)現(xiàn)“一張圖”數(shù)據(jù)可視化管理。
智能綜合調(diào)度平臺(tái)包括企業(yè)介紹、GIS 一張圖、場(chǎng)景模式、主要建筑4 大模塊。①企業(yè)介紹模塊展示企業(yè)基本情況,包含企業(yè)情況、煤礦產(chǎn)能、采區(qū)劃分、平面布置等;②主展示區(qū)(GIS 一張圖)是基于數(shù)字孿生平臺(tái)打造的三維系統(tǒng),將人員、車(chē)輛、視頻監(jiān)控、邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)等上圖管理,顯示勝利西三礦實(shí)時(shí)生產(chǎn)指標(biāo)完成情況,環(huán)境參數(shù)等信息;③場(chǎng)景模式模塊為了滿足使用人員的不同使用習(xí)慣,開(kāi)發(fā)了3 種場(chǎng)景可供選擇;④主要建筑模塊圍繞辦公區(qū)、水處理站進(jìn)行建模,展示每個(gè)建筑內(nèi)的主要設(shè)備的基礎(chǔ)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。
智能綜合調(diào)度平臺(tái)利用大數(shù)據(jù)分析完成了調(diào)度信息的綜合顯示、產(chǎn)量精確計(jì)算與績(jī)效考核、環(huán)境與設(shè)備異常報(bào)警與處置、預(yù)警信息提示和發(fā)布、調(diào)度臺(tái)賬與報(bào)表生成、監(jiān)測(cè)監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能,實(shí)現(xiàn)了露天礦建設(shè)過(guò)程中統(tǒng)籌管理、集中展示、遠(yuǎn)程管控的目標(biāo)[8]。
應(yīng)用無(wú)線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)露天煤礦智能化完全滿足各信息化子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?,網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。建設(shè)前期,統(tǒng)籌考慮整個(gè)智能化建設(shè)進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)共用網(wǎng)絡(luò)、集群調(diào)度系統(tǒng)和安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)共用終端,避免管理人員手持多個(gè)終端的情況出現(xiàn),起到了節(jié)約建設(shè)成本、精簡(jiǎn)快速辦公的效果。
基于無(wú)線寬帶集群調(diào)度的勝利西三露天煤礦智能化礦山建設(shè)涵蓋生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控、安全管理管控、經(jīng)營(yíng)決策管控3 部分。智能綜合調(diào)度平臺(tái)的建成完成了各大信息化子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合、集中展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),實(shí)現(xiàn)了礦山“人、機(jī)、環(huán)”數(shù)據(jù)智能化精準(zhǔn)采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)礦區(qū)業(yè)務(wù)的可視化、移動(dòng)化、實(shí)時(shí)化,提高了勝利西三號(hào)露天煤礦的安全生產(chǎn)管理水平。