露天煤礦智能綜合管控平臺(tái)應(yīng)用研究

金 磊，付恩三，田 羽，李新鵬，杜勇志，于洪洋，王福利，周志偉

(1.國(guó)能寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021000；2.應(yīng)急管理部信息研究院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100029)

0 引言

2021年12月，國(guó)家能源局印發(fā)了《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法(試行)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“驗(yàn)收辦法”)，為我國(guó)煤礦智能化建設(shè)指明了方向。其中，驗(yàn)收辦法中綜合管控平臺(tái)的建設(shè)是露天煤礦智能化建設(shè)的重要組成部分(該部分為4分)。驗(yàn)收辦法一是要求實(shí)現(xiàn)全環(huán)節(jié)、全周期、全過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集、存儲(chǔ)、管理、分析；二是要求具有完善的安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查雙重預(yù)防機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡、水害等多種災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急救援指揮調(diào)度；三是要求智能綜合管控平臺(tái)能支持大屏顯示、PC端顯示和移動(dòng)端顯示。

我國(guó)科研人員對(duì)露天煤礦智能化總體建設(shè)框架和研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了規(guī)劃，張瑞新等研究人員[1]提出了智慧露天煤礦建設(shè)基本框架及體系設(shè)計(jì)；付恩三等研究人員[2-5]對(duì)智慧露天煤礦總體框架及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；王忠鑫等研究人員[6]提出了智能露天煤礦的總體設(shè)計(jì)，但對(duì)露天煤礦智能綜合管控平臺(tái)建設(shè)的研究較少。

寶日希勒露天煤礦是我國(guó)國(guó)內(nèi)單坑最早實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力達(dá)到35 Mt/a的露天煤礦。該礦立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念，為促進(jìn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，在現(xiàn)有智能化建設(shè)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合應(yīng)急管理部信息研究院，開(kāi)發(fā)建設(shè)了露天煤礦智能綜合管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了礦山多維數(shù)據(jù)“一張圖”融合展示，建立了生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息采集、傳輸、統(tǒng)計(jì)、決策機(jī)制，為寶日希勒露天煤礦智能化建設(shè)提供了有力支撐。

1 智能綜合管控平臺(tái)總體架構(gòu)

智能綜合管控平臺(tái)的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采得到、數(shù)據(jù)用得好、數(shù)據(jù)看得見(jiàn)以及數(shù)據(jù)可決策的4個(gè)維度[7-11]。針對(duì)智能綜合管控平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容，采用“云-邊-端”的總體建設(shè)思路，具體建設(shè)采用“五層兩體系”的架構(gòu)模式，涵蓋端部的感知設(shè)備層、邊側(cè)的傳輸層、云上的平臺(tái)層、應(yīng)用層和展示層，以及貫穿始終的安全運(yùn)維體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系[12-16]。智能綜合管控平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能綜合管控平臺(tái)總體架構(gòu)

(1)感知設(shè)備層。該層依托數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，采集露天煤礦各類(lèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如：邊坡、設(shè)備(采掘、運(yùn)輸、鉆爆、排土)、供電、疏干、人員、產(chǎn)量、視頻、氣象等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天煤礦可采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全量采集，為綜合管控平臺(tái)提供數(shù)據(jù)底座支撐。

(2)傳輸層。目前寶日希勒露天煤礦已經(jīng)建立內(nèi)部5G環(huán)網(wǎng)，為無(wú)人駕駛提供網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸。該層在邊緣側(cè)提供邊緣計(jì)算、智能分析、資源管理和監(jiān)控運(yùn)維能力，部署了多臺(tái)智能采集服務(wù)器，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的邊緣側(cè)處理，實(shí)現(xiàn)了端側(cè)數(shù)據(jù)與平臺(tái)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和雙向交互[17-19]。

(3)平臺(tái)層。該層包括物聯(lián)平臺(tái)、采集平臺(tái)、邊緣計(jì)算平臺(tái)。其中，物聯(lián)平臺(tái)具備設(shè)備接入、規(guī)則引擎等功能；采集平臺(tái)由設(shè)備集成、消息集成、數(shù)據(jù)集成以及API接口集成組成；邊緣平臺(tái)具備算法推送和邊緣節(jié)點(diǎn)管理功能。物聯(lián)平臺(tái)、采集平臺(tái)、邊緣計(jì)算平臺(tái)均由云平臺(tái)提供整體支撐。

(4)應(yīng)用層。該層具備露天煤礦風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)、三維視頻平臺(tái)、綜合“一張圖”安全管控、二三維協(xié)同平臺(tái)、車(chē)鏟智能匹配、數(shù)據(jù)智能查詢(xún)和系統(tǒng)管理等功能。

(5)展示層。該層要求完全符合國(guó)家智能化驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，并支持大屏顯示、PC端顯示和移動(dòng)端顯示。利用三維建模、GIS“一張圖”方式呈現(xiàn)露天煤礦的全貌數(shù)據(jù)。同時(shí)，智能綜合管控平臺(tái)的用戶(hù)需要涵蓋集團(tuán)用戶(hù)、二級(jí)單位以及煤礦用戶(hù)3個(gè)層次，根據(jù)不同用戶(hù)的不同關(guān)注點(diǎn)，呈現(xiàn)不同用戶(hù)的定制化需求。

2 智能綜合管控平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

根據(jù)露天煤礦數(shù)據(jù)類(lèi)型，按照不同主題集進(jìn)行劃分，每一類(lèi)數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)多個(gè)采集器，每個(gè)主題集對(duì)應(yīng)不同的采集器。此外，每一類(lèi)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)采集器，同時(shí)每個(gè)采集器又能夠根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小進(jìn)行橫向擴(kuò)展，提升采集性能[16]。露天煤礦數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 露天煤礦數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)流

露天煤礦的實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)會(huì)產(chǎn)生大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，時(shí)序采集平臺(tái)需要7×24 h實(shí)時(shí)采集，采集工具(ETL)支持直接從時(shí)序庫(kù)數(shù)據(jù)源中進(jìn)行抽取，實(shí)現(xiàn)消息接受、消息解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)應(yīng)用，最后為業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，關(guān)系庫(kù)存儲(chǔ)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、主數(shù)據(jù)、字典數(shù)據(jù)等；時(shí)序庫(kù)存儲(chǔ)字典類(lèi)、基礎(chǔ)類(lèi)、實(shí)時(shí)最新斷面數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)最新統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)；分析庫(kù)存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)加工、處理、計(jì)算后的數(shù)據(jù)，主要以分析數(shù)據(jù)為主。

2.2 二三維一體化技術(shù)

在統(tǒng)一的時(shí)空框架下，基于一套數(shù)據(jù)一個(gè)平臺(tái)，采用OpenGL和GDI混合渲染技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)露天煤礦各類(lèi)對(duì)象的二三維綜合一體化展示，并能實(shí)現(xiàn)二三維實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。二三維一體化技術(shù)具體表現(xiàn)在二三維數(shù)據(jù)一體化、二三維顯示一體化、地上坑內(nèi)顯示一體化。

(1)模型輕量化技術(shù)。輕量化從理論上包括絕對(duì)輕量化和相對(duì)輕量化兩大類(lèi)。為了便于從低端移動(dòng)設(shè)備到高性能圖形工作站上查看和傳遞三維模型，需要將原始模型進(jìn)行輕量化操作，去除原始模型中為了進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)而保存的大量冗余數(shù)據(jù)。

(2)模型壓縮。模型壓縮主要針對(duì)技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，幾何數(shù)據(jù)主要由法線(xiàn)數(shù)據(jù)、頂點(diǎn)數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)、紋理坐標(biāo)數(shù)據(jù)、紋理貼圖等組成。

(3)模型簡(jiǎn)化。三維模型分為兩大類(lèi)，一類(lèi)為基本體，包括常見(jiàn)的圓柱體、球體、錐體、回轉(zhuǎn)體、拉伸體等，這些基本體在發(fā)布以后保存為矢量數(shù)據(jù)，僅需要存儲(chǔ)基本體的幾何參數(shù)，就可以大大降低存儲(chǔ)空間；另一類(lèi)是曲面，需要在保證外形邊界的前提下，合并共面三角形、法向量相近邊以及頂點(diǎn)等。本平臺(tái)使用經(jīng)典的二次誤差度量網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法，從而進(jìn)一步輕量化三維模型。

(4)LOD技術(shù)。在三維模型的加載和可視化過(guò)程中，為了更方便用戶(hù)體驗(yàn)，既要求加載速度又要求顯示精度，LOD(Levels of Detail)算法是一種有效的圖形生成加速方法，有助于提高復(fù)雜場(chǎng)景的可視化速度和交互的實(shí)時(shí)性。通過(guò)LOD算法一是能夠有效提高海量數(shù)據(jù)的三維漫游速度，二是提高三維模型可視化的真實(shí)感和美感，三是解決用戶(hù)的定位處理問(wèn)題。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

根據(jù)露天煤礦接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建露天煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和預(yù)警模型，可對(duì)露天煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系涵蓋人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)方面。利用熵權(quán)法、證據(jù)理論等模型對(duì)露天煤礦進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)針對(duì)邊坡等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行位移、速度、水位等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，為露天煤礦災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)支撐。同時(shí)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)研判結(jié)果，進(jìn)行紅、橙、黃、藍(lán)4級(jí)預(yù)警。

2.4 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)處置流程

通過(guò)構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)研判指標(biāo)體系和預(yù)警模型，能根據(jù)露天煤礦各類(lèi)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的研判結(jié)果制定露天煤礦災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)處置流程。同時(shí)，該模型可根據(jù)不同級(jí)別的預(yù)警進(jìn)行不同級(jí)別的處置。

3 應(yīng)用情況

2021年11月，寶日希勒露天煤礦開(kāi)始智能綜合管控平臺(tái)建設(shè)，并于2022年5月進(jìn)行了試運(yùn)行，運(yùn)行以來(lái)取得了較好的應(yīng)用效果。

(1)智能綜合管控平臺(tái)的GIS“一張圖”功能能夠展示寶日希勒露天煤礦各類(lèi)系統(tǒng)接入的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，涵蓋報(bào)警數(shù)據(jù)、車(chē)輛實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)產(chǎn)量及剝采比數(shù)據(jù)?！耙粡垐D”可以進(jìn)行圖層切換和量測(cè)工具應(yīng)用，進(jìn)行長(zhǎng)度、面積、體積量測(cè)。GIS“一張圖”可將全礦500多個(gè)鉆孔進(jìn)行三維展示，疊加無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)和CAD采礦線(xiàn)框數(shù)據(jù)為露天煤礦綜合生產(chǎn)提供支撐?？刹殚喌V坑內(nèi)車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)、司機(jī)與車(chē)輛關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)以及歷史軌跡回放數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)圖層控制的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡、車(chē)輛、疏干水、視頻監(jiān)控、電子圍欄等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯隱展示。GIS“一張圖”實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合展示，打破了數(shù)據(jù)壁壘和系統(tǒng)壁壘，提升了數(shù)據(jù)融合展示效果。GIS“一張圖”綜合展示界面如圖3所示。

圖3 GIS“一張圖”綜合展示界面

(2)智能綜合管控平臺(tái)能夠提供露天煤礦三維鉆孔的實(shí)時(shí)查閱、任意位置剖面的快速剖切、道路縱斷面剖切以及礦山生產(chǎn)回溯等功能。礦山生產(chǎn)回溯通過(guò)上傳當(dāng)年各月的實(shí)際剝采總量圖紙信息，利用3D Tile發(fā)布方式，通過(guò)圖層控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)寶日希勒露天煤礦歷史采剝狀態(tài)的實(shí)時(shí)還原與回放。同時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃圖紙數(shù)據(jù)的模擬推演。

(3)智能綜合管控平臺(tái)能夠提供露天煤礦各類(lèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢(xún)，涵蓋生產(chǎn)采剝量的月度和年度查詢(xún)、車(chē)輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢(xún)、邊坡數(shù)據(jù)查詢(xún)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)鏟的實(shí)時(shí)匹配分析。平臺(tái)通過(guò)分析車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)距和鏟挖量來(lái)對(duì)車(chē)鏟的欠鏟、欠車(chē)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。當(dāng)通過(guò)發(fā)現(xiàn)某處存在欠車(chē)情況時(shí)，通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)算，精確計(jì)算出需要的車(chē)輛。通過(guò)GIS“一張圖”可精準(zhǔn)調(diào)度車(chē)輛來(lái)實(shí)現(xiàn)剝采計(jì)劃的高效執(zhí)行，提升露天煤礦的生產(chǎn)效率，通過(guò)智能綜合管控平臺(tái)進(jìn)行車(chē)輛調(diào)度，提升車(chē)鏟效率5%左右，大大降低了生產(chǎn)成本。

(4)智能綜合管控平臺(tái)通過(guò)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和模型，可對(duì)寶日希勒露天煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并能查看寶日希勒露天煤礦整體安全態(tài)勢(shì)以及各類(lèi)危險(xiǎn)點(diǎn)的問(wèn)題和原因，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)及報(bào)警的閉環(huán)處置。智能綜合管控平臺(tái)自2022年5月試運(yùn)行以來(lái)，各類(lèi)報(bào)警數(shù)據(jù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，以5月份數(shù)據(jù)為例，5月份卡車(chē)報(bào)警累計(jì)6萬(wàn)余次，主要由于司機(jī)駕駛不規(guī)范，違規(guī)接打電話(huà)、超速等行為導(dǎo)致。通過(guò)建立閉環(huán)處置與管理機(jī)制，報(bào)警數(shù)量下降至8月的200余條，且治理效果明顯，提升了寶日希勒露天煤礦的整體安全水平。

(5)智能綜合管控平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)、CAD計(jì)劃圖紙數(shù)據(jù)等底圖的統(tǒng)一維護(hù)與編輯、上傳、下載等功能，實(shí)現(xiàn)底圖數(shù)據(jù)變化的實(shí)時(shí)更新。

4 結(jié)語(yǔ)

露天煤礦智能綜合管控平臺(tái)的建設(shè)涉及數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、二三維一體化技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)以及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)處置流程，整體功能涵蓋GIS“一張圖”、采礦計(jì)劃、數(shù)據(jù)查詢(xún)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警以及底圖管理。該平臺(tái)上線(xiàn)運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了露天煤礦各類(lèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的“一數(shù)一源”集中融合展示和多維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢(xún)，提升了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性。通過(guò)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)和閉環(huán)管理流程機(jī)制，露天煤礦各系統(tǒng)的各類(lèi)報(bào)警數(shù)據(jù)下降明顯。與此同時(shí)，通過(guò)對(duì)卡車(chē)和電鏟的實(shí)時(shí)匹配分析，降低了車(chē)鏟等待時(shí)間，提升車(chē)鏟效率5%以上，大大降低了生產(chǎn)成本。寶日希勒露天煤礦智能綜合管控平臺(tái)的建設(shè)為我國(guó)其他露天煤礦智能綜合管控平臺(tái)的建設(shè)提供了參考和借鑒。