邊緣計(jì)算在智能有色金屬礦山的應(yīng)用

許躍龍

（彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657000）

0 引言

為加快5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代技術(shù)與有色金屬行業(yè)融合創(chuàng)新發(fā)展，切實(shí)引導(dǎo)有色金屬企業(yè)智能升級，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、自然資源部于2020 年4 月28 日聯(lián)合印發(fā)了《有色金屬行業(yè)智能礦山建設(shè)指南（試行）》[1]（以下簡稱《指南》）。

就金屬礦山現(xiàn)狀而言，有色金屬礦山裝備自動化、智能化水平落后，人員結(jié)構(gòu)老化、整體生產(chǎn)效率不高等問題突出，依靠規(guī)模和人員數(shù)量的方式越來越不適應(yīng)發(fā)展，轉(zhuǎn)型升級已成為行業(yè)共識[2]。

某金屬鉛鋅礦山通過不斷要求抓實(shí)科技創(chuàng)新，健全科技創(chuàng)新體系，統(tǒng)籌實(shí)施科研項(xiàng)目，持續(xù)加大科技攻關(guān)，加快智慧礦山建設(shè)，大力建設(shè)與推廣智能礦山，加強(qiáng)信息系統(tǒng)安全防護(hù)，引領(lǐng)行業(yè)智能升級。

經(jīng)過多年的自動化系統(tǒng)建設(shè)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，但距離生產(chǎn)智能化、無人化目標(biāo)尚存較大差距，需要針對存在的問題，在充分研究新技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和行業(yè)內(nèi)外部先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加大科技研發(fā)和應(yīng)用投入，加快智能礦山建設(shè)。

目前我國有色金屬行業(yè)智能化建設(shè)尚處在起步、試點(diǎn)和探索階段。金屬礦山積極響應(yīng)《指南》，正在摸索、走出一條符合自身發(fā)展戰(zhàn)略和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營狀況的智能有色金屬礦山建設(shè)之路。

智能化應(yīng)具有3 個要素：①具有對外部信息的實(shí)時感知與獲取的能力；②具有基于對感知信息的存儲、分析、判斷、聯(lián)想，自學(xué)習(xí)、自決策的能力；③具備基于自決策的自動執(zhí)行能力[3]。邊緣計(jì)算正是滿足生產(chǎn)智能化需求的關(guān)鍵技術(shù)。

本文將首先描述智能礦山的建設(shè)體系和邊緣計(jì)算在智能礦山建設(shè)的典型應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某金屬礦山智能化建設(shè)實(shí)踐，分析邊緣計(jì)算在有色金屬礦智能化建設(shè)的實(shí)際應(yīng)用，并展望邊緣智能在智能有色金屬礦的應(yīng)用前景。

1 有色金屬智能礦山建設(shè)體系

根據(jù)《指南》給出的有色金屬智能礦山參考架構(gòu)，可知架構(gòu)體系總體分為云—邊—端3 層。

端側(cè)主要是指現(xiàn)場設(shè)備和儀器儀表，這一層的功能是為全面感知數(shù)據(jù)和實(shí)施精準(zhǔn)控制打下設(shè)備和測量基礎(chǔ)。

邊緣側(cè)主要是指數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制系統(tǒng)，通過邊緣網(wǎng)關(guān)等技術(shù)的應(yīng)用完成數(shù)據(jù)和接入、多源異構(gòu)協(xié)議解析、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備在線實(shí)時監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)減量解析和智能邊緣計(jì)算。

云端主要是建設(shè)制造運(yùn)營服務(wù)平臺，并根據(jù)生產(chǎn)和管理需要打造定制化的生態(tài)應(yīng)用體系。平臺連接生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)，并提供應(yīng)用開發(fā)環(huán)境與微服務(wù)組件，通過大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)手段開展數(shù)據(jù)分析和針對業(yè)務(wù)場景的模型訓(xùn)練。開放兼容的平臺可以滿足各種場景需求的應(yīng)用的部署，從而實(shí)現(xiàn)采礦智能控制、安全管理和生產(chǎn)運(yùn)營管理等定制化的功能。

同時，工業(yè)安全防護(hù)建設(shè)貫穿云—邊—端3 層，有效保障數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全。

云端和邊緣側(cè)應(yīng)用各有特點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)，大致可以區(qū)分為非實(shí)時、長周期數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)決策數(shù)據(jù)在云平臺處理，并建設(shè)相關(guān)應(yīng)用，如大數(shù)據(jù)治理和智能經(jīng)營管理；實(shí)時性、短周期數(shù)據(jù)的本地決策的數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進(jìn)行處理，并建設(shè)相關(guān)應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)測和設(shè)備控制[4]。

2 邊緣計(jì)算在智能礦山的典型應(yīng)用

邊緣計(jì)算是將一些邊緣硬件設(shè)備部署在生產(chǎn)現(xiàn)場，旨在將與之能力相匹配的相關(guān)計(jì)算和控制任務(wù)部署于靠近設(shè)備側(cè)，即網(wǎng)絡(luò)的邊緣。

在礦山的生產(chǎn)中，可以充分利用邊緣設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和計(jì)算能力，就地實(shí)現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)融合和綜合處理，以及區(qū)域工藝系統(tǒng)的智能控制，有如下典型應(yīng)用。

2.1 多傳感器融合

單一傳感器的測量具有局限性，感知環(huán)境或設(shè)備整體狀態(tài)往往不夠準(zhǔn)確和全面。傳統(tǒng)做法是將多傳感器數(shù)據(jù)分別通信到地面的礦山控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和綜合判斷后，將結(jié)果返回和廣播到控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。智能多傳感器融合技術(shù)在就地即可實(shí)現(xiàn)單一測量設(shè)備對環(huán)境或設(shè)備狀態(tài)的綜合測量，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的就地處理和分析，避免長距離傳輸導(dǎo)致的信號跳變，同時還可以節(jié)約通信帶寬資源。

多合一空氣檢測儀就是典型的多傳感器融合的應(yīng)用，一臺儀表即可對空氣中的多種氣體成分進(jìn)行同時檢測分析，如CH4、CO、SO2、PM10等，并形成空氣質(zhì)量的綜合評價(jià)。

2.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

針對礦井生產(chǎn)中的大型設(shè)備狀態(tài)感知，通過搭建邊緣計(jì)算控制器，連接設(shè)備狀態(tài)測量數(shù)據(jù)和設(shè)備所在工藝系統(tǒng)的參數(shù)，利用邊緣控制器的數(shù)據(jù)處理和分析能力，就地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)判斷，準(zhǔn)確快速反映設(shè)備故障信息，有效降低事故擴(kuò)大隱患，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的可預(yù)測性維護(hù)管理。

部署在設(shè)備附近的邊緣控制器負(fù)責(zé)完成與傳感器和設(shè)備的通信、數(shù)據(jù)的接收處理和存儲及多參數(shù)融合分析和決策，有效保證了數(shù)據(jù)的完整性，以及決策分析的快速性。

圖1 為方案的典型框架。

圖1 邊緣控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

2.3 機(jī)器視覺應(yīng)用

機(jī)器視覺是攝像頭技術(shù)與識別分析算法的有機(jī)結(jié)合，是一種典型的邊緣計(jì)算應(yīng)用。

攝像頭機(jī)器視覺系統(tǒng)通常包含軟件和硬件兩部分，攝像頭等硬件責(zé)成像，視覺控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像處理分析和輸出結(jié)果至執(zhí)行機(jī)構(gòu)或生產(chǎn)管控平臺。

礦井下典型的攝像頭機(jī)器視覺應(yīng)用為利用部署在巷道關(guān)鍵支護(hù)典的攝像頭，內(nèi)置電子圍欄算法。當(dāng)有人員非法闖入時，攝像頭可立即完成識別并發(fā)出聲音報(bào)警，警告人員離開，同時，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至管理平臺存檔，有效提高生產(chǎn)的安全性。

2.4 火災(zāi)檢測與處理

傳統(tǒng)的井下火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、紅外數(shù)據(jù)、測溫?cái)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用火災(zāi)分析模型分析災(zāi)害是否發(fā)生及影響范圍，然后通知相關(guān)生產(chǎn)和管理人員進(jìn)行疏散和滅火。

在井下危險(xiǎn)重點(diǎn)火災(zāi)區(qū)域部署邊緣控制器，連接相關(guān)測量數(shù)據(jù)，并部署火災(zāi)監(jiān)測模型。當(dāng)發(fā)生異常的時候，邊緣控制器可以迅速發(fā)現(xiàn)災(zāi)情并定位災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)，第一時間利用聲音等方式通知現(xiàn)場人員撤離，聯(lián)動相關(guān)消防設(shè)施進(jìn)行火災(zāi)處理，同時通知地面管理人員。

邊緣控制器的應(yīng)用可以極大縮短數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)際和決策流程，有效防止事故擴(kuò)大和降低人員傷亡。

3 邊緣計(jì)算在金屬礦山的應(yīng)用

某金屬鉛鋅礦認(rèn)真領(lǐng)會“機(jī)械化換人、自動化減人”的智能礦山建設(shè)精神，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備條件，開展了多應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、充填系統(tǒng)、軌道運(yùn)輸系統(tǒng)等自動化無人化升級改造，其中排水系統(tǒng)無人值守就是典型的邊緣計(jì)算的應(yīng)用，有效提升了生產(chǎn)效率。

3.1 排水系統(tǒng)無人值守

傳統(tǒng)礦井排水系統(tǒng)的運(yùn)行方式是人工現(xiàn)場就地啟停，存在設(shè)備運(yùn)行效率低、人力成本高、管控手段落后、能耗高等缺點(diǎn)，在充分調(diào)研和科學(xué)決策后，開展了無人值守改造。

在水泵房現(xiàn)場部署邊緣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)南向連接排水系統(tǒng)的參數(shù)測量傳感器和設(shè)備控制單元，北向連接地面控制中心。并對工藝系統(tǒng)加裝水位和水泵監(jiān)測傳感器，系統(tǒng)閥門和輔助設(shè)備進(jìn)行自動化升級。將工藝系統(tǒng)測量參數(shù)和設(shè)備接入邊緣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)對接入的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、協(xié)議解析和數(shù)據(jù)處理，邊緣系統(tǒng)上開展“一鍵啟?！笨刂七壿嬙O(shè)計(jì)和水泵分時段、分峰智能調(diào)節(jié)。

改造完成后，邊緣系統(tǒng)在功能上實(shí)現(xiàn)了水泵的按需調(diào)節(jié)；操作模式上，既可以在水泵房集中控制和一鍵啟動，也可以在地面控制中心遠(yuǎn)程控制，有效降低供電成本，實(shí)現(xiàn)無人值守，同時調(diào)高設(shè)備管理水平高，減員增效。

3.2 壓風(fēng)系統(tǒng)無人值守

在空壓機(jī)房現(xiàn)場部署邊緣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)連接壓風(fēng)系統(tǒng)的各類監(jiān)測裝置和主控設(shè)備，并與控制中心通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)通訊。同時對外圍供風(fēng)管道及冷卻水系統(tǒng)加裝流量計(jì)、電動閥門和檢測傳感器。邊緣控制系統(tǒng)實(shí)時采集系統(tǒng)工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)，達(dá)到邊緣側(cè)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采、儲、析功能，邊緣系統(tǒng)上開展“自動控制”程序設(shè)計(jì)和智能調(diào)節(jié)供風(fēng)。

項(xiàng)目完成后，通過部署的就地/遠(yuǎn)程控制模式，邊緣系統(tǒng)在功能上實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)；有效降低能源成本與人力成本，是邊緣計(jì)算在智能礦山建設(shè)中的又一成功運(yùn)用。

3.3 智能集控中心

通過在礦山各個生產(chǎn)子系統(tǒng)部署邊緣控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將邊緣計(jì)算控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)匯聚到智能集控中心，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)各類數(shù)據(jù)的分類、處理、整合、共享，最終建立有效的管理系統(tǒng)，為生產(chǎn)決策提供依據(jù)。這是邊緣計(jì)算技術(shù)在礦山自動化控制過程領(lǐng)域的一次集中展示，集控中心其主要功能如下。

3.3.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合功能

接入的各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采取標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通訊方式與集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時交換，并對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，負(fù)責(zé)將不同階段的數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)用戶。

3.3.2 分級管控生產(chǎn)數(shù)據(jù)

根據(jù)崗位、職責(zé)的不同，規(guī)劃不同的訪問權(quán)限，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及其他信息的分級展示與調(diào)取。

3.3.3 實(shí)時記錄

提供各類傳感器系統(tǒng)、智能儀表等的系統(tǒng)實(shí)時報(bào)警信息的故障記錄。

3.3.4 事件記錄

對所有在現(xiàn)場各個系統(tǒng)及集控中心的操作及執(zhí)行的事件進(jìn)行實(shí)時記錄，并提供追查及重演功能。

3.3.5 故障分級統(tǒng)計(jì)

分時間段、類別、級別、子系統(tǒng)自動整理推送故障信息，提供統(tǒng)計(jì)和查詢功能。

3.3.6 歷史查詢

集控中心系統(tǒng)可查詢邊緣計(jì)算控制監(jiān)測監(jiān)控的任一系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行情況，如操作員、開機(jī)時間、頻次等，可調(diào)取歷史數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)圖表，同時具備網(wǎng)絡(luò)故障記錄功能，方便用戶管理。

4 邊緣智能在智能有色金屬礦建設(shè)的展望

盡管智能礦山建設(shè)是多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)成果的集成應(yīng)用，但其建設(shè)的成功與否取決于礦山生產(chǎn)工藝與智能化技術(shù)的匹配與融合程度[5]。

基于智能礦山的建設(shè)需求，結(jié)合邊緣技術(shù)的發(fā)展趨勢，本文提出了邊緣智能在智能礦山建設(shè)應(yīng)用的兩個重要方向。

4.1 智能網(wǎng)關(guān)

井下設(shè)備的測量數(shù)據(jù)可能會由于各種因素會出現(xiàn)抖動，如果原始數(shù)據(jù)不經(jīng)處理直接送往控制平臺，會導(dǎo)致生產(chǎn)人員需要處理大量的無效報(bào)警，增加工作量，同時會降低生產(chǎn)人員對報(bào)警準(zhǔn)確性的信任。

將原始數(shù)據(jù)接入智能網(wǎng)關(guān)，利用智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效濾波和防抖動處理，在邊緣側(cè)完成數(shù)據(jù)的診斷后，再送往控制平臺，可大大降低地面生產(chǎn)人員處理無效報(bào)警的工作量，還可以有效提升設(shè)備的故障診斷能力。

4.2 邊緣智能一體機(jī)

邊緣智能一體機(jī)是軟硬件一體的邊緣控制設(shè)備，在井下工藝系統(tǒng)相對小型但物理位置相對分散的場景中可以充分發(fā)揮作用。

邊緣智能一體機(jī)既可以支持來自同一工藝系統(tǒng)不同設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算控制；還可以將人工智能模型進(jìn)行邊緣部署，支持機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)的高效智能分析和實(shí)時決策；還能以容器化方式部署在各類安全可信的工業(yè)App 上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程智能監(jiān)控和故障預(yù)警等智能應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文系統(tǒng)地歸納了有色金屬智能礦山體系架構(gòu)的云-邊-端各層的設(shè)備和應(yīng)用的特點(diǎn)，并重點(diǎn)分析了邊緣計(jì)算在當(dāng)前有色金屬礦山的典型應(yīng)用。結(jié)合智能化建設(shè)實(shí)踐，展望了邊緣智能在智能礦山建設(shè)的應(yīng)用前景，為有色金屬礦山企業(yè)對智能生產(chǎn)控制規(guī)劃提供了有力的技術(shù)手段，可以有效提高智能礦山系統(tǒng)邊緣側(cè)建設(shè)的合理性和前瞻性，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。