智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)分析與平臺設計研究

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-8073

作者簡介：王京濤（1982—），男，碩士，工程師，研究方向為礦山電氣自動化。

摘要：首先以智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)應用思路和場景為切入點，在此基礎上分析智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺設計，包括基本設計模式、核心技術(shù)以及作業(yè)方法等，其次就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、智能技術(shù)等內(nèi)容進行論述，最后結(jié)合BX煤礦某礦山實際情況進行模擬分析，了解智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺建設優(yōu)勢，為后續(xù)有關技術(shù)的具體運用、優(yōu)化提供少許參考。

關鍵詞：智慧礦山 ?大數(shù)據(jù)技術(shù) ?平臺設計 ?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號：TD97

智慧礦山（Smart mines）是對生產(chǎn)、職業(yè)健康與安全、技術(shù)和后勤保障等進行主動感知、自動分析、快速處理、智能管控的礦山，是一種現(xiàn)代化、綜合性作業(yè)系統(tǒng)，其建設能夠提升礦山工作的效率、質(zhì)量，是當前、未來采礦業(yè)發(fā)展的核心要求和基本趨勢。從特點上看，智慧礦山建設關注各類新技術(shù)的運用，包括大數(shù)據(jù)技術(shù)在內(nèi)[1]。目前各地已經(jīng)普遍重視礦山智慧化，并引入了一些現(xiàn)代技術(shù)和方法、設備，但效果各有不同，這與其對大數(shù)據(jù)的運用、處理以及平臺建設存在一定關聯(lián)，從提升智慧礦山建設水平的角度出發(fā)，有必要分析智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)應用常見、平臺設計方法和關鍵技術(shù)，以服務未來礦山建設工作。

1 智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)分析

1.1 ?智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)應用思路

從思路上看，智慧礦山建設、運營過程中，大數(shù)據(jù)技術(shù)應用主要強調(diào)全面化、重點化、持續(xù)化3個方面。其中，全面化是指大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧礦山的各個方面均應嘗試運用，以發(fā)揮其價值，優(yōu)化礦山建設、運營水平，包括生產(chǎn)安全、工作效率、業(yè)務決策、設施采買和運維、井下通風和抑塵等。重點化相較于全面化，廣泛運用大數(shù)據(jù)的基礎上，選取一些重點環(huán)節(jié)，深入發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)的特點和優(yōu)勢，針對性改善智慧礦山的工作能力，如部分礦山生產(chǎn)效率不高，可通過大數(shù)據(jù)分析其生產(chǎn)效率低下的原因，以及可行的應對方法，為礦山工作提供具有針對性的指導和幫助[2]。持續(xù)化是指智慧礦山建設、運營、維護等工作中，大數(shù)據(jù)的應用應是持續(xù)的，能夠在礦山運營的全周期或大部分時間內(nèi)發(fā)揮積極作用。

1.2 ?智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)應用場景

大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧礦山中的應用場景不是單一的，可按照其共性要求大致分為三類：基礎信息采集場景、信息處理場景、信息應用場景。

基礎信息采集是大數(shù)據(jù)應用的前置性工作，從一般要求上看，智慧礦山強調(diào)應用各類技術(shù)完成對礦山內(nèi)各類工作、各環(huán)節(jié)進行主動感知、自動分析、快速處理、智能管控，上述工作均以實時產(chǎn)生的各類信息為參考。例如：安全工作，以井下、礦山周邊的客觀環(huán)境為依據(jù)，生產(chǎn)控制以鍋爐、設備的運營情況為基礎，這些信息均應組織實時采集和分析[3]。信息處理場景，即大數(shù)據(jù)技術(shù)處理各類原始信息的場景，一般以計算機或其他智能工具、設備為平臺，利用默認程序進行數(shù)據(jù)的分析、加工、挖掘其深層次價值，如安全生產(chǎn)的常見影響因素、安全事故的主要誘因等。信息應用場景是指以大數(shù)據(jù)為中心，將該技術(shù)下的成果應用于智慧礦山建設或運營，以發(fā)揮其價值的場景。例如：通過大數(shù)據(jù)建設安全工作系統(tǒng)，應用于井下作業(yè)、生產(chǎn)控制、爆破計算等，其基本目的在于完成數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的具體轉(zhuǎn)化和運用，以確保智慧礦山工作能力符合預期[4]。

2 ?智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺設計

2.1 設計思路

智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺的設計，思路上關注邏輯清晰、結(jié)構(gòu)簡練、工作能力符合礦山實際情況。在此思路下，其主要結(jié)構(gòu)可分為五個部分，如圖1所示。

按照圖1所示結(jié)構(gòu)，智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺主要由大數(shù)據(jù)工作中心、大數(shù)據(jù)采集端、大數(shù)據(jù)處理端、大數(shù)據(jù)應用端和遠程控制端構(gòu)成，其中智慧礦山大數(shù)據(jù)工作中心作為中心結(jié)構(gòu)，其功能為執(zhí)行遠程指令、為大數(shù)據(jù)的綜合運用提供平臺。大數(shù)據(jù)采集端主要由各類終端設施構(gòu)成，包括傳感器、影像采集設備以及必要的通信結(jié)構(gòu)等。數(shù)據(jù)處理端以各類性能較理想的電子設備為中心，包括電子計算機、移動終端等，要求根據(jù)默認程序進行數(shù)據(jù)的分析、處理，包括挖掘和存儲等。數(shù)據(jù)應用端為各類工作系統(tǒng)，如安全作業(yè)系統(tǒng)、生產(chǎn)效率分析系統(tǒng)等。遠程控制端負責對大數(shù)據(jù)工作中心、大數(shù)據(jù)采集端、大數(shù)據(jù)處理端、大數(shù)據(jù)應用端進行程序控制，設定、更改、優(yōu)化各類工作程序，保證該系統(tǒng)可以按照預期要求完成大數(shù)據(jù)的一般管控、運用。

2.2 ?核心技術(shù)

智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺建設需要依賴計算機技術(shù)、通信技術(shù)，除上述基礎技術(shù)外，其建設需要的核心技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、智能技術(shù)等。

2.2.1 ?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)即“物物相聯(lián)”的互聯(lián)網(wǎng)，其建設沒有脫離互聯(lián)網(wǎng)一般范圍，但更重視發(fā)揮現(xiàn)代技術(shù)的價值，實現(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)各類關聯(lián)主體的聯(lián)動化。該系統(tǒng)建設的關鍵在于選定關聯(lián)主體，提供高質(zhì)量的通信保證。各礦山在工作中可以根據(jù)大數(shù)據(jù)工作需要選擇有關主體，將其納入物聯(lián)網(wǎng)范圍，以有線通信、無線通信并行的方式提供通信支持，另以CAN總線技術(shù)提供輔助。

例如：礦山井下通風作業(yè)，關聯(lián)主體包括四大類：一是通風設備；二是能提供大數(shù)據(jù)服務的智能作業(yè)系統(tǒng)；三是工作人員；四是工作環(huán)境。要求在工作環(huán)境（也即通風環(huán)境）內(nèi)放置感知設備，對通風區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量、通風參數(shù)進行收集，感知設備通過有線系統(tǒng)內(nèi)的通信線路與智能作業(yè)系統(tǒng)進行連接，智能作業(yè)系統(tǒng)通過通信線路與通風設備、工作人員進行連接。工作人員利用大數(shù)據(jù)對智能作業(yè)系統(tǒng)進行降維訓練，使其擁有智能辨識和分析能力。當井下通風不暢、空氣質(zhì)量下降時，由感知設備進行信息采集，通過智能作業(yè)系統(tǒng)進行判斷，要求通風設備更改參數(shù)、增加通風能力，并提示工作人員進行必要干預，應對可能出現(xiàn)的故障。該系統(tǒng)也可以采用無線通信形式提供輔助，如人員之間的中短距離對講等[5]。

2.2.2區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧礦山建設、運營過程中的作用比較突出，尤其是規(guī)模較大、工作內(nèi)容較多的礦山，可利用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)各部分工作內(nèi)容的獨立化，提升工作覆蓋效應。具體而言，區(qū)塊鏈技術(shù)應用強調(diào)建設各自獨立的工作系統(tǒng)，并提供可以獨立工作的大數(shù)據(jù)工作平臺。

系統(tǒng)建設方面，主要強調(diào)配置性能較強的計算機（或其他智能化終端），為保證大數(shù)據(jù)處理能力，計算機的虛擬內(nèi)存不宜低于32 GB，顯存不宜低于8 GB，磁盤空間或云存儲作業(yè)空間應達到1 TB以上。為保證區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)揮預期的數(shù)據(jù)處理作用，還可以在條件允許的情況下在各終端建設小型計算機群，以改善大數(shù)據(jù)同步采集、同步處理的水平。大數(shù)據(jù)工作平臺建設方面，除按基本要求配置工作設備外，還應加強數(shù)據(jù)緩存、存儲、運用能力?？山⒃紨?shù)據(jù)臨時緩存系統(tǒng)，利用計算機磁盤空間或云空間，對本日產(chǎn)生的各類原始信息進行臨時緩存，次日一體清除[6]。本日產(chǎn)生的有價值信息，以大數(shù)據(jù)技術(shù)進行處理，形成便于應用和存儲的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，利用計算機磁盤空間或云空間進行獨立建庫保存，以備后用。區(qū)塊鏈模式下，所有單獨工作的數(shù)據(jù)處理中心，一體化與礦山大數(shù)據(jù)工作中心保持實時連接，后者可根據(jù)需要調(diào)取任何數(shù)據(jù)處理中心的工作信息，服務安全生產(chǎn)、效率調(diào)整等一般性工作。

2.2.3智能技術(shù)

智慧礦山建設過程中，可由技術(shù)人員進行粉塵濃度有關信息采集，形成大數(shù)據(jù)結(jié)果，重點為“人員發(fā)現(xiàn)粉塵濃度的臨界值”?“爆炸隱患的粉塵濃度臨界值”等，數(shù)據(jù)采集越全面，其精準性越高。以“人員發(fā)病粉塵濃度的臨界值”為例，完成采集和計算后，默認該值為Z，則礦井實際工作中粉塵濃度往往圍繞Z上下波動：

[…AW；8G；Z；6Y8；0H-；7B…]

該數(shù)集中，除Z以下，其他均為隨機參數(shù)，理論上下至0，上至100%。工作人員可以根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將Z值代入計算機中，該計算機接受礦山大數(shù)據(jù)工作中心控制，并直接參與礦山的抑塵系統(tǒng)工作。當抑塵系統(tǒng)前端設施（信息采集設備）收集的信息表明工作區(qū)域內(nèi)粉塵濃度較低，處于數(shù)集中Z以下水平時，系統(tǒng)不作業(yè)，繼續(xù)進行粉塵信息采集；當抑塵系統(tǒng)前端設施收集的信息表明工作區(qū)域內(nèi)粉塵濃度較高，處于數(shù)集中Z水平或超過Z值時，系統(tǒng)自動投入作業(yè)、進行區(qū)域抑塵，并繼續(xù)進行粉塵信息采集。

3 智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺建設模擬

對BX煤礦某礦山進行模擬，以了解智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用優(yōu)勢，并對上述設計思路和方法進行論證。模擬采用參數(shù)代入法，在獲取BX煤礦某礦山一般工作數(shù)據(jù)的基礎上，將物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、智能技術(shù)等以參數(shù)形式代入計算機模型中，通過動態(tài)實驗進行工作能力分析。主要有以下兩個實驗。

3.1 ?常規(guī)實驗

對煤礦礦井通風情況、粉塵濃度、設備工作參數(shù)進行模擬調(diào)整，但調(diào)整范圍不超過其允許值，即通風情況、粉塵濃度、設備工作參數(shù)出現(xiàn)變動但仍是安全的，不影響礦山一般工作，模擬進行5min，以1∶50 000的速率進行加速，各設定礦井通風情況、粉塵濃度、設備工作參數(shù)出現(xiàn)100次變化，評估系統(tǒng)是否出現(xiàn)誤操作，統(tǒng)計誤操作發(fā)生率。

3.2 ?異常實驗

對煤礦礦井通風情況、粉塵濃度、設備工作參數(shù)進行模擬調(diào)整，且調(diào)整范圍超過其允許值，即通風情況、粉塵濃度、設備工作參數(shù)出現(xiàn)變動且不是安全的，影響礦山一般工作，模擬進行5?min，以1∶50?000的速率進行加速，各設定礦井通風情況、粉塵濃度、設備工作參數(shù)出現(xiàn)100次變化，評估系統(tǒng)針對故障的辨識能力，統(tǒng)計故障辨識率。

根據(jù)結(jié)果可知，第一組實驗出現(xiàn)2次誤操作，誤操作發(fā)生率0.6%，第二組完成296次故障辨識，故障辨識率98.7%，效果理想。這表明大數(shù)據(jù)技術(shù)可以改善智慧礦山建設以及運營工作水平。

4 ?結(jié)語

綜上所述，智慧礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)優(yōu)勢突出，其應用以高質(zhì)量的作業(yè)平臺為基礎，可以顯著改善礦山各項工作水平。從思路上看，大數(shù)據(jù)可以服務礦山安全工作、生產(chǎn)活動，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境和作業(yè)質(zhì)量。其作業(yè)平臺的設計主要以信息技術(shù)為中心，核心技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、智能技術(shù)等，作業(yè)過程中以實時感知、實時分析、默認程序和必要的人工干預為主。根據(jù)對BX煤礦某礦山工作系統(tǒng)的模擬，可發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)以及其平臺設計可以優(yōu)化智慧礦山的工作水平，未來可在此思路下尋求智慧礦山設計、建設優(yōu)化，進一步發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)優(yōu)勢，改善礦山工作質(zhì)量。

參考文獻

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