一、公司簡介
上海煤科信息科技有限公司(簡稱“信息科技公司”或“公司”)是中煤科工集團上海有限公司(簡稱“上海煤科”)的全資子公司,是國家級高新技術(shù)企業(yè)、上海市專精特新企業(yè)、工信部工業(yè)大數(shù)據(jù)分析與集成應(yīng)用重點實驗室成員、煤炭行業(yè)信息技術(shù)企業(yè)20強。
信息科技公司專注于利用物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)解決煤炭行業(yè)中存在的安全生產(chǎn)、經(jīng)營管理等方面的問題,為煤炭行業(yè)智能礦山建設(shè)和運維提供全面的解決方案和數(shù)字化服務(wù)。
公司先后榮獲2019年度和2022年度煤炭行業(yè)“兩化”深度融合優(yōu)秀項目、2019年工信部工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)秀解決方案、2022年度全國綠色礦山科學(xué)技術(shù)三等獎、第三屆中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大賽百強、2023年度設(shè)備管理與技術(shù)創(chuàng)新成果一等獎等多項榮譽。近年來取得行業(yè)相關(guān)軟件著作權(quán)82項、專利24項;主持編著行業(yè)標準2項。
二、實施背景
(一)加快煤礦智能化發(fā)展的必然要求
2020年2月,國家發(fā)展改革委、國家能源局、應(yīng)急部等八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》(簡稱《意見》)要求:“以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo),深人貫徹落實‘四個革命、一個合作’能源安全新戰(zhàn)略,堅持新發(fā)展理念,堅持以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線,堅持以科技創(chuàng)新為根本動力,推動智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展,提升煤礦智能化水平,促進我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展?!薄兑庖姟窞橥苿又悄芑夹g(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展,提升煤礦智能化建設(shè)水平,提供了明確指導(dǎo)思想,也為蔣家河煤礦智能化建設(shè)指明了發(fā)展方向。
(二)推動智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的重要舉措
蔣家河煤礦屬于高瓦斯礦井,煤層為自燃煤層,煤塵具有爆炸性;水文地質(zhì)類型為“中等”類型,煤層有弱沖擊傾向性和危險性。該礦原有的包含瓦斯抽放、安全監(jiān)測、人員定位、礦燈房、IP廣播通訊、工業(yè)視頻監(jiān)控等18個信息系統(tǒng),由多個軟件服務(wù)商開發(fā),缺乏頂層整體規(guī)劃,系統(tǒng)間相互孤立,信息孤島現(xiàn)象嚴重,數(shù)據(jù)僅能作為監(jiān)測使用,無法對數(shù)據(jù)進行深度分析并輔助管理者決策。
面對這些問題,蔣家河煤礦亟須通過建設(shè)智慧礦山綜合應(yīng)用系統(tǒng),打破各信息系統(tǒng)之間的壁壘,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通與深度挖掘,推動煤礦智能化發(fā)展,全面提升生產(chǎn)效率和安全管理水平。
三、目標與內(nèi)涵
信息科技公司研發(fā)的蔣家河智慧礦山綜合應(yīng)用系統(tǒng),旨在提升煤礦的智能化建設(shè)水平,加速推動智慧礦山建設(shè),保障煤礦的生產(chǎn)效率和安全。
該系統(tǒng)利用智能化技術(shù),對瓦斯抽放、安全監(jiān)測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行實時精準監(jiān)控與分析,提前預(yù)判潛在風(fēng)險,為管理者提供科學(xué)有效的決策依據(jù)。同時,借助先進的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù),優(yōu)化煤礦生產(chǎn)流程,提升生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,在保障安全生產(chǎn)的前提下,推動煤炭產(chǎn)業(yè)向智能化、綠色化、高效化方向轉(zhuǎn)型升級,真正實現(xiàn)智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)的深度融合與協(xié)同發(fā)展。該系統(tǒng)的基本架構(gòu)如下:
蔣家河智慧礦山綜合應(yīng)用系統(tǒng)參照《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標準》、中"°5G+ 智能化煤礦”頂層架構(gòu)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計等,從蔣家河煤礦業(yè)務(wù)(地質(zhì)/設(shè)計/生產(chǎn)/洗選/運銷)和空間(井下/井上),即縱向和橫向兩個維度進行總體設(shè)計并予以實施落地。
蔣家河智慧礦山全生命周期總體架構(gòu)規(guī)劃為6層,即:交互層、應(yīng)用層、平臺層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)備層。設(shè)備層通過智能化改造具備自動開采能力,同時,將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層上行至控制層;控制層本身可以對設(shè)備進行遠程控制,同時將數(shù)據(jù)上傳到平臺層的蔣家河煤礦大數(shù)據(jù)中心。根據(jù)業(yè)務(wù)需要,數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)云平臺進行分析后反饋至應(yīng)用層,供各級人員通過PC、大屏、移動端等多種形式分級查看相應(yīng)界面;管理者可參考系統(tǒng)提供的煤礦生產(chǎn)能效、生產(chǎn)安全健康度等指標進行決策。(如圖1所示)
蔣家河智慧礦山全生命周期綜合應(yīng)用系統(tǒng),包含以下五大軟件應(yīng)用場景。
調(diào)度指揮中心:依托平臺BI商業(yè)智能可視化組件,能夠更靈活地運用于蔣家河煤礦的實際工作環(huán)境中,實現(xiàn)礦區(qū)生產(chǎn)一張圖、經(jīng)營管理一張圖、安全隱患一張圖、礦區(qū)設(shè)備一張圖。(如圖2所示)
安全管控及地質(zhì)保障中心:主要涵蓋ZF213工作面、瓦斯抽放、安全監(jiān)測、人員定位、礦燈房、IP廣播通訊、工業(yè)視頻監(jiān)控、礦井水文自動化、礦井應(yīng)力預(yù)警、微震事件監(jiān)測與定位分析、頂板與沖擊地壓監(jiān)測、分布式激光火災(zāi)監(jiān)測、風(fēng)險預(yù)控與事故隱患管理等系統(tǒng)。(如圖3所示)
預(yù)警應(yīng)急中心:通過AI圖像識別結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)井下三違監(jiān)管,滿足人員違章乘坐皮帶機、工作面不帶安全帽、關(guān)鍵崗位脫崗、巡檢區(qū)域冒煙/明火、工作面區(qū)域人員識別等場景的監(jiān)管。另外,在采煤機故障預(yù)診斷方面,結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和算法模型,在齒輪箱和電機部件進行了相關(guān)研究。(如圖4所示)
經(jīng)營管理中心:主要包括經(jīng)營管理系統(tǒng)、企業(yè)微信管理系統(tǒng)、黨建學(xué)習(xí)系統(tǒng)等。
VR培訓(xùn)中心:包含采煤作業(yè)VR實操系統(tǒng)、煤礦事故案例VR警示教育、煤礦防治水教學(xué)、煤礦五大災(zāi)害逃生教育等模塊。
四、主要做法
(一)研發(fā)基礎(chǔ)版綜合應(yīng)用系統(tǒng)
信息科技公司通過對煤礦智能控制、安全監(jiān)控、生產(chǎn)保障等多維度的系統(tǒng)性梳理,形成一套基礎(chǔ)版綜合應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),充分利用云計算、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)和人工智能等先進技術(shù),通過整合并上和井下的安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控與日常管理數(shù)據(jù),并結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)運營管控對象模型,構(gòu)建智能礦山數(shù)據(jù)底座。另外,基于微服務(wù)架構(gòu)和資源化、場景化、平臺化的思想,與企業(yè)經(jīng)營管理中心等進行數(shù)據(jù)融合,逐步實現(xiàn)煤礦數(shù)據(jù)資產(chǎn)沉淀,形成以數(shù)據(jù)資產(chǎn)運營為核心驅(qū)動力的礦山科技創(chuàng)新。
通過行業(yè)知識庫驅(qū)動、機器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)資產(chǎn)沉淀,助力煤礦從傳統(tǒng)的安全生產(chǎn)決策,向以數(shù)據(jù)資產(chǎn)運營為核心驅(qū)動力的科技創(chuàng)新與管理轉(zhuǎn)型,從而促進煤礦數(shù)字化轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展。
(二)研發(fā)定制版綜合應(yīng)用系統(tǒng)
在基礎(chǔ)版綜合應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上,信息科技公司結(jié)合具體項目的實際情況,為礦方提供符合自身需求的集生產(chǎn)、安全、經(jīng)營、地質(zhì)等多維度融合為一體的定制版綜合應(yīng)用系統(tǒng)。
1.前期調(diào)研相關(guān)技術(shù)標準
結(jié)合蔣家河煤礦實際需求,明確設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層、平臺層、應(yīng)用層、交互層的各自功能和技術(shù)參數(shù)。比如,要求平臺滿足數(shù)據(jù)吞吐量達到8萬條/秒、支持千萬個數(shù)據(jù)節(jié)點的接人、一鍵私有化部署等。
2.建設(shè)大數(shù)據(jù)平臺
平臺層利用Hadoop、SpringCloud等框架,實現(xiàn)大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)。其中,運用Kafka、MapReduce、Strome等技術(shù),實現(xiàn)平臺消息隊列、實時計算、離線計算、服務(wù)靈活可配等功能。在此過程中,形成了一個標準四層架構(gòu)的數(shù)據(jù)中臺,梳理了蔣家河煤礦的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),完成了一套標準主數(shù)據(jù),并根據(jù)業(yè)務(wù)主題一鍵生成相應(yīng)的標準API接口。同時,平臺基于礦山場景的AI算法庫,便于對數(shù)據(jù)做更快速的數(shù)據(jù)探索。另外,平臺實現(xiàn)了私有化一鍵部署、容災(zāi)備份、軟硬雙層防火墻等功能,保障了數(shù)據(jù)的安全和服務(wù)的高可靠、高可用。
3.建設(shè)5大綜合應(yīng)用系統(tǒng)
根據(jù)礦方需求,通過調(diào)用平臺層API接口和中間件,實現(xiàn)融合已有系統(tǒng)迭代升級和新系統(tǒng)開發(fā),構(gòu)建調(diào)度指揮中心、安全管控及地質(zhì)保障中心、預(yù)警應(yīng)急中心、經(jīng)營管理中心、VR培訓(xùn)中心的5大綜合應(yīng)用系統(tǒng)。其中,調(diào)度指揮中心通過平臺BI組件,快速實現(xiàn)“千人千面”數(shù)字駕駛艙系統(tǒng);安全管控及地質(zhì)保障中心實現(xiàn)設(shè)備、人員、環(huán)境等系統(tǒng)的有機融合,以及相關(guān)場景的3D建模;預(yù)警應(yīng)急中心利用平臺AI礦用算法庫結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)萬兆環(huán)網(wǎng),實現(xiàn)井下三違實時監(jiān)管和采煤機故障預(yù)診斷;經(jīng)營管理中心融合已有ERP等系統(tǒng),實現(xiàn)移動辦公,滿足精益管理的需要;VR培訓(xùn)中心依托虛擬現(xiàn)實技術(shù),滿足采煤機司機等日常培訓(xùn),通過沉浸式事故案例警示、應(yīng)急避災(zāi)逃生等系統(tǒng)強化員工安全意識,守住生產(chǎn)安全的底線。
4.實現(xiàn)煤機設(shè)備與大數(shù)據(jù)云平臺連接
在設(shè)備層與控制層,依托上海煤科對蔣家河ZF213工作面進行了采煤機、液壓支架、三機的相關(guān)升級。實現(xiàn)采煤機記憶截割、工作面自動找直、三機自動跟機。煤機設(shè)備通過萬兆環(huán)網(wǎng)與5G專線與大數(shù)據(jù)云平臺連接,通過全生命周期綜合應(yīng)用系統(tǒng)對生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)的深度挖掘,實現(xiàn)在工作面推進力度等方面的輔助決策。
(三)針對問題的改進措施
1.對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)抽取,形成一套標準主數(shù)據(jù)
蔣家河煤礦原有18個系統(tǒng)屬于不同的軟件服務(wù)商。智慧礦山全生命周期綜合應(yīng)用系統(tǒng)的建立,需要對已有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行融合。要滿足關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、電子文本、非標準數(shù)據(jù)接口等數(shù)據(jù)接人形式,同時考慮到原軟件服務(wù)商不支持和新建系統(tǒng)的需要,一部分數(shù)據(jù)還需要從底層通過工業(yè)協(xié)議opc/modbus等采集。
2.高效提高海量數(shù)據(jù)的處理能力
蔣家河煤礦原系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)量較多,且相互獨立,維護成本極高;使用的是傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、部分軟件架構(gòu)是C/S架構(gòu),數(shù)據(jù)請求時間較長。新部署的大數(shù)據(jù)平臺采用主流的Hadoop架構(gòu)、SQL + NoSQL的存儲方式,大幅提高數(shù)據(jù)處理能力。通過虛擬化等技術(shù),能夠滿足使用5臺服務(wù)器運行所有系統(tǒng)(包含其他新系統(tǒng))的需求。
3.建立礦用相關(guān)算法庫,靈活調(diào)整應(yīng)用系統(tǒng)界面
針對井工煤礦的特殊場景,常規(guī)的圖像識別算法模型無法使用,初期需要手動標識再對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行模型訓(xùn)練。同樣,在采煤機故障預(yù)診斷方面,需要和機械、電氣專家一起將算法轉(zhuǎn)為計算機語言并進行置信度評價。應(yīng)用界面由于蔣家河礦方需求改動較為頻繁,需開發(fā)一套可視化數(shù)據(jù),展示組件結(jié)合 UI+3D 定制化設(shè)計支撐項目的進度。
五、實施成效
通過智能化建設(shè),打通了蔣家河煤礦各個系統(tǒng)鏈接,解決了數(shù)據(jù)孤島難題,完成了從傳統(tǒng)礦山到智慧礦山的轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件下多元災(zāi)害跨系統(tǒng)聯(lián)動控制和數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度分析與災(zāi)害預(yù)警,保障了煤礦生產(chǎn)效率和安全。
(一)智能化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平顯著提高
目前,在蔣家河煤礦辦公大樓6樓建立了指揮中心,并擴建形成了大數(shù)據(jù)機房,部署了大數(shù)據(jù)云平臺,將新建系統(tǒng)和已有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融會貫通,形成了一個標準礦山數(shù)據(jù)倉庫。借助大數(shù)據(jù)的存儲和計算優(yōu)勢,對數(shù)據(jù)進行實時與離線分析,為管理者決策提供支撐。同時,綜合應(yīng)用系統(tǒng)(調(diào)度指揮中心、安全管控及地質(zhì)保障中心、預(yù)警應(yīng)急中心、經(jīng)營管理中心)在指揮中心內(nèi)大屏和分控屏上運用,滿足不同層級管理者的需要。另外,在蔣家河煤礦辦公大樓6樓設(shè)立了VR培訓(xùn)教室,滿足了日常員工培訓(xùn)需要。
(二)風(fēng)險預(yù)判和安全預(yù)警能力明顯增強
蔣家河智慧礦山全生命周期綜合應(yīng)用系統(tǒng)的運用,提高了對礦山災(zāi)害和風(fēng)險預(yù)兆的分析預(yù)判能力,實現(xiàn)了從單一工作平臺向多專業(yè)協(xié)同工作平臺的轉(zhuǎn)變、從簡單的集成服務(wù)向高級智慧服務(wù)的轉(zhuǎn)變。蔣家河智慧礦山的標準主數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)技術(shù),體現(xiàn)在物體的語義描述、知識表達、信息融合、知識挖掘、信息充分利用等方面。在此基礎(chǔ)上,形成礦山安全信息判識、預(yù)警與控制機制,提高了礦山安全性、生產(chǎn)效率及安全預(yù)警能力。
(三)遠程監(jiān)測、分析、操控功能得以實現(xiàn)
工作面智能化改造實現(xiàn)了采煤機遠程監(jiān)控、記憶割煤、工作面自動找直功能;液壓支架電液控改造實現(xiàn)了工作面支架遠程監(jiān)控、自動跟機移架等功能。同時,指揮中心內(nèi)全生命周期綜合應(yīng)用系統(tǒng)通過萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)和5G專網(wǎng),實現(xiàn)了井上對工作面的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程數(shù)據(jù)分析、遠程作業(yè)操控等功能。(如圖5所示)
(四)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益全面提升
蔣家河煤礦ZF213綜采工作面實現(xiàn)減員50% ,每年節(jié)約500余萬元。同時,提高生產(chǎn)效率 20%~30% ,并大幅降低噸煤能耗,實現(xiàn)每年直接經(jīng)濟利潤千余萬元。
通過自主研發(fā)的大數(shù)據(jù)平臺,打通蔣家河煤礦原有18個子系統(tǒng)間的壁壘,打破信息孤島,避免了重復(fù)建設(shè),由此節(jié)省上千萬元的軟件設(shè)計與開發(fā)成本支出。
實時監(jiān)測生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù),保障采煤機等設(shè)備長期正常運轉(zhuǎn),不僅減輕了檢修班下井頻率和工作強度,也減少了設(shè)備“欠保養(yǎng)”或“過保養(yǎng)”所產(chǎn)生的費用,每年預(yù)估節(jié)省230余萬元。
(五)智能化建設(shè)經(jīng)驗得到有效推廣
通過智能化建設(shè),將蔣家河煤礦打造成一座“國際一流、國內(nèi)領(lǐng)先”的“安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展”新型現(xiàn)代礦井,起到了良好示范效應(yīng)。這對加速推進其他智慧礦山項目的建設(shè),具有廣泛的推廣價值?,F(xiàn)在,信息科技公司研發(fā)的智慧礦山綜合應(yīng)用系統(tǒng),正逐步應(yīng)用于蔣家河煤礦、雅店煤礦、鹿洼煤礦、思山嶺鐵礦等,在西北地區(qū)形成了一面旗幟。
六、主要創(chuàng)新點
(一)創(chuàng)新構(gòu)建了智慧礦山建設(shè)管控模式
智慧礦山綜合應(yīng)用系統(tǒng)覆蓋了蔣家河煤礦的“采、掘、機、運、通”等環(huán)節(jié),是真正意義上的一款綜合智慧礦山應(yīng)用系統(tǒng)。其依托5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、智能控制、人工智能等技術(shù)手段,將先進互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與煤炭開采技術(shù)深度融合,構(gòu)建了監(jiān)測、分析、操控“三位一體”的智慧礦山建設(shè)管控模式,確保智慧礦山建設(shè)的實用性和可靠性,實現(xiàn)協(xié)同管理、過程控制、實時監(jiān)管、預(yù)測維護的效果,為全國復(fù)雜地質(zhì)煤層智能化開采提供了范例。
(二)自主開發(fā)了大數(shù)據(jù)平臺
通過Hadoop、SpringCloud等框架,平臺可滿足數(shù)據(jù)吞吐量達到8萬條/S、支持干萬個數(shù)據(jù)節(jié)點的接人,以及百臺服務(wù)器的彈性擴展等。其中,運用Kafka、MapReduce、Strome等技術(shù),實現(xiàn)了平臺消息隊列、實時計算、離線計算、服務(wù)靈活可配等功能。同時,在國內(nèi)率先提出煤礦雙系統(tǒng)容災(zāi)運行模式,實現(xiàn)了主從系統(tǒng)的自動切換。
(三)自主研發(fā)了可視化數(shù)據(jù)探索引擎
通過拖拽算法模塊和手動調(diào)參的方式,幫助算法工程師、采煤機機械與電氣工程師更高效率地挖掘數(shù)據(jù)價值,并運用于煤礦的生產(chǎn)過程中?;贓charts的可視化數(shù)據(jù)組態(tài)界面 + 定制化3D綜采工作面建模,在保證項自進度的同時具備更好的用戶體驗。
七、未來展望
未來,隨著技術(shù)的不斷進步,蔣家河智慧礦山綜合應(yīng)用系統(tǒng)有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。在智能化程度上,可進一步深化人工智能技術(shù)的應(yīng)用,讓系統(tǒng)具備更精準的智能決策能力,不再局限于對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析和處理,能夠更加主動預(yù)測潛在問題并提供最優(yōu)解決方案。在系統(tǒng)的兼容性和擴展性上,可探索與更多外部系統(tǒng)的融合,實現(xiàn)與上下游產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)互通和業(yè)務(wù)協(xié)同。比如,與煤炭運輸、銷售系統(tǒng)緊密結(jié)合,優(yōu)化整個煤炭產(chǎn)業(yè)流程,提升綜合效益。此外,隨著綠色礦山理念的深人,該系統(tǒng)還可在節(jié)能減排方面進行創(chuàng)新,利用數(shù)據(jù)分析優(yōu)化生產(chǎn)流程,降低能耗,為煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更有力的支持。
目前,全國煤礦數(shù)量4400余座,整體投資規(guī)模將達到上萬億元。其中,智能設(shè)備市場約8000億元,與智能化相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施、集成平臺市場約2000億元。除了存量煤礦的智能化改造,當前新建單個千萬噸級煤礦的投資在10億元左右。因此,該系統(tǒng)在煤礦的推廣應(yīng)用潛力巨大。另外,全國現(xiàn)有非煤礦山3萬余座。非煤礦山生產(chǎn)的風(fēng)險程度不亞于煤礦,智能化發(fā)展的需求也非常迫切。
蔣家河煤礦通過智能化建設(shè),實現(xiàn)生產(chǎn)效率和安全的大幅提高,產(chǎn)生了良好的示范效應(yīng)。其經(jīng)驗做法也可以推廣應(yīng)用到非煤礦山、智慧園區(qū)等領(lǐng)域,從而加快推進信息科技產(chǎn)業(yè)的升級迭代與煥新發(fā)展。