神新能源公司数字矿山架构设计与分析*

于 涛，漆 涛，陈建强

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054;2.神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐830027)

0 引言

1999年，首届“国际数字地球”大会上提出“数字矿山”(Digital Mine，DM)概念［1］以来，DM 的思想已开始深入人心，DM科学研究与技术攻关已悄然兴起。进入信息主导的21世纪，“数字化生存”已成为知识经济的标志。信息技术的飞速发展，给中外采矿业带来了巨大冲击。采矿业是以矿产资源为生产对象的古老产业，绝大多数矿山企业还处在劳动密集性阶段，信息化改造势在必行。发达采矿国家在矿山信息化改造已迈出了坚实的步伐，有的已制定了长远发展规划［2－4］，加拿大已制订出一项拟在2050年实现的远景规划，即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山的所有设备实现机械自动破碎和自动切割采矿。芬兰采矿工业也于1992年宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题。瑞典也制定了向矿山自动化进军的“Grountecnik 2000”战略计划。

中国采矿业总体信息化水平还不够高。近年，随着社会经济的发展和国家宏观调控，中国矿山企业的经济形式和运行状态正在发生喜人的变化，信息化建设逐渐升温［5－10］。2010 年，神华集团公司着手进行数字矿山(DM)全面建设［11］，在充分了解数字矿山的内涵、特征、意义、目标的基础上，以面向矿山业务为依托，以数据互联互通为原则，以信息的整合、利用为核心，以矿山生产过程自动化为基础，以统一的传输网络平台为框架，以统一的软件平台为手段，以绿色开采技术、装备技术、信息技术为支撑，以标准体系为保障，其建设目标为“安全、绿色、智能、高效”［12－14］。

在数字矿山建设方面，中国煤炭产销量最大的神华神东公司所属矿区近水平煤层(地下开采时倾角8°以下的煤层;露天开采时倾角5°以下的煤层)居多，优于神华集团煤矿板块各单位且较易建设，神东公司从本单位信息化建设现状出发，从煤炭企业高阶业务的流程，详细分析了煤炭企业的业务框架和信息化框架［15］。与神东矿区优越的资源赋存条件不同，隶属于神华新疆能源有限责任公司(简称“神新能源公司”)的有新疆乌鲁木齐矿区的急倾斜(45°～87°)特厚煤层(群)［16－18］，还有少数缓倾斜煤层矿区;从瓦斯等级划分有高瓦斯、低瓦斯矿井;公司所属的个别矿井还有冲击地压灾害;开采方式涉及到综采、综放，且急倾斜特厚煤层矿井的采放比较大;从井型上看，既有井工矿也有露天矿。可以说神新能源公司下属的矿井几乎涉及到了各类煤层的赋存形式、开采方式和灾害类别。因此，相对于神东公司来说，神新能源公司数字化矿山建设的难度较大，特别是在急倾斜特厚煤层矿井建设数字化矿山独树一帜。多年来，通过逐步对多类型矿井进行的大规模扩建改造，大幅提高了煤炭生产能力和采、掘、运输机械化水平及安全水平，尤其在信息化建设方面取得明显进步。但是与神华集团内外先进企业相比，神新能源公司整体的信息化应用能力和管理水平还有待提高。文中通过对神新能源公司业务和信息化现状的梳理，构建公司整体的数字矿山技术架构与实施蓝图，为公司建设成为“安全、高效、绿色、智能”的世界一流矿山企业提供科学有效的指导。

1 神新能源公司数字化矿山建设思路

1.1 总体思路

通过现状调研了解公司的业务总体情况、应用系统功能及使用现状、数据管理现状、基础设施环境和信息安全举措及自动化水平等，结合神华集团信息化建设要求和行业先进实践，对公司业务和信息化的需求进行全面梳理和分析，形成神新能源数字矿山建设体系。神新能源公司数字矿山规划设计采用企业架构(Enterprise Architecture，EA)框架模型和方法，包括建设目标确定、业务架构设计、技术架构设计和数字矿山实施蓝图设计等，总体规划思路如图1所示。

1.2 总体设计

包括数字矿山建设目标、总体业务架构设计和总体技术架构设计等。

1 )结合国内外先进矿山企业的数字矿山建设经验，进行公司数字矿山专题研讨，确定公司数字矿山建设方向和建设目标;

2 )业务架构设计:充分利用前期相关材料和调研成果，考虑数字矿山建设对业务的优化和促进，形成企业核心业务架构;

3 )应用架构设计:根据公司业务架构、企业信息化需求，结合集团信息化总体规划和行业标杆，依据公司数字矿山的建设方向和主要特征，构建企业应用架构总图，规划设备层、控制层、生产执行层、经营管理层和决策支持层5个层次的应用及系统，进行系统功能设计和主要应用系统外部接口设计;

图1 数字矿山规划设计方法论Fig.1 Digital mine planning and design methodology

4 )数据架构设计:在充分分析业务和应用系统的基础上，制定公司数字矿山数据分类和总体数据架构，并完成数据管控体系规划工作;

5 )IT基础设施与安全架构设计:为保障公司各类应用的安全、稳定、高效地运行，进行企业数据中心、网络、主机和存储等基础设施架构设计，构建信息安全体系架构;

6 )IT管控体系设计，根据集团的信息化管控体系框架，结合公司的信息化管理实际，设计公司的IT管控组织架构和管控能力，明确数字矿山建设、运行和管理过程中公司各部门、各二级单位的职责。

1.3 实施蓝图设计

对公司数字矿山实施策略和实施计划及投资估算进行设计。

1 )数字矿山总体实施路线设计:在完成数字矿山总体架构设计的基础上，形成具体的数字矿山实施项目，对每一个项目从业务需求紧迫度、项目实施难易程度、项目实施依赖性等维度进行总体评估，确定各项目实施的优先顺序，制定公司数字矿山未来3－5年的总体实施路线。

2 )数字矿山总体投资估算编制:参照国内主流产品价格和业界参考数据，编制项目投资估算。

2 应用系统层面设计

通过分析神新能源公司发展战略、组织和业务现状，构建企业整体业务架构，结合神华集团信息化管理要求和建设成果，充分考虑公司总部和下属煤矿的信息化、自动化建设现状，应用系统总体架构如图2所示。

系统总体架构分为横向5个层面。

1 )L1设备层:部署在煤炭生产现场，实现现场信息的采集、控制指令的接收和执行;

2 )L2控制层:包括监控和监测2方面子系统，一个生产综合监控平台，公司各煤矿的建设内容根据自身具体情况而定。系统通常部署在矿级，实现煤炭安全生产的实时监测与控制。部分系统(安全监测、人员跟踪定位和工业电视系统等)需要多级部署，以实现现场关键信息的实时共享，提高公司和神华集团总部的安全生产指挥和调度管理能力。为进一步提升煤炭安全生产管控水平，提高生产效率，可进行临近区域多个矿井控制层系统的集中部署，实现区域调度控制。

3 )L3生产执行层:位于经营管理层与自动化层之间，起着承上启下的作用，包含1个生产执行平台和10个子系统。系统部署在公司总部，实现公司、矿级两级使用，并能与L2，L4和L5层应用系统进行数据的交换与共享。

图2 企业应用系统总体架构Fig.2 Overall architecture of enterprise application system

4 )L4经营管理层:通过运营管理过程的信息化，实现公司管理规范化和精细化。L4层系统主要由神华集团统一建设和集中部署，集团各子分公司根据实际需要授权使用。

5 )L5决策支持层:在企业数据仓库技术的基础上，通过数据的分析和挖掘，为企业的经营管理提供决策支持和业务控制能力。

为实现各层间信息的集成和共享，需要构建纵向基础支撑应用平台，包括企业门户和网站、企业应用集成平台、主数据管理平台和一个统一身份认证平台等。

3 IT基础设施总体设计

IT基础设施规划设计是为企业各种业务解决方案、应用系统和数据提供一个良好的运行环境，确保信息系统的安全、稳定和高效运行，并能够随着业务的发展提供扩展支持和快速定制能力。

按照整体规划、分步实施、先进实用的原则，对公司中心机房、行政办公网络、生产综合监控工业环网、行政通信、调度通信、无线调度通信、视频会议系统、调度大屏幕显示系统、工业视频监控系统、应急广播系统等IT基础设施的应用现状进行了全面的梳理和分析，并在此基础上进行合理化设计。

1 )数据中心:构建满足公司、煤矿信息化和自动化业务应用的数据中心，包括机房工程、主机、存储、虚拟化、备份与容灾、基础软件等。

2 )网络:建立行政办公网络、生产综合监控工业环网为基础的网络平台，包括综合布线系统、局域网、互联网、广域网、无线网、VPN和工业场地通信线网、工业以太环网、安全监控监测网、有线调度通信网、无线调度通信网等。

3 )IT基础设施应用:包括视频会议、工业电视视频监控、调度显示系统、行政通信、调度通信系统、无线调度通信系统、应急广播系统等。

4 )信息安全:构建神新能源公司的信息安全框架，包括安全管理、物理安全、系统安全、网络安全和应用安全5个方面。

(5)IT服务管理:按照ISO 20000国际标准，建立IT服务管理体系和流程。

煤矿生产综合监控网络平台是数字矿山建设的基础和支撑，井工煤矿规划采用千兆工业以太环网技术，包括地面环网和井下环网，网络拓扑结构如图3所示。

图3 井工煤矿工业以太环网拓扑结构Fig.3 Ethernet ring network topology for coal mine industry

平台采用光纤作为物理传输介质，井上、下采用交换机作为传输设备，煤矿各相关子系统在建设时仅需考虑设备层和软件层，而不必再建设传输通道，只需就近接入，利用千兆网络传输平台进行数据通信，从而做到一次投资，长期受益，有效提升信息化投资效率。通过借助生产综合监控网络平台，实现煤矿自动化、信息化各系统之间的安全、可靠、高速的数据传输和共享。

4 结论

神新能源公司数字矿山的规划设计首先通过公司业务、信息化现状的调研和分析，在参考国内外数字矿山建设经验基础上，充分考虑矿井类型及灾害的复杂性，结合国内外数字矿山先进建设经验及神华集团信息化总体要求和公司的具体实际情况，设计企业总体EA架构，并由此构建公司未来3－5年的信息化、自动化建设蓝图，这将为公司即将展开的数字矿山建设提供全面、有效的指导。

References

［1］ 毕思文，殷作如，何晓群，等.数字矿山的概念、框架、内涵及应用示范［J］.科技导报，2004(6):39－41.

BI Si-wen，YIN Zuo-ru，HE Xiao-qun，et al.The concept，framework and content of digital mine and application demonstration［J］.Science ＆ Technology Review，2004(6):39－41.

［2］ 潘俊成，杨奎奇，时志宏.数字矿山系统体系构建分析［J］.煤矿现代化，2004(3):42－44.

PAN Jun-cheng，YANG Kui-qi，SHI Zhi-hong.Study on establishment of integrated information system of digital mine［J］.Coal Mine Automation，2004(3):42 －44.

［3］ 谭得健，徐希康，张 申.浅谈自动化、信息化与数字矿山［J］.煤炭科学技术，2006，34(1):23 －27.

TAN De-jian，XU Xi-kang，ZHANG Shen.Comments on automation，information and digitalized mine［J］.Coal Science and Technology，2006，34(1):23 －27.

［4］ 王 青，吴惠城，牛京考.数字矿山的功能内涵及系统构成［J］.中国矿业，2004，13(1):7 －10.

WANG Qing，WU Hui-cheng，NIU Jing-kao.Functions and components of a digital mine operation system［J］.China Mine，2004，13(1):7 －10.

［5］ 吴立新，殷作如，邓智毅，等.论2l世纪的矿山——数字矿山［J］.煤炭学报，2000，25(4):337 －342.

WU Li-xin，YIN Zuo-ru，DENG Zhi-yi，et al.Research to the mine in the 21st century:digital mine［J］.Journal of China Coal Society，2000，25(4):337 －342.

［6］ YU Guang-ming，SONG Chuan-wang，Zou Jing-bo，et al.Applications of online monitoring technology for tailings dam on digital mine［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，21(s3):604 －609.

［7］ CHEN Jin-yun，ZHANG Shen，ZUO Wei-ran.Digital coal mine integrated automation system based on control net［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2007，17(2):211 －216.

［8］ ZHANG Ai-juan，JI Cheng.Security management and development of distributed digital mine system［J］.Science Direct，2009，1(1):1 205 －1 211.

［9］ Chunmin Lia，ZHANG Xin，LIU Xin Liu.Mine safety information technology in the framework of digital mine［J］.Safety Science，2012，50(4):846 －850.

［10］ LU Jian-jun，WANG Xiao-lu.MA Li.ZHAO An-xin.Informationization of coal enterprises and digital mine［J］.Journal of Coal Science＆ Engineering，2008(3):512－516.

［11］韩建国，杨汉宏，王继生，等.神华集团数字矿山建设研究［J］.工矿自动化，2013(3):11－13.

HAN Jian-guo，YANG Han-hong，WANG Ji-sheng，et al.Research of construction of digital mine of Shenhua group［J］.Industry and Mine Automation，2013(3):11－13.

［12］吴冲龙，田宜平，张夏林，等.数字矿山建设的理论与方法探讨［J］.地质科技情报，2011，30(2):102－108.

WU Chong-long，TIAN Yi-ping，ZHANG Xia-lin，et al.Discuss on the theory and method about construction of the digital mine［J］.Geological Science and Technology Information，2011，30(2):102 －108.

［13］ FANG Xin-qiu，ZHAO Jun-jie.HU Yuan.Tests and error analysis of a self-positioning shearer operating at amanless working face［J］.Mining Science Technology，2010，20(1):53 －58.

［14］ WANG Jian.PENG Xiang-guo.XU Chang-hui.Coal mining GPS subsidence monitoring technology and itsapplication［J］.Mining Science Technology，2011，21(4):463－467.

［15］牛建军.煤炭企业信息化建设探析［J］.科技情报开发与经济，2008，18(23):100 －102.

NIU Jian-jun.Probe into the construction of coal enterprise’s informatization［J］.SCI-Tech Information Development＆ Economy，2008，18(23):100 －102.

［16］来兴平，胡开江，郭秉超，等.急倾厚煤层综放开采顶煤超前预裂爆破技术［J］.煤炭科学技术，2010，38(9):1－9.

LAI Xing-ping，HU Kai-jiang，GUO Bing-chao，et al.Advance pre-cracking blasting technology of roof coal for fully mechanized top coal caving mining in steep inclined thick seam［J］.Coal Science and Technology，2010，38(9):1 －9.

［17］徐友宁，徐冬寅，张江华，等.矿产资源开发中矿山地质环境问题响应差异性研究——以陕西潼关、大柳塔及辽宁阜新矿区为例［J］.地球科学与环境学报，2011，33(1):89 －94.

XU You-ning，XU Dong-yin，ZHANG Jiang-hua，et al.Study on the difference of mine geo-environmental problem response to mineral resource exploitation:a case study about the mining areas in Tongguan and Daliuta of Shaanxi and Fuxin of Liaoning［J］.Journal of Earth Sciences and Environment，2011，33(1):89 －94.

［18］李智佩，徐友宁，郭 莉，等.陕北现代化煤炭开采区土地沙漠化影响及原因——以大柳塔－活鸡兔矿区为例［J］.地球科学与环境学报，2010，32(4):398 －403.

LI Zhi-pei，XU You-ning，GUO Li，et al.Impacts and causes of land desertification in modern coal mining districts in the North of Shaanxi province:a case study from Daliuta-Huojitu mining district［J］.Journal of Earth Sciences and Environment，2010，32(4):398 －403.