数字化矿山建设创新与实践

天地（常州）自动化股份有限公司 韩 安

数字化矿山建设创新与实践

天地（常州）自动化股份有限公司 韩 安

本文就数字化矿山项目需求、规划设计与建设过程进行归纳总结，提出数字化矿山的重点建设内容与创新点，为国内数字化矿山建设提供参考。

云计算；管控一体化；物联网；增效；决策分析

引言

煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占70%左右。在今后相当长的一段时间内，煤炭仍将作为非常重要的战略资源，在我国经济和社会发展中占有极其重要的地位。目前，我国有50多处千万吨煤矿，970多处120万吨以上矿井，在保障煤炭稳定供应与国民经济的发展起到了关键作用。

“十二五期间”，国家用“信息化带动工业化”的工作重点有三个方面：一是以电子信息技术应用为重点，提高传统产业生产过程自动化、控制智能化和管理信息化水平；二是以先进制造技术应用为重点，推进制造业领域的优质高效生产，振兴装备制造业；三是改造提升重点产业的关键技术、共性技术及其相关配套技术水平、工艺和装备水平。因此，数字化矿山的建设，作为煤炭传统产业以电子信息技术提升信息化的有效尝试，也是提升矿井安全生产水平与煤炭供应效率的有效保障[1]。

1.实现目标

数字化矿山建设应用自动化控制、计算机、网络通讯、物联网等技术，构建以矿井主数据为基础，涵盖矿井安全生产实时监测、日常安全生产调度管理、地理空间、现有集团经营管理等业务的数据中心，在满足矿井日常安全生产业务基础上，以三维可视化方式真实实时展现矿井安全生产状况，同时抽取集团经营管理系统数据，畅通矿井日常安全生产过程与企业经营管理决策数据，使得指标管控与执行过程有效融合，为企业日常安全生产过程提供决策依据，承载着矿井生产过程透视、运营决策、问题诊断、专家系统、可视化集控、指挥调度等业务应用，从而构建以生产过程自动化为基础、管理信息化为本质、三维可视化为直观表现形式、领导决策分析为管理依据的四位一体现代化矿井信息化平台[4]。

2.系统架构

平台构架自下而上包括感知层、执行控制层、系统运维层、集中管控层、业务展示层。

感知层：由传感器、工业视、移动终端、射频卡、执行器、电源以及相关的无线传输网络设备构成，实现了矿井环境安全、生产工况的感知与过程信息控制，同时采用物联网编码体系实现设备与设备、设备与执行器之间的智能化识别接入，是矿山物联的基础。

执行控制层：通过专有分站实现对感知层设备的信息采集、处理，并通过现场总线经高速工业网络传输给不同专业的工程师站，由工程师站实现对各专业信息的处理，并对现部分场设备的控制[2]。

系统运维层：依托企业主数据与物联编码体系，根据不同的应用需求和数据特征，构建监测监控数据中心、空间数据中心、运营管理数据中心，监测监控数据中心，实现对安全监测类、生产过程类的数据管理与存储，空间数据中心实现对地理地测类空间数据的存储，运营管理数据中心实现对日常业务管理类的存储与管理，并对集团经营类数据进行抽取、存储与管理。

集中管控层：包括综合管控平台与安全生产调度指挥平台。综合管控平台主要负责平台与井下传感设备、自动化子系统的通信与数据交互，实现作业现场的实时监测与远程控制，根据各专业应用需求，实现煤流工艺、通风流程、供电流程等集中控制及运行优化。安全生产调度指挥平台实现企业安全生产、应急指挥、经营管理、决策分析、调度指令等业务管理，包括安全生产中心，实现对矿井各安全生产子系统数据集成与日常安全生产调度；应急救援中心，具有平时演练与战时救援功能，实现灾害情况下的辅助应急救援流程化管理[1]；决策支持中心，应用安全、生产、经营各类数据进行综合分析，为企业安全生产决策提供依据。

业务展示层：利用一站式门户平台技术集成各应用系统，实现单点登录与个性化界面等功能，通过可视化引擎实现矿井作业环境、生产过程、经营管理的全方位、全视角的真实在线，满足计算机终端、大屏幕显示系统、移动终端的应用需求。

3.建设内容

（1）构建准确可靠的互联传感与执行控制层

根据作业现场的特殊环境，结合设备及子系统的特性，选用国内外先进可靠的传感器与执行器或对现有传感器进行改造升级，保证现场环境与生产工况感知的真实性及远程控制的可靠性。针对作业现场的电磁干扰源与传播方式制定相关抗干扰措施。同时应用物联网技术中的自动识别、传感、定位、网络等感知技术，实现设备与设备之间、设备与执行器之间的智能化识别接入[1]。

（2）建设高效稳定的数据传输链路

地面通信网以矿井数据中心的核心机房为中心，通过光缆连接到各个建筑物的设备间，矿井骨干网采用控制环、视频环的两光纤环和调度语音通信一链路的“2环1链”模式，在井下与地面分别布置有线和无线接入点,满足不同监控系统数据的安全、可靠接入需求。同时调度控制网与办公网之间采用网闸实现有条件的互连，既满足管理层掌握矿井实时生产安全信息的需求，又防止外网对控制网的攻击及计算机病毒的传播，保证控制网的安全。网络结构如图1所示：

图1　网络结构拓扑图

（3）建设综合管控平台

建议基于生产作业工艺流程和生产过程优化的协同控制平台，改变现有单机控制模式，衔接好关联环节的逻辑及闭锁控制，同时配以远程图像与视频智能诊断，实现对煤流工艺、通风流程、供电流程等的集中监测、优化协调控制，动态调整上下游系统间能力匹配和启停顺序，达到“有人巡视、无人值守”，节约了能源进而保证生产过程安全高效[5]。

（4）实现设备在线故障诊断及危险源识别、灾害预报警

内部资本市场是在二十世纪六十年代后出现的一个新兴的学术名词，在美国第三次并购浪潮下一批大企业、大集团横空出世，企业内部资本市场的产生就是由于这些集团是企业的出现而出现的。

采用设备故障在线检测技术、点检管理技术等手段，实现被控设备运行完好性的动静态检测，及时提醒管理人员处理设备潜在故障，防止设备带病运行，为设备维修管理提供准确、可靠的依据，实现煤矿大型机电设备的科学化、规范化、系统化管理；应用多源数据的灾害危险性评价体系，针对矿山海量异构数据与多源复杂性，建立火灾、水灾、瓦斯突出等典型灾害评价模型，实现对灾害的危险性进行分级预警评价，实现对灾害有效预防与监管。

（5）三维矿山可视化的建设

应用矿山空间实体的优化管理与建模方法，通过可视化引擎与模型驱动技术，实现矿山固有信息如地面广场、井下巷道、机电设备与安全生产过程动态信息的模拟示意、二三维一体联动展示，提高监测效率，缩短认知与决策时间，实现突发事件下的真实场景、真实数据和灾情全方位再现，同时实现可视化的空间分析模型，包括水淹没分析、火灾模拟、通风仿真等。

（6）安全生产运营决策分析模块的构建

在数据中心基础之上，抽取集团公司已建设的人力资源、企业资产、物资管理、运销管理等经营管理数据，综合应用安全生产过程管理数据，通过清洗、过滤、关联业务的数据融合与综合分析，实现了诸如区域环境评估、多系统联动、安全等级评价、KPI指标等决策分析主题，为企业安全生产运营提供决策依据[4]。

4.关键技术应用

（1）一站式门户技术

利用门户技术，实现矿井信息化平台的单一认证通道，实现用户、权限、资源的统一管理与认证，借助Portal与OAuth2.0认证技术实现一站式信息、应用集成、模块化业务展示、单点登录以及个性化工作界面等功能，满足多级、多角色应用需求。对内实现日常安全生产经营等业务应用，对外实现通知公告、会议纪要等信息发布。

采用云计算技术，构建过程管控和经营管理两个云计算数据中心。采用云计算，有效地整合安全生产与经营管理网内各独立资源，构建了面向全网的业务的部署和资源的调度，更高效地利用存储设备和网络资源，同时实现业务连续性 (容灾备份)在私有云环境下的迁移，形成低能耗绿色可靠的数据中心。

（3）矿山物联网技术

煤矿物联网涉及掘进机、采煤机、刮板输送机、液压支架、液压泵站、转载机、破碎机、带式输送机、提升机、电机车、胶轮车、通风机、水泵、压风机、移动变电站、电气开关、变压器、监控、通信等大量的机电设备生产、运输、仓储、使用、维护等全过程的监管。建设感知矿山信息集成交换平台，将安全生产、人员、设备、管理信息等复杂异构信息在一个统一数据平台存储，建立设备之间关联关系，实现了多传感器信息、多系统之间在时间与空间上的识别、接入与联动。

（4）信息综合分析与决策

将煤矿企业中现有的数据进行有效的整合，分析相关联的各个生产环节的环境参数、安全隐患、作业情况、人员分布、设备运转情况等多个方面数据，支持构成、趋势、对比、环比、预算、预警等分析方法，以表格、图形、仪表、智能报告等展现安全生产经营相关的有用信息，为各级领导的决策过程提供服务[5]。

（5）智能移动技术

将移动通信技术、移动智能终端应用技术与原有信息化系统的结合,实现智能手机及平板电脑上的移动设备管理(MDM)、移动应用管理(MAM)和移动内容管理(MCM)，有效地解决了矿井移动智能终端的安全、应用管理、统一配置、文档分发等问题。通过调用移动监控服务系统提供的数据服务,提供了安全监测监控、安全隐患、预警报警、视频监控、报表管理、人员定位与调度、通知与学习等业务应用,实现了对矿井”安、产、运、销”等各环节信息的实时掌握。

5.总结

数字化矿山建设，有效实现了矿井全面感知、智能识别，应用空间三维技术实现了安全生产运营过程全方位集中监视与综合调度，构建综合管控平台实现了安全生产系统的过程优化与联动控制[6]，集成经营数据实现了关键生产运营指标全面分析与过程管控，为矿井精细化管理提供了支撑，同时促进本安型矿井的建设，在提高安全生产管理水平、保障职工人身安全的前提下最终达到监、管、控一体化，为实现减人提效、安全管理、灾害预防与矿山建设具有重大的意义[7]。

[1]李健.基于数字化矿山的全息化应急管理系统研究[J].山西焦煤科技,2013(09).

[2]尹玉杰.互联网系统中的煤矿数字化应用研究[J].煤炭技术,2013(09).

[3]李晋,王海先.论数字化矿山建设[J].煤炭经济研究,2013(01).

[4]张杰.神华宁煤集团安全智能分析平台建设构想[J].工矿自动化,2012(09).

[5]魏永勇.论数字化矿山工业数据平台的建立[J].科技创新导报,2011(07).

[6]朱超,吴仲雄,张诗启.数字矿山的研究现状和发展趋势[J].现代矿业,2010(02).

[7]韩建国,杨汉宏等.神华集团数字矿山建设研究[J].工矿自动化,2013年03期.

科研院所项目（14GY001-01）。

韩安（1982－），男，陕西泾阳人，天地（常州）自动化股份有限公司，长期从事煤炭企业集团信息化产品研发及推广工作。