露天煤矿网络发展与智慧矿山建设的关系

龙永祥，王 健

（内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司 北露天煤矿，内蒙古 霍林郭勒 029200）

在智慧矿山建设领域，美国、加拿大、澳大利亚等欧美西方国家在20世纪90年代已经开始构建了模型，目前已经处于世界领先水平[1]。为了促成我国从矿业大国向矿业强国的转变，早在2008年，中国职业安全健康协会牵头，北京龙德时代承办，神华集团、中煤集团、中国矿业大学、煤炭科学研究院等多家单位联合成立了“产业技术创新战略联盟”。内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司北露天煤矿已经在设计、开采等方面运用了一些数字化、智能化的技术手段，但整个生产工艺流程的智慧化工作尚未归属到统一的网络中进行无缝衔接。从现场实际情况出发，论述露天矿网络发展与智慧型矿山建设的关系[2]。

1 智慧型矿山定义和内容

智慧矿山就是对生产要素、危险有害因素、生产工艺流程、生产原材料、后勤保障资源和人力资源进行统计感知，通过网络实现各个信息的共享、传递并对其自动分析处理的一种矿山运作模式。也就是说，智慧矿山的建设将是以生产工艺流程为线索，将矿山工作面设计、爆破、开采、排土、运输等环节及其附带的人的安全、健康、绩效考核问题串接起来，在一个统一的信息管理平台上进行全过程一体化管理。

智慧型矿山建设项目是一个庞大而精细的系统化工程，涉及到采矿学、网络技术、计算机技术、AI机器学习与大数据技术、统计学、信息学、测控与遥感技术、自动控制技术等，是多学科知识与高新科技的集合体，考验的是一个企业的人才储备、创新水平和对各种技术的整合能力[3]。

在当前技术条件下，智慧型矿山的建设应将工作重点放在智慧矿山整体框架的搭设上，如无线网络通讯协议框架、控制系统接口协议框架等。企业需要做的是对未来技术发展趋势进行一种预判，确保这个框架具有技术前瞻性，最大程度地避免后期建设过程中因框架老化而产生的资金浪费。

在露天煤矿企业，智慧型矿山建设项目应实现地质勘探、数据采集、数据分析与三维建模、矿山开采设计、危险有害因素的分析与应对措施的制定、作业人员关键绩效指标考核、电子信息管理、矿山机械智能化和车辆调度等工作要素的自动化与智能化。

1.1 建立统一的规范和标准

智慧型矿山的建设，最重要且最应先实现的是相关标准的建立。露天矿现有的各类设备种类繁多、技术标准多样，不利于形成统一的、集成的管理控制系统。

要进行智慧型矿山框架的搭建并持续发展，应该先对矿山所用的各类设备进行技术摸底统计，主要是对设备技术、设备特征进行一个基本的了解，对设备控制模块的接口、通信协议及其迭代情况有一个汇总和规划，方便以后进行的设备改造入网。

1.2 智慧矿山建设应网络先行

智慧型矿山建设项目无疑是一个系统性的、耗资巨大的长期项目，其具有总投入大、建设周期长、产生收益慢的特点。在工程前期，完成了数据统计论证阶段后，应先建设配套的网络。在生产工艺环节中，没有接入网络的智能矿山机械，只能起到降低人员劳动强度的作用。而使用网络将每台设备的实时位置、发动机工况、车载安全部件状态、作业量等数据通过各类传感器经车载电脑汇总整合再通过安全可靠的矿山专用网络汇入管理平台，实现管理中心对所有矿山生产环节的无死角式监控，管理调度中心的人员便可以随时发现设备上的隐患，实时地对数据进行处理分析，从而做出最优决策。

智慧矿山通信网络框架的建设，要考虑到很多的技术关键点，如设备容量，网络通讯的可靠性、稳定性和安全性，另外，网络设备的后续升级改造成本也是一个需要着重考虑的方面。

1）网络传输方式的选择。露天矿的作业现场，地形处于持续变化的过程中，设备处于运动状态，无法利用有线设备进行数据通讯，此时，以基站为硬件基础的移动通讯技术必然会成为网络建设的首选方案。

2）安全性及可靠性。移动基站是独立于“中国移动”、“中国联通”等这种网络运营商而存在的、矿山内部专属的、由矿山技术人员进行维护的通讯基站。采用此种方式，一是为了确保网络安全，避免矿山各设备数据和设备操控权落入“网络黑客”手中从而发生不可控的安全事件；二是为了确保网络容量，确保矿山移动网络基站专门服务于矿山设备和作业人员，不会被矿山以外人员的移动设备干扰信号和抢占带宽。

3）4G向5G的平滑过渡及设备间的兼容性。目前我国商用的移动通讯技术是4G技术（4th Generation Mobile Networks），4G技术已经可以达到100Mbps的传输速率，已经可以胜任智慧矿山管理调度中心进行数据采集和对现场设备的远程操控要求，但是4G技术的网络延迟率依然很高，平均值在20 ms到120 ms之间，鉴于我国入网的移动设备越来越多，4G网络延迟率将会维持在较高的数值，这对远程操控设备是不利的，可以设想，如果因为网络延迟，现场工程设备没有在规定时间进入既定地点，可能会造成多台设备的运动轨迹在同一作业面发生交叉，这就会导致车辆发生碰撞事故，这也更加说明了矿山建设私有通讯基站的必要性[4]。截止目前，我国多个省市已经开通了5G通讯技术作为试点城市，5G通讯技术（5th Generation Mobile Networks）沿用并优化了4G具有的IPV6技术[5]，IPV6技术相对于IPV4技术，可以为网络用户提供更多的IP地址，号称可以“给地球上每一粒砂都赋予唯一的编码”，所以说IPV6技术是物联网构建的重要技术基础[6]。此外，5G还有一个重要的技术特性，它的空中接口延迟率可以低至1 ms，这项技术可以极大地降低乃至彻底消除网络通讯高延迟率带来的车辆碰撞隐患。此前已有新闻报导，技术人员在中国上海的斗山工程机械控制中心通过5G通讯技术来操控远在韩国的一台挖掘机设备实施工程作业。5G技术已经在物联网远程操控领域展露了其技术前瞻性，露天煤矿智慧矿山构建过程中必须要考虑到4G通讯技术向5G通讯技术升级的技术可操作性和升级维护成本，提前做好论证和技术储备，在5G技术商用时做到两代技术的平稳过度，做好已经投入使用的设备与5G技术的兼容性。

2 智慧矿山管理调度中心的建立

为了实现对数据的处理、分析和利用，智慧型矿山需要以硬件和管理系统软件为基础，打造一个管理中心作为整个矿山信息处理的枢纽[7]。

2.1 企业网络为依托的智慧矿山管理调度中心

“万物互联”已经在物联网时代逐渐成为现实，在当前这个互联网技术蓬勃发展的时代，煤矿安全生产及管理运作已与网络密不可分，只有将硬件设施与配套的管理系统软件结合起来，形成一个管理调度中心作为整个智慧矿山体系的中枢，智慧型矿山才能高效有序的运转。在组成上，智慧矿山管理调度中心应包含数据中心，监控中心，信息管理系统，智能设备远程操控台等几个重要部分。数据中心应具备抗震、抗洪水、抗数据丢失等容灾能力；监控中心应分门别类的展示各类信息；智能设备远程操控台要对故障车辆进行人工操控干预。

若要打造一个优秀的智慧矿山管理调度中心，企业应当有计划的培养自己的网站开发编程技术人才，储备网络硬件维修维护技术以满足未来管理调度中心的运营需求。管理调度中心应实现管理系统软件的自动控制，具备管理全矿山人员信息、机电设备参数工况和环境现状等的能力，减少人的干预，开发人员要与技术人员协同，制定一套安全可靠、符合煤矿“三大规程”的标准化工作流程和电脑控制程序。整个管理调度中心要实现不同层级、不同部门的协作机制，以管理调度中心为原点，呈辐射状地协调好各部门生产需求、分配生产任务。

2.2 管理调度中心工作流程和具体功能

1）数据的采集处理。通过安装在矿山工程设备上的传感器、行车电脑和遥感测绘等技术收集到的信息，经过网络模块发送到管理调度中心的信息管理系统上。

2）数据的处理转化。信息管理系统平台即对数据进行存储、处理分析和三维建模，设计人员通过系统形成的数字模型，进行在线设计、在线作业方案模拟，对整个模拟过程中可能产生的危险有害因素进行辨识并与安全管理人员协同制定行之有效的处置措施，与矿山救援队伍敲定应急处预案[8]。

3）控制指令的发出。将上一个步骤敲定的现场作业设计方案和控制指令通过矿山网络发给有关人员和智能矿山车辆，由无人驾驶的车辆开展采矿作业，实现煤矿的本质化安全。

4）综合管理平台实现库存管理。智慧型矿山，不仅要体现在生产第一线，也要体现在企业生产运营的“大后方”。利用统一的平台，对生产原材料等后勤保障资源进行统一调配，对重要备件或采购周期长的备件进行阈值设定，当濒临阈值时立刻在系统平台进行警示。对物资，进行自动统计和入库出库。这一方面，我国的快递行业仓储库房已实现了机器人自动分拣调拨，这也是智慧型矿山建设项目可以借鉴的先进经验[9]。

3 结语

以传感技术、遥感探测技术、数字化、物联网、大数据、云计算为技术支撑的智慧型矿山建设项目，将在矿山地质探测、信息精准采集、远程网络传输、数据汇总分析、三维实景展现、在线设计、集中控制生产开采等领域发力，在起步阶段，要先实现基本的网络建设，分步分项的逐步完成智慧矿山建设项目框架并持续改进，力争上游，统一协议和数据接口，建立一个大一统的数据管理控制系统中心。

随着技术的成熟，智慧型矿山建设项目会在生产管控、智能调度、作业现场风险管控、人员设备绩效考核、灾害预测预警等方面展露风采，最终实现矿山的无人化与智能化，实现高产出零伤亡的安全生产目标。