露天煤矿智慧化建设关键技术及智能管控理念

何 帅，王海洋，赵 力

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

我国露天煤矿具有产能大、设备大型化、劳动密集、信息化程度低等特点。随着国家政策的指导、行业竞争的激烈性及在安全生产、降本增效方面要求的提高[1]，跨行业引入先进的通讯技术、智能控制技术，促使露天煤矿企业生产方式向无人化转变，能有效的为露天煤矿减少人工成本、提高设备利用率、提升安全保障。科技力量的引入使得露天煤矿智慧化建设成为必然，但仍需从现有的初级阶段逐步向目标迈进。

随着科技的发展，我国露天煤矿行业经历了数字化基础建设阶段，目前正在往智能化、智慧化阶段发展。数字矿山建设是由数字地球、数字城市发展而来[2]，矿山数字化是以计算机、多媒体技术、软件技术为基础，对真实矿山整体及相关现象的统一认识与数字化再现，是数字矿区和数字中国的一个重要组成部分。露天煤矿数字化是利用计算机技术实现了矿山各个环节的信息的采集存储及处理。标志着具备智慧矿山建设的基础。近年来随着互联网+、人工智能和大数据等颠覆性技术的快速发展[3-4]，加速了传统行业变革的进程，2015 年《政府工作报告》首次提出实施“中国制造2025”，推进智能制造，传统产业进行改造实现升级换代；2016 年国土资源部发布《全国矿产资源规划》，明确提出要大力推进矿业领域科技创新，加快建设数字化、智能化、信息化、自动化矿山；2017 年国家发改委发布《安全生产“十三五”规划》要求在矿山领域实施“机械化换人、自动化减人”；2020 年8 部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确提出煤矿智能化发展的3 个阶段目标，2021 年建成多种类型不同模式的智能化示范煤矿，2025 年大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，2035 年煤矿基本实现智能化，建成煤矿智能化体系[5-6]。露天煤矿智能化、智慧化将成为未来几年发展的核心，实现煤矿采、运、排、选等生产过程、安全管理、经营管理等过程的智能化运行，使露天煤矿从单项环节智能化应用到企业内跨部门跨环节综合集成、实现业务协同与发展模式创新，建设生产管理一体化综合管控平台，实现安全生产、智能开采、精细化管理、降本增效、绿色环保、自动化减人的目标。

1 目前我国露天煤矿智慧矿山建设存在的问题

露天煤矿的智慧化是从生产、安全、经营等方面全方位的对整个矿山的正常运转进行管控，所谓管控[7]，即管理与控制的意思，是从管理学、系统工程、控制理论等角度进行研究并加以界定的，是企业管理的具体体现。而智能管控则是随着科技的发展加入了人工智能的概念，利用计算与通信技术、软件工程与信息工程等多学科、多技术相互结合、相互渗透来提高企业管控的智能水平, 是现代企业管理科学技术发展的新动向。露天煤矿中的管控针对生产工艺和生产过程的实时知晓、管理与控制。分为智能生产运营管控、智能安全管理管控、智能经营决策管控。随着我国众多露天煤矿企业智慧矿山建设的推进，目前在网络通信建设、生产过程管控、无人驾驶等方面取得了进展[8]，但是，也不可避免的认识到同世界先进的矿业国家的差距，还有很多亟待解决的问题，主要表现在以下几个方面：

1）露天煤矿设备自动化程度不高且感知范围不全面，露天煤矿设备包括采、运、排过程中所有涉及的生产设备和辅助设备[9]，目前未能对所有设备的参数监控、生产过程监控、维修周期监控进行全面覆盖。

2）基础建设未有全局规划、整体信息化水平不均衡。目前露天煤矿整体缺乏完善的信息化建设全局规划，已经开发的信息化系统仅仅从局部解决个性问题，却又缺少专业的维护，多个系统间均独立运行，无法进行数据共享，导致露天煤矿未形成有效的管控体系。

3）露天煤矿未形成统一的综合管控平台[10]，生产过程中各环节的信息缺乏统一整合，数据结构和数据存储无统一格式，重复度高，同时在数据挖掘层面的分析较少，缺乏整体指标性、规律性的研究。

2 露天煤矿智慧化的定义和整体框架及建设规划

2.1 露天煤矿智慧化的定义

露天煤矿智慧化建设以煤矿各个环节的数字化为基础，通过先进的计算机技术、传感器技术、网络通讯技术和人工智能技术建立综合智能管控平台，对生产过程、安全管理、经营决策管理方面进行智能感知、辨识，实现对煤矿生产过程实时监控，生产环节安全监控，通过大数据手段，将露天煤矿人、设备、环境等环节的感知数据进行融合、分析、决策，解决经营管理过程中的复杂问题，从而提高设备利用率、资源配置率，达到整个露天煤矿无人、少人化，实现智能绿色开采。

露天煤矿的智慧化建设中数字化是基础，主要实现实时工况的感知，数据采集及存储的数字化，在数字化过程中会面对多系统融合等复杂问题，需要从全局考虑数据架构，统一数据格式，为智能管控平台的建立搭好基础数据框架。

2.2 露天煤矿智慧化的整体框架

露天煤矿智慧化的整体框架如图1。

露天煤矿智慧化建设整体框架是构建在工业互联网基础上以综合管控平台等软件架构呈现[11-13]，能够对煤矿的各个环节进行查看、联动、管控。整体框架包括设备感知层、融合通信网络传输层、互联网平台层和软件应用层。设备感知层针对整个矿区进行全方位数据信息采集，形成统一结构的数据基础；融合通信网络传输层是信息传递的桥梁，实时进行通信传输；互联网平台层是各项软件应用的基础，为所有信息化建设提供平台基础服务，软件应用层汇集各类生产、安全、经营等全方面信息化管理需求的实现。

1）设备感知层。包括行为感知、工况感知、环节感知和设计感知。能够全面感知人、机、环等的位置、状态，并可以对设备进行监控。从设计角度全局考虑，针对采矿过程中需要进行数据采集的所有环节统一进行采矿设计。

“汽车产业供应链特别长，因此，汽车产业可以说是助力国家经济增长的‘全能选手’：在研发制造环节，它涉及软件、材料、机械、电子、装备制造业等；在市场流通环节，它涉及物流、分销与媒体广告；在使用环节，它又涉及庞大的零部件及维修与保养行业；加之互联网对全产业链的赋能以及新兴的共享经济，汽车产业的边界逐渐模糊，相关联的行业就更广了。所以说，汽车全产业链对于整个国家经济来说，其作用至关重要。”中国机械国际合作股份有限公司总经理赵立志先生谈到。

图1 露天煤矿智慧化的整体框架Fig.1 The overall framework of intelligent open-pit coal mine

2）融合通信网络传输层。采用5G 先进手段，所有系统均采用现场总线融合组网模式，在网络资源统一协议的基础上实现高效可靠的数据传输。矿区网络按类型可分为生产控制网、安全监控网、视频环网、办公网络等。在实现网络传输的基础上要利用防火墙、杀毒软件等措施确保网络信息安全。

3）互联网平台层。包含2 部分：一部分是数据中心，是基于云解决方案的开放式的基础服务中心，向下实现各种感知数据的接入，向上支撑管理服务信息化软件体系，数据中心需要完成不同格式数据的接入，统一数据标准，建立接入准则，数据共享体系实现格式化数据、半格式化数据及非结构化数据的统一接入，同时云数据中心，实现计算资源、存储资源和网络资源的统一规划与集约建设; 另一部分是应用平台支撑，包括GIS 平台、时空一张图平台、组态化平台、实时数据综合服务平台、设计协同平台、后端即服务平台、工作流引擎、BI 及报表工具、矿山大数据分析平台。

4）软件应用层。从智慧生产运营、智慧安全管理、智慧经营管理3 个层面面向生产、安全、经营管理、决策分析实现自动化和信息化融合应用，同时可基于智能终端实现移动互联应用与服务，最终实现应用资源的集成融合、智能联动与动态扩展，真正做到用数据管理、用数据决策、用数据服务。露天煤矿智慧化的软件应用层如图2。综合管控平台涵盖智慧生产运营管控、智慧安全管理管控和智慧经营决策管控。智慧生产运营管控从生产计划和生产过程方面包含地测采等相关系统，如：地质建模、无人机测量、三维激光扫描、卡车无人驾驶系统、钻机遥控布孔系统、设备巡检机器人等。智慧安全管理管控涵盖边坡安全预警系统、地质灾害监测系统、车辆辅助驾驶系统、环境监测系统、视频监控系统、VR安全培训系统等。智慧经营决策管控包括协同办公系统、财务共享系统、人力资源系统、销售系统等。

图2 露天煤矿智慧化的软件应用层Fig.2 Intelligent software application layer of open-pit coal mine

整体框架的建设是通过对露天煤矿各子系统从单一工作向协同工作，从手工录入向自动生成，从被动查询向主动提醒的综合集成，形成企业的生产、安全、经营管理的综合性智慧综合管控平台。

2.3 露天煤矿智慧化的建设规划

露天煤矿智慧化建设可分2 期规划建设，露天煤矿智慧化建设分期规划如图3。

图3 露天煤矿智慧化建设分期规划Fig.3 Stage planning of intelligent construction of open-pit coal mine

1）基础网络建设方面。整个一期规划就要完成所有基础搭建，为后期各业务系统的建设全方位服务，保证数据的采集、传输、存储、应用等工作。以5G网络部署整个矿山，实现生产控制网络、安全监控网络、视频环网、办公网络的全覆盖。同时从安全角度要进行网络隔离、行为管理、防火墙、杀毒软件等设置，确保网络使用的安全性。

2）数据中心建设方面。要在一期规划中完成数据接入的准则规范设计以及基础服务的建设，包括存储、计算机虚拟化，调度中心智能化，大屏幕智能展示等。在二期规划中考虑云解决方案，包括私有云、混合云、灾备云等。

4）智慧安全管理建设方面。分2 期进行：一期建设主要解决基础安全监控方面的必要系统建设，如边坡安全、人员安全、设备安全、违章行为监控等；二期建设主要从司机监管、成本分析、动态仿真等角度完善安全管理系统体系，如油耗监控系统、VR安全培训系统等。

5）智慧经营管理建设方面。在一期建设要完成办公系统的协同化、财务系统、人力系统、销售管理系统等。

3 露天煤矿智慧化建设中的关键技术

1）“5G”通讯技术。传统网络传输技术主要存在数据实时性差、准确性低、可靠性低、使用率低等特点。对于实现远程开采或者无人开采，对于所有核心设备的实时性控制更是至关重要，很多设备的控制响应需要精确到毫秒级。网络层作为智慧化建设的基础层，“5G”通讯技术具备速率快、可靠性强、带宽高等优势，为矿山在数据传输上提供了绝对的技术保障，解决了生产数据实时上传、实时处理、实时决策的技术瓶颈。但是露天煤矿矿区道路不规则，转弯多，坡道多所以盲区较大，采深大，造成俯仰角大，并且根据露天矿开采工艺的影响，矿坑内始终处于动态变化中，5G 基站存在频繁迁移，迁移后的选点都是直接影响5G 通讯覆盖的关键问题。包括采深的增加，5G 天线的俯仰角度范围也影响信号覆盖范围。

2）数据标准。目前，国内煤炭行业大多数现代化露天矿在智慧化建设过程中都是根据自身的实际需要以及平台职能，独立建设各类系统与平台。这些信息系统，在长期使用中积累了大量的核心业务数据，如果不对数据生命周期全过程加以管治，将可能带来多方面问题。露天煤矿各系统与平台都具备独立的数据架构与数据格式，即使同一家建设单位的多个平台也存在后续集成与联动升级的过程中由于数据架构与数据格式的问题导致无法集成，最终形成“数据孤岛”，因此需要建立数据标准体系。整个数据体系建设包括数据采集与传输、数据存储、数据服务、数据质量控制和数据信息安全等几个部分，每个部分均应形成相应的标准规范，以指导和规范矿山的信息化建设。数据体系及其标准规范是矿山智能化建设的基础，将直接关系到整个智慧矿山数据共享、系统集成、信息融合与联动应用的成功与否，关系到矿山智能化建设的持续接入与应用扩展。

3）数据挖掘及系统联动。多系统联动的基础是数据共享与数据挖掘，通过标准的数据格式，进行大数据分析与处理，深层次挖掘各项数据的关联，寻找多系统之间的数据桥梁，使多系统建立且兼容的基础。通过数据挖掘寻找各系统及需求的共性或数据逻辑关系，便于多系统联动处理以及系统建立的整体性与统一性，使多系统联动运转更流畅。

4 露天煤矿智能管控平台

随着露天煤矿智慧矿山建设的逐步开展，将围绕生产运营、安全管理、经营管理等方面进行展开，智能管控平台能够解决各露天矿已建各分系统无法实现资源共享，大数据没有利用无法进行联动和数据统一展示的问题，同时将未来即将建设的子系统进行标准约束，降低人为影响因素，使各系统设备等能协同、自动运作。

露天煤矿智能管控系统平台利用统一用户界面技术、GIS 技术、BI 报表技术、组态化技术等，构建基于统一数据标准的、以空间地理位置为主线、以分图层管理为组织形式、以打造矿山5D 数字孪生为目标的矿山综合数据库，为智慧矿山应用提供二/三维一体化的位置服务、协同设计服务、组态化服务、三维可视化仿真模拟、矿山工程及设备的全生命周期管理等服务和工具，实现一张图集成采运排生产全过程、地质灾害安全管理、设备智能控制等应用系统的数据共享服务。将生产运营环节与安全管理环节有机联动起来，及时反馈生产运营中的安全问题，也可根据安全监测数据指导生产运营。

1）智慧生产运营管控系统。通过对矿山生产过程中的对象数据、业务属性数据、实时生产数据等进行综合集成、融合和展示，为矿山生产人员提供人员管理、生产过程监控等服务与应用，通过2/3D 手段浏览整个露天矿山作业情况及生产业务数据的查询分析，进而形成生产信息与地质、测量、采矿专业的动态关联和综合管理，直接服务于矿山的生产指挥。

2）智慧安全管理管控系统。通过对矿山生产场景、工业场景的安全监测手段采集安全相关的实时、历史数据进行综合集成分析，为专业管理人员提供人员安全监控、设备安全运行、地质安全监测等服务与应用，通过2/3D 手段浏览各安全子模块的数据，以声光方式进行安全预警，并将各系统间进行联动，暴露安全隐患，指导安全疏散。

3）智慧经营决策管控系统。利用时空一张图和大数据分析平台，通过对露天矿山空间对象数据、实时属性数据、历史数据的全面集成、智能诊断分析，指出在生产经营过程中短板，为企业降本提效提供科学依据和保障。

5 结 语

在露天煤矿信息化动态的基础上，研究了露天煤矿智慧化的定义、整体框架及建设规划，规划了各个系统的建设内容及项目构成，分析了智慧化建设过程中的关键技术，讨论了露天煤矿智能管控平台的重要作用及分系统组成。

露天煤矿的智慧化建设与管控工作是一项复杂的系统工程，整个过程投入庞大，周期漫长。露天煤矿的智慧化建设，需要结合新技术新理论，实现整个露天煤矿的智慧感知、智慧生产、智慧决策，最终向无人化、绿色高效露天矿山目标迈进。在整个建设过程中要对整体建设过程进行科学规划，对各个分支的建设或升级要合理有序，避免出现重复建设、重复投入或者出现超前投入、滞后产出等情况。实现露天煤矿生产过程中的资源优化配置，建设成生产过程看得见、经营决策管控好的露天煤矿。