智慧矿山系统工程关键技术分析

2021-04-11

当代化工研究 2021年2期

（山西煤炭运销集团掌石沟煤业有限公司山西 048404）

随着时代的进步，计算机信息技术的高速发展，促使智慧地球理念应运而生，并逐渐出现在大众的视野中。在煤矿开采行业，智慧矿山系统工程建设成为了重要的研究课题，并且也是采矿行业未来发展的主要趋势之一。因此，积极探索智慧矿山系统工程与关键技术具有重要的理论意义和现实意义，应该给予其足够的重视。

1.智慧矿山的相关概述

2009年，智慧矿山这一词语应运而生，其主要是对职业健康与安全、生产、后勤保障、技术等进行高速处理、自动分析和主动感知的无人矿山。智慧矿山系统主要有四大部分构成，一是智慧职业健康与安全系统；二是后勤保障系统；三是智慧生产系统；四是智慧技术。不同系统所发挥的作用也具有差异性。在智慧矿山系统中，智慧职业健康和智慧生产系统属于最基本的框架。

相对数字化矿山、自动化矿山而言，智慧矿山更加先进，是新时代的产物，也是煤矿开采行业日后发展的主要方向之一。智慧矿山涉及到了多个学科，不仅有着超高的技术性，而且呈现了较强的实践性。

2.智慧矿山系统工程

(1)传输与汇接层

借助系统设备可获取原始数据。但是要想实现数据的有效传输，还需要依靠智慧矿山系统工程的传输与汇接层，在其支持下，可通过工业以太网、无线、有线网络进行原始数据的传输，将其传送到相关的机房。为了达到此目的，应该加强对网络传输层的设计，始终坚持一体化设计原则，在确保其设计水平达到有关标准的基础上，还应该确保其能够覆盖整个矿山。在此方面，若是机房或者主机接到数据之后，还需要强化对不同的接入协议与接入方式进行科学的处理。例如，针对于传统工业自动化设备的数据而言，其可借助Modbus开展相关的数据处理工作。对于物联网数据，在开展数据处理时，需要充分发挥消息队列遥测传输处理设备的作用。针对于传统关系型数据，开源工具Sqoop是主要处理设备之一。

(2)系统设备层

感知、采集数据是智慧矿山工程中首要的任务。所以，对此系统最底层的构成有着高要求，其主要包括以下几方面：一是监测音频。如，烟雾监测设备、粉尘监测设备、水监测设备等；二是监控视频。三是各种传感器。在这些设备的良好运行下，可为智慧矿山提供相应的数据，且这些数据都是原始的，可供有效的参考。此外，在智慧矿山工程中，系统设备也是执行各类操作的场所，因此其属于一项综合自动化系统，包括探测设备、挖掘设备等自动化。从中可知，系统设备层在智慧矿山的系统工程中占有举足轻重的地位，与矿山人员安全是息息相关的。

(3)数据分析层

数据量大、数据类型多样是智慧矿山工程较为显著的特点，在一定程度上加大了数据分析难度。所以，要想实现对数据的有效分析，需要以多元化数据分析方法为依托。一般情况下，会增加基于Docker技术的容器层，以便为多种异构业务的良好运用奠定基础。在高密度价值的结构化数据处理过程中，由于其处理工作较为复杂，所以需要对数据分析工具进行科学的选择，例如可使用Greenplum、Teradata等，有助于促使数据分析效果提升。在进行非结构化处理工作中，应加强对实时流计算工具进行运用。如，Spark Streaming。在处理海量结构化数据或者半结构化数据环节，需要注重对Hadoop框架的上层组件进行运用，其中较为常见的有两种，一是Impala，二是Hive。

(4)数据可视层

在智慧矿山系统工程中，数据可视层是重要的组成部分。与传统矿山系统不同，智慧矿山系统在数据呈现方式要求方面是比较高的，需要能够以统计图、表格的形式进行展示，同时还应该保证当有异常数据出现时，及时进行警报。因此，数据可视层也是不可忽视的。另外，在数据查询与提取方面应尽可能促使其简单化，以便降低矿山管理人员工作难度。在数据可视层，为更好的展示相关数据，应该注重对三维技术、虚拟现实技术的应用，以强化数据呈现效果。

(5)决策控制层

决策控制层属于智慧矿山的最后一层，也是核心部分。为了促使智慧矿山工程顺利开展，需要确保决策控制层能够控制智慧矿山生产的各个环节，以便提升生产效率与质量。这就要求决策控制层功能多元化，如调度指挥通信功能、应急救援功能等。在科技环境下，人工智能技术水平不断提升，因此可将其应用在决策控制层，以将其作用最大化。在大数据技术、云计算技术等支持下，有助于提升对矿山安全生产控制的实效性，实现控制命令的自动实行。为了促使决策控制层作用最大化，还应该确保其具备系统自学功能，以在整体上完善智慧矿山系统，为其稳定、高效运行打造良好的环境。

3.智慧矿山关键技术

(1)建筑信息模型技术

建筑信息模型技术即BIM技术。BIM是Building Information Modelin的缩写。在2002年，建筑信息模型技术被提出，随着其不断发展和应用，也日趋成熟和完善，具有协调性、可视化、模拟性等众多优势，属于智慧矿山关键技术之一。将BIM技术合理的应用在智慧矿山生产中，能够对相关产生人员产生指导作用，合理安排设备，并有针对性的调整开采方案。同时，还可借助其建模功能，结合矿山的具体情况，建立与之相适应的模型，进行灾害预演，以提前制定相应对策，降低地下灾害发生的事故。

例如，在某工程中，其矿井北部与井田相连接，西部以矿区总体规划的井田边界（杜窑沟断层）为界，主要可采煤层18煤、3煤、2煤、4煤。此矿山工程地质环境较为复杂，存在多种危险因素，不仅开采难度比较大，而且对作业人员生命安全造成了威胁。若是运用传统矿山采矿技术很难及时发现开采中的不稳定性因素，尤其是在生产运维管理中，以传统采矿技术为支撑，将会消耗大量的人力，而且难以实现全方位的监管，容易引发安全事故。但是在BIM技术的应用下，可构建相关的安全生产监控场景，及时排除恶劣生产环境中的不良因素，有助于优化生产环境，进而进行动态控制，可将危险事件扼杀在萌芽中，实现智慧矿山建设工作的有序进行。

此外，将BIM技术融入到智慧矿山中，还可构建信息网络模型，进一步加强工业设备管网建设，进而有效展示设备维护信息，以科学调整和优化相关方案，推动矿井智能生产工作顺利开展。

(2)三维激光扫描技术

在智慧矿山建设中，融入三维技术，能够建立相应的三维矿山模型，为其实际生产提供可靠参考。主要是因为三维激光扫描技术又被成为实景复制技术，可实现对实物的高精度、非接触、完整地、自动化扫描。因此，比较适合运用在矿山开采工作中，以对昏暗、狭小的矿井巷道进行观察和分析，精准掌握矿山工程进度，实现三维立体化的地下管理，为智能无人开采奠定基础。

另外，由于三维激光扫描技术呈现了简便、高效、精确、快捷的独特优势，所以将其应用在矿山工程还有利于精确地监测矿山变形，为工作人员的生命安全保驾护航。

三维激光扫描技术也为智慧矿山建设提供了有利条件，对其进行充分的运用，可获得全面且精准的矿山信息。与此同时，还可建立三维矿山模型，能够促使有关人员对矿山的具体情况进行深入的了解。在智慧矿山工程中，三维激光扫描技术可对不同类型的信息进行扫描，如矿山的地形情况、采矿巷道、尾矿库、采场情况等，在将其输送到相应的计算机之后，通过数据的合理转化，可促进数据统计与分析工作顺利进行，对矿山精心化管理的实现具有重要意义。此外，在三维激光扫描技术的支持下，可有效建立矿山模型，重现虚拟矿山，可呈现理想的三维立体效果，能够为实际矿山采矿工作开展提供可靠依据，确保其开采的针对性、科学性，减少安全问题出现，优化开采质量。例如，由于三维激光扫描技术可将巷道中的各种信息全面的、准确的记录下来，改变了以往手工素描记录的形式，在降低有关人员工作强度的同时，也可建立巷道相关设备模型，实现地下三维立体化管理，加快智慧矿山建设步伐。