基于仿真模式的智能矿山管控一体化系统构建与应用

马龙

(开滦（集团）有限责任公司，河北唐山，063000)

0 引言

随着煤矿井下巷道的不断延伸，矿井生产环节中的生产系统、运输系统、排水系统、供电系统和通风系统都越来越复杂，开采成本也越来越高，对煤矿的规划设计、安全管理和生产管理工作都提出了更高的要求。在物联网技术基础上，实现矿山“人、机、环”数据智能化精准采集、网络化传输、规范化集成[1]；建立统一的集成控制平台，实现生产全过程一体化智能控制、经营全流程一体化协同管理；建设基于大数据中心的安全生产信息云服务系统；实现煤炭无人（少人）开采与灾害防控一体化的智能化采矿；实现原煤运输、供电、排水、通风、压风等环节远程智能控制、无人值守。最终将煤矿建设为安全、高效、智能、绿色的世界一流矿山。

就我国煤矿行业整体而言，为了适应智能化矿山建设的要求，通过对现有的矿井三维展示系统、应急调度指挥系统、综合自动化系统等的功能进行整合和深度开发，形成基于仿真模式的智能矿山管控系统[2]。通过使用该系统，能够实现以下目标：(1)建立三维矿山模型，使用户能够全方位、多角度的观察矿山整体结构。(2)分图层显示矿区的人员、设备、环境、管理等信息，及时更新和同步各种数据，为不同专业人员的数据应用提供数据支持。(3)实现对矿井提升、皮带运输、缆车运输、泵房排水、工作面采煤等生产过程等的3D动画仿真和远程控制。(4)实现定位轨迹回放、避灾路线模拟等效果，当矿井发生火灾、大面积停电等事故时，启动应急预案执行程序，辅助调度指挥人员进行指挥决策，提高事故处理效率，降低事故影响时间。(5)实现过程报警，对发生的报警进行声光提示。(6)建立可扩展的数据服务中心，存储实时数据，根据历史数据和报表模板生成各种生产报表和管理报表，为不同用户开展各项业务提供参考。

1 总体设计

基于仿真模式的智能矿山管控系统集生产调度指挥、报警联动应急救援、矿井综合自动化平台和通信联络等系统于一体的综合管控系统。通过该系统可实现对工业现场安全生产环境、人员、设备状态实时监测，运用基于OpenGL的三维可视化技术、OPC接口技术等，对皮带、泵房、采掘工作面等生产部位实现进行基于3D仿真画面的交互控制，具备故障声光报警，发生事故自动响应智能调度功能。生产管控人员可方便快捷的通过三维动态仿真（3D GIS）查看矿井内各种状态，提高调度指挥科学性，提高事故处理效率，保证矿井安全生产。

2 系统构成

系统采用C/S结构，由服务端、客户端、三维GIS编辑平台和数据库四部分组成，其中，服务端、客户端和数据库用于项目运行阶段，三维GIS编辑平台用于项目设计阶段。

图1 智能矿山管控一体化系统服务端功能结构图

图2 智能矿山管控一体化系统客户端功能结构图

服务端子系统为客户端实现各种功能提供服务，主要有实时数据采集、报警分析、事件分析、数据服务、历史数据保存、主备状态切换、用户管理等模块，系统功能结构图如图1所示。

客户端子系统主要实现三维场景展示、声光报警、实时监控、应急预案执行、报表输出、报表输出、信息查询、用户登录等功能，系统功能结构图如图2所示。

三维GIS编辑平台集三维场景建模、监控数据管理、报表管理、应急预案管理等功能于一体，系统功能结构图如图3所示。

图3 三维GIS编辑器功能结构图

系统的物理结构如图4所示，系统的服务器和客户端与安全监控系统Web服务器、定位系统数据库、自动化系统的OPC服务器、电力监控系统分站、网络高清摄像头等都在同一个工业环网内，使得服务端能够与这些服务器和网络设备利用相应的协议进行直接通讯，进而获取需要的数据。

3 应用效果及前景

图4 系统网络拓扑图

基于动态仿真模式的智能矿山管控一体化系统实现了集日常生产调度指挥和应急救援，矿井综合自动化系统和智能通信系统联动报警于一体的综合管控一体化管理系统，作为智能矿山建设的重要组成部分[3]。通过使用该平台，能够取得以下显著的效益：(1)系统建立的大数据服务中心，不仅可以为基于动态仿真模式的智能矿山管控一体化系统本身提供数据服务，也可以为煤矿企业内部的其他应用提供数据服务，提高企业信息化水平。(2)系统具有远程控制功能，能够综合 运 用 OPC、Modbus TCP、WebAPI、Socket、OLEDB等数据访问技术，对PLC、电力监控分站等多种设备进行远程监控，从而实现对现场自动化设备的远程集中控制，减少现场操作人员，提高矿井安全生产水平。(3)在矿山日常安全培训中，本系统以三维仿真可视化的方式对矿山的建筑、矿井和各种设施，对各种设备的运行状态进行3D GIS展示；能够模拟避灾路线，对人员轨迹进行回放，模拟事故现场等，能够提高参培人员的学习热情，加深印象，提高安全培训效果。(4)系统以多源异构大数据应用为基础，融合运用安全监测、人员定位、工业视频、综合自动化、供电自动化等多系统的数据，把各系统有机整合在一起，实现数据的深入挖掘、综合分析、分级报警，形成应急预案处理系统。通过提前编制应急预案，在发生事故时，能够指导作业人员按照相应的事故处理流程进行抢险救灾工作。总之，本系统构建与应用对智能化矿山建设方面工作在实践中进行了卓有成效的探索，取得了成功经验和示范引领作用，对今后的工作具有建设性指导意义。