智能矿山建设规划思路及建议探析

2021-12-26龙枫

科学与信息化 2021年19期

龙枫

神华神东煤炭集团布尔台煤矿内蒙古鄂尔多斯 017209

引言

智能矿山建设代表着先进生产力的发展方向，是实现煤炭工业高质量发展的重要支撑，已经在煤炭行业形成广泛共识。智能矿山是基于现代智慧理念，将物联网、大数据、人工智能、机器人、智能装备、5G等与现代煤炭开发利用深度融合，形成矿山全面感知、实时互联、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统。

1 智能矿山

智能矿山以信息化建设为基础，以自动化建设为手段，融合5G 通信、物联网、云计算、大数据、智能传感、人工智能等先进技术，最大限度地减少井下作业人数，改善矿井员工作业环境，提高工作效率，并打造跨系统多维度的数据分析平台，为管理层制定矿井发展方向与决策提供可靠数据支持。智能矿山建设技术架构包括感知层、传输层、数据层、平台支撑层和应用层。感知层将前端感知的视频监控数据、安全监测数据、生产自动化数据等通过串口、网关、PLC、综合分站、移动设备等进行集中采集。传输层利用井上下工业环网、视频专网、4G/5G 无线网络等对感知数据进行传输。数据层按照统一标准对感知层数据进行分类存储。平台支撑层基于实时数据和业务需求进行数据抽取、数据可视化、大数据分析等，提供基础技术支撑服务、数据管理支撑服务、数据共享与交换服务、应用与分析支撑服务。应用层提供面向业务应用的服务，主要包括基于时空 GIS“一张图”的安全监测系统、基于时空 GIS“一张图”的生产监控系统、生产执行系统、经营管理系统及综合决策大数据分析系统，并通过调度大屏、PC 应用端、门户网站、移动 APP等方式进行展示，PC 应用端、门户网站和移动APP均可基于权限控制实现煤矿不同用户需求[1]。

2 智能矿山建设中存在的问题

a.思想认识不足、重视程度不够。一线生产矿井的从业人员对智能矿山建设重视程度不够，仅仅满足于安全生产前提下完成生产任务，对智能化、信息化工作还停留在表面。b.政策支持力度不足，导向作用不明显。政府、企业检查、考核多注重安全、效益、产量，对智能化技术、设备应用情况没有相应的考核、激励机制。c.目前智能化水平，特别是煤炭行业的智能化技术、设备还不能很好地满足现场实际需求。由于煤炭行业属于特殊行业，能够适用行业的平台、装备还远远不足，受限于防爆性能要求，能够应用于煤炭行业的平台、技术、设备一般都落后最新技术，其功能、性能与矿井实际需求还有一定差距。d.智能矿山建设成本高。新的智能化、信息化技术、设备成本本身较高，加之煤炭行业的特殊要求，这些技术、设备应用于智能矿山建设中后成本进一步提高，导致部分效益差的矿井无法建设智能矿山。e.智能矿山建成后的运维困难。智能矿山势必会应用大量先进的智能化、信息化技术、设备，导致的直接后果一是智能矿山建成后运维成本增加；二是虽然可以减少岗位作业人员、改善工作环境，但是专业的运维人员缺乏，会对智能矿山运维造成困难[2]。

3 智能矿山建设规划思路

针对智能矿山规划及建设，大多数配套服务厂商智能化升级方向，均是以信息化集成等统筹规划方案为主；而各煤机应用及制造企业，则重点以发展单机装备的智能化为突破口。致使工艺及其设备合理衔接、能效匹配方面缺乏分析，容易形成各个子系统之间、各工艺衔接之间、上下游设备之间各自为营的局面。若没有统筹的设备、工艺规划改进分析，企业就会有可能在日后造成重复投资，因此，重点要打破各子系统之间各自为营的“视野局限”，并纳入规划当中。针对智能化升级改造，首先要实现以子系统或单机装备为代表的独立生产单元的智能化；其次要将各个关联工艺子系统之间、上下游设备之间的衔接，实现多机装备智能化协同联动；最后是实现整个过程的智能决策[3]。

4 智能矿山建设规划建议

4.1 框架设计

通过梳理当前煤炭行业智能化技术应用现状和存在的问题，基于“全局优化、区域分级、多点协同”的控制模式，将煤炭生产、通风、运输、供电、排水、洗选等合成为统一的整体，打造高效、智能、绿色、安全的煤矿开发总体框架体系。a.设备感知层。设备感知层是以物联网等技术为核心，主要通过移动设备、多功能分站将矿井前端感知到的生产数据、管控数据、安全环境监测数据、智能化应用和成果数据进行集中采集，是智能矿山的支撑体系。b.网络传输层。网络传输层是设备感知层和数据支撑层的桥梁，主要是利用井下视频有限专网、有限、无线网络(5G、WiFi)等将设备感知层采集到的数据进行传输。c.数据支撑层。数据支撑层是由煤炭企业基础信息、共享交换信息、业务信息、物联网信息、互联网信息建立的数据库，实现数据融合与应用融合。d.数据可视层。在智能矿山系统工程中，数据可视层是重要的组成部分。与传统矿山系统不同，智能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。e.应用决策层。应用决策层是面向不同业务部门实现按需服务，通过透明地质信息、智能生产、智能运输、智能分选加工、智能调度管理来实现安全生产闭环管理、智慧决策支持和深度应用，并通过PC应用端、移动APP、调度大屏、门户网站多种方式进行展示，实现企业不同用户需求。

4.2 标准建设

为了对智能矿山建设的成本进行有效的控制，相关领导人必须对标准建设引起重视。首先应该实行统一的标准，保证矿山建设的规范性。另外作为一个开放性的物联网应用平台，应该给如今的“智能矿山”系统构建一个统一的接入端口，从而方便用户对现有平台进行增加、删除、接入等。还需要对如今的“智能矿山”的关键技术、平台等创建一个统一的标准，从而打通产业链的上下游。标准建设对于矿山物联网来说是非常重要的一点，除了可以控制成本以外，还可以优化对矿山的控制和运行管理，节省大量的人力，从而为企业创造巨大的经济效益。

4.3 供电智能化

煤矿变电所已实现无人值守。变电所引进轨道式智能巡检机器人，按预设时间定时巡检变电所各高压柜运行状态及周围环境，解决固定视频监控死角问题；可与自动化系统联动，当某台高压柜发生故障时，机器人自行移动至柜前进行巡查；可对高压柜合闸操作人员进行人脸识别确认，代替传统的操作票制度；可对高压柜操作情况进行视频录像，在员工因操作失误造成事故后，可查看监控视频进行追查；监测到环境气体超限时，可自动切断供电电源。

4.4 无线网络建设

物联网技术应用中数据可靠传输至关重要，传统的有线传输方式明显不符合旨在实现万物互联的物联网应用需求，物联网应用中需要建立传输速率快、时延低、可靠性高的无线网络。随着无线通信技术的不断发展，目前5G技术商用已经有了成熟案例，物联网技术在智能矿山建设应用中，可以建设矿井私有的5G网络，井上下1个5G网络全覆盖，同时建设井上下全覆盖的高速WiFi网络，实现矿井设备进场、使用、回收、维修、二次发放、报废等信息的实时、全面采集，达到设备全生命周期管理的目标。设备全生命周期管理是矿井无线网络应用的一个方面，无线网络还可用于作业现场通信、设备运行数据采集、现场作业人员手持终端与智能矿山监控、管理平台之间的通讯等等。

4.5 割煤自动化

自动化割煤通过示范刀学习记录工作面的轮廓，并可以自动重复学习割煤过程中的滚筒轨迹。适用于煤层稳定，顶底板比较平整稳定，周期来压稳定的工作面。自动化割煤使用2个倾角传感器跟踪2个摇臂的高度，每个摇臂使用一个倾角传感器，通常在电控箱内部也安装有倾角传感器，用来跟踪煤机的俯仰和摇摆角度，结合软件处理可以不受坡度和摇摆角度影响。自动化割煤使用传感器来采集煤机信息，在显示计算机屏幕显示。显示计算机是控制系统的信息显示界面，2个摇臂倾角传感器安装在摇臂侧面，俯仰和摇摆的倾角传感器安装在电控箱内。记忆割煤首先要设置相关参数，先进行一个完整循环的示范刀学习，然后进行记忆割煤，最后从工作面的一个端头开始，按照实际采煤工艺完成整个工作面割煤的一个循环，在同一端头结束。在示范刀割煤时，操作人员需要根据工作面煤层变化情况人为调整滚筒位置，控制器通过监测摇臂传感器的角度变化来确定滚筒位置，并根据左右牵引部旋转编码器来自动计算采煤机的位置，同时控制器会记录采煤机在工作面内的任一位置对应的滚筒高度参数。

4.6 加强信息化人才培养

矿山企业属于资源性的企业，仅仅依靠资源生存，而不增加产品的附加值，利润空间将被客户不断压低，为了突破传统产品的制约，这需要大量的技术型人才参与技术研发。信息化的建设降低管理成本和风险，可以直接提升产品的利润空间，增强市场竞争力；所以矿山企业的信息化建设显得尤为重要。信息化建设难度系数就比较高，倘若内部人才资源匮乏将影响整体建设质量，所以还应当加强信息化人才队伍建设，应定期对内部人员进行技能培训，不断丰富他们的理论知识和提高工作经验，信息化建设过程中出现的问题，也能够在第一时间内采取措施予以解决，将经济损失降到最低。要注重沟通衔接、强化岗位交流和团队协作，可以说沟通是促进信息化建设的必要条件，这样才能够发挥信息化建设的作用和价值，为后续工作顺利展开创下良好的条件。同时，也要加强人员职业道德和综合素养培养，只有高素质、高技能人才才能够为信息化建设注入活力，当然，企业领导人员要提高自身综合能力，这样才能够调动其他工作人员的积极性，更好的展开信息化建设。

4.7 注重矿山监测监管

我国矿产资源丰富且地域广阔，传统的监测理念与技术已无法快速做出有效全面的监测。但随着传统的3S技术不断丰富和完善，并融合其他技术，可对矿山实时高效的信息化并三维可视化，通过对比分析不同时相的高分辨率遥感影像，实现动态监测矿产资源开采变化情况，对矿区活动精准识别，为自然资源管理部门管理矿山及矿权企业提供决策辅助，为后续构建生态化矿山打下坚实基础[4]。