煤矿智能化综合管控平台架构设计与应用

2022-01-15李庆振吴敬建

山东煤炭科技 2021年12期

李庆振吴敬建

（济宁矿业集团有限公司，山东济宁 272073）

随着物联网与5G通信网络技术的发展与普及，信息技术与制造业的融合程度逐步加深，各国参与工业互联网发展的国际竞争日趋激烈。为抢抓新一轮工业革命机遇，我国正在加速发展与应用工业互联网技术，构建数字驱动的工业新生态[1]，而智慧矿山建设理念的出现为确保煤矿行业在日益激烈的国际市场竞争中保持核心的竞争力、提高煤矿企业的信息化与智能化水平创造了理论基础[2-3]。

我国在煤矿智能化建设方面进展迅速，在项目运营管理、资源分配、远程监控等方面已经取得较为明显的成果，但目前国内外在智慧矿山建设方面的研究并不成熟，许多煤矿企业都建设了综合自动化平台对各个自动监测监控、工业系统进行了集成，但这种集成仅是将原本独立的系统进行了数据的集中展示，系统间联动困难形成数据孤岛，更无法进行深层次的挖掘分析[4-6]。基于此，通过研究工业互联网理念与体系架构基础，提出了基于“数据全面感知采集-数据写入与标准化-模型算法耦合挖掘-大数据分析-智能综合管控”理念的智慧煤矿综合管控系统架构设计方案。根据此方案，在霄云煤矿已有工业互联网基础上进行了智能综合管控平台建设，为智慧煤矿建设与发展提供了参考。

1 智慧煤矿管控平台架构设计

2018 年5 月1 日，国家标准《智慧煤矿信息系统通用技术规范》（GB/T 34679-2017）正式开始实施，标志着智慧煤矿概念开始以国家标准的形式落地推广。

基于此规范，可将现今已经成熟的多种智能技术与煤矿生产建设中的方方面面进行深入融合，以数据标准化、网络协同化、系统一体化和技术智能化为原则[3]，研发团队提出了智慧煤矿综合管控系统架构设计方案。

智慧煤矿综合管控系统主体架构如图1。该架构利用5G 技术、大数据中心、工业环网、北斗卫星导航定位网络等构建智慧煤矿工业互联网通信网络，同时采用最新的互联网安全技术防护，制定智慧煤矿工业互联网安全管理规范，建立智慧煤矿工业互联网安全运维体系，确保智慧煤矿工业互联网安全可信运行。

图1 智慧煤矿综合管控系统主体架构设计

智慧煤矿综合管控系统主体架构从下到上分为边缘层、IaaS 层、管理服务平台层、应用服务层四个层次。

第一层为边缘层，通过对现场中的大范围、深层次的数据进行采集，利用协议转换技术，构建工业互联网平台的数据基础。一是通过各类通信手段接入不同系统与设备，采集大量数据；二是依托协议转换技术实现多源异构数据的标准化和边缘集成；三是利用智能组件实现对底层数据的汇聚处理，并将数据向云端平台集成。

第二层是IaaS 层，利用云基础设施，基于虚拟化、分布式存储、并行计算、负载调度等技术，实现计算机资源的池化管理，主要包含网络、计算、存储等方面，确保资源使用的安全与隔离，为用户提供云基础设施服务。

第三层是管理服务平台层，基于通用PaaS 叠加大数据处理、工业数据分析、工业微服务等创新功能，构建可扩展的开放式云操作系统。一是通过通用PaaS 平台进行资源部署与管理；二是利用大数据系统对煤矿现场数据进行筛选、标准化处理、管理、分析等；三是通过理论机理对大数据系统处理数据进行建模，或利用智能算法进行计算等，对智慧煤矿现场数据进行深入耦合挖掘与分析；四是借助微服务组件和工业应用开发工具构建应用开发环境。

第四层是应用服务层，结合煤矿行业的工作环境形成满足该行业的工业SaaS 和工业APP，实现智慧煤矿行业的基本功能。

2 霄云煤矿智能综合管控平台建设

2.1 综合管控平台建设

霄云煤矿位于济宁市霄云镇境内，隶属于济宁矿业集团有限公司，核定生产能力90 万t/a，服务年限41 a。霄云煤矿以子系统建设、网络建设、数据中心建设为基础，以平台建设为中心，通过各类数据的全面感知和采集，构建大数据分析指标库和知识库，利用模型和算法的紧密耦合对数据深入挖掘，最终打造出智能化煤矿综合管控平台。

（1）子系统建设

为实现信息的综合采集，同时完善各类子系统建设并接入大数据分析平台，研发团队按功能板块划分共接入生产类子系统14 个、管理类子系统11个、安全类子系统14 个，为智能综合管控平台的集中展示和辅助决策提供数据支撑。建设了综合自动化系统，该系统囊括了水务管理系统、主副井提升监视系统、通风机监测系统、全矿井电力监控系统等，通过项目建设，实现了矿井大型机电设备在调度室集中监控，能够远程监控判断故障、远程操控设备启停；通过统一的数据转换程序，将双防系统、矿压地压系统、微震监测系统、安全监控系统、人员精确定位等系统的数据进行标准化并交换写入数据中心PostgreSQL 数据库。

（2）网络建设

智慧煤矿综合管控平台网络建设中通过利用已建成的监测监控类工业环网、视频监控和工控类工业环网进行井上下各子系统数据传输，以2 台赫斯曼MACH4002 交换机为核心、以4 台赫斯曼MSP40 交换机作为井上接入，以6 台赫斯曼MSP40交换机作为井下接入，所有交换机均采用模块化设计，使用冗余环形结构构建了万兆工业环网，如图2 所示。核心交换机与接入交换机均为三层交换机，具备路由功能、冗余功能、vlan 划分功能，且系统能够自诊断环网运行状态，自愈时间＜50 ms。

图2 工业环网冗余环形结构示意图

（3）数据中心建设

平台建设中使用6 台服务器在计算、存储、网络三个维度上采用分布超融合架构构建了FusionCube 2000 数据中心，以FusionSphere 为核心，以软件定义的方式整合包括虚拟化计算、软件定义存储以及虚拟网络资源，具备硬件解耦能力。它是通过全分布式的架构促进计算、存储、网络、安全的IT 服务大融合，有助于提升系统可靠性与可用性，并具备易于扩展的特性。

基于上述子系统和数据中心建设，霄云煤矿将各子系统数据汇入数据中心，通过对各类数据的精准采集、网络传输、规范存储、空间时序分析，利用大数据分析技术，从不同维度对安全生产数据进行深度关联分析，为霄云煤矿安全生产辅助决策提供科学依据，同时实现矿井安全生产数据的综合显示。大数据分析平台分为智能调度一张图、生产决策分析、安全决策分析、预警预报、AI 视频分析等五大版块，在平台中可监控和掌握全矿的生产、安全情况以及预警预报的内容和执行的措施结果。例如基于已集成的安全、生产、管理各系统数据，通过对流程自动化配置与预报警模型融合，建立了矿井灾害预报预警平台，实现各类预警、报警的自动推送，推送内容包括预警信息、报警信息、故障处理流程等，同时实现PC端和移动端的同步定向推送。

2.2 综合管控平台功能模块简介

研发团队采用B/S 架构建立了煤矿智能综合管控平台，整个平台共分为7大智能化板块，分别是“智能安全”“智能生产”“智能管理”“三维矿山”“一矿一图”“多业务管控平台”“大数据分析”。

其中智能安全板块综合集成井上下各类安全监控类子系统的集成监控，分为安全管理类、安全监控类、灾害监控系统三大部分。智能管理板块实现经营数据、绩效数据、管理数据等实时展现，为经营决策提供参考，为经营管理提供依据，为生产提供数据。智能生产板块对煤矿主要生产系统和辅助生产系统进行监测监控，以生产为主线，实现了对综采工作面、主井煤流、矿井通风、电力监控等共计18 个生产类系统的数字化集成。三维矿山板块服务于煤矿的地测、采掘、通防、安全、机电、监测、调度等多专业、多用户的管理需求，在三维环境中实现动态数据查询、数据共享、数据管理、协同工作等功能。

此外，一矿一图板块融合空间数据存储、共享、更新，将采、掘、机、运、通、安等各专业整合在一个平台上协同办公；多业务管控平台板块通过各专业协同办公，打破了专业壁垒、数据孤岛，形成面向安全、生产、调度的协同管控平台；大数据分析板块是结合日常业务数据和实时性监测监控数据建立的安全动态诊断系统，是集安全决策、生产决策、预警报警、AI 视频、智能调度于一体决策分析模型及可视化应用。