面向露天场景的矿用工业互联网边云协同架构*

马文静， 杨 林， 徐加利， 杨志勇

(①中国工业互联网研究院，100102，北京市；②山东能源集团有限公司，250014，山东省济南市；③新疆天池能源责任有限公司，831799，新疆维吾尔自治区昌吉州)

0 引 言

当前，随着全球范围内新一轮科技革命和产业变革的蓬勃兴起，工业互联网作为新一代网络通信技术与现代工业技术深度融合的产物，对传统工业产业的发展起到了重要的推动力量.煤矿工业作为我国能源支柱产业，具有开采环境复杂，机械化程度高，业务管控要求高等特点，使得具备独特的行业属性和特点.矿用工业互联网本质上是与煤炭等矿产行业紧密相关的全要素、全产业链互联体系，实现煤炭等矿产采掘生产、洗选加工、运输销售、使用以及安全监管、企业决策、生态影响等关键要素的数字化全面连接.相比于传统的矿产智能化应用，矿用工业互联网更注重强化各类要素的连接与融合，顶层架构设计变得尤为重要.

本文开展面向露天矿用场景的智能化矿用工业互联网架构体系研究，通过强化边缘平台、矿区组网以及矿用中心平台等的边云协同能力建设，推进以煤矿为重点的矿山高质量开采和建设工作.

1 矿用工业互联网研究现状

2020年，王国法院士提出了智能化煤矿总体技术架构[1]，涉及设备感知层、基础设施层、数据服务层、应用层4层架构，但主要聚焦于智能化煤矿标准体系建设，并未涉及边云协同相关内容.文献[2]提出了煤炭工业互联网总体框架，把煤炭工业互联网分成了设备感知层、IaaS层、PaaS层、SaaS层4层架构，但设备感知层仅是作为数据采集设备，需要把采集数据上传至云端处理.这种处理方式不仅对矿区网络通信环境有着较高的安全性和稳定性要求，而且对于各类突发事故难以做到实时处理.文献[3]设计了基于边缘云协同计算的智慧矿山架构，聚焦采用OPC UA协议，解决系统内部信息孤岛问题，采用TSN协议，构建高质量的实时传输网络，较好地解决了工业自动化控制与大带宽网络传输问题，但未能体现云边协同的概念，尤其是未能解决煤炭工业现场针对复杂环境的智能化操作问题.文献[4]提出了基于“边缘端、雾端和云端”3级弹性体系架构，较好地体现了边云协同架构和智能化操作特性，但仍把主要计算能力放在云端处理，缺乏对于边缘设备能力提升的描述.针对智能矿山应用，文献[5]提出了针对矿用工业的移动边缘计算MI-MEC系统架构.在该架构中，数据发送至本地MEC服务器，并把超大数据进一步转发到云.相比于传统的云计算，MI-MEC架构有着较低的时延，但对通信组网的能力仍有较高的要求，通过精准的网络部署，实现的MI-MEC系统的远程管理和控制.

2 现状问题综析

文献[2-3]和文献[5]提出的针对智慧矿山的边缘计算解决方案，是在露天矿场内建立边缘数据中心，实现矿用设备的远程控制和操作，不仅要求作业人员具备较高的操作能力，而且还应保证矿区具备低时延、高可靠的通信网络环境，才能够实现精准地远程操作.为此，本文构建了一种涵盖边缘平台、矿区组网以及矿用云平台的边云系统架构，能够提升矿用设备的实时感知和处理能力，降低因为网络故障导致的作业风险.

3 矿用工业互联网总体设计要求

露天矿用工业互联网在进行架构设计时，应遵循以下原则：

(1)为保障煤炭安全生产环境，矿山应尽可能采用无人操作和有人值守相结合的业务模式；

(2)应遵循边云协同的架构体系，采用边缘平台、中心平台边云双层架构模式，增强矿用边缘设备的感知、计算、控制能力，提升智能矿山设备智能化水平；

(3)应根据露天矿用的不同场景，灵活选用有线通信、无线通信等多种技术，满足矿用设备通信联网需求.

4 矿用工业互联网体系架构

矿用工业互联网架构组成如图1所示，各部分简要说明如下：

图1 露天矿用工业互联网总体架构

(1)矿用作业设备

矿用作业设备是指用于露天矿产开采的传统设备，通常包括破碎机、挖掘机、运输卡车等.

(2)矿用边缘平台

矿用边缘平台通常集成于各类矿用作业设备中，用于辅助各类矿用设备自主执行各种作业任务，并在出现异常情况时，向矿用中心平台发送接管请求，由远程人工操作替代当前自动操作.

(3)露天矿区组网

露天矿区组网是指依托矿用无线和有线网络，实现各类矿用边缘平台与矿用中心平台间数据通信，负责把车辆基本状态、无人操作状态、环境感知信息和矿区关键位置、视频监控信息等数据回传至中心平台；把中心平台确定作业任务、参考路径、车辆控制命令等数据实时传输给边缘平台.

(4)矿用中心平台

矿用中心平台通常指露天矿用中心监控与资源调度平台，包括矿用云平台的支撑硬件和矿用云平台2部分内容.

5 矿用边缘平台架构设计

5.1 概述

露天矿用边缘平台架构如图2所示，组成说明如下：

图2 露天矿用边缘平台架构

(1)矿用边缘硬件

矿用边缘硬件是指部署在各类矿用设备上，用于执行各类自动化矿用操作以及与其相关的智能计算、处理、存储等硬件.

(2)矿用设备边缘操作子平台(简称“操作平台”)

该平台组件面向爆破、采剥、破碎等精准性、实时性强的矿用操作，提供基于强实时性的系统功能，达到高可靠、高安全性的要求，满足矿用设备在操作环境下个性化的功能需求.

(3)矿用设备边缘联网子平台(简称“联网平台”)

由于网络存在一定的延迟和干扰，针对矿用设备协同、联网服务等非实时操作，需采用一套满足非实时性、高性能计算需求的平台架构组件，满足矿用设备远程运维监测、调度管理等联网需求.

(4)边缘网关

在露天矿用场景中，边缘网关通过网络联接、协议转换等功能联接物理和数字世界，提供轻量化的网络联接管理，智能地执行矿用设备与中心平台、矿用边缘平台之间的组网通信功能.

(5)矿用工业总线

矿用工业总线是指解决各类矿用生产设备的传感器、控制器、执行机构、动力装置、计算存储硬件等的控制信息传递以及数字通信等的专用工业数据总线，可分为实时控制总线和非实时数据传输总线等.

(6)时钟基准模块

时钟基准模块是一个产生精准时间信号的组件，可提供包含频率、周期、抖动、漂移等参考指标，用以实现矿用设备各类采集信号、控制信号、执行信号的同步管理.

5.2 边缘硬件

按照功能，矿用边缘硬件分为以下3类：

(1)边缘感知硬件

边缘感知硬件是指用于感知矿用作业环境的设备，包括激光雷达、毫米波雷达、各类传感器、图像采集设备、导航设备等[6].

(2)边缘处理硬件

边缘处理硬件是指用于计算、处理和存储各类边缘感知硬件的设备，包括计算芯片、存储芯片、图像处理芯片、数据采集卡、AI芯片等[7].

(3)边缘控制硬件

边缘控制硬件是指用于控制矿用设备的启动、操作、动力供给等生产作业的硬件[8-9]，包括PLC控制器、伺服电机、车载控制总线等.

5.3 操作平台

操作平台采用嵌入式实时操作系统，部署于矿用作业设备控制硬件，保障矿用作业设备控制的实时性与功能安全性，按照功能划分可分为基础软件层、实时运行环境以及软件服务层.

(1)基础软件层

基础软件层位于操作平台的底层，提供标准化的系统功能以及功能接口，通过对边缘控制硬件、边缘处理硬件等进行抽象描述，实现底层硬件接口的规范化和统一化，具备指令、响应和数据相分离的消息机制.基础软件层对各种基础软件功能模块以服务的形式进行封装，供上层应用调用.服务封装模块可分为系统服务、内存服务和通信服务等模块.基础软件层包括复杂驱动，为难以实现统一封装的复杂硬件与上层应用之间的访问通信提供支持，可以直接访问各类矿用控制设备，以实现涉及到严格时序问题的复杂传感器和控制器操作.

(2)实时运行环境

实时运行环境在软件架构中介于应用服务层和基础软件层之间，主要用于为应用服务层的软件组件间通信以及应用服务层与基础服务层的软件组件间通信提供服务支持.

(3)应用服务层

应用服务层的功能由各应用软件组件实现.组件中封装了部分或者全部的矿用设备电子功能，包括对其功能的具体实现以及描述，与矿用设备硬件系统没有直接连接.应用软件组件应封装一段标准的可执行程序，具有标准化的应用程序接口，通过实时运行环境进行通信以及访问基础软件组件的各种资源.

5.4 联网平台

联网平台与操作平台相比，实时性要求较弱，但在保证一定功能安全等级的基础上，支持高性能处理能力和智能互联应用功能的开发，弥补操作平台缺陷，提供更好的灵活性和计算能力.

联网平台架构共分为3层：平台支撑层、平台运行层、应用服务层，功能简要描述如下：

(1)平台支撑层

平台支撑层基于云化的平台，采用轻量级的Hypervisor虚拟层架构，支持对各类计算、存储芯片进行虚拟化操作，实现弹性化的计算、存储和网络资源管理，可提供进程管理、通信服务、执行管理、诊断管理等多种基础服务模块和规范化API接口，支持上层应用服务调用.

(2)平台运行层

平台运行层负责管理平台支撑层各类基础服务模块的API接口，提供调用服务，同时定义操作系统接口，实现与POSIX,Linux等其他操作系统的适配，供上层应用程序使用.

(3)应用服务层

应用服务层包括运行在联网平台上的一系列智能应用软件组件，可支持通过远程联网和系统分发等方式，实现中心云平台的各类应用服务在联网平台上的加载和部署.

5.5 矿用边缘网关

边缘网关可以直接集成在矿用设备中，或者采用标准化的插槽进行安装. 架构如图3所示.

图3 边缘网关架构

(1)设备侧接口

设备侧接口是指连接矿用边缘硬件的内部接口，可根据实际场景需求，灵活适配串行接口、工业以太网接口以及现场总线接口等多种标准化接口协议.

(2)网络侧接口

网络侧接口是指用于对外连接至矿用组网设施，实现与矿用中心平台或者其他矿用设备之间协同通信所需的接口，可根据实际场景需求，灵活适配以太网接口、移动蜂窝网络、自组网、WIFI或者WIA-PA,PON 等多种标准化接口协议.

(3)网络功能

边缘网关所实现的网络功能覆盖以下内容，在使用过程中，可根据具体要求进行裁剪适配.

a)接入功能

边缘网关应支持多个网络的同时连接.当边缘网关建立了一条以上网络连接时，应支持不同网络连接之间数据的完全隔离.

b)协议转换功能

边缘网关应支持把设备侧接入的各类协议数据转化为网络侧所要求的网络传输协议数据，应采用软硬件协同的方式实现协议转换.

c)调制解调功能

具备无线传输能力的边缘网关，应具备把传输的数据信号调制到载波信号上，并通过射频传送到接收端进行解调.

d)信道编码功能

具备无线传输能力的边缘网关，应具备传输数据的编码纠错能力.

e)组网功能

边缘网关可具备矿用设备组网能力，即边缘网关之间的组网通信能力.边缘网关应支持根据作业需要，合理进行任务分配和组网，支持矿用设备终端间的数据交互.

f)网络虚拟化功能

边缘网关根据网络通信需求，可用于为联网平台上的各类计算、存储、控制硬件，提供统一的虚拟化资源技术和调度机制，便于各类资源的协调管理.

g)多模态工作

边缘网关应支持桥接、路由或桥接/路由混合等多工作模式.

5.6 矿用工业总线

围绕着露天矿用场景的特殊需求，针对日益复杂的矿用电子通信系统架构和拓扑连接，开展矿用工业总线的设计，从智能重构、终端数目、实时性等方面，改进和提升现有各类现场总线协议. 矿用工业总线按照功能可分为实时控制工业总线和非实时数据传输总线两部分，可考虑基于SPE,AUTBUS等工业总线协议实现.

5.7 时钟基准模块

通过采用北斗GNSS授时、IEEE 1588精准时钟协议PTP等软硬件相结合的时钟同步技术，为矿用边缘硬件、操作平台、联网平台以及矿用工业总线数据传输等提供同步时钟信号.

6 矿区组网架构方案

6.1 概述

露天矿场景下的作业流程具有多工种联合流水作业特点，需要多种设备参与. 设备之间的运输、安装、调试配合度要求较高，信息传输须及时、准确. 同时，管理部门、经营分析部门及其他生产辅助环节又存在指挥、管理、分析等需求，优先考虑建立稳定高效的通讯网络.

6.2 组网架构

矿区组网通信包括无线组网和有线组网2类，可提供授时、导航、定位、广播、通信、数据传输等服务. 其中，无线组网主要是指无线接入的网络部分，可根据实际矿用需求，灵活选择合适的无线频谱技术(参见表1)和组网方案，建设矿用工业互联网. 有线组网应基于标准化集成系统，提供使露天矿各种有线和无线设备相互连接的服务，应综合考虑矿山结构、采矿设备构成和规模、采矿方案等要素，进行母线拓扑、环状拓扑、星状拓扑、网状拓扑、链状拓扑等不同拓扑结构的有线网络部署.

表1 无线组网频谱列表

续表1 无线组网频谱列表

典型的矿用组网场景应包括矿用设备(内置通信模组)、专用网关/专用基站、矿用云(数据)中心、用户终端设备等，具体见图4.

图4 矿用组网架构图

(1) 矿用作业设备

矿用作业设备应加载边缘网关，即专用的通信模组，支持实现联网平台数据的对外传输和交互. 通信模组可支持多种频段技术，实现不同制式的组网通信. 各频段应用情况参见表1. 矿用作业设备应部署边缘平台系统，自适应选择相应的频段技术，对外传输数据信息.

(2) 专用网关或者专用基站

专用网关/专用基站作为发送和接收相应频率信号的无线通信接入和交换设备，负责发送和接收相应频段的通信数据，通过局域自组网、蜂窝通信、卫星通信、光纤以太网等方式，传输至矿用中心平台.

(3) 矿用云数据中心

矿用云数据中心作为支撑矿用中心平台建设、运维的基础设施，负责各类矿区数据信息的采集、处理、交互、分析与决策等. 用户终端是指连接至矿用云数据中心，支持各类应用服务的通信设备.

7 矿用中心平台架构方案

7.1 概述

矿用中心平台包括矿用云服务支撑硬件和矿用云服务平台2部分，具体如下页图5所示.

图5 矿用中心平台架构

7.2 矿用云服务支撑设备

矿用云服务支撑设备是指支撑实现矿区三维视图、动态巡检服务、矿区环境监测等各类矿用SaaS服务所需要的硬件设备.与矿用作业设备不同，矿用服务支撑硬件与生产作业无关，而是用于矿用云服务平台所提供的各类智能化服务.为实现露天矿用场景下各类信息系统、数据等的有效关联、协同处理，应构建矿用云服务平台，实现针对采掘过程控制、设备运维管理、安全预警等通用服务的优化管控[10-13].

7.3 矿用云服务平台

矿用云服务平台作为各类露天矿用数据采集、传输、边缘处理、存储、计算等的集成平台，对下应兼容露天矿山应用中各类信息化子系统，对实时生产过程工况数据及报警信息进行监控；对上应支持各类大数据分析及人工智能技术在露天矿用场景的应用，提供基础的运行环境及服务.

矿用云服务平台架构如图5所示，由露天矿用IaaS层、PaaS层、Saas层构成，各部分说明如下：

(1)露天矿用IaaS层

露天矿用IaaS层负责执行中心平台硬件层的设备接入、数据协议解析与转换、数据处理与汇聚等功能；通过采用虚拟机或者容器等虚拟化技术，统一管理服务器、硬盘存储介质、网络设备等各类物理硬件实体，为露天矿用企业构建虚拟计算资源池、虚拟存储资源池、虚拟网络资源池.

(2)露天矿用PaaS层

露天矿用PaaS层按照功能分为APaaS和IPaaS两部分.

APaaS介于PaaS层和SaaS层之间，负责为SaaS层各类服务提供所需的中间件集成、数据处理、业务支撑等功能，用于各类SaaS应用软件之间的数据打通、软件业务开发等.

IPaaS介于PaaS层与IaaS之间，负责执行SaaS层、APaaS层各类应用服务的全生命周期管理和基础环境部署支撑.

(3)露天矿用SaaS层

露天矿用SaaS层基于矿用云基础设施，可提供专业的SaaS服务，涉及矿区三维建模、设备远程调度与运维、矿用无人采掘与运输、人员定位与通信服务等多种服务.

8 总结与展望

目前，我国矿用工业互联网尚处于初级发展阶段.相比于井工矿而言，露天矿产由于具备开采较为简单，投资较少、产量高、运营成本低、工作面大，方便使用各类大型开采装备等特点，使其较为容易地开展矿用工业互联网建设工作.

本论文围绕着露天矿产典型应用场景，提出了矿用工业互联网体系架构，构建涵盖矿用边缘平台、矿区组网、矿用中心平台等关键要素的边云协同架构.该架构通过在矿用边缘设备上集成感知、计算、存储、控制等于一体的软硬件系统，较好地提升矿用边缘设备在执行各类复杂矿用操作时的实时处理能力和智能化水平；通过矿用独立专网组网，在保障安全可靠的前提下，满足露天矿区各项服务的通信需求；矿用中心平台则作为中心调度管理服务平台，能够实现露天矿用场景下各类信息系统、数据等的有效关联、协同处理以及规范化的应用服务，为工业互联网建设中数据不统一、传输时延高、平台服务混乱等突出问题提供了解决方案，有助于我国矿用工业互联网产业整体的协同发展，加快我国以煤矿为重点的矿山开采和建设产业的转型升级.