智能管控平台在煤矿的成功应用

孙嘉龙

(潞安化工集团 能源事业部通风部，山西 长治 046204)

山西某煤矿以采矿、洗选为主，核定生产能力为400万t/a，附设1座300万t/a的选煤厂。矿井井田开拓方式为斜井开拓，主采煤层为3号煤层，煤种具有低硫、低灰、低磷、高热值的“三低一高”特性。随着国家“十三五”规划的逐步推进，煤矿领域开始逐步实施工业机器人替代人工生产。在这种形势下，该煤矿结合自身智慧矿山智能管控平台采集的大量数据，针对机电设备故障诊断、能耗分析、安全生产动态诊断等实际需求，利用大数据手段与地理信息位置服务对矿井安全生产进行了智能化提升改造。

1 智能管控平台概述

智能管控平台已实现了对山西煤矿的井下安全监测系统、井下电力监测系统、主井1号提升系统、主井2号提升系统、主通风机监测系统等的综合集成和系统融合，共接入各类系统23个。通过动态可配置的组态画面，全面动态显示矿井主要生产工艺、重点监控环境参数、关键设备运行工况等数据[1]。

1.1 智能管控平台目标

智慧矿山智能管控平台建设的初衷是在建立数据标准体系与智能管控体系的基础上，在不同层面上实现对人、机、环的各子系统的综合集成、纵向贯通、横向关联、融合创新[2]。在智能网关的支持下，实现人、机、环的智能物联，基于时空一张图实现井下人员与设备的位置服务、数据共享、智能控制与应急联动，最终通过AI大数据分析实现矿井的危险源预警、大型设备故障诊断、智能化开采控制服务与安全隐患感知预警。

1.2 智能管控平台整体架构设计

该煤矿智慧矿山智能管控平台主要由感知执行层、网络传输层、智慧矿山操作系统平台层(MOS)和智能应用APP层(AppStore)组成，如图1所示。

图1 平台架构设计图

感知执行层主要包括各类控制系统、人员与设备精确定位系统、环境与灾害监测系统、工业视频监控系统以及智能传动设备等，其核心是数据的采集与获取，平台建立智能网关实现各类子系统的数据标准与规范接入。

网络传输层主要包括工业控制环网、管理环网有线网络和4G、5G与WIFI的无线网络，其核心是保障数据的高效、安全传输与有效控制[3-4]。

操作系统平台(MOS)层通过MOS服务以接口的形式对内对外提供标准化服务，前端业务功能可通过配置实现接口数据的展示、联动、控制。MOS平台能提供对底层硬件设备的适配和对上层应用业务逻辑的软件模块支撑。其作为整合矿山底层硬件设备和上层业务逻辑的开放数据平台，通过开放数据接口(Restful 接口、RPC 接口、SocketIO 接口等)使得矿山应用(安全监测监控系统，应急救援系统等)开发者快速简便地获得矿山系统中各个设备、人员、多种环境的实时运行监测数据、历史数据[5]。在RED-MOS的分层设计架构中，分别集成了RED-DDS技术、RED-SDN技术、RED-GIS技术、资源虚拟化技术等先进技术。通过统一管理矿山信息化系统的网络、存储、计算资源(包括运行环境管理，安全管理，系统及设备集成管理，数据库资源，缓存资源，CPU及GPU资源等)，将煤矿中的设备、传感器、数据、人员和其他资产连接起来，实现各业务子系统数据的报表生成功能、预警显示功能、数据统计功能以及各业务子系统之间用户数据访问的权限管理。最终完成在一个平台中对多个业务子系统的集成和融合。

智能应用APP层主要基于平台，结合业务需求，实现智慧安全、智慧生产、生产执行、经营管理、决策分析等应用。

2 主要功能与优势

2.1 主要功能

1) 智能网关：各类子系统按照数据传输协议进行解析推送，用于数据规范管理，包括子系统、设备组、设备、属性、单位、报警类型、接入配置等。通过数据接入，可使测点具备完整的信息及模型归属[6]。

2) MOS助手：用于二维底图更新及三维巷道更新，此外MOS助手还具有协同设计、图纸管理、符号库、坐标校正、坐标转换、图形裁剪等多种实用功能。

3) 三维编辑器：用于三维场景模型编辑，可实现地表工业广场、设备模型的导入、位置编辑、实时数据配置、文字标注、巷道名称显示等功能，为3D提供三维仿真环境。

4) 拓扑编辑：用于自动化系统流程编辑及发布，包括设备图片库、组件库、画布和属性设置界面，其中设备图片库可自定义分类扩展，组件库中包括文字、胶带、矩形、高压开关、低压开关、视频、表格、提升、图表、采煤机支架、采煤机摇臂、报表、掘进轨迹等组件并在继续扩展中，目前这些组件已经可以实现包括智能工作面、智能掘进面等复杂流程的界面。

5) 2D/3D GIS：基于GIS数据的展示包括各类检测系统的点位、实时值、状态、避灾路线、风流路线、数据分析展示、图形工具等内容[7]。

6) 拓扑管理：基于拓扑流程的各类系统数据的融合展示、设备控制，包括设备监测参数、周边视频、设备的一键启停、设备间一键切换、设备属性设置等内容。

7) 数据应用：用于各类子系统的实时、历史、统计数据的查询、报表导出，对比分析趋势图的展示。

8) 报警故障：用于实时报警查看和联动处置，历史报警记录的搜索查看。

9) 后台管理：包括用户权限管理、系统配置管理、业务信息、设备配置、空间信息、图层配置。

2.2 平台优势

该煤矿智能管控平台基于RED-MOS操作系统平台实现。该平台通过集成的RED-SDN、RED-Cloud、RED-DDS以及RED-GIS等技术为基础，结合分布式计算、大数据分析、资产数据管理和未来网络等技术，为矿山企业提供大量能够帮助企业提高生产率、降低企业运营成本的工业微服务(灵活的矿山服务APP)。主要优势如下：

1) 易于实现多级矿山系统的数据传输、汇总处理，展示和智能分析等[8]。

2) 最小化应用开发人员管理系统扩展性和硬件配置的时间和成本。

3) 可实现智慧矿山应用程序的快速开发，实时响应客户需求。

4) 为矿山企业实现资产的多点维护，安全管理和统一调配。

5) 提供矿山生产安全大数据分析和挖掘功能，同时开放脱敏数据平台给第三方科学家或者研究机构，采用众包模式，实现大数据分析能力的最大化配置。

6) 数据标准与接口协议的规范化，降低煤矿企业升级改造成本，降低对供应商的依赖性。

7) 可用作矿山企业和矿山应用开发人员生态系统的基础，为智慧矿山系统提供支持。

8) 从根本上解决多系统跨网络的应用服务和数据的融合问题，解决系统升级换代、维护成本高、风险大等问题。

3 应用效果

该煤矿智能管控平台是基于RED-MOS操作系统针对矿山具体需求定制开发的智能工业应用(APP)，主要包括智慧矿山操作系统平台、智慧生产系统、智慧安监系统、生产执行系统、经营管理系统和智慧决策系统。通过对安全监控、移动目标、生产过程控制等子系统的集成，实现了调度指挥应用，获得了大量的基础数据。基于视频的AI分析技术也逐渐成熟，将其应用于矿井安全隐患预警分析，不但可以减人提效，还将大大降低人、机、环的不安全因素，提升了矿山安全水平。