基于宽带集群的胜利西三露天矿智能化建设

张 扬

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

锡林郭勒盟胜利西三露天煤矿隶属于内蒙古能源发电投资集团锡林郭勒胜利矿业有限公司。该露天煤矿采用单斗－卡车开采工艺，核定产能达到了6 Mt/a，矿区面积总计11.592 km2。矿山智能化建设前，露天矿已建成门禁系统、电子汽车衡系统、边坡及排土场自动化监测预警系统、视频监控系统、OA系统等信息化系统。各信息化子系统由不同的单位独自承建，建设时数据标准格式各自定义、系统分别独立运行，无法形成数据统一整合管理、数据资源共享、各信息化系统集中展示管控的目的，导致矿山各生产部门难以高效协同管理，制约矿山管理水平的提升。

随着我国信息化技术的不断发展和国家政策的鼓励推动，露天矿山走向智能化建设是必然趋势。为更好地实现露天矿安全生产信息的资源共享、生产车辆的联动管控和人员在岗可视化管理，形成露天矿统一的安全信息化管控平台，不断提升露天煤矿的智能化水平及安全管理效率，有效预防和减少生产安全事故，胜利西三露天矿综合参考其他露天矿山智能化建设的成功经验，最终选择采用基于无线宽带集群调度的智能化建设方法[1]，确保无线集群、调度中心、卡车调度、安全管理、人员定位等各系统在安全可靠的基础上，处于行业领先地位；同时，对内实现各系统间数据交互、共享，解决煤矿日常生产中各系统数据孤岛现象，对外实现卡车调度、人员定位、边坡监测等安全数据对上级安监部门开放，安全监管数据在保证数据安全性的前提下对外输出。

1 无线宽带集群调度系统

1.1 集群调度系统的发展

集群系统演进方向：窄带模拟集群→窄带数字集群→宽带多媒体集群[2]。

窄带模拟集群和窄带数字集群，具备单呼、组呼、包容呼、临时编组、紧急呼、互联互通等语音通信功能，宽带多媒体集群系统功能更加完善，在之前的基础上又补充了图像／视频传输、宽带双向IP 数据传输的功能，支持多媒体双向数据传输、融合语音、视频、双向IP 数据，有线网络延伸到无线网络，网络建设和维护更加方便[3]。

1.2 无线宽带集群调度的优势

无线宽带集群调度系统具有专业集群通信性能、高吞吐量、高可靠性和实时性数据传输性能，可以用于行业用户语音调度指挥、数据实时交互、协同作业等多种业务[4]。目前已经广泛应用在反恐、防爆、突发事件、事故灾难等紧急突发情况，应急调度指挥效果显著。为了应对露天矿山可能出现的紧急灾难，如露天矿边坡滑坡、地质灾害，应用无线宽带集群调度系统及时应对和处理灾难情况，能够有效减少和避免灾难造成的人身伤亡和经济损失。

胜利西三露天矿建设的无线宽带集群调度系统是露天煤矿生产调度主要的语音通信系统和通讯系统，由基站模块、调度模块、大屏手机终端及线缆模块4 部分组成，基于成熟的TD－LTE 先进技术平台，解决了窄带集群系统只具备单一语音通信调度的弊端，实现了语音、图像、视频等多形式的多媒体调度。能够承载可视化指挥、无线视频监控，提供宽带无线通信的通道，满足融合多个信息化系统数据传输的要求。

无线宽带集群调度系统按照逻辑主要分为应用层、网络层、终端层。①应用层：负责生产监控、运行管理、协同调度等，配备大带宽传输管道，以实现稳定可靠的数据传输；②网络层：达到矿山生活区、作业区、办公区全覆盖、无盲区，满足所有信息化子系统基础数据包、语音数据包、视频数据包等各种数据的快速稳定传输的需求，保障各信息化系统数据传输的实时性、可靠性、安全性；③终端层：实现终端语音、视频、定位，车辆卡调、定位等数据信息的采集和无线网络接入，包含大屏手机终端、车载终端、CPE和视频监控摄像头等设备。

1.3 TD－LTE 网络搭建

TD－LTE 网络拓扑如图1。TD－LTE 网络拓扑可分为无线接入部分和核心网部分。无线接入部分能够实现用户的远程无线接入，向用户提供基于IP方式的各种多媒体数据接入。核心网部分由边界路由器、DHCP 服务器、Billing 服务器、EMS 服务器和磁盘阵列组成。

图1 TD－LTE 网络拓扑

无线一体化基站中集成了基站和基站控制器功能，支持用户切换和位置管理功能，大大降低了对接入侧核心网设备的依赖，支持独立组网应用，整个网络结构更加简单，同时降低了整个系统的网络建设成本和维护成本[5]。基站系统模块由基站与基站塔2部分构成。为满足覆盖需求，同时确保网络硬件容量能够承载卡调系统、边坡监测系统、矿山车辆及人员定位等系统的接入和信号传输。经过现场勘查及仿真模拟，规划新建基站3 台，其中新建20 m 单管塔基站3 座、15 m 单管塔拉远RRU 1 座，站点分布在矿区周边。

1）基站。采用3 台基站4 个站址覆盖露天矿矿田（其中需要拉远1 个RRU），单小区上行吞吐量平均值不小于30 Mbps，下行吞吐量平均值不小于60 Mbps，实现露天矿矿坑内无线网络全覆盖，基站基本功能模块包括基带控制单元BBU 和射频拉远单元eRRU。基带控制单元BBU 安装在西三露天煤矿办公楼机房内，作为基站系统的管理单元，实现对整个系统的操作维护、指令自动处理、时钟校准，完成传输网络的信息交互。射频拉远单元eRRU 安装在矿区新建的基站塔上，主要用于基带数据的接收和发送，与基带控制单元进行通信，通信过程中对通信信号进行调制解调、功率放大、滤波处理。

2）基站塔。矿山共建4 座基站塔，其中20 m 高基站塔3 座，15 m 高基站塔1 座，均为单管塔，用于承载基站，塔体为钢卷管结构，钢材材质为Q235，塔身设1 层平台，设爬梯，带护栏，平台设计6 副天线抱杆。

2 信息化系统

2.1 安全生产信息管理系统

安全生产信息管理系统是露天矿智能化建设中的必备系统，是提升矿山生产管理人员管理水平的有效辅助手段。胜利西三露天矿安全生产信息管理系统包含终端模块、调度中心软件系统、通讯模块3部分。为了降低管理人员负担、节约成本，终端模块同步使用无线集群系统的大屏手机终端，承担事故隐患现场排查数据上传、事故隐患处理结果查询的任务。调度中心软件系统共开发了安全风险分级管控、事故隐患排查治理、安全生产标准化3 个模块，分PC 端和App 端（Android 版）2 套系统，其中PC 端系统部署在煤矿内网使用，App 端搭载在无线集群系统的大屏手机终端上使用；通讯模块采用无线集群系统的TD－LTE 网络，完成终端模块和调度中心的数据交互。

该系统根据矿方的相关安全规定实现了生产作业区和办公区内的危险源的识别和评估分级。规范了事故隐患排查治理工作流程，对隐患进行一般隐患和重大隐患分类管理，实现隐患排查治理的闭环管理，详细记录每个流程的处理时间和处理结果，形成隐患档案并按照管理人员要求进行统计分析。对于逾期未整改的隐患，系统提供消息提醒功能，实现隐患整改预警升级，督促管理人员及时干预完成隐患整改。帮助管理人员实现了对所有未处理隐患的全程管控和已处理完成的隐患的全方位梳理。

通过建立动态露天煤矿安全生产标准库，实现了对胜利西三矿安全生产标准化的网络化、信息化管理，企业安全生产标准化检查、评分、考核、评比、反馈、整改全部实现网络与现场动态管控，生产安全管理人员可以动态跟踪整改现场存在的安全隐患，按照标准化检查要求自动统计安全风险分级管控、事故隐患排查治理以及生产单位各专业的评分情况，实现了煤矿安全生产查漏补缺的目的。

2.2 卡车调度系统

胜利西三矿卡车调度系统由车载终端模块和调度中心模块组成，数据传输依托于无线集群调度系统的TD－LTE 网络[6]。车载终端模块作为卡车调度系统的前端设备，主要用于采集车辆的位置信息、车辆状态信息、司机登录信息、请求指令等并发送给调度中心，同时接收调度中心下发的调度指令并进行语音播报和文字消息提示。调度中心模块主要用于车辆运行情况的监控、基础数据的解析、统计和存储，并将统计数据信息通过图表、图形等形式进行展示。

胜利西三矿卡车调度系统实现了矿山基础信息智能管理，基础信息涵盖设备档案、司机档案、内外障档案、物料档案、设备子类及型号档案等。运用GIS 技术，结合矿区采剥工程位置平面图、地形图、工业布置图等信息，建立矿山二维地理信息图，形成矿山道路网。通过车载终端模块的采集信息实现了车辆运行位置跟踪及状态自动识别，同时根据生产管理者制定的生产计划完成优化调度，为作业车辆提供最优指令分配，班后根据作业车辆运行轨迹和历史调度指令自动完成产量统计，大大提高生产效率，避免人工统计作业量存在误差。以司机点报、调度人员补录等多种形式完善现场车辆故障信息管理，实现了车辆设备监控和维修人员考核功能。运用先进的BI 报表技术，基于系统内的采集数据，结合矿山管理者的实际需求，进行数据分类分析与统计，生成各类统计报表。

胜利西三矿卡车调度系统在传统卡调系统基础上，扩展开发了防碰撞预警系统功能和防疲劳驾驶功能。基于GPRS 和UWB 技术实现运行车辆位置定位、行进方向预测，达到碰撞预警值时对驾驶员进行语音播报提示。防疲劳驾驶功能通过采集驾驶员的脸部特征和手臂标志动作，实现了闭眼、打哈欠、抽烟、打电话、未系安全带等影响驾驶安全的行为检测，在给司机同步报警提醒的同时进行行为抓拍，完善司机管理体系。

2.3 矿山人员定位系统

胜利西三露天矿人员定位系统作为人员安全管理的必备系统，主要应用于矿山办公区管理人员，配合卡车调度系统，实现对办公区人员和现场作业人员的全覆盖集中管理。

人员定位系统由调度中心软件模块和数据采集模块构成，数据传输依托无线集群系统的TD－LTE网络。数据采集模块采用的是矿山专用人员定位识别卡，具备抗震防爆的优良性能和紧急求救的功能，完成人员定位信息的采集和紧急求救指令发送。调度中心软件利用卡车调度系统生成的矿山二维地理信息图，实时显示人员定位卡的实时位置，进行位置追踪；可自由设置电子围栏，进行重点区域人员管理并进行人员考勤；人员行走轨迹提供回放功能，能够进行图形显示和报表输出。人员考勤情况、重点区域人员滞留根据矿方管理人员需求，进行分类统计并以报表形式输出；为了及时应对露天矿紧急灾难，开发了紧急避险功能，在发生危险的第一时间，完成人员的合理避险路线分配。

人员定位系统基于卫星定位系统和GIS 地理信息系统，实现了人员实时定位监控和员工自动考勤，提高了安全管理效率，达到了高质量、高效率、低成本、高可靠性地实现人员综合管理的目的。

3 智能综合调度平台

为了解决胜利西三矿新建信息化子系统和原有子系统之间相互独立，容易出现“数据孤岛”，无法达到各系统统一管理、数据集中展现的智能化需求的现状，建设了智能综合调度平台[7]。将边坡监测预警系统、视频监控系统、无线集群调度系统、卡车调度系统、安全生产信息管理系统、人员定位系统进行数据整合，实现“一张图”数据可视化管理。

智能综合调度平台包括企业介绍、GIS 一张图、场景模式、主要建筑4 大模块。①企业介绍模块展示企业基本情况，包含企业情况、煤矿产能、采区划分、平面布置等；②主展示区（GIS 一张图）是基于数字孪生平台打造的三维系统，将人员、车辆、视频监控、边坡监测点等上图管理，显示胜利西三矿实时生产指标完成情况，环境参数等信息；③场景模式模块为了满足使用人员的不同使用习惯，开发了3 种场景可供选择；④主要建筑模块围绕办公区、水处理站进行建模，展示每个建筑内的主要设备的基础参数和运行状态信息，实现远程管理。

智能综合调度平台利用大数据分析完成了调度信息的综合显示、产量精确计算与绩效考核、环境与设备异常报警与处置、预警信息提示和发布、调度台账与报表生成、监测监控实时数据统计等功能，实现了露天矿建设过程中统筹管理、集中展示、远程管控的目标[8]。

4 结语

应用无线宽带集群调度系统建设露天煤矿智能化完全满足各信息化子系统数据传输的要求，网络建设相对简单、维护方便。建设前期，统筹考虑整个智能化建设进程，实现了多系统共用网络、集群调度系统和安全生产信息系统共用终端，避免管理人员手持多个终端的情况出现，起到了节约建设成本、精简快速办公的效果。

基于无线宽带集群调度的胜利西三露天煤矿智能化矿山建设涵盖生产运营管控、安全管理管控、经营决策管控3 部分。智能综合调度平台的建成完成了各大信息化子系统的数据融合、集中展示、数据统计，实现了矿山“人、机、环”数据智能化精准采集、网络化传输、规范化集成，实现了整个矿区业务的可视化、移动化、实时化，提高了胜利西三号露天煤矿的安全生产管理水平。