数字化智慧矿山系统的实施分析

刘 江

（国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司西湾露天煤矿，陕西 榆林 719302）

我国矿产资源丰富，随着社会发展对于矿产资源的需求不断增加，在很大程度上，也促进了矿山开采行业的快速发展，近年来，科技快速发展的同时，被逐渐应用于矿山生产工作中，其中矿山智能化建设取得了卓越的成果。根据建设目标可将其划分为；协同信息系统：主要用于企业项目管理以及日常办公流转；作业监管系统：主要用于生产调控以及运维管理；智能化装备辅助系统：可以实时获取装备的实际运行工作参数，并对其运行状态进行远程监控；三维视觉系统：主要具备动态仿真技术及应用；风险管理系统：主要进行数据实时采集，同时对生产环境进行实时分析。矿山智能化发展的同时，对于系统信息化整体需求也在不断提升，系统平台逐渐实现了多样化应用，同时也要求信息系统和功能流程、数据之间的实时连通。传统矿山系统建设更多的注重单一目标建设，从而导致系统框架布局不能有效拓展，信息流程变更也不灵活，无法实现数据读取和调用，这样会阻碍系统之间的有效协作和信息调用。

1 DIMS体系架构建设

智慧矿山信息化系统要满足能够快速获取业务流程以及相关数据，实现数据挖掘，文章结合当前矿山信息化发展现状和方向，通过当前信息化系统，构建数据存储、深度挖掘以及智能化管控等多功能于一体的数字化智慧矿山系统，并且可持续扩展、多源接入，以大数据、人工智能等现代化信息技术为基础，通过当前信息系统和数据资源，逐步实现智能化模块调用和结构优化仿真，并在协同管理以及产能价值提升等场景中充分发挥其作用，从而实现绿色生产以及精益制造，构建数字化、高效化智慧矿山平台体系。

1.1 建设目标

为了真正利用现有数据资源和系统，DIMS建设目标包括：开源式接入，为了提升信息化系统数据访问过程中的便捷性以及有效性，系统需提供应当增加功能种类的可接入式开放体系，用户可以根据实际需求，调用内部资源，也可以进行流程充足，通过个性化搭建资源，获取相关功能[1]。多样化访问：系统可自动识别用户身份，根据系统权限使用域内资源，保障用户不会受到接入方式、设备差异等影响，从而导致出现数据读取和信息格式等诸多问题，影响用户交互式体验。异构类资源统一：采用索引技术以及建设数据源仓库，可对异构资源进行统一化调用，对设备监管、生产制造以及安全作业等功能进行创新和实践应用。域内资源转化标准化：查询信息以及标准化接收和回传、对查询内容实时翻译，形成信息单元，这些都是标准化工作的组成部分，DIMS会将查询结果进行转化，形成标准化以及可读取的信息数据，从而为用户实时多元化访问提供基础技术支撑[2-3]。

1.2 核心功能构架

DIMS是以构建绿色生产以及高效协同为目标功能的，在生产安全监督的基础上，对精细化作业进行实时管控，并结合决策分析结果，进行合理规划生产。流程数据复杂状态下，通过对系统当中最小存储单元进行识别和编码，并进行标准化数据采集，从而达到远程调配以及数据信息整合的目的，结合矿山地理环境条件实时变更以及生产需要，及时调配适用流程。异构类资源整合以及跨平台服务调用也是DIMS主要构件目标，为了实现更广范围的行业级数字化平台，应当对系统建设异构和设备接口非标等问题及时予以解决，并根据核心功能完成以下目标：首先是资源描述统一，异构资源当中，会有元素定义差异的情况，为了实现资源数据全面整合、实时读取信息，高效服务传递等功能，采用数据映射技术，从而减少复性数据定义以及差异化解释。虚拟进程协同服务，对异构类资源封装，结合网络服务描述语言阐述虚拟化资源，并逐渐形成网络数据，采用调用参数进行统一化标准，并将其置于平台索引之中，通过可拓展语言文档传递数据，避免用户应介质差异导致读取格式存在问题，并缩短检索调用时间，提高协同工作效率。流程定义，DIMS采用引擎模块，对用户服务进行部署，并设立服务中心，能够实时调取所需资源，同时快速获取虚拟化资源，加强流程整合，从而尽可能的满足用户的不同实际需求。

图1 DIMS核心功能示意图

2 DIMS技术

2.1 关键技术

DIMS从应用角度出发，主要包括装备设施、数字平台、智慧应用等三个不同层次，其中，装备设施主要包括数据传感器，对矿用装备实时运行数据及时监控，检测控制器、人员定位、视频监控等多个方面，这些属于基础数据模块，能够实时获取传感数据，也为系统实时提供数据信息，及时了解矿山的生产运行状况，保障生产环节的安全性与稳定性。随着5G技术、光纤网络以及WIFI技术的应用，保障了数据获取、服务传递以及信息传输模块的实时性。数字平台集合用于过滤与存储服务调用相关的系统，也对核心技术有效整合，结合卷积神经网络、网络算法，从而对域内资源及时定位以及协同重组。智慧平台应用包含了在DIMS下生成的智能运输、营销以及调度等多种应用场景，且可不断扩展[4-5]。

2.2 异构系统工作流程

DIMS域内信息数据交换流程如下图2所示，DIMS资源主要包括有使用权限，并且在域内已经进行统一注册的资源，其在服务器目录当中，资源注册以及封装过程中，会将相关配套数据参数进行说明。用户可根据自己的实际需求，实时调用域内资源，了解内部运转状况，介入域内网络的用户可根据自身权限随时访问资源池，用户的请求可转化成符合规范标准的服务请求数字包，并及时反馈给DIMS资源池。域内获取信息时，会发送执行请求数据，资源池可调用域内各组件，并及时查找到相关西苑，如输送机运行故障回溯等，在提交服务请求后，域内引擎组建会逐渐优化功能，并生成资源模块信息流程，从而进一步提升域内资源的交互性及可用性，尽可能的满足用户对于资源的获取需求。

图2 DIMS内信息数据交换流程示意图

3 DIMS的多元化场景应用

3.1 构建系统平台与辅助决策

利用当前现有信息平台和矿用装备，并结合露天煤矿智能运行数据采集系统共同构建DIMS，并与矿区装备生产调度数据、传感器、采集视频信号、数字监控、数字生产、项目管理平台等多方面资源进行连接，并集中化在DIMS平台上显示，进而对矿区内相关生产装备进行集中化管理，对生产营销数据进行综合分析，对装备研发参数进行优化，可实现多场景应用。DIMS基于现有网络系统，可快速检测不同渠道数据来源，并逐渐形成集合了深度挖掘和分析的绿色安全、实时联控的数字化矿山信息系统，同时接入专家辅助诊断模型，可对矿内的采掘生产进行实时监控，一旦发生故障可及时预警[6-7]。系统通过当前现有的系统进一步开发，对有关数据资源进行全面整合，这样也能够有效降低智能化建设与发展过程中的资金成本投入，通过集成化管理和调用逐步实现以大数据为基础的云计算模块以及数字化矿山布局结构。

3.2 智能化调用与结构优化仿真

智能化调用与结构优化仿真服务功能在实际应用中，该项服务主要被是装备研发工作人员通过DIMS及时获取现场现场数据，并使用调用软件和服务器资源，对装备结构相关参数进行优化，多系统与数据之间的有效融合，进一步提高矿用装备的整体研发水平，逐步实现从仿真到实践的一体化制造模式。设计工作人员在矿内一旦发现问题，可使用系统及时采集现场实际工况数据信息，并调用仿真软件分析转运站对运输带冲击力及磨损程度，从而有效减少仿真时间，验证设计构想，也为智能化数据的实时共享以及深度学习提供平台，进而加速了智能化工作的整体效果，也实现了应用端到研发端的对接，促进业务流程与数据交互，提升矿用设备的整体安全性及智能生产水平，也为矿山的长期高负荷工作提供基础技术支撑，保障矿山安全稳定的运行。DIMS也可以结合复杂的参数对矿区进行三维场景重建，构建虚拟场景环境下的矿用装备交互式感官体验[8-9]。

3.3 智能化协同管理与产能价值提升

矿山环境当中，因实际工作环境比较差，作业装备长时间连续性运转的时间比较长，一旦在运行过程中出现中断情况，将会对整个生产进度产生严重的影响，严重时甚至会导致发生事故。数据显示，装备维护以及备件采购等环节占据矿山生产总采购的5%左右，同时在这些方面花费的沟通时间已经超过了67%。DIMS平台可以结合用户的实际需求，并建立个性化导向服务，从而及时响应目标，实现精准维修，形成配套的智能服务管理闭环，也能够从源头上入手，减少异常停机频率以及投入运维费用，极大延长矿用装备的整体服务时间，极大提升备件的管理效率[10-11]。DIMS也可以针对矿区内装备的实际运行信息，及时判断整机与相关部件的实际工作耗损程度，针对备件的更换周期和信息，及时发送提示信息，已经介入的产品以及服务，应当根据产品的价格以及好评度、响应时间等方面因素进行排列，分优先级，并及时为用户推送相关信息，在用户确认之后，系统将会自动保存确定的供应商优先级，推送不同节点企业关系，从而满足个性化订单需求，提升企业之间的协同效率和质量，减少生产供给刚需储备在资金消耗中的占比，促进基于矿用产业链的智能化矿企协同可持续发展。

3.4 智慧矿山操作系统平台多元化功能的应用

智慧矿山系统可通过内置工具，可面向企业、煤业以及矿端进行三级管理，并提供多功能服务，数据综合服务：通过数据以及后端服务平台，可在生产时实施监测数据，并对采集的数据进行存储、统计以及推送，具备一系列综合服务，也为大数据融合联动与分析提供了有利条件。时空位置服务：通过RED-GIS（智能矿山动态北斗系统）服务平台，构建统一化的数据标准，并且基于空间地理位置，以分层管理形式为主，打造数字矿山综合数据库，也为智慧矿山的实践应用提供全方位的时空位置服务。可视化展示：基于REDGIS服务平台以及组态化平台，构建二维、三维一体化，可提供自定义可视化组建等诸多展示工具。协同设计：GIM时空图平台具备协同设计等功能，可实现测量、地质、采掘、生产等各部门之间的数据实时共享，提高协同设计工作效率。业务自动化：充分利用协同设计平台、后端服务平台以及大数据分析等，对业务流程进行自动化管理，也为实现矿山采掘、运输、通风、排水以及供电等各个生产环节实施智能化决策与自动化运行提供基础保障。大数据分析：大数据服务平台可对矿山业务进行智慧化服务与管理，对设备故障以及可能存在的安全隐患实时预警、应急处置，为实时高效安全的智慧矿山运营和发展奠定基础[12-13]。

3.5 智慧矿山信息管理云平台架构及功能

3.5.1 平台架构

智慧矿山平台主要包括了地理信息系统与数字化平台，并且由数据采集、网络层、数据库、数据挖掘层、决策指挥以及WEB操作层等部分共同组成，从而实现了信息数据的实时共享，各项业务之间的无缝衔接，可简单进行描述：

（1）感知层

感知层是由大量感知真实环境、设备运行状况以及人员等传感器共同组成的传感网络层，其能够实时监测矿山的核心系统，并进行分析。如温度、湿度、风压、电压等，还可以监测甲烷、二氧化碳、钻孔应力等，当出现异常情况时，传感器可自动报警[14-15]。

（2）通信层

通信层可以将各类信息通过网络传输到应用服务层，主要包括互联网、通信网等，形成覆盖整个矿区的通信网络，其能够感知数据经网络传输问题[16-17]。

（3）平台层

平台层是基于云计算平台的矿山数据中心，可对智慧矿山数据资源进行科学划分，构建生产一体化监控平台。

（4）数据采集与传输：该部分主要是通过采集设备、线路、交换机等设备建立和完善网络设施。

（5）信息展现：该部分主要包含了大屏幕、电视墙、投影、图形处理等多个部分、同时也包括了3G智能终端等基础设施、查询、门户网站等建立及应用。

（6）数据库：数据库可划分为实时、静态以及多媒体等不同类型数据库，同时进行分布式管理，静态数据库当中可以存储一般数据与静态文档，实时数据库可对各类数据进行实时监测，多媒体数据库当中包括了通讯系统与各种音视频片段。

（7）核心应用层：主要涵盖了矿山数字化平台、生产技术监管系统、安全管理系统以及生产信息查询监管系统。

（8）数据挖掘层：该部分主要涵盖了质量监督、安全检查、查询结果输入输出等方面，其主要被应用到信息数据挖掘以及分类等工作中。

（9）决策指挥层：其主要涵盖了方案的制定及优化、效益分析、工程进度的合理把控、生产安全监控与指挥调度等。

3.5.2 平台功能

（1）矿用自卸车无人驾驶运输系统

矿用自卸车无人驾驶运输系统应用于露天煤矿生产中，能够大幅提升智能化水平和运输效率，降低运输事故发生率。矿山气候环境与道路比较复杂，无人化需求迫切，该系统能够提高矿山企业生产智能化水平，促进安全生产，实现高效生产，同时有利于推动智能联网自动驾驶技术的进一步发展，随着5G通信技术的快速发展，自动驾驶技术也将会应用于更多类型的露天矿山以及工程机械中，能够有效降低工作强度与工作量，提升工作效率与安全性[18-19]。

（2）智能辅助系统

智能辅助系统可对矿区内的通风、供电、排水、运输等进行智能化辅助管理，实现智慧运输、供电以及排水，智慧调度指挥系统以及通讯系统，实现无人值守以及自动化调节。

（3）智能安全监控系统

矿山安全系统主要包括了防水、防火等环节，智慧人员监控系统、通风系统以及灾害监控系统、应急救援系统等都发挥着重要的作用，可对实际工作情况实时监督与应急处理。智能安全监控系统通过各类传感器以及无线信号，对矿区的人、设备以及环境等实时全面感知，并实现预警防范、视频监控、应急通信以及人员实时定位等。露天煤矿数据监测系统通过传感器以及无线通信技术，可实时监测生产过程中可能遇到的压力、瓦斯、温度湿度以及水位等数据，调度中心可准确获取监测状况以及安全参数，根据调度要求进行远程设备控制，如有异常情况，可及时报警，并通过终端通信功能实现报警联动[20-21]。

（4）三维矿山地理信息系统

智慧矿山的建立必须要有完善的管理平台进行支撑，这样才能够最大程度上满足技术方面的需求，管理平台包括了多项功能，其中三维矿山地理信息系统主要是基于计算机技术，通过测量、摄影测量以及遥感技术等多项技术实时采集信息数据，并利用机械图像处理手段，同时结合矿山的特点以及资源状况，构建的信息系统，其具有强大的空间分析功能，同时也具备一般CAD软件的绘图与设计能力，也具备三维可视化功能，可用于矿山的日常设计、规划以及管理、环境监测等多个方面。

（5）生产技术管理系统

该系统将地理信息系统、矿井通风系统、输配电地理信息系统等各项资源进行全面整合，并实现共享，从而为矿山的生产、设计及管理等工作提供了统一的可视化信息系统，确保不同专业之间的有效联动。

（6）地测地理信息系统

地测系统作为矿山地理信息系统的基础，其为高效生产与开采提供了基础平台，可对地测相关数据及时录入和处理，构建三维可视化图形，生成地质报告分析。

（7）智能化矿井通防系统

设计一种智能、先进的可视化通防系统，可实现与地测、采掘、运输以及实时监测等多种系统联动运行，在设计或改造通风系统时，可制作通风系统图，科学选型与调节、自然分风，并进行设计与优化改造，可实现风机管理、故障诊断及实时处理，根据实际需求供风，同时也能够实时监测瓦斯状况，与其他系统无缝集成。

4 结束语

DIMS的构建主要是为用户提供多源接入的信息化、数字化平台，同时具备可不断扩充的功能，对用户身份进行识别，在访问系统权限范围之内，可以使用域内资源，通过数据映射技术，减少数据重复性以及差异化，从而保障异构类资源统一化，全面推进矿山智能平台以及智能服务的发展，实现数字化智能制造，拓展其应用进程。DIMS通过标准化传输格式，可实时抓取和读取数据信息，实现高效性传输，充分利用物联网技术获取装备生产运行状况、人员定位信息数据及时获取，调取资源，并通过网络服务描述语言（WSDL）快速抓取虚拟化资源，对流程整合，从而满足用户的实际个性化需求。通过现有资源构建DIMS，对矿井内装备生产情况及数据进行调度，采集信号以及传感器数据，获取数字监控信息数据，调用数字生产以及集成化管理平台数据，动态化调用相关资源，从而对矿区各项生产装备的集中化管理，对生产营销数据进行实时综合分析，优化装备制造参数，实现多场景应用。