矿业集团生产运营管控系统研发及应用

王德民

(中国黄金集团有限公司)

引 言

矿产资源是经济社会发展的重要物质基础。矿产资源的分布无论品种、数量还是质量都是极不均衡的，矿业生产与经营逐渐呈现出区域化乃至全球化的趋势。矿业集团是矿业全球化的重要产物，包括矿产资源跨国勘探开发、矿产品跨国加工销售、矿业资金跨国流动、矿业信息跨国共享、大型矿产勘查和开发项目多国投资联合实施等。企业的快速发展、管理模式的转变、多元化的产业、跨地域管控等诸多特征使得集团的生产运营管控面临新形势，这些变化对管理的精细化程度提出了更高要求，同时也加大了集团层面对于生产与运营管理的难度[1-3]。云平台是随着计算、存储及通信技术快速发展而出现的一种崭新的共享基础资源的商业计算模型[4-6]。云平台可以提供安全、可靠、可扩展、高效的数据采集、存储与处理服务。利用云平台技术，形成覆盖全国、统筹利用、统一接入的数据共享大平台，成为矿业集团信息化管理的新型应用模式[7]。

矿业集团生产运营管控云平台在集团总部建立集中的云管控服务中心，为集团总部和遍布各地的子公司提供全方位云计算服务。它在向IT管理人员提供统一运维工具,运维流程,业务支撑集约化程度高、自动化水平高的运维管理系统的同时，整合集团资源和业务内容，向集团各级部门提供统一、自动化部署、弹性扩展的应用组件服务，以实现对基础设施资源和应用系统服务的有机整合和对集团现有业务、流程的管理逻辑整合[8-9]。

矿业集团建立生产运营分析与决策云数据库，收录全集团矿山企业的矿产资源数据及运营数据，通过云计算可掌握企业前后20年的发展形势及未来趋势。同时，该平台通过互联网技术收集全球各国和地区的矿产资源及相关数据，结合国家社会发展状况、政治经济环境、自然资源分布等数据资料，开展全球资源格局分析，确定重点国家矿产资源需求及发展趋势，为集团重点开展相关国家矿产规划提供分析平台及决策依据[10]，并形成覆盖全行业全产业链的大数据平台。该平台除了满足集团内部成员企业生产运营、规划分析的需求外，还可为合作伙伴及行业企业提供相关分析服务，满足行业需求，同时为国家矿产资源战略提供智库支持[11]。

1 矿业集团生产运营管控系统

1.1 生产运营管理现状

矿业集团生产运营管理通常采用集团管控模式，虽然提高了集约化经营与企业协同程度，但同时也加大了集团层面对于生产与运营管理的难度。同时，矿业集团所属行业具有特殊性，其下属企业多为矿山类企业，管控内容主要为地质资源转化为矿产品的过程，具有极大的管理多样性和地质资源不确定性，对生产运营管控提出了更高的要求。突出体现在以下几点：

1)多层次组织结构。生产运营信息需要多级分层次汇总。

2)跨地域、多元化经营。产生了多元化分析、多路径查询、多维度集成，以及个性化数据汇总与分析的需求等问题。

3)管控体系庞大。管控范围大，既涉及企业通用业务，又涉及矿山管理专项业务，包括地质、生产、运营、财务、成本、能源等。

4)矿山企业生产过程的复杂性、个性化特征。矿山企业的指标体系与其开采方式、矿产品类型、生产流程等密切相关，在确定指标和算法时，既要提炼矿山企业生产运营过程中的共性指标，又要考虑不同矿山企业生产的特殊性。

5)主营业务地域偏远，信息通畅性差。这导致了数据获取与传输的稳定性与及时性难以保证。

1.2 存在问题

矿业集团生产运营管控涉及广泛且密集的信息交互问题，传统运营平台主要采用分主题建设模式，具有一定的局限性，具体表现为：

1)硬件资源的负载问题。矿业集团管理层级复杂、管控集中程度参差不齐、成员企业生产类型与产品类型个性突出，矿山企业的管理服务各异，为此开发的专业软件需要特定的硬件环境和数据服务，随之而来的就是各类信息化设备的大量部署。因此，难免缺少对IT资源统一规划，各设备之间不能充分共享资源。随着业务数据处理量不断增大，以致服务器扩容达极限，服务器空间利用缺乏随机分配机制，已达到企业的负载平衡。

2)软件资源与数据资源的共享与集成应用问题。矿山企业的管理服务各异，各下属企业所开发的各类专业软件使用范围仅限于本单位，其他相关单位往往无法使用，限制了新技术的推广与应用，降低了软件资源的有效利用率，并且限制了集团内部的横向信息交流。

3)应用系统重复建设、主数据重复定义等现象相对普遍。集团各下属矿山企业由于地域跨度较大，因此不同地域的公司为软件使用所建设的硬件环境和数据服务出现重复建设现象。而且不同矿山习惯根据各自特点引进不同种类的软硬件资源，多样化的系统环境增加了集团统一部署维护压力，造成资源的严重浪费。加上前期信息化建设了大量的数据库，装配了众多功能强大的服务器，开发了众多的应用系统，各个系统形成“孤岛效应”，造成人力、物力、财力的浪费，尤其是一些系统中共用的基础参数与主数据的重复定义，这是生产运营管控系统应着力避免的问题。

4)新型业务领域信息化建设的持续引入。基于移动终端的业务管理需求及设备终端功能补充逐渐成为矿业集团需要关注的问题。只有借助云平台技术，这些新兴业务领域的信息化建设才能灵活搭建或扩展。

5)信息系统的业务响应能力。业务响应能力是指一个企业应对外界或业务改变所能及时做出判断与调整的能力。矿业集团业务流程冗长繁杂，企业缺乏灵活的IT响应使得敏捷性较差。最下游矿山生产企业的信息需经过冗长的过滤才能到达矿业集团。这对于分析国际矿业形势、企业生产经营策略等不利。矿业集团复杂的组织层级结构更使得与矿石生产业务密切接触的员工无法将最实时的作业情况反馈给集团总部，使其能做出最快的反应。

通过云服务平台和云计算技术，形成可动态扩展的资源池，再由网络把软件、平台开发、存储及计算能力等服务提供给生产运营管控系统的分布式用户，以实现众多应用的集中部署。由于多应用系统共享资源，可以实现资源利用的最大化，采用虚拟化、云存储等关键技术可以有效地提高设备利用率，降低总体信息化建设投入成本。同时，统一存储数据，集中部署，为智能化深度挖掘所有成员单位，尤其是运营指标复杂的矿山企业数据资源，提供更加实时有效的决策支持奠定平台基础。

2 生产运营管控云平台设计

构建生产运营管控云平台对于矿业集团具有重要意义[12]，具体表现为：①服务全球化战略。在“一带一路”、中国制造2025等大背景下，辅助企业完成覆盖全球范围、辐射多类产业的部署与发展格局。②服务集团需求。为下属企业提供全环节运营生产一体化服务，实现集团一体化精益管控及服务模式转型。③产业转型升级。完成云计算和大数据对企业信息化的充分支撑，把产业链上的伙伴转化为价值共同体，以数字化、智能化技术，改造升级传统矿山行业。

2.1 架构设计

矿业集团生产运营管控云平台主要的设计目标和原则体现在实用性、可扩展性、资源的节约性、数据的兼容性及安全性等方面。为构建集团层面的生产运营智能化管控与分析决策平台、实现跨平台的资源共享，设计并规划了基于集团私有云平台的系统架构，如图1所示。

图1 云平台层级架构图

虚拟化资源层主要包括计算资源、存储资源、网络资源等必备的硬件基础设施，由一定数量的计算机与网络组成。虚拟资源池，采用虚拟技术，将计算机虚拟化为众多的虚拟机，实现计算资源、存储资源及其他资源的抽象和虚拟化，依据源数据的结构和特点，实现数据的索引、共享等功能。

云计算平台层是底层物理设备与上层软件应用的桥梁，通过在虚拟集群中部署Hadoop云计算平台，使用HDFS文件系统进行文件的管理，使用MapReduce模型处理系统业务相关数据，并在多个Data Node中对数据块进行冗余备份和存储管理。利用云平台进行数据挖掘，充分挖掘集团及下属矿山企业生产运营信息海量数据的价值，构建人工智能算法库，对大型数据集进行处理与管理。

服务访问层为各类应用软件提供开发接口，方便各相关管理层级及下属企业访问，为整个集团系统的生产运营、监管、分析与决策提供有效保障。

基于该云平台架构，矿业集团各下属企业和运营管理层级用户共用一个云平台，通过同一平台服务访问应用，实现实时的管理和信息部署，形成了基于广域网、跨平台和共享的平台架构，从而克服传统基于局域网、特定操作系统、无法共享等问题。在私有云平台中，各矿山企业是独立的个体，互不干涉，实现各矿山企业内部事务管理。借助私有云平台可共享各矿山企业公有信息，共享云平台的计算和存储资源，但各矿山企业间私有信息不共享，实现了资源的有效利用。

2.2 管控业务设计

面向云平台的生产运营管控业务包括分布式数据采集，多维数据处理与稽核，以及面向商务智能的数据分析与决策支持体系，其整体业务逻辑如图2所示。

图2 面向云平台的生产运营管控业务逻辑

2.3 分布式数据采集

矿业集团面向下属矿山企业所采集的数据源包括地理信息系统(GIS)、固定设备(提升机、破碎站等)运转数据、移动设备(卡车、铲运机等)运转数据、传感器(视频系统、安全监测系统等)数据、人工数据(手工填报至管理信息系统)等。面向复杂多样的数据来源，以企业数据集成总线为基础，采用分布式数据采集方式，以集团私有专用网和因特网相结合的网络环境，将下属矿山企业生产运营大数据汇总至集团生产运营云平台存储。

此外，矿业集团各下属企业主营业务繁杂、信息化程度不一，对集团的数据采集造成极大困难。针对不同的企业类型与现状，设计4种数据采集模式，其应用场景如图3所示。

图3 分布式数据采集方式及其应用场景

1)实时采集。实时采集是一种云平台主动式数据采集模式，主要针对信息化程度高、网络环境好的下属企业。生产运营管控云平台直接接入下属企业各信息系统调用数据，具有时效性强、信息反馈效率高等优点。

2)定时采集。定时采集是一种云平台主动式数据采集模式，主要针对信息化程度高，但无法保证网络畅通的企业，是实时采集的一种补充。下属企业各信息系统在网络不畅的情况下将数据存入本地数据库，由生产运营管控云平台定时读取并存储至云端。

3)人工填报。人工填报是一种被动式数据采集模式，主要针对信息化程度差、网络环境好的下属企业。生产运营管控云平台提供可视化填报界面，企业负责人定时统计各类数据并填报至系统，由云平台负责进一步的数据处理。

4)文件导入。文件导入是人工填报模式的一种补充，针对信息化程度差的企业，在网络不畅的情况下，将数据文件通过存储介质或移动网络等方式上报至云平台管理员，由管理员负责将数据文件导入云平台。

2.4 多维数据存储与稽核

传统的数据存储分散存储于各业务系统本地数据库内，面对跨业务的数据交互与数据稽核，难以构建快速有效的数据模型。面向云平台的数据管理将数据处理与存储统一部署至云端，打破业务边界与系统边界，构建面向生产运营管理主题的数据仓库，有效提高信息流转效率与数据准确性。

ETL建立主题仓库与源数据的映射关系，根据不同的数据源类型，运用不同的抽取构件将数据抽取并存入主题仓库。源数据首先经过数据清洗和数据加载，检查数据有效性，过滤错误数据。随后将数据抽取至云计算内存，配合数据字典、元数据和算法库，将原始数据转化为各业务主题数据，以主题库的形式存储于云平台中，如图4所示。

图4 面向云平台的ETL数据处理流程

矿业集团生产运营活动涵盖地质勘探、开采冶炼、运输，以及产品的生产与销售。生产运营信息主要包括地质资源信息、矿山产品信息、运营收入信息、物资设备信息、安全环保信息等。根据集团的分析与决策需求及矿山生产活动实际，划分企业生产运营智能化分析主题域，如图5所示。

图5 生产运营信息主题域设计

2.5 分析与决策

矿业集团传统的数据分析流程为：各业务系统管理员导出业务数据至Excel报表，通过OA或电子邮件等方式提交给业务主管部门，最终汇总至数据分析部门，由专业的数据分析师进行分析，形成分析报告与建议书，上报至集团决策层，为企业决策提供支持。这一流程具有极大的局限性，首先，数据流转过程复杂且多次落地，极易造成数据分析周期长和数据不准确；其次，受数据分析师个体影响大，由于数据分析师人员岗位变动造成决策支持不准确；最后，由于矿山生产管理的复杂性，要求数据分析师既要有扎实的数据分析能力，又要熟悉矿山生产运营管理。

商务智能技术使用可视化的ETL流程、联机分析处理 (OLAP)技术、并行计算的先进数据处理模式，并根据业务数据包捕获分析主题，对数据进行下钻、上卷、切片、切块和旋转，构建相应的数据立方体，大大加快了数据处理与分析的速度，而且易用性与灵活性更强，更加贴近现代矿业集团的经营需求。同时，云平台强大的计算能力使得商务智能技术可以高效便捷地实现。在云平台强大的数据挖掘引擎加持下，数据仓库内的主题数据经处理形成了对生产具有指导价值的信息，通过Web、手机等方式展示于生产运营智能化分析门户。传统数据分析与面向商务智能分析对比如表1所示。

表1 传统数据分析与面向商务智能分析对比

面向商务智能的分析与决策支持主要包括如下模式：

1)常规分析。产品产量、采矿量、掘进量、成本费用、计划完成率等分析。

2)相关分析及要素分析。对生产运营不佳的单位进行状态警示和重点关注。

3)大数据分析。采用综合统计分析法完成企业经营排序,采用系统评价法完成生产运营动态分析,采用孤立点法进行生产运营的异常状态分析与预警，采用聚类分析、数据挖掘与系统预测模型进行生产运营的预测与决策支持等，并用多元化元素集成的统计图表进行结果展示，更加生动、鲜明。

3 云平台应用及效果

中国某大型矿业集团旗下拥有全资或合资黄金矿山、有色矿山及铁矿山，其产品种类多样，管理模式多变，管理层级复杂。该矿业集团在总部搭建了数据中心及与主力矿山通讯的专用网络，在此基础上构建了生产运营管控云平台，如图6～8所示。该平台实现了数据报表云端化、数据挖掘与分析、综合信息看板和移动端生产信息实时分析。

图6 数据挖掘与分析

图7 综合信息看板

图8 移动端生产信息实时分析

矿业集团传统管理模式为下属企业自建软硬件平台，数据层层上报，管理指令层层下达。这是一种分散的建设模式，各下属企业根据自身情况独立建设，出现重复投资、技术薄弱、人员缺失及建设周期长、标准规范不统一、数据跨域对接困难等问题。与传统模式相比，生产运营管控云平台管理效果具有极大的提升，主要体现在以下3个方面：

1)标准规范统一。集团层面统一规划设计，集中建设，可以保证平台架构、业务系统、数据接口等标准规范的统一，有效避免平台建设标准规范偏差。

2)数据互通与业务协同。生产运营管控云平台将生产运营业务统一部署至云平台，实现业务系统和政务信息资源的扁平化管理，在统一云平台上实现互联互通、业务协同、信息共享，避免出现传统建设模式下各级平台互联互通的困难和障碍。

3)建设与运营成本低。生产运营管控云平台可以充分发挥云平台的成本优势和统一运行管理的优势，避免各下属企业分散建设导致的重复投资和资源浪费，降低平台建设成本、人力成本及平台运行管理维护成本。

生产运营管控云平台满足了矿业集团对于生产运营信息分散化、细节化采集的需求，所形成的系统集分布式数据采集、多维数据存储与稽核、面向商务智能的分析与决策为一体，大幅增加了数据跨区域管理的效率，保证了生产运营业务处理的精确与及时，极大提升了生产运营管控的有效性和精准性，降低了管理成本。同时，将生产运营管控由传统的固定时间、固定地点、固定报表、固定场景升级转变为大数据集成与移动端定制相结合，敏捷、智能、高效的业务模式。

4 结 语

矿业集团生产运营管控云平台的构建，实现了集团生产运营信息内部共享，通过集团私有云平台，将原来零散、孤立的生产运营信息进行科学整合，实现在授权范围内的多路径、多组合、交互式生产运营信息实时查询分析。突破传统生产管理受地域、时间等条件的限制，极大提高信息流通效率，为集团管理人员迅速发现企业生产运营问题、及时调控战略规划、快速调整生产布局提供决策支持。