張建平 柴洪靜

（太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西省太原市，030024）

數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)研究

張建平 柴洪靜

（太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西省太原市，030024）

根據(jù)數(shù)字化礦山的建設(shè)要求，對(duì)數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，以統(tǒng)一、集成、一體化為理念，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井各個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的高度集成和各監(jiān)測點(diǎn)的綜合顯示、統(tǒng)一管理、及時(shí)決策，為進(jìn)一步建設(shè)數(shù)字化礦山打下良好基礎(chǔ)。

數(shù)字化礦山 調(diào)度指揮 安全生產(chǎn) 綜合自動(dòng)化

數(shù)字化礦山是礦山的數(shù)字化、信息化，它綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、虛擬仿真、自動(dòng)控制以及自動(dòng)監(jiān)測等技術(shù)對(duì)礦山開采過程中各類信息資源進(jìn)行全面、高效、有序地管理和整合，它綜合考慮生產(chǎn)、管理、經(jīng)營、安全、效益、環(huán)境和資源等各類因素，實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)的整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，在保障煤炭企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提下，達(dá)到提高其整體效益、市場競爭力和適應(yīng)能力的目的。建設(shè)數(shù)字化礦山首先要實(shí)現(xiàn)礦山的綜合自動(dòng)化，其次是在綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)礦山進(jìn)行統(tǒng)一的管理、指揮、調(diào)度并做出決策，而這些功能的實(shí)現(xiàn)都離不開數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)的建立。本文根據(jù)礦山運(yùn)作的實(shí)際情況對(duì)數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)行了探討性的分析。

1 數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)建設(shè)的意義及需求分析

1.1 建設(shè)的意義

數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)采用信息科學(xué)及系統(tǒng)科學(xué)理論，以計(jì)算機(jī)、通訊、多媒體、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為手段，將各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)（包括安全、生產(chǎn)以及管理等）的全部信息進(jìn)行統(tǒng)一集成，為實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息、工業(yè)電視視頻圖像信息以及采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等生產(chǎn)信息和產(chǎn)、運(yùn)、銷等經(jīng)濟(jì)管理信息提供數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立子系統(tǒng)間信息的無縫集成，達(dá)到各系統(tǒng)軟硬件資源共享。該平臺(tái)可使相關(guān)管理人員及時(shí)全面地了解井上、井下安全生產(chǎn)運(yùn)作信息，能及時(shí)合理安排生產(chǎn)、調(diào)運(yùn)，保證煤礦安全、均衡、穩(wěn)定、連續(xù)地組織生產(chǎn)，是現(xiàn)代化礦井安全高效生產(chǎn)的重要支撐平臺(tái)。

1.2 需求分析

煤礦生產(chǎn)井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，要受到水、火、煤塵、瓦斯、圍巖等惡劣多變的自然條件威脅和傾角、褶皺、斷層、巖溶塌陷等地質(zhì)構(gòu)造的限制，不安全因素多，安全生產(chǎn)難度大。此外，煤礦生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，工序繁多，技術(shù)性強(qiáng)，規(guī)程要求嚴(yán)格。因此，要想安全生產(chǎn)，不僅要有采煤、掘進(jìn)、通風(fēng)、地測、機(jī)電、運(yùn)輸?shù)雀鳝h(huán)節(jié)和部門的密切配合，而且還要有洗選加工、物資供應(yīng)、后勤保障、煤炭運(yùn)銷等幾大環(huán)節(jié)和部門的充分保證才能順利進(jìn)行。目前，煤礦井上井下各系統(tǒng)之間多各自獨(dú)立，信息交換的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，集成化程度不高，信息資源共享程度差。在充分考慮到煤礦生產(chǎn)的多層次結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、千變?nèi)f化的自然條件以及應(yīng)用系統(tǒng)獨(dú)立性的前提下，及時(shí)掌握、管理、控制、調(diào)整與協(xié)調(diào)煤礦安全生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過程，最大限度地消除不安全因素，使煤礦始終保持安全、持續(xù)、穩(wěn)定地生產(chǎn)，就需要建立一個(gè)信息化的綜合平臺(tái)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行整體調(diào)度。

2 數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)要充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊、監(jiān)控及傳感器等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)整個(gè)煤礦生產(chǎn)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)控、協(xié)調(diào)與管理；要在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)倉庫這兩大平臺(tái)的基礎(chǔ)上將礦山安全、工況監(jiān)測、生產(chǎn)調(diào)度等方面的各個(gè)系統(tǒng)集成起來進(jìn)行集中操作、分布控制；要以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，在各系統(tǒng)之間建立統(tǒng)一的信息交換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)間信息的無縫集成，達(dá)到整個(gè)煤礦信息資源的共享。綜合調(diào)度指揮平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：

（1）環(huán)境安全監(jiān)測。通過安裝在井下作業(yè)現(xiàn)場的各種傳感器，以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為骨干傳輸通道，將各監(jiān)測點(diǎn)的瓦斯、溫度、風(fēng)速以及負(fù)壓等相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到調(diào)度室或有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)辦公室，具有故障判斷、超限提示和報(bào)警、瓦斯抽采量監(jiān)測與顯示功能。在環(huán)境安全監(jiān)測方面應(yīng)用的系統(tǒng)主要有實(shí)時(shí)智能安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、瓦斯源監(jiān)測系統(tǒng)、通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、井下粉塵監(jiān)測系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測與分析系統(tǒng)以及井下巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)等。

（2）生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)工況監(jiān)測。通過井上井下的各監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)煤礦采掘、運(yùn)輸過程中各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)工作情況進(jìn)行綜合信息顯示，防止因違章操作造成各種故障產(chǎn)生，保證煤礦安全生產(chǎn)。另外，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)都會(huì)保存至數(shù)據(jù)庫中，具有歷史數(shù)據(jù)和歷史速度曲線查詢以及顯示統(tǒng)計(jì)等功能。在生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)工況監(jiān)測方面應(yīng)用的系統(tǒng)主要有井下帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、主副井提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、井下軌道運(yùn)輸信集閉系統(tǒng)、注漿監(jiān)控系統(tǒng)以及產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)等。

（3）大屏幕綜合顯示。綜合調(diào)度指揮中心的大屏幕綜合顯示系統(tǒng)及工業(yè)電視系統(tǒng)主要是為了顯示安全生產(chǎn)過程中各監(jiān)測系統(tǒng)的各類計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)圖形與數(shù)據(jù)。根據(jù)不同場所的監(jiān)控要求和環(huán)境特征配置符合實(shí)際需要的攝像機(jī)，對(duì)整個(gè)礦井進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)清晰的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)井上、井下各重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)與主要生產(chǎn)設(shè)備的工業(yè)電視圖像監(jiān)控，采集的視頻圖像信息經(jīng)壓縮編碼處理后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸{(diào)度室及有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)辦公室。

（4）調(diào)度指揮與決策。在數(shù)據(jù)庫平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，收集各個(gè)礦井自動(dòng)化系統(tǒng)的安全、生產(chǎn)、運(yùn)銷、經(jīng)營以及煤質(zhì)等信息，通過數(shù)據(jù)整合形成煤礦生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的分析、運(yùn)算、匯總、存儲(chǔ)與管理，生成相應(yīng)的報(bào)表，同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上實(shí)時(shí)信息的共享與發(fā)布。

（5）應(yīng)急救援指揮。以煤礦局域網(wǎng)和井下移動(dòng)通訊系統(tǒng)為依托，救災(zāi)指令與數(shù)據(jù)、語音圖像有機(jī)集成，調(diào)度指揮部門在系統(tǒng)及時(shí)提供的預(yù)案指令、應(yīng)急隊(duì)伍響應(yīng)和事故動(dòng)態(tài)狀況及救援專家、裝備、案例等信息的輔助下，實(shí)施科學(xué)高效地救災(zāi)指揮。

（6）生產(chǎn)經(jīng)營管理。在煤炭資源管理系統(tǒng)、采礦協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)、地面儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)、產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和礦山ERP系統(tǒng)等的輔助下，以煤炭開采為基礎(chǔ)、成本控制為中心、生產(chǎn)計(jì)劃為主線，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭資源、物料、人力和資金等的全面掌控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)流程的控制、相關(guān)業(yè)務(wù)的集成、有效的決策指揮、各個(gè)部門的協(xié)同合作，滿足煤礦的整體業(yè)務(wù)運(yùn)作和生產(chǎn)經(jīng)營管理的要求。詳細(xì)的功能模塊可劃分為煤炭資源管理、采礦協(xié)同設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、物資管理、財(cái)務(wù)管理、設(shè)備管理、人力資源管理、定額管理、計(jì)劃管理、項(xiàng)目管理、運(yùn)銷管理、成本管理、客戶關(guān)系和供應(yīng)鏈管理、信息發(fā)布、公文管理、行政辦公、個(gè)人事務(wù)以及系統(tǒng)管理等等。

（7）機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測與管理。煤礦企業(yè)需用到大量的機(jī)電設(shè)備，如井下變電所、井下壓風(fēng)機(jī)、主扇風(fēng)機(jī)、排水泵、電機(jī)車、絞車等等，為了保證整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)，就要做好機(jī)電設(shè)備的保養(yǎng)、維修和檢修工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，并且還要向集成化方向邁進(jìn)。要從單一的自動(dòng)化子系統(tǒng)發(fā)展到多個(gè)子系統(tǒng)的集成，要盡可能多地將各個(gè)原本獨(dú)立的機(jī)電設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)集成到一起，提高監(jiān)控中心的綜合判斷能力，提高對(duì)事故的預(yù)防及快速處理能力。此外，還要實(shí)現(xiàn)企業(yè)的控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)的集成，為實(shí)現(xiàn)管控一體化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（8）井下人員定位和考勤管理。井下人員定位考勤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的精確定位，能準(zhǔn)確掌握井下工作人員的數(shù)量和位置，可用于日常的考勤管理。

（9）供配電與給排水管理。供配電工作的基本任務(wù)是根據(jù)用電負(fù)荷的需要科學(xué)合理地配電，不僅要保證正常時(shí)期的供電質(zhì)量和設(shè)備的正常起動(dòng)和運(yùn)行，而且能夠快速處理短路、漏電等故障，并使影響范圍最小化。給排水管理工作的基本任務(wù)是滿足煤礦生產(chǎn)對(duì)水量、水質(zhì)和水壓的要求，并將煤礦作業(yè)點(diǎn)及居住區(qū)產(chǎn)生的各類廢水、生活污水及雨水有組織地排出，達(dá)到合理利用水資源、合理治理污水及保護(hù)環(huán)境等目的。

（10）礦山開采調(diào)度動(dòng)、靜態(tài)圖形的輸入、編輯與利用。利用煤礦地理信息系統(tǒng)、工程數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，根據(jù)礦山安全生產(chǎn)的實(shí)際情況，提供井上井下各種安全生產(chǎn)的動(dòng)、靜態(tài)平面圖和三維圖形，對(duì)井上井下的安全狀況進(jìn)行分層顯示、分析、評(píng)價(jià)、查詢、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，便于調(diào)度室及網(wǎng)絡(luò)終端查詢利用，為科學(xué)地制定管理決策提供依據(jù)。

3 數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下設(shè)計(jì)原則：

（1）先進(jìn)性。采用信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)、自動(dòng)控制與監(jiān)測等符合未來發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)來構(gòu)建數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)，整個(gè)平臺(tái)立足于高起點(diǎn)，保證平臺(tái)在技術(shù)上能夠較長時(shí)間處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

圖1 數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)各系統(tǒng)功能關(guān)系圖

（2）集成性。集成是保證信息的一致性，是功能整體性的核心。就整個(gè)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)而言，它體現(xiàn)在物理集成、信息集成、功能集成和過程集成等方面。煤礦各種生產(chǎn)信息、安全信息、管理信息、經(jīng)營信息等等都應(yīng)從信息孤島中解放出來，形成具有安全性、可靠性、一致性的信息集成平臺(tái)，為綜合調(diào)度指揮平臺(tái)提供一個(gè)信息共享的環(huán)境。

（3）實(shí)用性。綜合調(diào)度指揮平臺(tái)是一個(gè)大型的信息工程，應(yīng)根據(jù)煤礦的實(shí)際需求，制定計(jì)劃，分步實(shí)施，消除瓶頸，提高煤礦的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理的總目標(biāo)。

（4）可靠性。利用平臺(tái)的自診斷、高容錯(cuò)、自動(dòng)恢復(fù)以及抵御外界環(huán)境和人力操作失誤等能力，保證平臺(tái)的穩(wěn)定、高效、長期運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)是煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的核心，擔(dān)負(fù)著安全生產(chǎn)經(jīng)營、組織、指揮、控制、協(xié)調(diào)的重大責(zé)任，可加快調(diào)度數(shù)據(jù)的采集、匯總、分析及信息發(fā)布速度，提高工作效率；為煤礦的安全生產(chǎn)、調(diào)度和決策指揮提供直觀、可靠的依據(jù)；實(shí)現(xiàn)調(diào)度工作的網(wǎng)絡(luò)化、業(yè)務(wù)處理的自動(dòng)化、數(shù)據(jù)共享的信息化。數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)各系統(tǒng)功能關(guān)系圖如圖1所示。

基于對(duì)數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)各系統(tǒng)功能關(guān)系的分析和實(shí)際應(yīng)用過程中調(diào)度指揮工作流程的規(guī)劃，設(shè)計(jì)出該平臺(tái)的層次結(jié)構(gòu)。數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)層次結(jié)構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)庫層。數(shù)據(jù)庫層是綜合調(diào)度指揮平臺(tái)的基礎(chǔ)。數(shù)字化礦山的數(shù)據(jù)量很大，既包括礦山信息的靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)，也包括礦山管理過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；既有易于管理和使用的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也有介紹性文檔等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。在充分考慮了數(shù)據(jù)規(guī)模對(duì)平臺(tái)性能的影響及不同數(shù)據(jù)類型在數(shù)據(jù)維護(hù)、管理以及操作上的一致性和靈活性的基礎(chǔ)上，選用數(shù)據(jù)庫SQL Server和OLAP聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)，結(jié)合群集和磁盤陣列技術(shù)，使數(shù)據(jù)庫具有更高的安全性、穩(wěn)定性、可用性及數(shù)據(jù)完整性。

（2）數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)采集不但支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取，而且能夠?qū)霘v史數(shù)據(jù)，并支持采集程序異常緩沖數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集端可根據(jù)運(yùn)行情況配置優(yōu)化策略，使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最優(yōu)。將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和存儲(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況利用決策分析系統(tǒng)做出相應(yīng)決策，并將數(shù)據(jù)及分析結(jié)果通過特定的傳輸通道傳送給相應(yīng)管理部門，達(dá)到提前預(yù)測設(shè)備故障或防止類似故障再次發(fā)生的目的，保證礦山生產(chǎn)運(yùn)行的安全可靠。

（3）系統(tǒng)集成層。按照統(tǒng)一的參數(shù)及編碼標(biāo)準(zhǔn)，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)各自動(dòng)化系統(tǒng)之間信息資源的多級(jí)使用和共享。利用模板技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行集成并轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的表現(xiàn)形式，使所有系統(tǒng)通過單點(diǎn)登錄即可實(shí)現(xiàn)全面訪問和控制。

（4）調(diào)度應(yīng)用層。以系統(tǒng)集成、資源共享為基礎(chǔ)，直接面向用戶，為用戶提供不同的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮綜合信息的查詢、瀏覽顯示、編輯與管理等。

在綜合調(diào)度指揮平臺(tái)的建設(shè)中，要以總調(diào)度室為核心，集實(shí)時(shí)智能監(jiān)測、安全生產(chǎn)管控、整體調(diào)度協(xié)調(diào)、自動(dòng)化辦公于一體，能將瓦斯?jié)舛取L(fēng)速、溫度、負(fù)壓、生產(chǎn)管理、地質(zhì)水文、壓風(fēng)排水、通風(fēng)供電、運(yùn)輸及圖形報(bào)表等信息及時(shí)地提供給各層次的管理者及調(diào)度人員，從而做出準(zhǔn)備及科學(xué)決策，提升煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)過程的管理水平，提高災(zāi)害預(yù)防和對(duì)安全生產(chǎn)事故及突發(fā)事件的處理能力，將事故損失降到最低，進(jìn)一步提高生產(chǎn)力水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)。

4 結(jié)語

數(shù)字化礦山綜合調(diào)度指揮平臺(tái)是現(xiàn)代化數(shù)字化礦井安全高效生產(chǎn)的重要支撐平臺(tái)，它以效益為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、經(jīng)營、管理和保障的集成，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)資源共享，滿足調(diào)度中心及相關(guān)管理部門生產(chǎn)調(diào)度協(xié)調(diào)、安全管理、分析決策及災(zāi)害預(yù)防的需求，保證礦井的安全生產(chǎn)，提高整個(gè)煤礦的管理決策水平和整體科技水平。

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Study on comprehensive command and schedule platform for digitalized mine

Zhang Jianping，Chai Hongjing

（College of Economics and Management，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Based on the construction requirement of digital mine，the paper provides a general design of a comprehensive command and schedule platform for digitalized mines，especially the design of the functions and structural system of the platform.The platform is established on the basis of the concept of unity and integration，with the help of computer network and communication technology，so as to realize the highly integration of every mine automatic system and comprehensive display of every monitoring point，as well as integrated management and timely decision－making，which lay a solid foundation for construction in the future.

digitalized mine，command and schedule，work safety，integrated automation

TD211

A

張建平（1960－），男，漢族，山西臨猗人，太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院教授、博士、碩士生導(dǎo)師，研究方向：管理科學(xué)與工程，數(shù)字化礦山建設(shè)。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）