王金華，汪有剛，傅俊皓

(1．中國煤炭科工集團有限公司，北京　100013;2．煤炭科學(xué)研究總院，北京　100013;3．中煤科工能源投資有限公司，北京　100013)

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數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)研究與示范

王金華1，2，汪有剛3，傅俊皓3

(1．中國煤炭科工集團有限公司，北京100013;2．煤炭科學(xué)研究總院，北京100013;3．中煤科工能源投資有限公司，北京100013)

摘要:總結(jié)了數(shù)字化礦山國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了數(shù)字化礦山建設(shè)中存在的主要問題，提出了數(shù)字化礦山項目實施的方法及需要解決的若干關(guān)鍵技術(shù)，如高帶寬信息可靠傳輸技術(shù)、數(shù)字化安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、安全及生產(chǎn)過程一體化管控技術(shù)、三維地質(zhì)體及實景場景構(gòu)建技術(shù)、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合及針對礦井的大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)等。以天地王坡煤礦數(shù)字化礦山建設(shè)為示范，介紹了天地王坡煤礦數(shù)字化礦山建設(shè)取得的研究成果和應(yīng)用效果，展望了未來數(shù)字礦山建設(shè)的重點研究內(nèi)容及其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:數(shù)字礦山;架構(gòu)模型;安全管控;3D可視化;示范礦井

王金華，汪有剛，傅俊皓．?dāng)?shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)研究與示范［J］．煤炭學(xué)報，2016，41(6):1323－1331．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0419

Wang Jinhua，Wang Yougang，F(xiàn)u Junhao．Crucial technology research and demonstration of digital mines［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1323－1331．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0419

我國是一個以煤炭為主要能源的發(fā)展中國家，隨著經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整和環(huán)境保護(hù)的需要，國民經(jīng)濟發(fā)展對煤炭能源的開采和利用也提出了新的更高的要求，“數(shù)字化礦山”(Digital Mine)是隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動化控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展而提出來的?！皵?shù)字化礦山”是對真實礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一認(rèn)識和數(shù)字化再現(xiàn)［1］，是一個能夠真實反映礦山本體、礦山開發(fā)與運行過程的“虛擬礦山”。數(shù)字礦山以計算機與傳感器為手段，把礦山的所有空間和有用屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化存儲、傳輸、表述和深加工，并應(yīng)用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)、過程控制與管理決策之中，以達(dá)到生產(chǎn)方案優(yōu)化、過程控制自動化、管理精細(xì)化和決策科學(xué)化的目的［2］，實現(xiàn)礦井的科學(xué)化和安全化管理水平。

1　礦山數(shù)字化建設(shè)國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，歐美國家在煤礦大力推廣自動化、信息化技術(shù)，對主要設(shè)備均實現(xiàn)了子系統(tǒng)監(jiān)測和自動化生產(chǎn)控制。礦業(yè)發(fā)達(dá)國家建設(shè)數(shù)字礦山的重點是實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控和自動化采礦。美國已成功開發(fā)出一項大范圍的采礦調(diào)度系統(tǒng)，采用計算機、無線數(shù)據(jù)通訊、調(diào)度優(yōu)化以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)，對露天礦生產(chǎn)計算機進(jìn)行實時控制與管理，實現(xiàn)了露天煤礦無人自動化開采。德國魯爾煤業(yè)的哈尼爾礦，采用魯爾公司的數(shù)字化礦山系統(tǒng)，通過建立地面監(jiān)控調(diào)度中心，對井下各個生產(chǎn)流程進(jìn)行綜合監(jiān)視和集中控制，實現(xiàn)從地面對井下人員調(diào)度和設(shè)備操作的整體的整體控制，形成一個整體的數(shù)字化礦井解決方案。安徽口孜東礦于2012年引進(jìn)了德國貝克公司的數(shù)字化礦山系統(tǒng)，是國內(nèi)第1個基于三級SCADA系統(tǒng)的管控一體化礦山。通過采用先進(jìn)的中央集控模式，該礦實現(xiàn)了對各系統(tǒng)、各區(qū)域、各類大型設(shè)備、各關(guān)鍵崗位的實時監(jiān)控與指揮，為礦井安全生產(chǎn)提供了現(xiàn)場監(jiān)控與監(jiān)測，做到了對礦井的全面感知和對整個礦井的數(shù)字化和智能化管理，使生產(chǎn)效率大為提高，安全狀況明顯改善，減人提效效果顯著。

1.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)煤礦數(shù)字化起步較晚，但是發(fā)展過程與國外產(chǎn)煤發(fā)達(dá)國家相似，也經(jīng)歷了從單獨信息系統(tǒng)建設(shè)到分布式監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)整合，再到全礦井的數(shù)字化的發(fā)展歷程，礦山數(shù)字化建設(shè)已經(jīng)取得了一些先進(jìn)適用的技術(shù)成果。如:神華集團神東公司的綜合自動化采煤系統(tǒng)、開灤集團的企業(yè)信息化與電子礦圖系統(tǒng)、棗莊柴里煤礦的生產(chǎn)與安全集中監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、伊敏露天礦的卡車調(diào)度系統(tǒng)等［3］。近年來，中國煤炭科工集團有限公司依托國家重大專項、863計劃，國家科技支撐計劃專項等國家課題，取得了一大批科研成果，如“無人工作面技術(shù)”、“突出沖擊地壓預(yù)警技術(shù)”、“遙控自動化鉆機技術(shù)”等。中國礦業(yè)大學(xué)等學(xué)術(shù)團體相繼開展了采礦機器人、礦山地理信息系統(tǒng)、三維地學(xué)模擬、礦山虛擬現(xiàn)實、礦山定位等方面的技術(shù)開發(fā)，基于專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、自適應(yīng)模式識別、遺傳算法等先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)成功了人工智能技術(shù)、GPS技術(shù)、并行計算技術(shù)、射頻識別技術(shù)以及面向巖石力學(xué)問題的全局優(yōu)化方法、遙感技術(shù)等，已在礦山地質(zhì)勘探調(diào)查與測量、智能礦山設(shè)計、礦山開采、計劃與控制、礦山災(zāi)害遙感預(yù)報等研究領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.3國內(nèi)數(shù)字化礦山發(fā)展存在的問題

我國數(shù)字化礦山經(jīng)過10 a的研究現(xiàn)已取得了初步成效，大部分礦井已經(jīng)建立了信息化、自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了各局部生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動化，煤礦井下安全避險、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)管理過程中正發(fā)揮著重要作用，但是，到目前為止，涵蓋煤礦安全、生產(chǎn)、運營全過程的數(shù)字化礦山整體解決方案才剛剛起步，尚沒有建立真正意義上的煤礦數(shù)字化礦山工程，主要存在以下幾個方面的問題:

(1)數(shù)字化礦山建設(shè)缺乏統(tǒng)籌性、整體性規(guī)劃。一方面，我國煤礦信息化建設(shè)發(fā)展時間較短，基礎(chǔ)相對薄弱，缺少從煤炭行業(yè)全行業(yè)高度上的統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計，信息化整體規(guī)劃的程度較低，煤炭工業(yè)信息化缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和方向引導(dǎo);另一方面，就礦山企業(yè)而言，通常是不同階段針對某項單一的具體項目分開實施，造成了資源浪費、功能重疊和低水平重復(fù)建設(shè)等現(xiàn)象，導(dǎo)致多層次、多部門、多專業(yè)的一體化數(shù)字礦山建設(shè)推進(jìn)緩慢［4］。

(2)各廠商間缺乏統(tǒng)一的礦用設(shè)備與集成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。大部分礦山設(shè)備只考慮單一的設(shè)備應(yīng)用，不同廠家設(shè)備的信息編碼、采集及處理標(biāo)準(zhǔn)各異，造成多源異構(gòu)系統(tǒng)中各類設(shè)備信息量大，信息規(guī)范缺乏的現(xiàn)狀。而且現(xiàn)有井下網(wǎng)絡(luò)通訊方式及協(xié)議種類繁多、兼容性差，缺乏統(tǒng)一、可靠的傳輸協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn);各系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)、接口協(xié)議各異，各數(shù)據(jù)流相互孤立，“數(shù)據(jù)孤島”問題普遍存在，導(dǎo)致異構(gòu)系統(tǒng)的集成與互聯(lián)嚴(yán)重脫節(jié)。

(3)缺乏監(jiān)測監(jiān)控多維動態(tài)的統(tǒng)一化集成平臺。傳統(tǒng)的煤礦數(shù)字化礦山建設(shè)多以中央調(diào)度室或控制室為中心，以大屏幕顯示器為主要顯示手段，顯示信息分散，缺乏各系統(tǒng)信息間的交互。而且多數(shù)情況下調(diào)度顯示平臺和控制平臺起點低、內(nèi)容少、智能性差、擴展空間小、開放性差，不利于后續(xù)新建子系統(tǒng)的接入。此外，由于監(jiān)視與控制相互獨立，使得監(jiān)測和控制系統(tǒng)二者信息不能有效地集成共享，不便于監(jiān)測監(jiān)控操作的集中化和智能化。

(4)數(shù)字化礦山自動化控制關(guān)鍵技術(shù)及各系統(tǒng)間協(xié)同聯(lián)動尚待突破。雖然煤礦企業(yè)生產(chǎn)中大多機電一體化產(chǎn)品實現(xiàn)了設(shè)備的自動化，但沒有通訊功能，通常處于自動化孤島狀態(tài)，仍為就地控制模式，沒有實現(xiàn)遠(yuǎn)程集控。由于各廠商受專業(yè)知識的限制和技術(shù)的制約，大部分軟件都只考慮了單一專業(yè)的局部應(yīng)用，井下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、電力監(jiān)控、運輸控制系統(tǒng)等很難有效地解決各系統(tǒng)間的信息共享、統(tǒng)籌分析與協(xié)同控制問題，在礦山生產(chǎn)優(yōu)化控制與節(jié)能降耗管理過程中，沒有真正達(dá)到人本安全、節(jié)能降耗、減人提效的目的。

(5)現(xiàn)有的數(shù)字化礦山三維可視化軟件的研發(fā)及現(xiàn)場應(yīng)用水平較低。礦山井上、下空間復(fù)雜交錯，各類環(huán)境信息主要通過二維的CAD平面圖紙進(jìn)行記錄和交互，很難全面直觀地反映礦山真實的空間環(huán)境。目前，國內(nèi)主要使用的三維可視化軟件雖然具備了礦山基礎(chǔ)信息數(shù)字化、礦體/礦床三維建模與可視化等功能，但距離礦體儲量動態(tài)管理、采礦過程模擬、綜合監(jiān)控調(diào)度、安全隱患預(yù)警、應(yīng)急救援三維實景支持等需求還有很大距離，難以滿足礦山業(yè)務(wù)集成和多部門間的協(xié)同需要。

2　數(shù)字化礦山架構(gòu)模型

我國在2011年頒布實施的《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范》(GB/T 26335—2010)，規(guī)定了工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的總體架構(gòu)，并對系統(tǒng)組成、功能要求、系統(tǒng)實施、系統(tǒng)運行和維護(hù)等給出技術(shù)指導(dǎo)性意見，提出了工業(yè)企業(yè)信息化集成的五層架構(gòu)模型。國內(nèi)數(shù)字化礦山建設(shè)多以此模型為依據(jù)，結(jié)合礦山自身特點和信息化建設(shè)水平，找出模型中各層在礦山企業(yè)中對應(yīng)的研究內(nèi)容加以研究并進(jìn)行工程示范。

數(shù)字化礦山是一個復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，涉及到多學(xué)科的融合、多專業(yè)的交叉、各種技術(shù)的集成，應(yīng)該遵循自上而下逐級規(guī)劃，自下而上分步實現(xiàn)的總體思路。首先結(jié)合科學(xué)理論和礦山企業(yè)信息化的具體需求，提出數(shù)字化礦山的架構(gòu)模型，進(jìn)而對架構(gòu)模型中各層工作內(nèi)容逐級分解、細(xì)化，最終形成一系列需要解決的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵問題，然后自下而上的對關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵問題逐一研究實現(xiàn)。數(shù)字礦山的五層架構(gòu)模型如圖1所示。

筆者選取天地王坡煤礦作為示范礦井，在深入調(diào)研其自動化建設(shè)現(xiàn)狀和生產(chǎn)經(jīng)營實際需求的前提下，確定了天地王坡煤礦數(shù)字礦山建設(shè)的總體目標(biāo)為:針對天地王坡煤礦數(shù)字化礦山建設(shè)中存在的信息傳輸及網(wǎng)絡(luò)安全、生產(chǎn)過程自動化和礦井安全管控模式、全礦井實景展示平臺等技術(shù)問題，研究開發(fā)高帶寬有線網(wǎng)和無線網(wǎng)相融合的“一網(wǎng)”信息可靠傳輸技術(shù)、數(shù)字化安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、安全及生產(chǎn)過程一體化管控技術(shù)、三維地質(zhì)體及實景場景構(gòu)建技術(shù)、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合以及針對礦井的大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)［5］，實現(xiàn)有機整合煤礦信息資源、優(yōu)化控制流程的目標(biāo)，提升全礦井生產(chǎn)效率及安全生產(chǎn)水平。

圖1　五層架構(gòu)模型Fig.1　5－layer architecture model

3　天地王坡煤礦數(shù)字化礦山示范工程

天地王坡煤礦是中國煤炭科工集團有限公司煤炭科技與裝備的“安全、清潔、高效”生產(chǎn)示范礦井，于2006年6月正式投產(chǎn)，該礦井以中國煤炭科工集團有限公司的先進(jìn)技術(shù)、人才、成套裝備、信息優(yōu)勢為支撐，信息化礦井建設(shè)工程已具備一定的基礎(chǔ)，但仍然存在信息網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)托?、監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)雜亂、生產(chǎn)自動化控制薄弱、礦井安全管控模式分散以及全礦井實景展示平臺欠缺等問題。示范工程的目的是在煤礦已有的設(shè)備、設(shè)施及系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按“先進(jìn)性、實用性、可靠性和可擴展性”的設(shè)計原則，圍繞井下設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)、安全生產(chǎn)一體化管控、二三維與實景融合一體化管理及展示的主要建設(shè)內(nèi)容，對全礦井信息進(jìn)行全面、有序、高效整合，實現(xiàn)管、控、監(jiān)一體化監(jiān)控。天地王坡煤礦數(shù)字礦山建設(shè)的主要內(nèi)容如圖2所示。

天地王坡礦數(shù)字化礦山示范工程基本建設(shè)內(nèi)容有五個部分:千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、私有云數(shù)據(jù)中心、安全生產(chǎn)管控平臺、三維可視化平臺和三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺等。千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，在此不再贅述。本次示范工程建設(shè)過程中，重點研究解決的關(guān)鍵技術(shù)有:井下異構(gòu)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入與多系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成技術(shù)、面向各專業(yè)的自動化控制技術(shù)(主要包括綜采自動化分控中心、礦井主煤流分控中心、礦井供配電分控中心)、安全與生產(chǎn)過程一體化管控技術(shù)、三維地質(zhì)體與實景場景構(gòu)建技術(shù)、礦井的大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)等。

3.1私有云數(shù)據(jù)中心建設(shè)

煤礦私有云數(shù)據(jù)中心是數(shù)字化礦山各層架構(gòu)及與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心互聯(lián)互通的前提，而井下異構(gòu)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入與多系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成技術(shù)是私有云數(shù)據(jù)中心建設(shè)的保障。煤礦井下各類監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)繁多，涉及到不同廠家的多種礦山設(shè)備、儀器和接口。因此，首先需要編制礦用設(shè)備信息編碼規(guī)范、礦用實時可靠傳輸協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)、以及異構(gòu)系統(tǒng)集成與互聯(lián)規(guī)范。

圖2　天地王坡煤礦數(shù)字礦山建設(shè)主要內(nèi)容Fig.2　Content of Tiandi Wangpo digital mine construction

綜合比較分析國家、行業(yè)、企業(yè)編碼準(zhǔn)則，采用暗示法以及混合法，設(shè)計了可以惟一標(biāo)識、靈活變動、易于理解、便于擴展的設(shè)備編碼體系［6］，撰寫了《礦用測控數(shù)據(jù)交互編碼規(guī)范》(草案)。根據(jù)各設(shè)備之間交換的數(shù)據(jù)類型、交互響應(yīng)時間的不同要求，從鏈路結(jié)構(gòu)設(shè)計、尋址規(guī)則和傳輸模式設(shè)計上，分別提供有針對性的協(xié)議格式、傳輸方式和數(shù)據(jù)處理方法并進(jìn)行差異性分析，通關(guān)不斷的驗證和校驗，設(shè)計了一套完整的礦用實時傳輸協(xié)議，撰寫了《礦用串行鏈路實時傳輸協(xié)議規(guī)范》(草案)。撰寫了《煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成規(guī)范》(草案)，針對礦井生產(chǎn)安全各系統(tǒng)進(jìn)行分類數(shù)據(jù)集成，其中監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采用FTP的文本文件采集，生產(chǎn)自動化系統(tǒng)采用直接通過PLC控制器的網(wǎng)口或通過上位機OPC方式采集，經(jīng)營管理類系統(tǒng)主要采用XML文件或提供規(guī)范表格的數(shù)據(jù)庫方式采集。

3.2基于ABB－800XA組態(tài)平臺的煤礦一體化安全

生產(chǎn)管控平臺

煤礦一體化安全生產(chǎn)管控系統(tǒng)是生產(chǎn)、經(jīng)營、決策與設(shè)備層之間的橋梁，是整個數(shù)字礦山建設(shè)的核心，既可實現(xiàn)對礦井綜采、煤流運輸、供配電、通風(fēng)和安全保障等專業(yè)流程的分布式控制，又可實現(xiàn)相關(guān)專業(yè)的信息聯(lián)動與閉鎖的綜合集中控制［7］。

天地王坡煤礦一體化安全生產(chǎn)管控平臺是基于ABB－800XA組態(tài)平臺和EOW－X3操作平臺開發(fā)的數(shù)字礦山管控平臺，這也是ABB公司遠(yuǎn)程控制平臺在煤礦中的首次綜合應(yīng)用。核心理念是實現(xiàn)生產(chǎn)活動中“人、設(shè)備、系統(tǒng)”三大要素的準(zhǔn)確協(xié)同形成生產(chǎn)合力，從而達(dá)到“集中遠(yuǎn)控、無人值守、設(shè)備在線監(jiān)測和故障預(yù)警”的建設(shè)目標(biāo)，實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)運營水平提升。該平臺擁有其它同類產(chǎn)品所不具備的技術(shù)優(yōu)勢:一是具備全球領(lǐng)先的自動化與信息技術(shù)，是實現(xiàn)協(xié)同理念的重要支撐。該監(jiān)控平臺基于800xA系統(tǒng)擴展自動化系統(tǒng)，采用ABB專利化屬性對象(Aspect/Object)技術(shù)，實現(xiàn)控制層、應(yīng)用層的系統(tǒng)、設(shè)備和儀表等無縫集成。二是包含強大SCADA/HMI，是具備過程控制和應(yīng)用程序集成能力的擴展自動化系統(tǒng);采用國際領(lǐng)先的核心技術(shù)，架構(gòu)設(shè)計先進(jìn)，性能穩(wěn)定可靠;提供強大的集成及應(yīng)用功能，保證信息交互的及時準(zhǔn)確。三是集成方式靈活，不僅可以通過軟件OPC方式接入第三方系統(tǒng)，也可以通過PLC Connect直接連接DCS和PLC，減少中間轉(zhuǎn)換程序;更可以通過AC800M等控制器豐富的現(xiàn)場總線和通信協(xié)議的支持能力，以硬件的方式參與現(xiàn)場控制。同時該監(jiān)控平臺的集成與控制方式的準(zhǔn)確可靠性遠(yuǎn)超其它同類產(chǎn)品。最后該監(jiān)控平臺采用的硬件產(chǎn)品AC800M控制器、集中監(jiān)控操作臺(EOW－x)等，均具備世界領(lǐng)先的工業(yè)級設(shè)計，可與軟件平臺完美結(jié)合。

該平臺通過ABB的VIP協(xié)議集成了礦井現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過OPC集成了新建立的環(huán)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、綜采分控系統(tǒng)、礦井主煤流分控系統(tǒng)和礦井供配電分控系統(tǒng)。一體化安全管控平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3　一體化安全生產(chǎn)管控平臺Fig.3　Integrated management and control platform of roduction safety

3.3綜采工作面分控系統(tǒng)

綜采工作面分控系統(tǒng)采用擬人手法，把人的視覺、聽覺延伸到工作面，將工人從工作面采場解放到相對安全的監(jiān)控中心或地面，實現(xiàn)在監(jiān)控中心或地面對綜采設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。

在工作面建立數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，搭建高速傳輸平臺，為工作面海量的數(shù)據(jù)向運輸巷道內(nèi)的監(jiān)控中心及地面調(diào)度指揮中心上傳提供通道。在工作面建立數(shù)字化視頻采集網(wǎng)絡(luò)，實時采集工作面液壓支架工況及采煤機實時工況，并借助工作面搭建的數(shù)字化高速網(wǎng)絡(luò)平臺，將工作面工況實時上傳，并在巷道內(nèi)設(shè)置視頻監(jiān)視器，監(jiān)視工作面工況，為操作人員提供實時視頻畫面，提高遠(yuǎn)程操作的可靠性。在工作面運輸巷道設(shè)備中心建立監(jiān)控中心，該中心通過與工作面各子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化通訊，接入電液控制系統(tǒng)、采煤機控制系統(tǒng)、三機控制系統(tǒng)及泵站控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測頂板壓力、工作面視頻、工作面三機及泵站等主要設(shè)備狀態(tài)，通過數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)采集開關(guān)及移變等設(shè)備數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測相關(guān)設(shè)備的運行狀況。并能由采煤隊操作人員就地控制工作面割煤、移架和運輸?shù)壬a(chǎn)過程，也能由監(jiān)控中心操作人員遠(yuǎn)程割煤、移架和控制相關(guān)設(shè)備起停等工作。通過地面服務(wù)器和千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)接入到一體化安全管控平臺，通過地面調(diào)度指揮中心向工作面發(fā)送遠(yuǎn)程控制指令，實現(xiàn)在地面對工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。綜采工作面分控系統(tǒng)實現(xiàn)了“以工作面自動控制為主，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的工作面自動化生產(chǎn)模式，創(chuàng)新了“無人跟機作業(yè)，有人安全值守”的安全開采理念。綜采工作面自動化系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4　綜采工作面自動化系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4　Automation system architecture of fully mechanized coal face

3.4礦井主煤流分控系統(tǒng)

主煤流分控系統(tǒng)主要面向生產(chǎn)部門，主要運用AC800M控制器與井下原煤運輸流程相關(guān)設(shè)備的控制器進(jìn)行通訊，將整個原煤運輸系統(tǒng)集成到一體化安全管控平臺中，并能與安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)等之間進(jìn)行協(xié)同聯(lián)動，主要實現(xiàn)的功能有:①監(jiān)測功能。將整個原煤運輸系統(tǒng)流程圖、各主要運輸設(shè)備核心運行參數(shù)等同一界面集中顯示，并具有報警提示。② 控制功能。對各設(shè)備原有的就地控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以膠帶機負(fù)荷及其變化趨勢為依據(jù)，采取模糊算法，對采煤機割煤速度進(jìn)行優(yōu)化控制，多系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)對帶式輸送機、采煤機的自動調(diào)速，達(dá)到煤流生產(chǎn)過程的優(yōu)化和協(xié)同控制的目的，如圖5所示。

圖5　煤流運輸集控系統(tǒng)Fig.5　Integrated control system of coal flows transportation

煤流運輸集控系統(tǒng)解決了3項關(guān)鍵技術(shù)。一是帶式輸送機的就地及集中控制技術(shù)，ABB AC800M冗余控制器采用Modbus通訊方式從原控制系統(tǒng)讀取膠帶運行速度、電流、電壓等運行信息，電機的狀態(tài)反饋和控制指令通過硬接線方式實現(xiàn)。通過控制系統(tǒng)切換箱實現(xiàn)遠(yuǎn)程集控和就地控制的切換。二是帶式輸送機與采煤機之間的協(xié)同控制技術(shù)。利用ABB AC800M冗余控制器，通過Modbus通訊方式從原有綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)的PLC控制器讀取采煤機、刮板機等設(shè)備運行信息，適時自動啟動預(yù)設(shè)的系統(tǒng)控制邏輯，由AC800M冗余控制器發(fā)送控制指令到原綜采系統(tǒng)控制器，實現(xiàn)協(xié)同控制。三是帶式輸送機與安全保障系統(tǒng)之間的協(xié)同控制技術(shù)。煤流分控中心平臺軟件通過OPC接口方式讀取礦端安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則控制相關(guān)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保證生產(chǎn)安全。

3.5礦井供配電分控系統(tǒng)

供配電分控系統(tǒng)主要面向機電專業(yè)，采用3層結(jié)構(gòu)，由地面一體化安全管控平臺的監(jiān)控中心站、井下各變電所監(jiān)控站和終端開關(guān)等設(shè)備組成，將變電所的就地操作和供電信息管理轉(zhuǎn)移至地面電力分控中心，實現(xiàn)井下變電所無人值守，同時在監(jiān)控中心站還設(shè)計了電源、開關(guān)、負(fù)荷設(shè)備和電纜構(gòu)成的礦井供電網(wǎng)絡(luò)圖，形成了逐級控制的監(jiān)測監(jiān)控邏輯關(guān)系圖，能夠方便快速、準(zhǔn)確地分析事故位置及事故原因。該系統(tǒng)與井下安全監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同聯(lián)動，增加了供電防越級跳閘控制技術(shù)和井下電網(wǎng)故障分析技術(shù)，具備的主要功能有:五遙四聯(lián)動、變電所門禁、防越級跳閘、開關(guān)遠(yuǎn)程遙控、供電系統(tǒng)故障追查定位、實時供電狀態(tài)和環(huán)境監(jiān)視和報警提示等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6　電力分控中心系統(tǒng)Fig.6　Distributed control center of electric power

礦井供配電分控系統(tǒng)研究解決了3項關(guān)鍵技術(shù)。一是電網(wǎng)防短路越級跳閘技術(shù)。采用電流速斷閉鎖法，使用具有短路閉鎖信號輸出的專用智能綜合保護(hù)器，在檢測到短路電流時，發(fā)出閉鎖信號，通知短路點上方最靠近短路點的一級開關(guān)速斷跳閘，切斷短路線路。二是井下變電所無人值守技術(shù)。通過環(huán)境監(jiān)測傳感器對變電所的環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)測，根據(jù)實際監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)，通過對預(yù)設(shè)閾值和邏輯的判斷，如果有超限情況發(fā)生，立即啟動預(yù)設(shè)應(yīng)急預(yù)案，并向變電所附近的人員進(jìn)行語音廣播，發(fā)出聲光報警命令，提示變電所異常。三是電力監(jiān)控協(xié)同控制技術(shù)。采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)取代人力操作，實現(xiàn)遙信、遙測、遙控、遙視和四聯(lián)動功能。通過整合工業(yè)電視系統(tǒng)和傳感器信息資源，將變電所日常巡查、人員進(jìn)出和環(huán)境監(jiān)控等功能集中到地面分控中心完成。通過對供電操作權(quán)限的分級授權(quán)避免了越權(quán)操作和錯誤操作。通過就地遠(yuǎn)控按鈕和遠(yuǎn)方掛牌閉鎖兩大措施避免誤操作，最大限度保證供電安全。

3.6煤礦三維可視化綜合管理平臺

煤礦三維可視化綜合管理平臺是一種全新的礦山監(jiān)控、管理技術(shù)手段，以安全生產(chǎn)、管理決策為主線對全礦井各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合、挖掘、分析，能夠反映井下最新的真實狀況，能夠把“各自為政”的信息系統(tǒng)有效共享綜合利用，是礦山安全生產(chǎn)管理與應(yīng)急指揮的重要支撐，也是員工入井培訓(xùn)、安全應(yīng)急培訓(xùn)的可視化教材。該平臺的開發(fā)主要依托煤炭科學(xué)研究總院自主研發(fā)的3DMine平臺、3D－GIS技術(shù)、360度全景技術(shù)(該技術(shù)首次應(yīng)用在煤礦三維可視化)和二、三維一體化融合技術(shù)［8］，主要研究并解決了以下關(guān)鍵技術(shù):三維可視化礦山的快速構(gòu)建和數(shù)據(jù)展示技術(shù)，實現(xiàn)對煤礦宏觀與微觀信息的直觀反映，提高監(jiān)測效率，縮短認(rèn)知與決策時間;礦山海量空間數(shù)據(jù)的優(yōu)化管理及快速加載技術(shù)，實現(xiàn)礦山三維場景空間信息的流暢展示;礦山空間數(shù)據(jù)分析及增值利用技術(shù)，探索了安全環(huán)境危險性分析、評判和決策，逃生路線智能規(guī)劃等，能夠為安全生產(chǎn)運營和應(yīng)急救援決策提供輔助支持。該平臺不僅真實再現(xiàn)了礦山地形地貌、地表設(shè)施、井巷工程、礦山地質(zhì)等空間構(gòu)造，而且將礦山監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)自動化系統(tǒng)、風(fēng)險預(yù)控系統(tǒng)、經(jīng)營管理系統(tǒng)等各類專業(yè)系統(tǒng)的實時、動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、人員信息和管理信息植入平臺，從而構(gòu)建成為能真實反映煤礦復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境和狀態(tài)的實景三維數(shù)字礦山。同時，該平臺實現(xiàn)了安全監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警分析和各類風(fēng)險信息跟蹤，對礦山企業(yè)危險源、隱患、事故等信息的定位記錄和管理，能夠在發(fā)生突發(fā)事件時為決策者提供全面的應(yīng)急決策信息支持，最大程度降低發(fā)生事故的概率和減少事故所造成的損失。

3.7三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺

三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺部署在集團公司監(jiān)控中心(異地遠(yuǎn)程監(jiān)管)，滿足了集團對各下屬煤礦的安全生產(chǎn)進(jìn)行三維實景、實時的遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)管需求?？晒┟禾考瘓F不同的部門、管理人員按照專業(yè)所需同時使用。該平臺主要有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、多礦井信息集成(安全監(jiān)控、人員定位、緊急避險、工業(yè)電視監(jiān)控、綜采監(jiān)控、主通風(fēng)機監(jiān)控、主副井提升監(jiān)控、主運輸監(jiān)控等系統(tǒng))、礦區(qū)地理信息三維可視化、井上下場景三維可視化、礦井生產(chǎn)綜合工況和數(shù)據(jù)的綜合利用等功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井生產(chǎn)與安全綜合工況實時動態(tài)展現(xiàn)，實時數(shù)據(jù)的自動匯總處理、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)展示分析、實時報警提示等功能，并且可與井下人員進(jìn)行語音通話和視頻互動，三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺是數(shù)字化礦山遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心。

4　數(shù)字化礦山建設(shè)的發(fā)展展望

數(shù)字化礦山建設(shè)的最終目標(biāo)是要逐步實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的少人化或無人化，建設(shè)安全、高效、清潔、智慧的生態(tài)型礦井。順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代潮流，借力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，面向礦山安全與智能采礦，結(jié)合當(dāng)前礦山數(shù)字化、信息化與自動化發(fā)展的進(jìn)程，今后要在以下3個方面繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

(1)數(shù)字化礦山基礎(chǔ)性支撐技術(shù)與裝備。數(shù)字化礦山的建設(shè)必須以一些更先進(jìn)、高性能、高可靠性的技術(shù)與裝備為支撐，主要包括:礦山數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、深度挖掘和增值利用，從根本上解決“信息孤島”難題;繼續(xù)開發(fā)先進(jìn)的礦山三維可視化軟件，完善三維模型動態(tài)更新技術(shù)、提升空間模型運行便捷性和應(yīng)用能力;攻關(guān)研究高性能的采礦仿真模擬系統(tǒng)，從而為礦山開采設(shè)計、生產(chǎn)調(diào)度、過程管控、重大危險源防治和應(yīng)急決策等提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支持;研制高性能的國產(chǎn)化智能采礦設(shè)備、儀器，如穩(wěn)定可靠的傳感器、高速通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動采礦設(shè)備、統(tǒng)一的數(shù)字化礦山監(jiān)測監(jiān)控集成平臺以及應(yīng)急救援機器人等。

(2)研究煤礦重大災(zāi)害預(yù)警技術(shù)，建設(shè)礦山安全隱患辨識評判的感知型數(shù)字礦山。煤礦瓦斯、火災(zāi)、沖擊地壓等重大災(zāi)害預(yù)警是保障煤礦安全生產(chǎn)的必要條件。煤礦井下采場環(huán)境復(fù)雜多變，而現(xiàn)有的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警源單一且準(zhǔn)確率較低，難以滿足生產(chǎn)需要。礦山企業(yè)必須采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，一方面利用集成、物聯(lián)、互聯(lián)、泛在的多源傳感器對“礦山征體”進(jìn)行全面的感知，主要包括水、火、瓦斯、頂板、溫度等采場環(huán)境參量、各種采礦設(shè)備狀態(tài)的變化和井下人員的位置等信息;另一方面利用多模式時空綜合認(rèn)知、多維的數(shù)字化礦山集成平臺及空間數(shù)據(jù)的深度挖掘分析技術(shù)，對礦山生產(chǎn)安全隱患和事故進(jìn)行綜合辨識、智能診斷和預(yù)警預(yù)報，從而為礦山的本質(zhì)安全提供主動式安全保障。

(3)研究統(tǒng)一、協(xié)同的自動化控制系統(tǒng)，建設(shè)少人化或無人化開采的智能礦山。數(shù)字化礦山應(yīng)在感知礦山的基礎(chǔ)上，將從關(guān)鍵采礦設(shè)備或單一系統(tǒng)的自動化向以采礦過程智能決策、各子系統(tǒng)協(xié)同控制為特征的智能生產(chǎn)礦山發(fā)展，逐步實現(xiàn)局部智能化的無人工作面和全面智能化的無人礦井。智能礦山建設(shè)的基礎(chǔ)是具有統(tǒng)一、協(xié)同的自動化控制系統(tǒng)，主要包括:以采礦機器人、地面遙控、煤巖分界識別技術(shù)和先進(jìn)井下導(dǎo)航系統(tǒng)為依托的無人開采系統(tǒng)，井下供電和運輸遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控的動力保障系統(tǒng)，以及井下安全監(jiān)控、人員定位和視頻監(jiān)控的聯(lián)動保障系統(tǒng)等。

5　結(jié)　　語

我國煤炭工業(yè)信息化經(jīng)過近幾年的發(fā)展已取得了初步建設(shè)成果，安全避險六大系統(tǒng)、高速通訊網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施已基本建成，但仍然存行業(yè)統(tǒng)籌規(guī)劃整體性缺乏、大數(shù)據(jù)分析利用欠缺、及監(jiān)測監(jiān)控統(tǒng)一集成化平臺與自動化控制等關(guān)鍵技術(shù)薄弱等問題。天地王坡煤礦以三維綜合管理平臺、安全生產(chǎn)管控平臺和三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺為架構(gòu)，以信息數(shù)字化、生產(chǎn)過程虛擬化、管理控制一體化與決策處理集成化為基礎(chǔ)的示范工程，對推動我國數(shù)字化礦山的發(fā)展具有一定的意義。隨著技術(shù)的進(jìn)步和管理理念的創(chuàng)新，在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，應(yīng)繼續(xù)深入研究大數(shù)據(jù)私有云、礦井大型設(shè)備健康診斷技術(shù)、采礦仿真模擬系統(tǒng)和高性能采礦設(shè)備等基礎(chǔ)性支撐技術(shù)，將數(shù)字化礦山向以礦山安全隱患辨識評判的感知礦山、以及少人化或無人化開采的智能礦山邁進(jìn)［9］，真正實現(xiàn)建設(shè)安全、高效、綠色、低耗、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)型礦井的目標(biāo)，全面提升我國數(shù)字化礦山建設(shè)的水平。

參考文獻(xiàn):

［1］僧德文，李仲學(xué)，張順堂，等．?dāng)?shù)字礦山系統(tǒng)框架與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．金屬礦山，2005(12):47－50．Seng Dewen，LiZhongxue，ZhangShuntang．Frameworkand key techniques for digital mine operation system［J］．Metal Mine，2005(12):47－50．

［2］盧新明，尹紅．?dāng)?shù)字礦山的定義、內(nèi)涵與進(jìn)展［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(1):48－52．Lu Xinming，Yin Hong．Definition，connotations and progress of digital mine［J］．Coal Science and Technology，2010，38(1):48－52．

［3］吳立新．中國數(shù)字礦山進(jìn)展［J］．地理信息世界，2008，6(5):6－13． Wu Lixin．Progress of digital mine in China［J］．Geomatics World，2008，6(5):6－13．

［4］吳立新，殷作如，鐘亞平．再論數(shù)字礦山:特征、框架與關(guān)鍵技術(shù)［J］．煤炭學(xué)報，2003，28(1):1－7．Wu Lixin，Yin Zuoru，Zhong Yaping．Again on digital mine:Features，framework and key technologies［J］．Journal of China Coal Society，2003，28(1):1－7．

［5］吳沖龍，田宜平，張夏林，等．?dāng)?shù)字礦山建設(shè)的理論與方法探討［J］．地質(zhì)科技情報，2011，30(2):102－108．Wu Chonglong，Tian Yiping，Zhang Xialin，et al．Discuss on the theory and method about construction of the digital mine［J］．Geological Science and Technology Information，2011，30(2):102－108．

［6］孫繼平．煤礦物聯(lián)網(wǎng)特點與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．煤炭學(xué)報，2011，36(1):167－171．Sun Jiping．Research on characteristics and key technology in coal mine internet of things［J］．Journal of China Coal Society，2011，36(1):167－171．

［7］王李管，曾慶田，賈明濤．?dāng)?shù)字礦山整體實施方案及其關(guān)鍵技術(shù)［J］．采礦技術(shù)，2006，6(3):493－498．Wang Liguan，Zeng Qingtian，Jia Mingtao．Integral implementation scheme and key technologies for digital mine［J］．Mining Technology，2006，6(3):493－498．

［8］李白萍，趙安新，盧建軍．?dāng)?shù)字化礦山體系結(jié)構(gòu)模型［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，27(6):829－831．Li Baiping，Zhao Anxin，Lu Jianjun．System structural model of digitized mine［J］．Journal of Liaoning Technical University(Natural Science)，2008，27(6):829－831．

［9］孫繼平．煤礦安全生產(chǎn)理念研究［J］．煤炭學(xué)報，2011，36(2): 313－316．Sun Jiping．Research on coal-mine safe production conception［J］．Journal of China Coal Society，2011，36(2):313－316．

中圖分類號:TD67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1323－09

收稿日期:2016－04－01修回日期:2016－05－30責(zé)任編輯:畢永華

作者簡介:王金華(1957—)，男，河北衡水人，研究員。Tel:010－84263196，E－mail:wangjinhua@ccteg．cn

Crucial technology research and demonstration of digital mines

WANG Jin-hua1，2，WANG You-gang3，F(xiàn)U Jun-hao3
(1．China Coal Technology＆Engineering Group Co．，Ltd．，Beijing100013，China;2．China Coal Research Institute，Beijing100013，China;3．CCTEGE Energy Investment Co．，Ltd．，Beijing100013，China)

Abstract:This paper presents the current development of digital mines in China and overseas，including main issues for digital mine construction．The paper proposes the approach for digital mine project implementation and some unsolved relevance key technologies，such as high bandwidth reliable information transmission technology，digital security monitoring technology，the integrated management and control technology of safety and production process，three dimensional geologic body and real scene building technology，multiple system data fusion，and big data analysis and data mining technology in terms of coal mines，etc．The paper presents a demonstrative project of Tiandi Wangpo digital mine to show its research achievements and application outcomes．In addition，the paper proposes the future development direction and key research topics for digital mine construction．

Key words:digital mine;framework model;security control;3D visualization;demonstration mine