滑 舸
(江西省自然資源廳國土資源交易中心技術(shù)部,江西 南昌 330025)
目前智慧礦山已經(jīng)大幅減少了礦難事故,但仍有很多不便之處,所以智慧礦山的系統(tǒng)工程與技術(shù)依然值得探討。
(1)智慧礦山的相關(guān)概念與發(fā)展歷程。智慧礦山在2009年就已由溫家寶總理提出,類似的又有自動(dòng)化礦山、數(shù)字礦山、感知礦山等諸多提法。其實(shí),這些提法所指的內(nèi)容基本上是一致的,只不過根據(jù)當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展、普及水平而各有側(cè)重。礦山起初開啟的是自動(dòng)化建設(shè),從單機(jī)自動(dòng)化開始,逐漸升級(jí)為個(gè)別生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化,直到建成了工業(yè)以太網(wǎng)、綜合集成的自動(dòng)化平臺(tái),成為數(shù)字化的礦山;接著,我國礦山發(fā)展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),礦山有了感知災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備健康狀況、礦工周圍安全的能力,成為了感知礦山;2018年的《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》又將數(shù)字礦山的四維地理信息,感知礦山的泛在網(wǎng)、分布式感知,以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、計(jì)算機(jī)軟件及網(wǎng)絡(luò)、虛擬化等技術(shù)整合進(jìn)來,以實(shí)現(xiàn)傳感感知、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通信、智能決策等功能[1]。此外,礦山所在的企業(yè)也需要包括財(cái)務(wù)管理等經(jīng)營管理功能的智慧決策系統(tǒng)平臺(tái)。
(2)智慧礦山的現(xiàn)存問題與不足。①缺乏數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。建設(shè)智慧礦山,必然涉及礦山中的許多數(shù)據(jù),但是種類繁多的智慧礦山系統(tǒng)之間并沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)據(jù)描述、存儲(chǔ)格式、分類編碼、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、傳輸協(xié)議、通信接口、信息集成方式等方面都有較大差異[2],這就導(dǎo)致各個(gè)智慧礦山系統(tǒng)無法充分共享數(shù)據(jù)。②缺乏多專業(yè)交叉集成平臺(tái)。智慧礦山涉及多個(gè)專業(yè)門類,既有礦山中需要的采礦、地測、安全、機(jī)電、通信、管理,也有企業(yè)經(jīng)營管理中需要的管理、財(cái)務(wù)、決策支持,等等。然而,各個(gè)智慧礦山系統(tǒng)的廠家往往只專注于自家擅長的領(lǐng)域,管理機(jī)械的只管機(jī)械,監(jiān)測環(huán)境的只管環(huán)境,管理人員的只管人員,管理財(cái)務(wù)的只管財(cái)務(wù),導(dǎo)致各專業(yè)的數(shù)據(jù)無法整合利用,不能幫助采礦企業(yè)做決策[3]。③輕視軟件開發(fā)。以煤炭行業(yè)的信息化礦山建設(shè)為例,投資中的70%用于硬件,而軟件只得到了20%的投資。這種輕視軟件開發(fā)的情況難以滿足礦山實(shí)際生產(chǎn)中的需求。④缺乏總體規(guī)劃。我國大型礦山企業(yè)往往分為集團(tuán)總部、各分公司、各礦井3個(gè)層級(jí),其信息化建設(shè)中用到的系統(tǒng)十分零散,存在大量重復(fù)投資;而且各個(gè)系統(tǒng)互不兼容,導(dǎo)致數(shù)據(jù)停留在各個(gè)子系統(tǒng)中,組成了一個(gè)又一個(gè)的“信息孤島”。
(3)監(jiān)測參數(shù)不足。智慧礦山必須具備感知能力,然而傳感器價(jià)格較高,很難在所有環(huán)節(jié)、所有設(shè)備上安裝;而且傳感器需要維護(hù)保養(yǎng),否則就會(huì)提供錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)或警報(bào)。作為補(bǔ)充,礦山中還有監(jiān)控視頻、監(jiān)控音頻、人工數(shù)據(jù),但是不同類型的數(shù)據(jù)缺乏整合分析。
(1)系統(tǒng)設(shè)備層。智慧礦山系統(tǒng)首先要感知、采集數(shù)據(jù),因此智慧礦山系統(tǒng)的最底層應(yīng)包括與礦山生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)過程監(jiān)測相關(guān)的各種傳感器、監(jiān)控視頻、監(jiān)控音頻,比如粉塵、煙霧、水、氣等的監(jiān)測設(shè)備,為智慧礦山提供原始數(shù)據(jù);另一方面,這也是執(zhí)行各類操作的地方,因此也有包括掘進(jìn)、開采、機(jī)電、探測等設(shè)備的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。由此可見,設(shè)備層在智慧礦山中關(guān)乎礦山人員的安全,是非常重要的一層。
(2)傳輸與匯接層。智慧礦山的原始數(shù)據(jù),都需要經(jīng)無線、有線的網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)以太網(wǎng),傳輸?shù)椒治鎏幚頂?shù)據(jù)主機(jī)或機(jī)房,因此網(wǎng)絡(luò)傳輸層應(yīng)覆蓋整個(gè)礦山。主機(jī)接到數(shù)據(jù)后,需要處理各個(gè)類型的接入方式、接入?yún)f(xié)議。比如,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)用消息隊(duì)列遙測傳輸處理,傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)用Modbus和OPC處理,而自定義ETL組件或開源工具Sqoop可以處理文本類型的以及傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù),等等。最后,Hadoop分布式文件系統(tǒng)可以用來保存這些數(shù)據(jù)。保存時(shí),應(yīng)區(qū)分非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。
(3)數(shù)據(jù)分析層。由于智慧礦山中的數(shù)據(jù)量非常大,而且結(jié)構(gòu)各不相同,需要多種數(shù)據(jù)分析方法、分析組件,所以,可以增加基于Docker技術(shù)的容器層,從而在統(tǒng)一基礎(chǔ)計(jì)算平臺(tái)中同時(shí)運(yùn)行多種異構(gòu)分析業(yè)務(wù)應(yīng)用。其上,大規(guī)模并行處理之類的數(shù)據(jù)分析工具(比如Teradata、Greenplum)能夠處理高密度價(jià)值的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù);Hadoop框架的上層組件Hive、Impala能夠分析半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù);而實(shí)時(shí)流計(jì)算工具Storm、Spark Streaming能夠處理測控?cái)?shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。
(4)數(shù)據(jù)可視層。智慧礦山系統(tǒng)應(yīng)能夠用表格、統(tǒng)計(jì)圖等多種方式展現(xiàn)數(shù)據(jù),并且針對其中的異常數(shù)據(jù)發(fā)出警報(bào),以便礦山管理人員利用。礦山管理人員一般不懂得編程,因此數(shù)據(jù)的提取和查詢、報(bào)表的制作都應(yīng)盡可能簡單、可視化,還可以以三維技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)的形式展現(xiàn)。
(5)決策控制層。智慧礦山的最后一層應(yīng)能指揮礦山生產(chǎn)的所有環(huán)節(jié),所以功能有應(yīng)急救援、應(yīng)急演練、調(diào)度指揮通信、經(jīng)營管理決策,等等。本層可應(yīng)用人工智能技術(shù),不斷學(xué)習(xí)管理人員針對各種情況的決策,從而向管理人員推薦決策、預(yù)計(jì)決策的效果。
(1)三維激光掃描技術(shù)。測繪技術(shù)可用于建立三維礦山模型,因此是智慧礦山建設(shè)的重要技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)能夠高精度、高分辨率、自動(dòng)化、非接觸、實(shí)時(shí)、完整地掃描實(shí)物,在空間狹小昏暗的礦井巷道中非常實(shí)用,可以實(shí)現(xiàn)三維立體化的礦區(qū)管理、地下管理,準(zhǔn)確了解礦山工程進(jìn)度,重現(xiàn)礦井人員的真實(shí)位置,實(shí)現(xiàn)井下智能無人開采;還能更精確地監(jiān)測礦山變形,預(yù)報(bào)災(zāi)害,保障人員安全[4]。
(2)建筑信息模型技術(shù)。建筑信息模型(BIM)技術(shù)可用于各類工程的設(shè)計(jì)與管理。在智慧礦山中,BIM能夠指導(dǎo)、調(diào)整生產(chǎn)中的人員、設(shè)備安排,論證采掘、通風(fēng)、運(yùn)輸、照明、排水方案,快速計(jì)算各方案的可行性與所需投資,統(tǒng)計(jì)工程量;還能建立模型,預(yù)演災(zāi)害,減少地下災(zāi)害事故。
(3)異構(gòu)業(yè)務(wù)承載技術(shù)。智慧礦山中不同的設(shè)備有不同的數(shù)據(jù)格式,需要同時(shí)運(yùn)行多種數(shù)據(jù)分析組件,因此需要異構(gòu)業(yè)務(wù)承載技術(shù),即一個(gè)承載容器,如Docker。容器層之上對應(yīng)著各應(yīng)用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口,對內(nèi)封裝著不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)和操作,下面則統(tǒng)一管理基礎(chǔ)計(jì)算資源。由此可見,這種技術(shù)從邏輯上將各種處理功能打包起來了,相互隔離,互不影響,卻又共享計(jì)算資源。
智慧化的熱潮已經(jīng)在各行各業(yè)掀起來了。未來,礦山的作業(yè)中,一線作業(yè)人員將越來越少,礦山會(huì)越來越安全,采礦會(huì)越來越高效。