候雪嬌 山東東山新驛煤礦有限公司

引言：互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分支之一的煤炭行業(yè)，經(jīng)過30多年的發(fā)展已經(jīng)邁入了信息化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展進(jìn)程，目前正在以“智慧礦山”的名義形成煤炭工業(yè)領(lǐng)域智能化解決方案，從而落地工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)先進(jìn)技術(shù)。煤炭行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者們已經(jīng)針對(duì)智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)、架構(gòu)體系和平臺(tái)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了長期的研究，并在一些示范礦井取得了較為顯著的成績。

一、智能化煤礦建設(shè)目標(biāo)和任務(wù)

在機(jī)械化、電氣化和自動(dòng)化之后，以智能化為代表的第四次工業(yè)革命已開始深刻改變工業(yè)模式，煤礦已由傳統(tǒng)的“人－機(jī)”二元架構(gòu)升級(jí)為“物理空間－數(shù)字空間－社會(huì)空間”的三元世界。智能化煤礦的建設(shè)過程與三元世界的統(tǒng)一過程相輔相成，其最終的建設(shè)目標(biāo)是以“礦山即平臺(tái)”的頂層設(shè)計(jì)理念支撐全球領(lǐng)先的智慧礦山實(shí)踐，以時(shí)空全方位“實(shí)時(shí)化、交互化、智慧化、標(biāo)準(zhǔn)化”為主線，建設(shè)“創(chuàng)新礦山、融智礦山、生態(tài)礦山”，實(shí)現(xiàn)“物質(zhì)流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化協(xié)同，構(gòu)建以人為本的智能生產(chǎn)與生活協(xié)調(diào)運(yùn)行的綜合生態(tài)圈。

二、煤炭開采的數(shù)據(jù)源構(gòu)成

目前我國煤炭工業(yè)已進(jìn)入機(jī)械化、智能化階段，很多煤礦開采設(shè)備都具備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集功能，良好的采礦環(huán)境，需要同時(shí)運(yùn)行探測(cè)、通風(fēng)、排水、防火、供電、采礦、運(yùn)輸?shù)冉賯€(gè)子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)采集構(gòu)成了智慧煤礦或精準(zhǔn)開采系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)。在煤礦日常生產(chǎn)中每天還會(huì)產(chǎn)生數(shù)以TB量級(jí)的圖片、文本、視頻、音頻等類型的連續(xù)或離散的數(shù)據(jù)。在沒有實(shí)現(xiàn)全域數(shù)字化或智慧化前，這些數(shù)據(jù)基本上是孤立的，每個(gè)子系統(tǒng)為信息孤島。

三、煤礦大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

（一）智能化煤礦獲取與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息縱向貫通、橫向共享的基礎(chǔ)，將直接關(guān)系到智能化煤礦各應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享、系統(tǒng)集成與信息聯(lián)動(dòng)的成功與否，是進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的前提條件。如前所述煤礦數(shù)據(jù)特征，其重要特征是與煤礦空間位置特征產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。基于這一聯(lián)系，化工領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集的位號(hào)標(biāo)準(zhǔn)已較為成熟。因此筆者參考現(xiàn)有位號(hào)標(biāo)準(zhǔn)及煤礦實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域的位號(hào)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以解決數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及管理問題。

（二）大數(shù)據(jù)平臺(tái)軟件關(guān)鍵技術(shù)

1.復(fù)雜指標(biāo)的增量計(jì)算。煤炭開采中有計(jì)數(shù)、求和、平均值等計(jì)算，有指標(biāo)、狀態(tài)查詢等簡單計(jì)算，也有傳感器數(shù)據(jù)融合決策的方差、標(biāo)準(zhǔn)差等復(fù)雜計(jì)算，有多維度、長時(shí)間和多次的重新計(jì)算等，這些計(jì)算會(huì)占用更多的資源。

2.基于分布式內(nèi)存的并行計(jì)算。在煤炭開采中，基于各類傳感器的信息融合存儲(chǔ)策略會(huì)大量占有內(nèi)存，如果沒有合適的數(shù)據(jù)調(diào)度策略，會(huì)影響系統(tǒng)的內(nèi)存使用效率。

（三）大數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)器關(guān)鍵技術(shù)

1.搭建集群結(jié)點(diǎn)數(shù)。煤炭開采環(huán)境比較分散、數(shù)據(jù)源來源復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高，我國煤炭開采信息化經(jīng)多年發(fā)展已逐步積累了許多硬件設(shè)施，因此，該平臺(tái)擬建成分布式平臺(tái)。由于原來的服務(wù)器都是獨(dú)立工作，為了數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，需將原有獨(dú)立工作的服務(wù)器集群。在集群中每個(gè)服務(wù)器都是一個(gè)結(jié)點(diǎn)，選擇服務(wù)器時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)前集群中使用的煤炭精確開采業(yè)務(wù)場(chǎng)景來確定。結(jié)點(diǎn)越多，集群的運(yùn)行性能就越好，但成本也越高。每個(gè)服務(wù)器集群至少需要4臺(tái)服務(wù)器，其功能:記錄煤炭開采的全部數(shù)據(jù)分布狀況及平臺(tái)運(yùn)行進(jìn)程;用于突發(fā)情況下數(shù)據(jù)恢復(fù)的備份服務(wù)器;存儲(chǔ)實(shí)際數(shù)據(jù);記錄應(yīng)用軟件的運(yùn)行的日志。現(xiàn)有的煤炭開采過程信息化的應(yīng)用系統(tǒng)都配置了服務(wù)器，可將這些服務(wù)器集群，以此減少投資，提升效益。

2.集群環(huán)境中服務(wù)器選擇。根據(jù)服務(wù)用途完成服務(wù)器內(nèi)存、CPU、網(wǎng)卡配置。（1）服務(wù)器內(nèi)存的計(jì)算；（2）服務(wù)器CPU的選擇。

（四）基于人工智能的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

1.基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。煤礦工業(yè)場(chǎng)景以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主，強(qiáng)調(diào)時(shí)序性。針對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)于歷史數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)與分類以及對(duì)于未來數(shù)據(jù)的狀態(tài)預(yù)測(cè)是其關(guān)鍵。針對(duì)這一問題，采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)與泛化，在煤礦數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方面具有較強(qiáng)的適用范圍。筆者以綜采工作面礦壓數(shù)據(jù)為例，提出其數(shù)據(jù)處理與預(yù)測(cè)方法。LSTM(LongShort－TermMemory)長短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種。LSTM模型主要由遺忘門、更新門及輸出門組成。進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)首先對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將每組數(shù)據(jù)歸一化到(－1，1)區(qū)間中。之后將待處理數(shù)據(jù)按時(shí)間步轉(zhuǎn)化為序列，將數(shù)據(jù)迭代輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練。

2.基于知識(shí)工程的態(tài)勢(shì)感知與推理。煤礦大數(shù)據(jù)平臺(tái)向下實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的接入、集成和融合，向上為各種煤礦智能化APP開發(fā)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，打通感知數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)智能應(yīng)用之間的屏障。通過煤礦大數(shù)據(jù)平臺(tái)使多源數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合以及關(guān)聯(lián)分析，從而在全局視角實(shí)現(xiàn)識(shí)別、決策以及控制。

結(jié)語：根據(jù)煤礦控制實(shí)時(shí)性與安全性要求，智能化煤礦應(yīng)采用“云邊端”數(shù)據(jù)處理架構(gòu)和3層遞階控制策略，在此基礎(chǔ)上對(duì)煤礦智能化應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，用數(shù)據(jù)為礦山賦能，實(shí)現(xiàn)全礦井生產(chǎn)管理智能化運(yùn)行。