暴 晶

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046600）

1 引言

智慧礦山的顯著標(biāo)志就是“無人”，實(shí)現(xiàn)采煤工作面無人作業(yè)、掘進(jìn)面無人作業(yè)、危險(xiǎn)場(chǎng)所無人作業(yè)、大型設(shè)備無人作業(yè)，直到整座礦山無人作業(yè)。煤炭企業(yè)智慧礦山建設(shè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全礦山、高效礦山和清潔礦山。山煤集團(tuán)霍爾辛赫智能礦山國(guó)家示范工程二期已通過了國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局組織的技術(shù)鑒定。該項(xiàng)目針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的需求，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為手段，以綜合自動(dòng)化為實(shí)施基礎(chǔ)，以智能化為重點(diǎn)研究方向，解決了在智慧礦山中的一批關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了霍爾辛赫煤礦的智能化開采，實(shí)踐應(yīng)用效果理想[1-3]。

2 霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 設(shè)備狀態(tài)感知系統(tǒng)

設(shè)備狀態(tài)感知系統(tǒng)主要包括：綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)、主煤流運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、主副井提升監(jiān)控系統(tǒng)、主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、排水監(jiān)控系統(tǒng)、35 kV 變電所監(jiān)控系統(tǒng)和井下變電所監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)霍爾辛赫煤礦具體情況，首先建設(shè)基于GIS 的井下配電網(wǎng)管理系統(tǒng)作為設(shè)備健康狀態(tài)感知系統(tǒng)的平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上添加通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)、水泵等設(shè)備的故障診斷。在井下變電所自動(dòng)化改造基礎(chǔ)上，采用Smallworld 對(duì)霍爾辛赫煤礦井下供電系統(tǒng)在GIS 中進(jìn)行建模、地理可視化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及配電網(wǎng)絡(luò)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電設(shè)備資產(chǎn)的管理與電網(wǎng)遙測(cè)數(shù)據(jù)的地理可視化。

2.2 煤礦通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)

煤礦通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)涉及數(shù)據(jù)多、信息量大、通風(fēng)信息參數(shù)和地點(diǎn)分散復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)?；魻栃梁彰旱V原有通風(fēng)監(jiān)控管理系統(tǒng)無法適應(yīng)現(xiàn)代煤礦通風(fēng)監(jiān)控管理系統(tǒng)發(fā)展的需要，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山數(shù)字化、信息化建設(shè)中的應(yīng)用和國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的重視，建設(shè)了基于云服務(wù)的煤礦通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)具有較大便利性?；魻栃梁彰旱V井下巷道建立測(cè)風(fēng)站近60 余個(gè)，局部通風(fēng)機(jī)20 個(gè)，各種風(fēng)門近40 個(gè)。

2.3 礦山三維展示系統(tǒng)

霍爾辛赫煤礦建設(shè)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智慧三維展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)以霍爾辛赫煤礦為基礎(chǔ)，建立一個(gè)三維礦山模型，然后以感知層獲得的各種實(shí)時(shí)信息為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)井下人員和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)、三維、動(dòng)態(tài)的模擬與展現(xiàn)。該系統(tǒng)軟件開發(fā)主要基于MFC、SQL Server2008 和OGRE三維引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景切換、人員車輛定位、攝像機(jī)漫游、人員查詢、車輛查詢、井下統(tǒng)計(jì)、人員報(bào)警、軌跡回放等多種主要功能。

2.4 礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

霍爾辛赫煤礦礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用井下分站接入方式，通過提供井下水壓監(jiān)測(cè)分站的IP 地址及通信協(xié)議，開發(fā)水壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議解析程序，實(shí)時(shí)采集各鉆孔水壓值，并存儲(chǔ)在機(jī)房數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。在智慧礦山大平臺(tái)中，構(gòu)建水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Web站點(diǎn)，將水壓數(shù)據(jù)通過列表與實(shí)時(shí)曲線方式進(jìn)行顯示，根據(jù)報(bào)警信息進(jìn)行同步報(bào)警，實(shí)現(xiàn)礦井水文的在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)架構(gòu)及接入方案如圖1。

圖1 礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)及接入方案

通過礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在礦井采掘工程圖中的水文孔附近實(shí)時(shí)顯示鉆孔當(dāng)前水壓、報(bào)警閾值信息，顯示當(dāng)前礦井靜壓水流量、水倉(cāng)排水量及根據(jù)公式計(jì)算的礦井涌水量。在地圖界面左側(cè)，顯示鉆孔水壓、礦井涌水量動(dòng)態(tài)曲線以及當(dāng)前報(bào)警信息。在系統(tǒng)菜單欄，提供報(bào)警閾值設(shè)置、用戶登錄配置與歷史記錄查詢，保證系統(tǒng)的安全性，提升系統(tǒng)使用靈活性與實(shí)用性。

2.5 信息集成交換系統(tǒng)

信息集成交換平臺(tái)是將煤礦所有安全生產(chǎn)、人員、設(shè)備、管理信息等復(fù)雜異構(gòu)信息在一個(gè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)存儲(chǔ)，在異構(gòu)條件下進(jìn)行聯(lián)通與共享，能夠使不同功能的應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)系起來，協(xié)調(diào)有序運(yùn)行。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將采集的感知信息及時(shí)處理并轉(zhuǎn)發(fā)給其他的服務(wù)器，從而保證信息動(dòng)態(tài)順暢的溝通。它處于信息采集與應(yīng)用服務(wù)之間，是信息交換的核心模塊。平臺(tái)資源監(jiān)管模塊負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)管理M2M 信息平臺(tái)中的各種軟硬件資源，確保通信系統(tǒng)有條不紊地工作。

2.6 智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)

智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)是將智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)子系統(tǒng)，如GIS、信息集成交換平臺(tái)、信息聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)、3DVR、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、基礎(chǔ)信息（人員、設(shè)備）等信息進(jìn)行統(tǒng)一管理的后臺(tái)支撐管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦人員設(shè)備基礎(chǔ)信息的管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智慧礦山相關(guān)的主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器及工作站的工作信息狀態(tài)。智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)包含信息查詢、信息管理、基本設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)4 部分。

3 霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統(tǒng)的應(yīng)用建設(shè)

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)、三維數(shù)字化控制技術(shù)、信息集成技術(shù)與綜合管理技術(shù)建設(shè)了霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統(tǒng)?；魻栃梁彰旱V智慧礦山系統(tǒng)主要包括通風(fēng)、排水、提升、運(yùn)輸、壓風(fēng)和供電等子系統(tǒng)，建設(shè)內(nèi)容、系統(tǒng)功能和特點(diǎn)如下所述。

3.1 系統(tǒng)建設(shè)分析

霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統(tǒng)的建設(shè)主要包括以下內(nèi)容：

第一，建立智能管控一體綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。對(duì)礦井六大子系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，建設(shè)3 個(gè)控制中心。

第二，建立基于三維可視化平臺(tái)的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。分別完成對(duì)地層、煤層、巷道的地質(zhì)建模和機(jī)電設(shè)備的幾何建模，整合礦井所有與綜合自動(dòng)化相關(guān)的機(jī)電設(shè)備場(chǎng)景。解決三維可視虛擬場(chǎng)景與實(shí)時(shí)系統(tǒng)無縫對(duì)接的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下監(jiān)控。

第三，實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)全息的整合。整合安全生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備所處地理環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行、視頻監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)、故障診斷、設(shè)備管理等信息，打通基本安全生產(chǎn)信息到?jīng)Q策信息之間信息流動(dòng)的關(guān)鍵一環(huán)，為機(jī)電設(shè)備的維護(hù)工作提供了新的思路，為生產(chǎn)流程優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，為礦井重大事故災(zāi)難應(yīng)急救援提供決策支持，對(duì)有效防止繼發(fā)性災(zāi)害發(fā)生、保障搶險(xiǎn)救援安全、提高應(yīng)急救援能力具有重大的意義。

霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統(tǒng)的建設(shè)從不同角度、不同層面上實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)的安全高效。（1）自動(dòng)化本身帶來了減人甚至無人，從本質(zhì)上避免了重大人員傷亡；通過優(yōu)化自動(dòng)化技術(shù)，從本質(zhì)上保持礦井生產(chǎn)的安全性。（2）采用三維虛擬模型及場(chǎng)景，取代了現(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)中的二維顯示，使系統(tǒng)信息更豐富，生產(chǎn)過程的監(jiān)控更加形象直觀，拉近了調(diào)度中心與生產(chǎn)環(huán)節(jié)間的距離，使無人值守成為可能。（3）通過建立全礦井的三維可視化全息系統(tǒng)，對(duì)礦井重大災(zāi)害的預(yù)測(cè)及預(yù)警提供決策支持。

3.2 系統(tǒng)功能

霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統(tǒng)的功能如下：

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能在三維環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)煤礦供電、排水、通風(fēng)、壓風(fēng)、運(yùn)輸、提升等主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和綜合管理有機(jī)結(jié)合，全方位直觀再現(xiàn)設(shè)備地理環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行、視頻監(jiān)控、維護(hù)、故障診斷、設(shè)備管理等全部信息。

（2）基于全息的綜合管理功能：系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。以通風(fēng)系統(tǒng)為例，根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)及當(dāng)前值，并結(jié)合井下風(fēng)速、溫度，確定合理的通風(fēng)量，與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)供風(fēng)。礦井重大災(zāi)害的救災(zāi)、避災(zāi)。

4 應(yīng)用效果分析

霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統(tǒng)建設(shè)取得成效：

（1）實(shí)施了多個(gè)生產(chǎn)子系統(tǒng)的自動(dòng)化改造并構(gòu)建了智能管控一體化的新型網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，工作量大，效果顯著；完成了霍爾辛赫煤礦井上下12 個(gè)變電所、2 個(gè)水平的泵房、雙風(fēng)井雙風(fēng)機(jī)以及壓風(fēng)機(jī)房的自動(dòng)化升級(jí)改造任務(wù)，實(shí)現(xiàn)上述生產(chǎn)系統(tǒng)的無人值守；建立了兩級(jí)調(diào)度、三個(gè)控制中心、分布式分級(jí)冗余控制體系，并接入主副井提升和帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)；以礦調(diào)度指揮控制中心為主，以排水供電控制中心和通風(fēng)、壓風(fēng)、提升、帶式輸送機(jī)控制中心為輔，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井生產(chǎn)及安全等系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。

（2）實(shí)現(xiàn)了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的三維可視化，項(xiàng)目利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立礦井基于地理信息系統(tǒng)的地層、巷道、生產(chǎn)系統(tǒng)以及機(jī)電設(shè)備等的三維虛擬模型，使操作與管理人員不需要親自深入井巷工作面，在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或者控制臺(tái)上就可以對(duì)整個(gè)礦區(qū)漫游，深入到井上下依托真實(shí)地理信息的生產(chǎn)系統(tǒng)各個(gè)虛擬場(chǎng)景中；礦井安全生產(chǎn)系統(tǒng)的三維可視化監(jiān)控平臺(tái)，整合供電、排水、通風(fēng)、壓風(fēng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)以及主副井提升、帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)冉尤胂到y(tǒng)，使監(jiān)控人員能夠與現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行“身臨其境”的交互。

（3）建立了礦井安全生產(chǎn)統(tǒng)一信息平臺(tái)，整合了礦井生產(chǎn)全部信息，消除內(nèi)部信息孤島。在此三維全息平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了礦井安全生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合管理功能，對(duì)下有效提升了各子系統(tǒng)的協(xié)作水平，對(duì)上為安全生產(chǎn)科學(xué)決策提供支持，為全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦山奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（4）霍爾辛赫煤礦智慧礦山運(yùn)營(yíng)實(shí)施以來，撤銷礦井地面設(shè)備、井下機(jī)電硐室的崗位工并合并有關(guān)機(jī)構(gòu)，減少崗位工和管理人員40 人，平均每人工資及職工福利按5 萬(wàn)元/人年計(jì)算，每年減少支出200 萬(wàn)元；實(shí)現(xiàn)礦井機(jī)電設(shè)備工況在線監(jiān)測(cè)，實(shí)施故障診斷，提高設(shè)備的開車率和運(yùn)行效率；平均每年多生產(chǎn)原煤20×104t，每年煤礦增加產(chǎn)值450 元×20×104t=9000 萬(wàn)元；由于優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)集中控制，減少設(shè)備的空運(yùn)時(shí)間，提高了設(shè)備運(yùn)行效率，降低了電耗，每年節(jié)約電費(fèi)200 萬(wàn)元左右，有效地提高了井下安全保障，減少了事故發(fā)生率，減少了傷亡補(bǔ)助100 萬(wàn)元。