張亮華

(霍州煤電集團(tuán)，山西 霍州 031400)

0 引 言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦設(shè)備被應(yīng)用到了煤礦開采中。但煤礦的開采效率及設(shè)備的故障率相對較低，整體智能化遠(yuǎn)程控制能力較弱，且開采過程中存在較大的安全隱患[1]。以正利煤業(yè)為例，該煤礦雖已建設(shè)了基于Ifix組態(tài)軟件的煤礦綜合自動化系統(tǒng)平臺,但礦方各生產(chǎn)單位的控制系統(tǒng)還是分散管理，獨自運行，礦井原綜合自動化系統(tǒng)平臺還未能實現(xiàn)各子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，未能實現(xiàn)全礦的遠(yuǎn)程集中生產(chǎn)管控，目前全礦努力建設(shè)“無人值守，有人巡檢”的智慧礦山。大力開展煤礦智慧礦山的建設(shè)與發(fā)展，是當(dāng)前政府及企業(yè)重點推行的方向。為此，結(jié)合正利煤業(yè)特點，開展了該煤礦智慧礦山控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究，并對該控制系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用，得到該系統(tǒng)運行效果良好，功能更加全面，達(dá)到了預(yù)期效果，這對提高煤礦的開采效率及作業(yè)安全具有重要意義。

1 智慧礦山控制系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

智慧礦山將實現(xiàn)對井下安全監(jiān)測系統(tǒng)、110kV變電所系統(tǒng)、井下電力監(jiān)測系統(tǒng)、主井1#提升系統(tǒng)、主井2#提升系統(tǒng)、主通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、壓風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、洗煤廠監(jiān)測等系統(tǒng)融合和綜合集成[2]。通過動態(tài)可配置的組態(tài)畫面，系統(tǒng)可以實時動態(tài)展示主要生產(chǎn)流程，采煤、運輸、提升、洗選等等運行狀態(tài)，全面掌握井下主要作業(yè)地點的環(huán)境參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，方便安全生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行調(diào)度指揮和科學(xué)決策[3]。煤礦自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 煤礦自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

有計劃的建設(shè)智慧礦山智能管控平臺建設(shè)項目，進(jìn)一步提升正利煤業(yè)智能化程度，充分利用“一張圖”提供位置服務(wù)，實現(xiàn)地質(zhì)、測量、通風(fēng)、機(jī)電、采掘、技術(shù)等礦井各專業(yè)信息統(tǒng)一管理、動態(tài)更新、數(shù)據(jù)共享與協(xié)同工作；利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)礦井安全隱患智能感知與安全生產(chǎn)動態(tài)診斷，直接服務(wù)于正利煤業(yè)安全生產(chǎn)指揮與決策。

2 智慧礦山控制系統(tǒng)方案設(shè)計

智慧礦山整體架構(gòu)主要由感知執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、操作系統(tǒng)平臺層(MOS)和智能應(yīng)用APP層(AppStore)組成。該控制系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)和前后端分離技術(shù)進(jìn)行研發(fā)?？煽缙脚_部署各類后臺服務(wù)，供PC端、移動端采用BS架構(gòu)調(diào)用。系統(tǒng)部署在數(shù)據(jù)中心，可跨平臺部署各類后臺服務(wù)，供PC端、移動端采用BS架構(gòu)調(diào)用[4]。系統(tǒng)運行環(huán)境要求：需要9臺虛擬機(jī)，分別部署視頻服務(wù)器1臺，各類服務(wù)部署服務(wù)器2臺，應(yīng)用服務(wù)器2臺，數(shù)據(jù)采集及推送服務(wù)器2臺，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器2臺；CPU：Intel(R)Xeon(R)CPUE5-2650v4@2.60GHz/8核；內(nèi)存：16G；數(shù)據(jù)存儲容量按1T/年設(shè)計。同時，該控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)服務(wù)層：上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)技術(shù)服務(wù)，包括時空位置服務(wù)、可視化服務(wù)，由GIS平臺、組態(tài)化平臺、BI及報表工具、設(shè)計協(xié)同平臺組成。而應(yīng)用服務(wù)層：在數(shù)據(jù)服務(wù)層和基礎(chǔ)服務(wù)層提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上，為上層應(yīng)用提供業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，包括設(shè)計協(xié)同服務(wù)、業(yè)務(wù)流程服務(wù)以及大數(shù)據(jù)分析服務(wù)，由設(shè)計協(xié)同平臺、工作流引擎和大數(shù)據(jù)分析平臺組成。整個控制系統(tǒng)的框架圖如圖2所示。

圖2 智慧礦山控制系統(tǒng)框架圖

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計

3.1 主運輸智能管理分系統(tǒng)設(shè)計

主運輸智能管理分系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)基于視頻大數(shù)據(jù)AI分析技術(shù)，能夠通過視頻自動識別皮帶煤量、異物(錨桿、鋼板、大塊矸石)、堆煤等，對皮帶集控系統(tǒng)進(jìn)行智能化提升，包括皮帶智能調(diào)速、皮帶異物與堆煤等異常情況的保護(hù)停機(jī)等，形成一個智能化、多功能、全天候的動態(tài)安全智能閉環(huán)節(jié)電系統(tǒng)[5]。具有生產(chǎn)系統(tǒng)實時監(jiān)控、海量實時數(shù)據(jù)詳細(xì)列表查詢、海量工況數(shù)據(jù)實時分析、報警顯示及查詢、運輸系統(tǒng)繪制管理等功能。其中，平臺能夠?qū)缶畔⑦M(jìn)行實時管理，工作人員可通過平臺查看當(dāng)前報警信息，并通過歷史查詢功能對報警信息進(jìn)行分析及管理。

3.2 融合通信與調(diào)度分系統(tǒng)設(shè)計

融合通信與調(diào)度分系統(tǒng)設(shè)計是集煤礦井上下、通信設(shè)施(有線、無線)、通信終端(固定電話、語音廣播、移動終端)、人員等信息一體化管理，基于煤礦“一張圖”實現(xiàn)井上下調(diào)度的可視化管理[6]，調(diào)度平臺圖如圖3所示。該分系統(tǒng)具體功能如下。

圖3 融合通信與調(diào)度平臺圖

(1) 移動調(diào)度與指揮

智能調(diào)度系統(tǒng)已不僅局限在調(diào)度臺的統(tǒng)一調(diào)度，基于管控平臺的智能調(diào)度可基于手機(jī)、PAD等移動終端實現(xiàn)對井下生產(chǎn)的移動調(diào)度。

(2) 語音識別呼叫

智能調(diào)度在傳統(tǒng)的撥號通信的基礎(chǔ)上，引入語音自動識別的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)語音文字自動識別，實現(xiàn)語音呼叫功能。

(3) 一鍵群呼

能夠一鍵按鈕實現(xiàn)與分組下的人員、固定設(shè)備的一鍵群呼功能。

(4) 精準(zhǔn)定位與通信

基于一張圖的位置服務(wù)，將固定設(shè)備、移動設(shè)備等基于GIS地圖展現(xiàn)，實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)的精準(zhǔn)呼叫與可視化呼叫。

3.3 報警聯(lián)動與應(yīng)急指揮分系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)發(fā)生安全生產(chǎn)報警時，系統(tǒng)能立即啟動報警與聯(lián)動功能。故設(shè)計了一套報警聯(lián)動與應(yīng)急指揮分系統(tǒng)，其顯示界面如圖4所示。

圖4 報警聯(lián)動與應(yīng)急指揮分系統(tǒng)圖

具體功能如下。

(1) 聲光報警

根據(jù)報警點的位置自動搜索所在的區(qū)域，系統(tǒng)將在區(qū)域監(jiān)控模塊自動切換到報警所在區(qū)域，在一張圖上將報警點進(jìn)行精確定位，并以聲光報警的方式進(jìn)行展示與提醒。

(2) 數(shù)據(jù)融合

實現(xiàn)對報警所在區(qū)域的視頻、人員、環(huán)境監(jiān)控、廣播、生產(chǎn)自動化數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)等實時數(shù)據(jù)進(jìn)行融合展示，讓管理者和決策者實時掌握井下監(jiān)測報警的各類數(shù)據(jù)。

(3) 報警聯(lián)動

根據(jù)報警級別，系統(tǒng)能夠在最短的時間內(nèi)與融合通信與調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)一鍵呼叫、一鍵群發(fā)或自動群發(fā)；與人員定位系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)一鍵群發(fā)語音和震動或自動群發(fā)語音和震動，實現(xiàn)區(qū)域報警與聯(lián)動。

3.4 設(shè)備健康診斷分系統(tǒng)設(shè)計

在檢測設(shè)備相關(guān)參數(shù)后，通過特定的信號處理方法和故障診斷算法，實現(xiàn)煤礦大型機(jī)電設(shè)備管理的科學(xué)化、規(guī)范化、系統(tǒng)化、信息化，為設(shè)備的應(yīng)急控制和維修管理提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)，從而節(jié)約維修費用，避免重大事故發(fā)生。為此，設(shè)計了設(shè)備健康診斷分系統(tǒng)，其運行界面如圖5所示。該系統(tǒng)主要包括以下功能。

圖5 設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)查詢

(1) 在線監(jiān)測與實時智能診斷

系統(tǒng)通過采集大型機(jī)電設(shè)備振動、溫度、電參數(shù)信號，獲取設(shè)備運行狀態(tài)信息，利用信號識別和表征技術(shù)，實時定量診斷故障損傷部位和嚴(yán)重程度。

(2) 預(yù)警預(yù)報

可隨時掌握設(shè)備運行狀態(tài)，發(fā)生超限、故障時，可自動彈出報警類型、報警狀態(tài)、報警時間等，并可通過GIS模塊顯示設(shè)備空間地理位置。

(3) 數(shù)據(jù)查詢

以表格形式輸出報警記錄，可對機(jī)電設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，另外可進(jìn)行趨勢分析。

4 控制系統(tǒng)運行效果評價

為進(jìn)一步驗證該控制系統(tǒng)的綜合性能，將其在正利煤業(yè)智慧礦山建設(shè)中進(jìn)行了實際應(yīng)用。該系統(tǒng)在運行過程中，通過區(qū)域安全監(jiān)控，實現(xiàn)了井下區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、人員情況、視頻、廣播等進(jìn)行集成和融合；并將礦井通風(fēng)系統(tǒng)的三維動態(tài)可視化、通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)、故障動態(tài)報警等功能進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合；利用AI視頻分析技術(shù)自動發(fā)現(xiàn)井下異常情況、場景或行為，實現(xiàn)及時預(yù)警、報警，將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。據(jù)現(xiàn)場人員統(tǒng)計，該系統(tǒng)運行期間，各配套部件的故障率同比降低了60%左右，系統(tǒng)耗電量降低

40%左右，人員在整個環(huán)節(jié)中的勞動強(qiáng)度也大大降低。由此，提高了礦井安全生產(chǎn)、智能化的管理水平，改變了主運輸皮帶空載高速運轉(zhuǎn)以及“大馬拉小車”的狀態(tài)，大大提高了礦井突發(fā)事件應(yīng)急救援、應(yīng)急響應(yīng)能力，達(dá)到了預(yù)期效果，具備良好的安全效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

大力開展煤礦智慧礦山信息化、智能化的建設(shè)，將更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到煤礦開采中，是當(dāng)前煤礦企業(yè)面臨行業(yè)改革的重要方向和必經(jīng)之路。智慧礦山信息化程度的提高，不僅能提高煤礦的開采效率，實現(xiàn)對井下設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，也能降低設(shè)備故障率和能源消耗、減少作業(yè)人員數(shù)，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在智慧礦山建設(shè)中，由于每個煤礦地質(zhì)特點有所不同，故需進(jìn)行有針對性的控制系統(tǒng)設(shè)計及研究，所有指標(biāo)需達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求。該研究也對煤礦智慧礦山的建設(shè)起到了重要的指導(dǎo)及借鑒作用，實際價值較大。