劉安強(qiáng)，張碧川，劉 航，李 幸，邊 帥，李嫄源

（1.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.重慶梅安森科技股份有限公司，重慶 400050；3.重慶郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，重慶400065）

隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，對礦產(chǎn)資源的需求也逐年增大。與此同時，煤炭企業(yè)的安全性問題仍然嚴(yán)峻［1］。采礦活動引起的環(huán)境問題及管理問題日益凸顯。基于對經(jīng)濟(jì)高效、生態(tài)良性循環(huán)、資源利用效率提升的需求，社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展將是未來礦產(chǎn)資源開發(fā)的方向。隨著信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，信息技術(shù)正在社會的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，信息化和網(wǎng)絡(luò)化成為各行業(yè)的發(fā)展趨勢，并在具有決策能力的業(yè)務(wù)管理中發(fā)揮重要作用。采礦生產(chǎn)安全和技術(shù)管理中使用的信息應(yīng)用程序主要集中在地質(zhì)、測量、通風(fēng)、安全、礦山洪水和相關(guān)監(jiān)測方面［2］。近年來，眾多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都致力于在數(shù)字采礦系統(tǒng)中將安全生產(chǎn)管理專業(yè)化、集成化［3］。

傳統(tǒng)煤炭采礦行業(yè)在生產(chǎn)、管理等方面存在效率低、消耗高、生產(chǎn)安全性隱患大等問題。針對這種情況，從礦井機(jī)械化到自動化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變正在成為趨勢，有關(guān)未來礦井建設(shè)與實(shí)現(xiàn)方式的探索正在進(jìn)行［4－5］。如何合理地開發(fā)和利用有限的資源、尋求社會的可持續(xù)發(fā)展，已成為人類社會的共同關(guān)注焦點(diǎn)。因此，提高礦山企業(yè)的核心競爭力，提高生產(chǎn)效率就顯得尤為重要。國內(nèi)外許多礦業(yè)公司都在進(jìn)行礦井的數(shù)字化建設(shè)，例如辦公系統(tǒng)、動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、3D儲量估算和生產(chǎn)自動化系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)在提高礦井的生產(chǎn)能力、運(yùn)營效率、和生產(chǎn)安全等方面起著至關(guān)重要的作用［6］。伴隨著“新基建”加速，大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和第五代移動通信技術(shù)（5th generation mobile networks，5G）等現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用成為礦業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級的主要技術(shù)途徑。當(dāng)前，煤炭業(yè)已進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級的新階段，建設(shè)礦業(yè)智慧區(qū)是大勢所趨，結(jié)合智能生產(chǎn)和智能管理構(gòu)建綜合機(jī)械化的智慧管控平臺，形成具有融合分析的管控平臺，實(shí)現(xiàn)全方位、全感知、高效能礦區(qū)的智慧礦區(qū)［7］是發(fā)展目標(biāo)。

智慧礦井的發(fā)展是一個持續(xù)改進(jìn)的過程，從智能工作面和駕駛面到實(shí)現(xiàn)整個礦井管理的智能，最后到顛覆智能采礦技術(shù)的3個發(fā)展階段［8］。智慧礦井基于機(jī)械礦山和自動礦山的研究，通過集成自動化、信息管理和工程數(shù)字技術(shù)，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、空間信息技術(shù)、三維仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)信息技術(shù)［9］，對煤礦企業(yè)進(jìn)行基于認(rèn)知的采礦研究，以高效、安全、綠色采礦作為目標(biāo)，構(gòu)建高度智能、自動化、用戶友好的智慧礦井。在過去的十年中，由于煤炭開采技術(shù)和相關(guān)設(shè)備研究的迅速發(fā)展，極大提高了機(jī)械化和自動化程度，為智能開采提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)有40多個礦區(qū)執(zhí)行智能礦井建設(shè)計(jì)劃，大多數(shù)礦區(qū)仍處于機(jī)械化礦井階段和自動化礦山階段。對于少數(shù)進(jìn)入智慧礦井階段的煤礦公司，仍然存在許多未解決的問題［10］。

根據(jù)國家相關(guān)政策，未來將加快實(shí)現(xiàn)煤礦智能化，將智能安監(jiān)和智能生產(chǎn)整合起來構(gòu)建煤炭物聯(lián)網(wǎng)。計(jì)劃到2025年，大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦要基本實(shí)現(xiàn)智能化［11］。本文中以陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司的曹家灘礦井智能化項(xiàng)目為例，構(gòu)建以服務(wù)為導(dǎo)向的“智慧礦井”框架，并成功應(yīng)用于采礦業(yè)。探索數(shù)字化采礦的建設(shè)過程，并重新定位“智能礦”的概念［12－13］。

1 智慧礦井內(nèi)涵及建設(shè)原則

1.1 智慧礦井內(nèi)涵

智慧礦井是通過新一代信息技術(shù)推動礦井建設(shè)轉(zhuǎn)型升級，打造集地下開采、運(yùn)輸、管理等于一體的數(shù)字化、自動化生產(chǎn)體系，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)無人化、管理智能化，極大提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，具有高速度、大容量且能覆蓋全礦范圍和各節(jié)點(diǎn)的特性［14］。曹家灘智慧礦井建設(shè)基于礦井信息數(shù)據(jù)庫，充分利用人工智能，大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提供礦井智慧化生產(chǎn)管理技術(shù)平臺體系，支持生產(chǎn)運(yùn)營、綜合數(shù)據(jù)管控、融合監(jiān)測、地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）仿真、安全生產(chǎn)、三維可視。目的是充分利用新型信息技術(shù)，使得礦產(chǎn)資源開發(fā)更加有效和智能化，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)的目標(biāo)，最終提高資源利用效率［15－16］。

1.2 智慧礦井建設(shè)原則

在智慧礦井建設(shè)中堅(jiān)持理念創(chuàng)新推動、技術(shù)創(chuàng)新支撐，堅(jiān)持以網(wǎng)絡(luò)融合安全、信息互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享交換、功能協(xié)同聯(lián)動實(shí)現(xiàn)煤礦物聯(lián)網(wǎng)的全部功能需求。智慧礦井整體設(shè)計(jì)原則應(yīng)符合前瞻性、先進(jìn)性、可靠性、實(shí)用性和開放性。智慧礦井建設(shè)原則如下：

1）數(shù)據(jù)規(guī)范化原則?；诓芗覟┮延械牡V井信息資源，結(jié)合目前實(shí)際生產(chǎn)管理需要，標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化數(shù)據(jù)、系統(tǒng)開發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)曹家灘智慧礦井系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享以及系統(tǒng)之間的高度集成。

2）智能化原則。建設(shè)曹家灘煤礦系統(tǒng)，在滿足企業(yè)基本設(shè)施的基礎(chǔ)上，借助人工智能技術(shù)，利用智能化的理論方法和技術(shù)，使礦山建設(shè)達(dá)到真正的智能化，實(shí)現(xiàn)在業(yè)務(wù)及生產(chǎn)過程中的智能化分析、管理決策：①礦井主要生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化，并能實(shí)現(xiàn)無人值守；②采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)底層深度智能感知、信息高度融合、大數(shù)據(jù)挖掘和智能決策支持。

3）系統(tǒng)統(tǒng)一化原則。曹家灘智慧礦井系統(tǒng)綜合礦井管理、業(yè)務(wù)決策、辦公系統(tǒng)、動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、三維儲量估算和生產(chǎn)自動化系統(tǒng)等，是一個多技術(shù)、多理論、多學(xué)科的交叉綜合管理系統(tǒng)。在建設(shè)過程中應(yīng)統(tǒng)一各個子系統(tǒng)的系統(tǒng)框架，減少冗余功能模塊，實(shí)現(xiàn)智慧礦井系統(tǒng)“高內(nèi)聚、低耦合”的目標(biāo)。綜合自動平臺建設(shè)應(yīng)遵循“數(shù)字化、高速化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4）網(wǎng)絡(luò)通信原則。煤礦企業(yè)間由于不同的網(wǎng)絡(luò)通信之間為支持兼容接口，擁有不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口，導(dǎo)致通信協(xié)議之間不能很好兼容。鑒于此，曹家灘智慧礦井統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，解決智慧礦井中通信兼容問題。

2 智慧礦井總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能礦井的實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、控制技術(shù)和挖掘技術(shù)緊密相關(guān)。在信息資源龐大且復(fù)雜的條件下，需要找到高效、安全、綠色的工作解決方案，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)管理。通過收集實(shí)時數(shù)據(jù)，人工智能自主分析和學(xué)習(xí)以輔助智能應(yīng)用程序來構(gòu)建智能集成采礦平臺［17］。礦井綜合自動化建設(shè)總體架構(gòu)包括4層，分別為數(shù)據(jù)采集管理層、平臺服務(wù)層、業(yè)務(wù)層以及交互層，礦井負(fù)責(zé)綜合自動化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、平臺建設(shè)，建立數(shù)據(jù)共享中心，對數(shù)據(jù)采集、分析、開發(fā)利用，并實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)無人化、自動化。

針對曹家灘智慧礦井平臺開展面向服務(wù)的智慧礦井建設(shè)，根據(jù)監(jiān)管、運(yùn)行、維護(hù)等方面的不同需求，開放設(shè)計(jì)多種窗口的交互層架構(gòu)，并依次分類構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用方向；針對礦井運(yùn)營過程中真實(shí)存在的開采需求、設(shè)備管理和數(shù)據(jù)處理需求，配套合理的服務(wù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)中心。

如圖1所示，智慧礦井的總體架構(gòu)基于云計(jì)算架構(gòu)體系，該架構(gòu)支持業(yè)務(wù)系統(tǒng)的智能化管理、分析、預(yù)測和決策等功能。

圖1 智慧礦井總體架構(gòu)框圖

1）數(shù)據(jù)采集管理層：主要功能是進(jìn)行礦山信息數(shù)據(jù)的采集以及決策信息的執(zhí)行。該系統(tǒng)主要用于采集實(shí)時測量，生產(chǎn)和管理信息。數(shù)據(jù)收集完畢后，通過企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議輸入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，以標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行處理?？紤]到系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)共享，故礦井經(jīng)營管理、安全生產(chǎn)在線監(jiān)測管理、安全生產(chǎn)技術(shù)綜合管理、決策支持等將采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。智慧礦井的數(shù)據(jù)管理層中：①本層設(shè)備采集的數(shù)據(jù)主要包括礦井生產(chǎn)過程中實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、運(yùn)營數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)傳輸依靠高性能的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以及企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)；③構(gòu)建的智慧礦井?dāng)?shù)據(jù)庫功能包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析等，其結(jié)果通過控制層、傳輸層到達(dá)執(zhí)行層，完成對設(shè)備的控制、礦體的空間形態(tài)和屬性的修正。

2）平臺服務(wù)層：包括阿里云物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IOT）平臺、數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)中心。阿里云IOT平臺為曹家灘礦井系統(tǒng)提供三方系統(tǒng)的對接服務(wù)。數(shù)據(jù)中心層對礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提供相應(yīng)服務(wù)，例如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。業(yè)務(wù)中心層為曹家灘智慧礦井提供井下虛擬采礦、煤礦儲量估計(jì)和安全警告等服務(wù)，為礦井的業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的管理，并提供與業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的邊緣計(jì)算能力。

3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層：采用消息隊(duì)列管理、超文本傳輸協(xié)議（hypertext transfer protocol，HTTP）腳本技術(shù)和套接字Socket協(xié)議機(jī)制，通過網(wǎng)頁和移動端界面的形式展示曹家灘礦井在安全管控、生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)度協(xié)同和經(jīng)營管理等業(yè)務(wù)下的服務(wù)功能。例如，在智慧礦井不同業(yè)務(wù)場景中展現(xiàn)不同的功能，以接口和功能模塊的形式統(tǒng)一各子系統(tǒng)，同時滿足礦井在不同場景下的不同需求，完成曹家灘礦井?dāng)?shù)字化、高速化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求，滿足最終的智慧需求。

4）交互層：通過虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，對經(jīng)過處理的礦山信息利用固定或移動顯示設(shè)備進(jìn)行展示，最后顯示在指揮屏。

智能礦井通常由智能數(shù)據(jù)獲取、智能制造以及智能管理3個核心部分組成，由子系統(tǒng)之間以協(xié)同方式相互連接，從而有效、準(zhǔn)確地提高礦井的生產(chǎn)管理效率［18］。智慧礦井架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧礦井各模塊智能方向架構(gòu)框圖

1）數(shù)據(jù)智能獲取。包括2個部分：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸入與管理。數(shù)據(jù)采集將工人目前在礦井內(nèi)的實(shí)時位置、礦井設(shè)備運(yùn)行情況、監(jiān)測和控制的詳細(xì)信息等實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲和處理。數(shù)據(jù)輸入與管理采集的實(shí)時數(shù)據(jù)包括實(shí)時的礦井位置、設(shè)備運(yùn)行情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)等詳細(xì)信息等。由于數(shù)據(jù)存在多種形式，難以直接使用，因此需要在輸入前進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理，為后期數(shù)據(jù)分析做進(jìn)一步鋪墊。

2）智能制造。主要包括對礦井下真實(shí)情況的仿真。優(yōu)化模擬地下礦井，分析統(tǒng)計(jì)整個煤礦的生產(chǎn)能力、安全隱患等來提高生產(chǎn)效率，同時實(shí)現(xiàn)自動調(diào)度、設(shè)備的相互獨(dú)立以及安全預(yù)警。

3）智能管理。例如礦井下生產(chǎn)自動化、運(yùn)營效率、生產(chǎn)安全、成本管理?；谇?個部分所提供的各種礦山實(shí)時標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和預(yù)測，并利用決策工具為礦山工作人員提供決策信息，方便管理。

3 智慧礦井關(guān)鍵技術(shù)

針對智慧礦井的建設(shè)，提出了面向服務(wù)的四層式技術(shù)架構(gòu)。為解決服務(wù)運(yùn)營過程中存在的實(shí)際問題，結(jié)合相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建智能化平臺，與煤炭開發(fā)技術(shù)深度融合，開創(chuàng)綠色、安全、高效的發(fā)展新模式。

智慧礦井基于原始的數(shù)字結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合傳感技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理和智能計(jì)算現(xiàn)代采礦技術(shù)實(shí)現(xiàn)對真實(shí)煤礦的全面架構(gòu)［19］。例如生產(chǎn)、庫存、設(shè)備和人員的海量數(shù)據(jù)信息將在同一系統(tǒng)中進(jìn)行管理，這對平臺系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是極大的挑戰(zhàn)。但結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和深度分析技術(shù)，可以分類聚合數(shù)據(jù)流，運(yùn)用邏輯回歸技術(shù)剖析內(nèi)在規(guī)律，搭建智能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，使得礦山工作人員可以從系統(tǒng)中快速檢索所需信息和分析報告。智慧礦井關(guān)鍵技術(shù)體系架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智慧礦井關(guān)鍵技術(shù)體系架構(gòu)框圖

1）智慧礦井?dāng)?shù)據(jù)通信技術(shù)。由于煤礦收集的實(shí)時數(shù)據(jù)量巨大，為快速傳輸數(shù)據(jù)，需要制定統(tǒng)一的通信協(xié)議以及標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)傳輸格式，并確保數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性和可靠性。由于采礦環(huán)境的復(fù)雜性，強(qiáng)烈的電磁干擾和復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸會導(dǎo)致高速光纖網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋礦區(qū)。因此，基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信傳播技術(shù)，面向低速傳輸鏈路，高效數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度算法是對實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾芯績?nèi)容的改進(jìn)。

2）智慧礦井自動化采煤技術(shù)。目前，大部分企業(yè)已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化控制采煤技術(shù)。在智慧礦井構(gòu)建的自動化控制的采煤技術(shù)中，需要控制系統(tǒng)和采煤設(shè)備進(jìn)行連接，并自動下達(dá)指令，相關(guān)專業(yè)人員在操控環(huán)節(jié)把控達(dá)到智慧礦井的自動采礦服務(wù)，同時采取多種識別、記憶切割煤礦技術(shù)、遙感控制技術(shù)等。

3）智慧礦井空間信息技術(shù)。以GIS為核心的基礎(chǔ)空間信息技術(shù)快速實(shí)時地保證礦井下空間信息的獲取。根據(jù)空間信息技術(shù)，構(gòu)建礦山地理空間的基礎(chǔ)框架，并建立礦產(chǎn)資源綜合信息數(shù)據(jù)庫以及用于礦下綜合管理的公共管理平臺，并三維虛擬現(xiàn)實(shí)地面、礦山、礦體和巷道等真實(shí)場景，為采礦管理和遠(yuǎn)程礦山救援提供技術(shù)支持。

4）智慧礦井?dāng)?shù)據(jù)分析技術(shù)。采集器收集的大量實(shí)時礦山數(shù)據(jù)為信息存儲、管理和分析帶來巨大壓力。由于采礦環(huán)境的復(fù)雜性，需要充分利用大數(shù)據(jù)分析實(shí)時挖掘數(shù)據(jù)，并提供及時有效的智能管理和決策。目前，為避免礦井瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、土壓沖擊和其他礦井事故，需要建立對礦井進(jìn)行預(yù)測和預(yù)警的災(zāi)難監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全面安全監(jiān)測。

面對廣泛的數(shù)據(jù)信息，首先需要對其進(jìn)行聚類，以分辨其帶來的危害類型。K-Means被用作對智慧礦井生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析的算法［20］。根據(jù)獲取的礦井?dāng)?shù)據(jù)樣本之間的距離將其劃分為不同的簇，劃分規(guī)則是讓群集中的點(diǎn)緊密相連，并使群集之間的距離盡可能大。假設(shè)簇劃分為（C1，C2，…，Ck），目標(biāo)即為最小化平方誤差E：

其中μi是簇Ci的均值向量，表達(dá)式為：

通過啟發(fā)式的迭代求解方法，在無監(jiān)督情況下實(shí)現(xiàn)對大數(shù)據(jù)信息的分析決策。

5）智慧礦井人工智能技術(shù)。深度學(xué)習(xí)是人工智能的核心技術(shù)，使系統(tǒng)具有獨(dú)立更新及升級的能力［21］。為使采礦系統(tǒng)成為基于信息的智能統(tǒng)一體，智能礦井必須具備深度學(xué)習(xí)能力［22］。利用深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等人工智能理論方法和技術(shù)在礦區(qū)進(jìn)行的生產(chǎn)、運(yùn)營、安全監(jiān)控等應(yīng)用已逐步啟動。其中，事故預(yù)警等功能依賴于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬預(yù)測能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備類似大腦響應(yīng)機(jī)制的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過模擬神經(jīng)沖突的過程完成網(wǎng)絡(luò)的輸出和迭代進(jìn)化。

其中：θj表示神經(jīng)元的閾值；Netin為神經(jīng)元凈輸入，即對于第i個神經(jīng)元；xi為神經(jīng)元的輸入，輸入為對事故預(yù)警模型關(guān)鍵影響的自變量；wi為連接權(quán)值調(diào)節(jié)各個輸入量的占重比：

未來，可基于互聯(lián)網(wǎng)＋的云計(jì)算和大型數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行智能化的數(shù)據(jù)分析和信息挖掘，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過程中的決策制定；基于GIS的空間分析技術(shù)進(jìn)行信息挖掘，實(shí)現(xiàn)智能礦井的實(shí)時動態(tài)更新。

4 智慧礦井應(yīng)用

以曹家灘礦井智能化項(xiàng)目為例，其智能化包括與礦井安全生產(chǎn)密切相關(guān)的主要內(nèi)容。傳統(tǒng)礦區(qū)井口下采取安裝攝像頭的方式，對于實(shí)現(xiàn)實(shí)時安全、實(shí)時監(jiān)測有較大難度，井下工作有很大的安全隱患。智慧礦井系統(tǒng)基于面向服務(wù)的架構(gòu)（service-oriented architecture，SOA），應(yīng)用程序執(zhí)行時彼此獨(dú)立，全面利用相關(guān)先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦山礦井智能化，集成采礦企業(yè)的各平臺，實(shí)現(xiàn)礦井三維可視化、生產(chǎn)運(yùn)營可視化、綜合數(shù)據(jù)分析、融合監(jiān)測、安全生產(chǎn)管理等服務(wù)。曹家灘礦井智能化項(xiàng)目包括如下功能：

1）三維可視化。曹家灘智慧礦井對礦井下作業(yè)的設(shè)備以及人員生產(chǎn)過程的綜合信息進(jìn)行綜合展示，實(shí)時監(jiān)控礦井運(yùn)行情況和井下工況，平臺界面如圖4所示。

圖4 三維可視化平臺界面

運(yùn)用三維建模技術(shù)，對礦區(qū)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境進(jìn)行虛擬仿真建模，以三維模式模擬整個曹家灘礦井面貌，可放大或縮小進(jìn)入指定礦井區(qū)域：①曹家灘礦井全體設(shè)備，諸如礦井生產(chǎn)、維修、主電機(jī)、液壓站等，對其進(jìn)行三維虛擬展現(xiàn)；②三維應(yīng)急指揮演繹系統(tǒng)能對現(xiàn)場發(fā)生災(zāi)害進(jìn)行模擬，對災(zāi)害發(fā)生時的應(yīng)急措施匯總。利用安裝的攝像監(jiān)控獲取礦區(qū)真實(shí)情況，并將各設(shè)備的詳細(xì)信息展現(xiàn)在可視化平臺上，實(shí)時提供現(xiàn)場實(shí)際情況。③通過三維監(jiān)控和礦區(qū)高清監(jiān)控?cái)z像頭對整個礦山建立三維監(jiān)控和可視化平臺，在調(diào)度中心對整個礦山進(jìn)行數(shù)字化再現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)整個時段對整個礦山的展示。

2）生產(chǎn)運(yùn)營分析。依靠數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)整個曹家灘煤礦的生產(chǎn)能、銷售、安全隱患數(shù)據(jù)，實(shí)時更新生產(chǎn)煤礦產(chǎn)量、銷量，并在上述三維可視化圖形界面上予以標(biāo)注，準(zhǔn)確記錄礦井的生產(chǎn)運(yùn)營情況。生產(chǎn)運(yùn)營分析平臺界面如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)運(yùn)營分析平臺界面

3）綜合數(shù)據(jù)分析。針對前述的海量數(shù)據(jù)，結(jié)合后臺數(shù)據(jù)分析和處理的關(guān)鍵技術(shù)，對當(dāng)前曹家灘的進(jìn)尺量、銷量、主要設(shè)備運(yùn)行情況、煤流監(jiān)測系統(tǒng)、井下區(qū)域人員分布、礦井通風(fēng)、安全檢測等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，獲取實(shí)時生產(chǎn)情況以及礦井下機(jī)器設(shè)備作業(yè)的實(shí)時信息。同時，收集、處理和分析諸如歷史設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)過程、產(chǎn)量和效率等數(shù)據(jù)，并將其存儲在該平臺，如圖6所示。通過綜合數(shù)據(jù)中心得到礦井人力資源、生產(chǎn)、技術(shù)等方面的綜合數(shù)據(jù)。

4）融合監(jiān)測功能。①對礦井智能化子系統(tǒng)進(jìn)行全局化的集中統(tǒng)一式監(jiān)控和管理，將各集成子系統(tǒng)的信息統(tǒng)一存儲、管理、顯示在智能化集成統(tǒng)一平臺上，見圖7。②融合監(jiān)測平臺分別對主要監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備、人員、車輛、環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對人員、設(shè)備、廣播等實(shí)時GIS定位，準(zhǔn)確找到需要設(shè)備的GIS地點(diǎn)，掌握礦井生產(chǎn)作業(yè)的實(shí)際效率及執(zhí)行情況。③獲取礦井下設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行情況等詳細(xì)信息，并存儲采集的礦井?dāng)?shù)據(jù)。

圖7 融合監(jiān)測界面

5）安全生產(chǎn)功能。①展示井下GIS仿真圖，同時融合和穿透各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，更加直觀地查看各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)。②提供危險源智能預(yù)警與智能決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)危險源的智能預(yù)警以及基于風(fēng)險的減災(zāi)系統(tǒng)預(yù)警。通過實(shí)時在線監(jiān)測不同類型的危險源，使用危險源指數(shù)評估算法對各礦區(qū)的災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行實(shí)時在線評估，確定風(fēng)險的類型、等級和解決方案。③部署各種傳感器，實(shí)現(xiàn)對危險源危險指標(biāo)的實(shí)時監(jiān)控、分析和上傳。通過使用危害源災(zāi)難機(jī)制，對危害源風(fēng)險水平進(jìn)行實(shí)時智能分析，安全生產(chǎn)監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 安全生產(chǎn)監(jiān)控界面

5 結(jié)論

1）給出了智慧礦井的建設(shè)原則，設(shè)計(jì)具有采集管理層、平臺服務(wù)層、業(yè)務(wù)層以及交互層的智慧礦井總體架構(gòu)體系，指出智慧礦井建設(shè)過程中需要解決的關(guān)鍵理論問題及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。通過對智能控制、通信網(wǎng)絡(luò)、三維可視化、空間信息、大數(shù)據(jù)分析與挖掘、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)集成，構(gòu)建面向服務(wù)的智慧礦井，為完善智慧礦井架構(gòu)提供了新的解決思路。

2）將傳感技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理和智能計(jì)算現(xiàn)代采礦關(guān)鍵技術(shù)集成到礦井系統(tǒng)，完成了曹家灘礦井智能化項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了礦井多屬性數(shù)據(jù)的數(shù)字存儲、傳輸、表達(dá)和深度處理，并將這些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用于礦井生產(chǎn)過程中的管理和決策，實(shí)現(xiàn)了煤礦的安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和利潤，為提升礦井智慧化程度提供了新的實(shí)現(xiàn)方式。