張 偉
(晉能控股煤業(yè)集團(tuán),山西 大同 037000)
晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山礦位于山西省大同煤田東翼中東部邊緣地帶,距大同市約30 km。井田東西走向長(zhǎng)度17.22~20.84 km,平均24.3 km,南北傾斜寬度9.36~12.56 km,平均11.7 km,井田面積為168.88 km2。塔山礦為同煤集團(tuán)第一個(gè)開(kāi)采石炭系特厚煤層的千萬(wàn)噸級(jí)礦井,礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)能15 Mt/a,服務(wù)年限140 a。
塔山礦結(jié)合礦山生產(chǎn)設(shè)備管理以及安全生產(chǎn)的具體需求,圍繞礦山設(shè)備協(xié)同管控、在線診斷及安全生產(chǎn)智能調(diào)度的理論、技術(shù)和方法,研究基于云平臺(tái)的礦山設(shè)備協(xié)同管控、在線診斷及安全生產(chǎn)智能調(diào)度的系統(tǒng)架構(gòu)與集成開(kāi)發(fā)技術(shù);按照礦山“人、機(jī)、環(huán)”的異構(gòu)資源與各類服務(wù)的統(tǒng)一描述方法和安全判識(shí)準(zhǔn)則,建立基于云交互平臺(tái)的設(shè)備協(xié)同管控、在線診斷與智能調(diào)度的服務(wù)系統(tǒng),為該煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程在線診斷與智能調(diào)度綜合服務(wù)[1-2]。
塔山礦設(shè)備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)主要是從設(shè)備協(xié)調(diào)管控系統(tǒng)、安全生產(chǎn)智能調(diào)度、煤流運(yùn)輸設(shè)備在線診斷、大型機(jī)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)集成展示五個(gè)方面進(jìn)行建設(shè)。
設(shè)備協(xié)同管控系統(tǒng)主要包含四部分,主煤流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、協(xié)同管控模型、模型訓(xùn)練、歷史記錄四個(gè)部分。
協(xié)同管控模型:將底層復(fù)雜的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)形式統(tǒng)一封裝成上層抽象資源;將設(shè)備管理與生產(chǎn)管理相結(jié)合;將每一個(gè)設(shè)備管理層次視作一個(gè)設(shè)備智能協(xié)同管控模塊;將物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中礦山生產(chǎn)設(shè)備的各種時(shí)間和空間功能服務(wù)與信息服務(wù),按照業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行流程組合與任務(wù)編排,從而建立礦山物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)設(shè)備多級(jí)協(xié)同管控模型。
模型訓(xùn)練:利用煤流運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行信息、設(shè)備故障信息、環(huán)境安全信息等各方面的歷史數(shù)據(jù),通過(guò)多智能體學(xué)習(xí)訓(xùn)練,生成設(shè)備協(xié)同管控模型;將設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后輸入到訓(xùn)練好的設(shè)備協(xié)同管控模型,實(shí)現(xiàn)在線智能決策,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)協(xié)同管控任務(wù)調(diào)度,如圖1。
圖1 協(xié)同管控模型訓(xùn)練示意圖
面向多生產(chǎn)場(chǎng)景的礦山安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)是在生產(chǎn)資源模型和生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建智能調(diào)度算法,為塔山礦井下安全生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度輔助決策提供參考。
塔山礦煤流運(yùn)輸設(shè)備在線診斷系統(tǒng)主要包括一部皮帶系統(tǒng)和二部皮帶系統(tǒng)。分析界面主要包含核心傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)實(shí)時(shí)的健康狀態(tài)、實(shí)時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率,并統(tǒng)計(jì)了一段時(shí)間內(nèi)的健康狀態(tài)。皮帶檢測(cè)算法模型如圖2。
圖2 皮帶檢測(cè)算法模型示意圖
2.4.1 通風(fēng)機(jī)
塔山礦主通風(fēng)系統(tǒng)分析界面分為兩部分:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和風(fēng)機(jī)狀態(tài)分析。其中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面,用戶通過(guò)左側(cè)模型樹(shù)定位具體的部件模型,并同時(shí)顯示該部件傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。風(fēng)機(jī)狀態(tài)分析界面,主要通過(guò)圖表的分析展示了風(fēng)機(jī)的核心傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。系統(tǒng)10 s計(jì)算一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況,并實(shí)時(shí)更新知識(shí)界面。塔山礦主通風(fēng)電機(jī)故障診斷模型如圖3。
圖3 主通風(fēng)電機(jī)故障診斷模型示意圖
2.4.2 提升機(jī)
提升機(jī)的界面主要包含了基本的傳感器數(shù)據(jù)以及實(shí)施的穩(wěn)態(tài)工況,直觀地表達(dá)出當(dāng)前提升機(jī)的健康狀態(tài)以及能量轉(zhuǎn)換效率。提升機(jī)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)故障分析診斷模型如圖4。
圖4 提升機(jī)故障分析診斷模型
應(yīng)用系統(tǒng)集成展示主要包括以下幾方面:(1)定時(shí)任務(wù)管理:定時(shí)任務(wù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)處理的定時(shí)執(zhí)行;(2)緩存管理:緩存管理將系統(tǒng)經(jīng)常使用的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存中,便于前端展示界面實(shí)時(shí)調(diào)用;(3)數(shù)據(jù)采集管理:數(shù)據(jù)采集管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集;(4)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理:數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理將系統(tǒng)接入的自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,進(jìn)行單位、設(shè)備、傳感器編碼統(tǒng)一,便于算法及實(shí)時(shí)展示界面調(diào)用;(5)門(mén)戶管理:用戶點(diǎn)擊左側(cè)系統(tǒng)管理功能菜單,進(jìn)入系統(tǒng)管理,系統(tǒng)管理主要維護(hù)系統(tǒng)的用戶、權(quán)限、sql監(jiān)控、用戶操作日志、菜單管理等基礎(chǔ)功能。
3.1.1 總體架構(gòu)
系統(tǒng)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集管理、統(tǒng)一的算法集成、統(tǒng)一身份服務(wù)實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理和信息綜合展現(xiàn)。系統(tǒng)由采集層、存儲(chǔ)計(jì)算層、服務(wù)層、應(yīng)用層四個(gè)層面組成。
系統(tǒng)向下采集數(shù)據(jù),向上為算法提供支撐,最終通過(guò)三維可視化進(jìn)行效果展示。通過(guò)采集層實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)化集成監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;在存儲(chǔ)計(jì)算層中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份、清洗進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ);通過(guò)服務(wù)層各類服務(wù)組件,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)底層業(yè)務(wù)的統(tǒng)一處理;最終應(yīng)用層通過(guò)統(tǒng)一應(yīng)用門(mén)戶集成設(shè)備在線診斷、協(xié)同管控與系統(tǒng)智能調(diào)度的綜合服務(wù)三維可視化的統(tǒng)一對(duì)外發(fā)布。
3.1.2 技術(shù)架構(gòu)
系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖5。
圖5 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意圖
在技術(shù)架構(gòu)上,平臺(tái)需要具備采集設(shè)備、傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的能力,需要具備支撐非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算和處理能力,滿足不同類型數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的并發(fā)訪問(wèn)和響應(yīng)時(shí)間的要求,滿足煤礦企業(yè)靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及各類在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控類數(shù)據(jù)進(jìn)行煤礦大數(shù)據(jù)分析。
因此平臺(tái)具備以下能力:(1)數(shù)據(jù)采集:對(duì)于實(shí)時(shí)傳輸型的數(shù)據(jù),基于OPC、SOCKET等技術(shù)開(kāi)發(fā)前端數(shù)據(jù)接收模塊,將采集數(shù)據(jù)生成統(tǒng)一格式的中間結(jié)果文件后,通過(guò)MATT協(xié)議傳輸給平臺(tái)采集層;(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ):結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用hive、spark、storm等方式存儲(chǔ),非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用hbase、文件服務(wù)器等方式進(jìn)行存儲(chǔ);(3)批量計(jì)算:大規(guī)模并行批處理作業(yè)的分布式計(jì)算,主要是1}iIR和Spark等計(jì)算框架;(4)實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算:平臺(tái)具備針對(duì)海量數(shù)據(jù)毫秒級(jí)/秒級(jí)處理能力,主要采用funk和SparkStreaming等計(jì)算框架;(5)查詢技術(shù):平臺(tái)可通過(guò)Kafka,SQL客戶端、文件等方式提供數(shù)據(jù)查詢能力;(6)擴(kuò)展性設(shè)計(jì):通過(guò)X86服務(wù)器構(gòu)建規(guī)?;阂詫?shí)現(xiàn)架構(gòu)的可擴(kuò)展設(shè)計(jì),以便今后面臨業(yè)務(wù)發(fā)展和應(yīng)用拓展帶來(lái)的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)時(shí),可以方便地進(jìn)行硬件擴(kuò)容,保障存儲(chǔ)和處理性能線性提升。
3.1.3 數(shù)據(jù)流向
系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖6。
圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖
系統(tǒng)首先從自動(dòng)化集成監(jiān)控平臺(tái)采集算法需要的自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),統(tǒng)一進(jìn)入邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)采集端,數(shù)據(jù)采集端進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)計(jì)算,最后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或計(jì)算后結(jié)果提供各類應(yīng)用。
3.1.4 前端開(kāi)發(fā)
系統(tǒng)前端展示,結(jié)合扁平化和三維的理念,通過(guò)vue和canvas技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三維展示效果。系統(tǒng)前端采用Web SCADA圖形組態(tài)可視化編輯器平臺(tái),實(shí)現(xiàn)Web化的2D和3D工業(yè)監(jiān)控可視化維護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)。用戶在云端直接進(jìn)行矢量行業(yè)圖標(biāo)編輯、三維模型擺放、場(chǎng)景構(gòu)建及量測(cè)數(shù)據(jù)綁定配置,一鍵式無(wú)縫發(fā)布到桌面和移動(dòng)終端,實(shí)現(xiàn)純HTMLS一體化的開(kāi)發(fā)流程平臺(tái),具有輕量、高效、易用和跨平臺(tái)等特性。
Canvas技術(shù)不約束用戶后臺(tái)框架,不限制通訊方式和傳輸格式,加上基于純HTMLS的跨平臺(tái)特性,能靈活適應(yīng)各行業(yè)架構(gòu)需求,作為輕巧的圖形組件可集成到任何行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。
系統(tǒng)前端提供了通用組件、圖表組件、拓?fù)浣M件到三維組件,組件間可無(wú)縫融合嵌套,所有組件內(nèi)置都已支持、自動(dòng)適配桌面和移動(dòng)觸屏交互體驗(yàn)。
系統(tǒng)前端所有組件采用局部刷新、批量聚合、圖像緩存、極少化DOM元素等,圖形優(yōu)化(內(nèi)存//CPU/GPU)等技術(shù),使組件皆可承受上萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)以上圖元量,上萬(wàn)的表格數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D元和儀表圖表承載力,更好地適應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時(shí)代需求。
系統(tǒng)前端組件可與多種第三方GIS地理信息平臺(tái)無(wú)縫融合,實(shí)現(xiàn)宏觀場(chǎng)景和局部設(shè)備相配合的2D/3D可視化。
系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)部署情況:服務(wù)器地址128.127.30.73,系統(tǒng)各部分程度運(yùn)行路徑見(jiàn)表1。
設(shè)備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)已在塔山礦建設(shè)完成,系統(tǒng)運(yùn)行情況總體良好,功能技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)實(shí)施后,該煤礦可以對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)協(xié)同管控、在線診斷與智能調(diào)度服務(wù),有效提高了設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)的安全性和可靠性。