張 偉

（晉能控股煤業(yè)集團，山西 大同 037000）

1 項目概況

晉能控股煤業(yè)集團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。塔山礦為同煤集團第一個開采石炭系特厚煤層的千萬噸級礦井，礦井設計產(chǎn)能15 Mt/a，服務年限140 a。

塔山礦結(jié)合礦山生產(chǎn)設備管理以及安全生產(chǎn)的具體需求，圍繞礦山設備協(xié)同管控、在線診斷及安全生產(chǎn)智能調(diào)度的理論、技術和方法，研究基于云平臺的礦山設備協(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)與集成開發(fā)技術；按照礦山“人、機、環(huán)”的異構(gòu)資源與各類服務的統(tǒng)一描述方法和安全判識準則，建立基于云交互平臺的設備協(xié)同管控、在線診斷與智能調(diào)度的服務系統(tǒng)，為該煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)提供遠程在線診斷與智能調(diào)度綜合服務[1-2]。

2 設備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的建設

塔山礦設備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的建設主要是從設備協(xié)調(diào)管控系統(tǒng)、安全生產(chǎn)智能調(diào)度、煤流運輸設備在線診斷、大型機電設備故障診斷系統(tǒng)、應用系統(tǒng)集成展示五個方面進行建設。

2.1 設備協(xié)同管控系統(tǒng)

設備協(xié)同管控系統(tǒng)主要包含四部分，主煤流實時監(jiān)測、協(xié)同管控模型、模型訓練、歷史記錄四個部分。

協(xié)同管控模型：將底層復雜的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡服務形式統(tǒng)一封裝成上層抽象資源；將設備管理與生產(chǎn)管理相結(jié)合；將每一個設備管理層次視作一個設備智能協(xié)同管控模塊；將物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中礦山生產(chǎn)設備的各種時間和空間功能服務與信息服務，按照業(yè)務應用需求進行流程組合與任務編排，從而建立礦山物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)設備多級協(xié)同管控模型。

模型訓練：利用煤流運輸系統(tǒng)設備運行信息、設備故障信息、環(huán)境安全信息等各方面的歷史數(shù)據(jù)，通過多智能體學習訓練，生成設備協(xié)同管控模型；將設備實時運行數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后輸入到訓練好的設備協(xié)同管控模型，實現(xiàn)在線智能決策，進而實現(xiàn)協(xié)同管控任務調(diào)度，如圖1。

圖1 協(xié)同管控模型訓練示意圖

2.2 安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)

面向多生產(chǎn)場景的礦山安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的目標是在生產(chǎn)資源模型和生產(chǎn)業(yè)務流程模型的基礎上，構(gòu)建智能調(diào)度算法，為塔山礦井下安全生產(chǎn)任務調(diào)度輔助決策提供參考。

2.3 煤流運輸設備在線診斷系統(tǒng)

塔山礦煤流運輸設備在線診斷系統(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時數(shù)據(jù)、系統(tǒng)實時的健康狀態(tài)、實時的能量轉(zhuǎn)換效率，并統(tǒng)計了一段時間內(nèi)的健康狀態(tài)。皮帶檢測算法模型如圖2。

圖2 皮帶檢測算法模型示意圖

2.4 大型機電設備故障診斷系統(tǒng)

2.4.1 通風機

塔山礦主通風系統(tǒng)分析界面分為兩部分：實時監(jiān)測和風機狀態(tài)分析。其中實時監(jiān)測界面，用戶通過左側(cè)模型樹定位具體的部件模型，并同時顯示該部件傳感器的實時數(shù)據(jù)。風機狀態(tài)分析界面，主要通過圖表的分析展示了風機的核心傳感器的實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)曲線。系統(tǒng)10 s計算一次風機運行情況，并實時更新知識界面。塔山礦主通風電機故障診斷模型如圖3。

圖3 主通風電機故障診斷模型示意圖

2.4.2 提升機

提升機的界面主要包含了基本的傳感器數(shù)據(jù)以及實施的穩(wěn)態(tài)工況，直觀地表達出當前提升機的健康狀態(tài)以及能量轉(zhuǎn)換效率。提升機系統(tǒng)關聯(lián)故障分析診斷模型如圖4。

圖4 提升機故障分析診斷模型

2.5 應用系統(tǒng)集成展示

應用系統(tǒng)集成展示主要包括以下幾方面：（1）定時任務管理：定時任務實現(xiàn)業(yè)務、數(shù)據(jù)處理的定時執(zhí)行；（2）緩存管理：緩存管理將系統(tǒng)經(jīng)常使用的核心基礎數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存中，便于前端展示界面實時調(diào)用；（3）數(shù)據(jù)采集管理：數(shù)據(jù)采集管理實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)的實時采集；（4）數(shù)據(jù)標準化管理：數(shù)據(jù)標準化管理將系統(tǒng)接入的自動化實時數(shù)據(jù)進行標準化，進行單位、設備、傳感器編碼統(tǒng)一，便于算法及實時展示界面調(diào)用；（5）門戶管理：用戶點擊左側(cè)系統(tǒng)管理功能菜單，進入系統(tǒng)管理，系統(tǒng)管理主要維護系統(tǒng)的用戶、權(quán)限、sql監(jiān)控、用戶操作日志、菜單管理等基礎功能。

3 系統(tǒng)技術分析

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

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)一身份服務實現(xiàn)權(quán)限管理和信息綜合展現(xiàn)。系統(tǒng)由采集層、存儲計算層、服務層、應用層四個層面組成。

系統(tǒng)向下采集數(shù)據(jù)，向上為算法提供支撐，最終通過三維可視化進行效果展示。通過采集層實現(xiàn)從自動化集成監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集；在存儲計算層中的數(shù)據(jù)存儲、備份、清洗進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲；通過服務層各類服務組件，實現(xiàn)業(yè)務底層業(yè)務的統(tǒng)一處理；最終應用層通過統(tǒng)一應用門戶集成設備在線診斷、協(xié)同管控與系統(tǒng)智能調(diào)度的綜合服務三維可視化的統(tǒng)一對外發(fā)布。

3.1.2 技術架構(gòu)

系統(tǒng)技術架構(gòu)如圖5。

圖5 系統(tǒng)技術架構(gòu)示意圖

在技術架構(gòu)上，平臺需要具備采集設備、傳感器實時數(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、計算和處理能力，滿足不同類型數(shù)據(jù)分析應用的并發(fā)訪問和響應時間的要求，滿足煤礦企業(yè)靜態(tài)基礎數(shù)據(jù)以及各類在線監(jiān)測監(jiān)控類數(shù)據(jù)進行煤礦大數(shù)據(jù)分析。

因此平臺具備以下能力：（1）數(shù)據(jù)采集：對于實時傳輸型的數(shù)據(jù)，基于OPC、SOCKET等技術開發(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MATT協(xié)議傳輸給平臺采集層；（2）數(shù)據(jù)存儲：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用hive、spark、storm等方式存儲，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用hbase、文件服務器等方式進行存儲；（3）批量計算：大規(guī)模并行批處理作業(yè)的分布式計算，主要是1}iIR和Spark等計算框架；（4）實時/準實時計算：平臺具備針對海量數(shù)據(jù)毫秒級/秒級處理能力，主要采用funk和SparkStreaming等計算框架；（5）查詢技術：平臺可通過Kafka，SQL客戶端、文件等方式提供數(shù)據(jù)查詢能力；（6）擴展性設計：通過X86服務器構(gòu)建規(guī)模化集群以實現(xiàn)架構(gòu)的可擴展設計，以便今后面臨業(yè)務發(fā)展和應用拓展帶來的數(shù)據(jù)增長時，可以方便地進行硬件擴容，保障存儲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)首先從自動化集成監(jiān)控平臺采集算法需要的自動化實時數(shù)據(jù)，統(tǒng)一進入邊緣計算數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)采集端進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標準化處理，然后將標準化的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲計算，最后將實時數(shù)據(jù)或計算后結(jié)果提供各類應用。

3.1.4 前端開發(fā)

系統(tǒng)前端展示，結(jié)合扁平化和三維的理念，通過vue和canvas技術，實現(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，實現(xiàn)Web化的2D和3D工業(yè)監(jiān)控可視化維護系統(tǒng)平臺。用戶在云端直接進行矢量行業(yè)圖標編輯、三維模型擺放、場景構(gòu)建及量測數(shù)據(jù)綁定配置，一鍵式無縫發(fā)布到桌面和移動終端，實現(xiàn)純HTMLS一體化的開發(fā)流程平臺，具有輕量、高效、易用和跨平臺等特性。

Canvas技術不約束用戶后臺框架，不限制通訊方式和傳輸格式，加上基于純HTMLS的跨平臺特性，能靈活適應各行業(yè)架構(gòu)需求，作為輕巧的圖形組件可集成到任何行業(yè)應用系統(tǒng)。

系統(tǒng)前端提供了通用組件、圖表組件、拓撲組件到三維組件，組件間可無縫融合嵌套，所有組件內(nèi)置都已支持、自動適配桌面和移動觸屏交互體驗。

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，使組件皆可承受上萬甚至幾十萬以上圖元量，上萬的表格數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡拓撲圖元和儀表圖表承載力，更好地適應了物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代需求。

系統(tǒng)前端組件可與多種第三方GIS地理信息平臺無縫融合，實現(xiàn)宏觀場景和局部設備相配合的2D/3D可視化。

3.2 現(xiàn)場部署情況

系統(tǒng)現(xiàn)場部署情況：服務器地址128.127.30.73，系統(tǒng)各部分程度運行路徑見表1。

4 結(jié)論

設備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)已在塔山礦建設完成，系統(tǒng)運行情況總體良好，功能技術指標達到設計要求。系統(tǒng)實施后，該煤礦可以對設備實現(xiàn)協(xié)同管控、在線診斷與智能調(diào)度服務，有效提高了設備運行系統(tǒng)的安全性和可靠性。