李慶振 吳敬建

（濟寧礦業(yè)集團有限公司，山東 濟寧 272073）

隨著物聯(lián)網(wǎng)與5G通信網(wǎng)絡技術的發(fā)展與普及，信息技術與制造業(yè)的融合程度逐步加深，各國參與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的國際競爭日趨激烈。為搶抓新一輪工業(yè)革命機遇，我國正在加速發(fā)展與應用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，構建數(shù)字驅動的工業(yè)新生態(tài)[1]，而智慧礦山建設理念的出現(xiàn)為確保煤礦行業(yè)在日益激烈的國際市場競爭中保持核心的競爭力、提高煤礦企業(yè)的信息化與智能化水平創(chuàng)造了理論基礎[2-3]。

我國在煤礦智能化建設方面進展迅速，在項目運營管理、資源分配、遠程監(jiān)控等方面已經(jīng)取得較為明顯的成果，但目前國內(nèi)外在智慧礦山建設方面的研究并不成熟，許多煤礦企業(yè)都建設了綜合自動化平臺對各個自動監(jiān)測監(jiān)控、工業(yè)系統(tǒng)進行了集成，但這種集成僅是將原本獨立的系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)的集中展示，系統(tǒng)間聯(lián)動困難形成數(shù)據(jù)孤島，更無法進行深層次的挖掘分析[4-6]?；诖?，通過研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理念與體系架構基礎，提出了基于“數(shù)據(jù)全面感知采集-數(shù)據(jù)寫入與標準化-模型算法耦合挖掘-大數(shù)據(jù)分析-智能綜合管控”理念的智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)架構設計方案。根據(jù)此方案，在霄云煤礦已有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎上進行了智能綜合管控平臺建設，為智慧煤礦建設與發(fā)展提供了參考。

1 智慧煤礦管控平臺架構設計

2018 年5 月1 日，國家標準《智慧煤礦信息系統(tǒng)通用技術規(guī)范》（GB/T 34679-2017）正式開始實施，標志著智慧煤礦概念開始以國家標準的形式落地推廣。

基于此規(guī)范，可將現(xiàn)今已經(jīng)成熟的多種智能技術與煤礦生產(chǎn)建設中的方方面面進行深入融合，以數(shù)據(jù)標準化、網(wǎng)絡協(xié)同化、系統(tǒng)一體化和技術智能化為原則[3]，研發(fā)團隊提出了智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)架構設計方案。

智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)主體架構如圖1。該架構利用5G 技術、大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星導航定位網(wǎng)絡等構建智慧煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡，同時采用最新的互聯(lián)網(wǎng)安全技術防護，制定智慧煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全管理規(guī)范，建立智慧煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全運維體系，確保智慧煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全可信運行。

圖1 智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)主體架構設計

智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)主體架構從下到上分為邊緣層、IaaS 層、管理服務平臺層、應用服務層四個層次。

第一層為邊緣層，通過對現(xiàn)場中的大范圍、深層次的數(shù)據(jù)進行采集，利用協(xié)議轉換技術，構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎。一是通過各類通信手段接入不同系統(tǒng)與設備，采集大量數(shù)據(jù)；二是依托協(xié)議轉換技術實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)的標準化和邊緣集成；三是利用智能組件實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)的匯聚處理，并將數(shù)據(jù)向云端平臺集成。

第二層是IaaS 層，利用云基礎設施，基于虛擬化、分布式存儲、并行計算、負載調度等技術，實現(xiàn)計算機資源的池化管理，主要包含網(wǎng)絡、計算、存儲等方面，確保資源使用的安全與隔離，為用戶提供云基礎設施服務。

第三層是管理服務平臺層，基于通用PaaS 疊加大數(shù)據(jù)處理、工業(yè)數(shù)據(jù)分析、工業(yè)微服務等創(chuàng)新功能，構建可擴展的開放式云操作系統(tǒng)。一是通過通用PaaS 平臺進行資源部署與管理；二是利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對煤礦現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行篩選、標準化處理、管理、分析等；三是通過理論機理對大數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)進行建模，或利用智能算法進行計算等，對智慧煤礦現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行深入耦合挖掘與分析；四是借助微服務組件和工業(yè)應用開發(fā)工具構建應用開發(fā)環(huán)境。

第四層是應用服務層，結合煤礦行業(yè)的工作環(huán)境形成滿足該行業(yè)的工業(yè)SaaS 和工業(yè)APP，實現(xiàn)智慧煤礦行業(yè)的基本功能。

2 霄云煤礦智能綜合管控平臺建設

2.1 綜合管控平臺建設

霄云煤礦位于濟寧市霄云鎮(zhèn)境內(nèi)，隸屬于濟寧礦業(yè)集團有限公司，核定生產(chǎn)能力90 萬t/a，服務年限41 a。霄云煤礦以子系統(tǒng)建設、網(wǎng)絡建設、數(shù)據(jù)中心建設為基礎，以平臺建設為中心，通過各類數(shù)據(jù)的全面感知和采集，構建大數(shù)據(jù)分析指標庫和知識庫，利用模型和算法的緊密耦合對數(shù)據(jù)深入挖掘，最終打造出智能化煤礦綜合管控平臺。

（1）子系統(tǒng)建設

為實現(xiàn)信息的綜合采集，同時完善各類子系統(tǒng)建設并接入大數(shù)據(jù)分析平臺，研發(fā)團隊按功能板塊劃分共接入生產(chǎn)類子系統(tǒng)14 個、管理類子系統(tǒng)11個、安全類子系統(tǒng)14 個，為智能綜合管控平臺的集中展示和輔助決策提供數(shù)據(jù)支撐。建設了綜合自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)囊括了水務管理系統(tǒng)、主副井提升監(jiān)視系統(tǒng)、通風機監(jiān)測系統(tǒng)、全礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)等，通過項目建設，實現(xiàn)了礦井大型機電設備在調度室集中監(jiān)控，能夠遠程監(jiān)控判斷故障、遠程操控設備啟停；通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)轉換程序，將雙防系統(tǒng)、礦壓地壓系統(tǒng)、微震監(jiān)測系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員精確定位等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行標準化并交換寫入數(shù)據(jù)中心PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫。

（2）網(wǎng)絡建設

智慧煤礦綜合管控平臺網(wǎng)絡建設中通過利用已建成的監(jiān)測監(jiān)控類工業(yè)環(huán)網(wǎng)、視頻監(jiān)控和工控類工業(yè)環(huán)網(wǎng)進行井上下各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，以2 臺赫斯曼MACH4002 交換機為核心、以4 臺赫斯曼MSP40 交換機作為井上接入，以6 臺赫斯曼MSP40交換機作為井下接入，所有交換機均采用模塊化設計，使用冗余環(huán)形結構構建了萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，如圖2 所示。核心交換機與接入交換機均為三層交換機，具備路由功能、冗余功能、vlan 劃分功能，且系統(tǒng)能夠自診斷環(huán)網(wǎng)運行狀態(tài)，自愈時間＜50 ms。

圖2 工業(yè)環(huán)網(wǎng)冗余環(huán)形結構示意圖

（3）數(shù)據(jù)中心建設

平臺建設中使用6 臺服務器在計算、存儲、網(wǎng)絡三個維度上采用分布超融合架構構建了FusionCube 2000 數(shù)據(jù)中心，以FusionSphere 為核心，以軟件定義的方式整合包括虛擬化計算、軟件定義存儲以及虛擬網(wǎng)絡資源，具備硬件解耦能力。它是通過全分布式的架構促進計算、存儲、網(wǎng)絡、安全的IT 服務大融合，有助于提升系統(tǒng)可靠性與可用性，并具備易于擴展的特性。

基于上述子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心建設，霄云煤礦將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯入數(shù)據(jù)中心，通過對各類數(shù)據(jù)的精準采集、網(wǎng)絡傳輸、規(guī)范存儲、空間時序分析，利用大數(shù)據(jù)分析技術，從不同維度對安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行深度關聯(lián)分析，為霄云煤礦安全生產(chǎn)輔助決策提供科學依據(jù)，同時實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合顯示。大數(shù)據(jù)分析平臺分為智能調度一張圖、生產(chǎn)決策分析、安全決策分析、預警預報、AI 視頻分析等五大版塊，在平臺中可監(jiān)控和掌握全礦的生產(chǎn)、安全情況以及預警預報的內(nèi)容和執(zhí)行的措施結果。例如基于已集成的安全、生產(chǎn)、管理各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過對流程自動化配置與預報警模型融合，建立了礦井災害預報預警平臺，實現(xiàn)各類預警、報警的自動推送，推送內(nèi)容包括預警信息、報警信息、故障處理流程等，同時實現(xiàn)PC端和移動端的同步定向推送。

2.2 綜合管控平臺功能模塊簡介

研發(fā)團隊采用B/S 架構建立了煤礦智能綜合管控平臺，整個平臺共分為7大智能化板塊，分別是“智能安全”“智能生產(chǎn)”“智能管理”“三維礦山”“一礦一圖”“多業(yè)務管控平臺”“大數(shù)據(jù)分析”。

其中智能安全板塊綜合集成井上下各類安全監(jiān)控類子系統(tǒng)的集成監(jiān)控，分為安全管理類、安全監(jiān)控類、災害監(jiān)控系統(tǒng)三大部分。智能管理板塊實現(xiàn)經(jīng)營數(shù)據(jù)、績效數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等實時展現(xiàn)，為經(jīng)營決策提供參考，為經(jīng)營管理提供依據(jù)，為生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。智能生產(chǎn)板塊對煤礦主要生產(chǎn)系統(tǒng)和輔助生產(chǎn)系統(tǒng)進行監(jiān)測監(jiān)控，以生產(chǎn)為主線，實現(xiàn)了對綜采工作面、主井煤流、礦井通風、電力監(jiān)控等共計18 個生產(chǎn)類系統(tǒng)的數(shù)字化集成。三維礦山板塊服務于煤礦的地測、采掘、通防、安全、機電、監(jiān)測、調度等多專業(yè)、多用戶的管理需求，在三維環(huán)境中實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)管理、協(xié)同工作等功能。

此外，一礦一圖板塊融合空間數(shù)據(jù)存儲、共享、更新，將采、掘、機、運、通、安等各專業(yè)整合在一個平臺上協(xié)同辦公；多業(yè)務管控平臺板塊通過各專業(yè)協(xié)同辦公，打破了專業(yè)壁壘、數(shù)據(jù)孤島，形成面向安全、生產(chǎn)、調度的協(xié)同管控平臺；大數(shù)據(jù)分析板塊是結合日常業(yè)務數(shù)據(jù)和實時性監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)建立的安全動態(tài)診斷系統(tǒng)，是集安全決策、生產(chǎn)決策、預警報警、AI 視頻、智能調度于一體決策分析模型及可視化應用。

3 結論

（1）利用多種智能技術與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術相結合，提出了以數(shù)據(jù)標準化、網(wǎng)絡協(xié)同化、系統(tǒng)一體化和技術智能化為原則，基于“數(shù)據(jù)全面感知采集-數(shù)據(jù)寫入與標準化-模型算法耦合挖掘-大數(shù)據(jù)分析-智能綜合管控”理念的智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)架構設計方案。

（2）智慧煤礦綜合管控系統(tǒng)主體架構從下到上分為邊緣層、IaaS 層、管理服務平臺層（工業(yè)PaaS）、應用服務層四個層次，設計了各層次包含的關鍵技術和主要功能。

（3）結合霄云煤礦現(xiàn)場實際情況，從子系統(tǒng)建設、網(wǎng)絡建設、數(shù)據(jù)中心建設三方面構建了霄云煤礦智慧礦山綜合管控平臺，以期為類似條件煤礦的智慧化建設與發(fā)展提供一定借鑒。