郝 軍，高文才，王旭峰

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司上灣煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209)

0 引言

綜采工作面集控系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中[1-2]，井下設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)能夠較穩(wěn)定的傳輸進(jìn)井下監(jiān)控中心和地面監(jiān)控平臺(tái)[3-4]，為實(shí)現(xiàn)無人化開采奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2,5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟和基于采煤業(yè)務(wù)智能算法模型的持續(xù)發(fā)展[6-7]，所收集的井下數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生新的價(jià)值[8]。

煤礦井下數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、時(shí)效性強(qiáng)、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)源分散和特征稀疏等特點(diǎn)[9]。數(shù)據(jù)共享中心是一個(gè)針對(duì)煤礦數(shù)據(jù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜且龐大的綜合系統(tǒng)平臺(tái)，是智慧礦山的基礎(chǔ)，是數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化與智能化的高度融合[10-11]。數(shù)據(jù)共享中心平臺(tái)將企業(yè)多層級(jí)煤礦生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道掘進(jìn)、煤炭開采、主輔運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、供液、供電、安全防控等智能化集成[12-13]，從而實(shí)現(xiàn)多部門、多專業(yè)、多管理層面的數(shù)據(jù)集中應(yīng)用、交互共享和決策支持，實(shí)現(xiàn)井上下各系統(tǒng) 監(jiān)測、控制、管理的一體化及智能聯(lián)動(dòng)控制[14]。

國內(nèi)綜采工作面的監(jiān)控功能主要集中于井下監(jiān)控中心和井上監(jiān)控平臺(tái)，缺乏監(jiān)控的延展性。隨著煤礦井下5G技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，產(chǎn)生了移動(dòng)終端App進(jìn)行井下遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)維與故障管理的新需求。煤礦企業(yè)可構(gòu)建遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，通過手機(jī)等移動(dòng)終端對(duì)綜采工作面進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與操控，使綜采工作面設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維伸展到礦區(qū)以外，邁向智能化遠(yuǎn)程運(yùn)維。

1 平臺(tái)總體規(guī)劃

信息化智能礦山是煤礦綜合自動(dòng)化發(fā)展的必由之路，目的是實(shí)現(xiàn)“人-機(jī)-環(huán)-管”相聯(lián)，形成網(wǎng)絡(luò)一體化，解決信息孤島問題。基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)思路，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程生產(chǎn)管控平臺(tái)采用一套標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建一張全面感知網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)一條高速數(shù)據(jù)傳輸通道，最終形成一個(gè)獨(dú)特的煤礦企業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，面向不同業(yè)務(wù)部門實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)以下總體目標(biāo)。

(1)安全監(jiān)測。實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采設(shè)備在線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，包含支護(hù)系統(tǒng)、采掘系統(tǒng)、“三機(jī)”系統(tǒng)，增強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸性能提高數(shù)據(jù)可靠度。

(2)歷史回溯。為每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)歷史回溯，通過數(shù)據(jù)回溯可以自動(dòng)義的分析出設(shè)備在工作時(shí)的規(guī)律、異常信息，為設(shè)備故障診斷和機(jī)器學(xué)習(xí)做鋪墊。

(3)自動(dòng)化率統(tǒng)計(jì)。對(duì)目前的自動(dòng)化使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如自動(dòng)化開機(jī)率、記憶割煤率等。該統(tǒng)計(jì)指標(biāo)可使企業(yè)了解不同煤礦的智能化程度，同時(shí)有助于生產(chǎn)班組針對(duì)智能化程度不足的專項(xiàng)問題進(jìn)行整改，提高綜采自動(dòng)化率。

(4)視頻監(jiān)控。將綜采工作面攝像頭通過NVR進(jìn)行視頻回傳，實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程視頻直播，便于用戶進(jìn)行點(diǎn)檢查看。

(5)礦壓分析。通過不同維度進(jìn)行監(jiān)測分析，實(shí)時(shí)展示當(dāng)前礦壓情況及預(yù)測未來礦壓變化情況。

(6)云平臺(tái)。以大數(shù)據(jù)云平臺(tái)為基礎(chǔ)，建立煤科云示范應(yīng)用并推廣煤科云行業(yè)應(yīng)用。

2 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程生產(chǎn)管控平臺(tái)是為了滿足煤礦企業(yè)及時(shí)掌控工作面生產(chǎn)情況而設(shè)計(jì)研發(fā)。系統(tǒng)基于中煤科工集團(tuán)中央大數(shù)據(jù)院的煤科云，在此基礎(chǔ)平臺(tái)之上構(gòu)建企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。該系統(tǒng)緊密結(jié)合天瑪公司LongWallMind(簡稱LW)綜采集控系統(tǒng)平臺(tái)，數(shù)據(jù)經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸工況監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，包括綜采設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)和監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)等。通過對(duì)收集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各種與生產(chǎn)息息相關(guān)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，并及時(shí)通知相關(guān)工作人員。整個(gè)平臺(tái)分為4層，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程生產(chǎn)管控平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

(1)基礎(chǔ)層。該層承載平臺(tái)運(yùn)行、數(shù)據(jù)分析及其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)應(yīng)用。

(2)LW數(shù)據(jù)層。該層是平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)的重要的途徑也是唯一途徑，生產(chǎn)數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)基礎(chǔ)應(yīng)用。

(3)業(yè)務(wù)層。該層是平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)收集、整理、加工重要環(huán)節(jié)。原始數(shù)據(jù)通過業(yè)務(wù)層處理和分析以友好方式存儲(chǔ)，方便展示層存取。

(4)展示層。該層是直接面向客戶的重要窗口，以多種形式展示給客戶，作為用戶指導(dǎo)生產(chǎn)一個(gè)重要的依據(jù)。

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程生產(chǎn)管控平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，為用戶推出Web端大屏與手機(jī)App移動(dòng)終端應(yīng)用，滿足不同煤礦群體的用戶需求，建設(shè)一個(gè)由監(jiān)測、歷史、統(tǒng)計(jì)、分析4個(gè)維度組成的大數(shù)據(jù)集成共享中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化采掘全方位的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

3 數(shù)據(jù)共享中心

數(shù)據(jù)共享中心功能開發(fā)分為集團(tuán)級(jí)、礦級(jí)、工作面級(jí)3個(gè)層次。根據(jù)煤礦企業(yè)各層級(jí)管理人員所關(guān)注的重點(diǎn)信息，選擇合適的可視化展示方式，解決煤礦信息化建設(shè)中數(shù)據(jù)利用不充分的問題，從而提高管理人員對(duì)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的認(rèn)知效率，促進(jìn)煤礦企業(yè)數(shù)字化、信息化和智能化發(fā)展。

3.1 集團(tuán)級(jí)

集團(tuán)級(jí)的數(shù)據(jù)共享中心定位是煤礦企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的管理層，該層級(jí)可視化展示的不是單獨(dú)信息，而是經(jīng)過加工整合后的關(guān)聯(lián)信息，呈現(xiàn)的是不同決策管理場景。集團(tuán)級(jí)功能主要匯總展示各個(gè)礦區(qū)的綜合信息，信息以PC端大屏方式界面呈現(xiàn)給用戶，集團(tuán)級(jí)用戶登錄后，進(jìn)入集團(tuán)數(shù)據(jù)中心的首頁。其中展示的主要信息包括各礦區(qū)的概覽圖、推進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)量信息、考核報(bào)表管理等。集團(tuán)級(jí)平臺(tái)與礦級(jí)平臺(tái)實(shí)時(shí)互聯(lián)，可全面感知下屬生產(chǎn)單位的生產(chǎn)、安全等信息數(shù)據(jù)，提升了智能化生產(chǎn)、數(shù)字化運(yùn)營、智慧化管理的水平。集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)共享中心界面如圖2所示。

圖2 集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)共享中心界面

3.2 礦級(jí)

礦級(jí)的數(shù)據(jù)共享中心以PC端大屏界面呈現(xiàn)給礦級(jí)用戶，礦級(jí)用戶可以通過此頁面查看所有工作面的情況，用戶可以點(diǎn)擊按鈕切換工作面，從而查看不同工作面的監(jiān)測畫面。進(jìn)入首頁界面后能夠顯示礦井各個(gè)工作面的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)，例如各工作面的推進(jìn)度、跟機(jī)率、設(shè)備總量等，同時(shí)也支持各類報(bào)表(生產(chǎn)報(bào)表、運(yùn)行報(bào)表、礦壓報(bào)表)的查看和打印功能。礦級(jí)數(shù)據(jù)共享中心界面如圖3所示。

圖3 礦級(jí)數(shù)據(jù)共享中心界面

結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，工程師可在地面監(jiān)控中心對(duì)礦井下各異常情況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控與處理，將地面仿真設(shè)備的虛擬操作轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)指令并對(duì)真實(shí)設(shè)備進(jìn)行操作。該平臺(tái)結(jié)合設(shè)備故障預(yù)測算法，例如限值算法、過載算法、健康診斷算法、數(shù)值突變算法、值累積算法等，可高效便捷地預(yù)測故障發(fā)生概率，提高綜采設(shè)備智能化運(yùn)行時(shí)間和設(shè)備使用壽命。

3.3 工作面級(jí)

工作面級(jí)的數(shù)據(jù)共享中心通過集控系統(tǒng)采集井下數(shù)據(jù)，深度集成各系統(tǒng)和設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)位，監(jiān)測用戶級(jí)別并將自動(dòng)呈現(xiàn)權(quán)限所能觀測到的工作面情況。工作面實(shí)時(shí)監(jiān)測畫面包含采煤機(jī)、支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、泵站的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)及報(bào)警數(shù)據(jù)列表。工作面礦壓畫面包含礦壓云圖、工作面各個(gè)支架壓力、周期來壓預(yù)測等相關(guān)信息的展示，從而進(jìn)行綜采支護(hù)的質(zhì)量分析。對(duì)目前的智能化使用情況進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，如智能化開機(jī)率、記憶割煤率。隨著數(shù)據(jù)的不斷增多逐步加入新的統(tǒng)計(jì)，如割煤刀數(shù)統(tǒng)計(jì)等。

工作面級(jí)數(shù)據(jù)共享中心圍繞開采工藝，直觀展示工作面自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)管理可視化、過程管控智能化的水平，并對(duì)人-機(jī)-環(huán)的隱患、故障進(jìn)行預(yù)警提示。工作面級(jí)數(shù)據(jù)共享中心界面如圖4所示。

圖4 工作面級(jí)數(shù)據(jù)共享中心界面

4 平臺(tái)權(quán)限管理

權(quán)限管理是針對(duì)不同人員訪問的資源進(jìn)行權(quán)限控制，避免因權(quán)限控制缺失或操作不當(dāng)引起的風(fēng)險(xiǎn)問題，如操作錯(cuò)誤、隱私數(shù)據(jù)泄露等問題。在監(jiān)控工作面設(shè)備運(yùn)行姿態(tài)方面，能夠做好訪問和控制權(quán)限限制，保證平臺(tái)數(shù)據(jù)安全。平臺(tái)能夠記錄用戶的所有操作日志，保證數(shù)據(jù)分享有據(jù)可查。

根據(jù)煤礦集團(tuán)的管理調(diào)研情況，將用戶分為集團(tuán)級(jí)用戶(公司信息中心、生產(chǎn)指揮中心、生產(chǎn)技術(shù)部、機(jī)電管理部、設(shè)備管理中心、公司管理層)、礦級(jí)用戶(礦級(jí)調(diào)度室、機(jī)電動(dòng)力科、生產(chǎn)技術(shù)科、礦級(jí)領(lǐng)導(dǎo))、工作面級(jí)用戶(綜采隊(duì)所有用戶)3個(gè)角色。

權(quán)限設(shè)計(jì)模型采用RBAC模型(Role-Based Access Control)，該模型是權(quán)限最基礎(chǔ)也是最核心的模型，包括用戶、角色、權(quán)限，其中用戶和角色是多對(duì)多的關(guān)系，角色和權(quán)限也是多對(duì)多的關(guān)系。用戶是發(fā)起操作的主體，按類型可分為對(duì)企業(yè)(2B)和對(duì)個(gè)人(2C)用戶，可以是后臺(tái)管理系統(tǒng)的用戶，可以是系統(tǒng)的內(nèi)部員工，也可以是面向C端的用戶；角色起到了橋梁的作用，連接了用戶和權(quán)限的關(guān)系，每個(gè)角色可以關(guān)聯(lián)多個(gè)權(quán)限，同時(shí)一個(gè)用戶關(guān)聯(lián)多個(gè)角色，那么這個(gè)用戶就有了多個(gè)角色的多個(gè)權(quán)限；權(quán)限是用戶可以訪問的資源，包括頁面權(quán)限、操作權(quán)限、數(shù)據(jù)權(quán)限。

根據(jù)上述規(guī)則，平臺(tái)的用戶角色權(quán)限包括集團(tuán)級(jí)操作用戶、集團(tuán)級(jí)管理用戶、礦級(jí)管理用戶、礦級(jí)操作用戶、綜采隊(duì)用戶。

5 遠(yuǎn)程生產(chǎn)管控平臺(tái)

現(xiàn)有的綜采工作面集控系統(tǒng)以集中控制為主，還缺乏設(shè)備的運(yùn)維管理功能，無法將用戶的檢修、運(yùn)維、手動(dòng)操作記錄進(jìn)行有效的記錄。需要充分調(diào)研綜采工作面設(shè)備的日常運(yùn)維需求，設(shè)計(jì)開發(fā)滿足用戶需求的智能移動(dòng)終端App，為集控系統(tǒng)的過程監(jiān)測數(shù)據(jù)提供標(biāo)簽數(shù)據(jù)支撐，更好地解決樣本數(shù)據(jù)的有效性和真實(shí)性，提升訓(xùn)練模型的精度。

智能移動(dòng)App按照智慧安監(jiān)、生產(chǎn)執(zhí)行、經(jīng)營管理等模塊進(jìn)行分類，并通過智慧決策將各系統(tǒng)融合分析結(jié)果進(jìn)行展示。智能移動(dòng)App在功能設(shè)計(jì)上主要以數(shù)據(jù)展示和信息的快速錄入為主，包括首頁、系統(tǒng)和設(shè)置，首頁中以全礦井組態(tài)圖展示生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，包括主要設(shè)備的運(yùn)行、生產(chǎn)參數(shù)、安全情況等。

(1)智慧安監(jiān)模塊。該模塊使決策層、管理人員、技術(shù)人員可以隨時(shí)在移動(dòng)端對(duì)各設(shè)備各系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，提升任務(wù)分配及匯報(bào)的效率及規(guī)范，高效及時(shí)下達(dá)和接收任務(wù)，并對(duì)任務(wù)內(nèi)容和工作成果進(jìn)行提醒和記錄。

(2)生產(chǎn)執(zhí)行模塊。該模塊具備工作協(xié)同功能，可以使檢修工、操作工將每日工作崗位設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行填寫和提交。該模塊的任務(wù)分派功能具備多人崗位分派、任務(wù)匯報(bào)等功能。

(3)經(jīng)營管理模塊。該模塊根據(jù)用戶權(quán)限主動(dòng)推送信息給各個(gè)不同用戶，實(shí)現(xiàn)無縫高效的經(jīng)營管理。該模塊具有統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備的運(yùn)行記錄、一鍵啟停統(tǒng)計(jì)、故障信息統(tǒng)計(jì)、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)分析等功能。

6 應(yīng)用情況

2019年1月，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程生產(chǎn)管控平臺(tái)在上灣煤礦8.8 m特厚煤層12401超大采高綜采工作面進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。通過采集設(shè)備信息和設(shè)備智能控制數(shù)據(jù)，建立基于智能控制的遠(yuǎn)程協(xié)同集控平臺(tái)和基于大數(shù)據(jù)的故障診斷和專家決策中心，利用智能控制、故障預(yù)警、大數(shù)據(jù)分析、視頻可視化系統(tǒng)、高可靠供電系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測預(yù)警等現(xiàn)代化新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了世界首套大采高工作面智能化開采全面監(jiān)測與管控。

綜采面成套重要設(shè)備監(jiān)測共計(jì)搜集了9.4億條數(shù)據(jù)，利用手持終端App監(jiān)測和控制工作面重要設(shè)備。系統(tǒng)集成工作面急停閉鎖和預(yù)警喊話功能，可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、泵站等的急停閉鎖、語音預(yù)警和工作面廣播與調(diào)度電話的連接等功能，總體上建立了3級(jí)主從控制模式，實(shí)現(xiàn)了主從實(shí)時(shí)傳輸備份，主服務(wù)器出現(xiàn)故障，從服務(wù)器可代替主服務(wù)器的功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)；通過建立統(tǒng)一接口平臺(tái)和分析建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障預(yù)警和診斷，建立完整的“預(yù)測、預(yù)判、預(yù)控”專家輔助決策系統(tǒng)和智能開采控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超大采高工作面設(shè)備的集中、協(xié)同控制和輔助決策。

7 結(jié)語

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程生產(chǎn)管控平臺(tái)，可將各個(gè)礦區(qū)井下的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)測、歷史回溯、礦壓分析、視頻監(jiān)控等功能，解決了井下數(shù)據(jù)孤島問題，完成數(shù)據(jù)賦能，為煤礦智能化運(yùn)行打下基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)共享中心將數(shù)據(jù)分析與展示分為3層，針對(duì)不同層次所關(guān)注的信息進(jìn)行綜合展示，使得相關(guān)信息得到有效利用。以RBACO模型為基礎(chǔ)構(gòu)建的平臺(tái)權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)了分級(jí)管理，避免了數(shù)據(jù)隱私泄漏等問題。