潘 偉 劉曉明 曲偉霞 趙 威 崔松濤 徐 婧

孫偉芳1 趙 昊1 方建平1

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 煙臺 261417;2.中南大學數字礦山研究中心,湖南 長沙 410083;3.長沙迪邁數碼科技股份有限公司,湖南 長沙 410083)

礦山開采是一項復雜的工程,其中包括開拓、提升、運輸、通信、供電等工藝環(huán)節(jié),各工藝每天都會產生大量的數據,這些數據與礦山生產和安全管理密切相關。隨著采礦工程和信息技術的交叉融合,數字化技術[1]、自動化控制技術[2]、5G通信技術[3]、信息化技術[4]、大數據技術[5-6]等先進的信息技術理論越來越多地被應用到智能礦山建設[7]。礦山綜合管控平臺貫穿地、測、采、選相關業(yè)務,是將包括“勘探—采礦—運輸—破碎—提升—選礦”等整個生產過程的各環(huán)節(jié)與業(yè)務領域關聯(lián)在統(tǒng)一平臺上,提高礦山企業(yè)的管理水平,促進礦山各開采環(huán)節(jié)的協(xié)同作業(yè)與規(guī)范管理,最大化地實現(xiàn)礦山綠色開采,為礦山業(yè)務拓展和升級轉型奠定基礎[8]。

然而,現(xiàn)階段國內礦山企業(yè)信息化水平參差不齊,各生產環(huán)節(jié)的信息系統(tǒng)數據尚未打通,沒有統(tǒng)一的數據標準和數據模型對各系統(tǒng)數據進行關聯(lián),這給礦山綜合管控平臺建設與應用造成了障礙[9-10]。申琢[11]開發(fā)了礦山事故預警系統(tǒng),該系統(tǒng)應用云計算和大數據技術可以及時發(fā)布安全預警信息,最大限度降低事故發(fā)生概率。楊毅[12]開發(fā)了礦山機電裝備智能監(jiān)控系統(tǒng),有效地降低了設備閑置率。劉星星[13]、汪久建[14]開發(fā)了地質大數據系統(tǒng),實現(xiàn)了地勘數據的數字化、可視化及智能化分析,極大地優(yōu)化了地質勘查工作流程。王鵬[15]開發(fā)了安全管控大數據平臺,并對相關關鍵技術進行了研究。盡管上述學者開發(fā)了多種礦山管控系統(tǒng),但未就整個生產過程的各環(huán)節(jié)開展綜合管控開發(fā)。針對該領域現(xiàn)存的信息孤島、系統(tǒng)封閉問題,本研究采用基于數據驅動面向“礦石流”的礦山大數據融合技術,建立了一個信息互聯(lián)互通、數據共享交換、功能協(xié)同聯(lián)動的綜合業(yè)務管控平臺,并在三山島金礦進行了工程應用?！暗V石流”涉及地、測、采、選相關工藝,包括勘探、采礦、礦石運輸、破碎、提升、選礦工藝,即與礦石相關的礦山所有生產流程的總稱。

三山島金礦位于山東省萊州市,瀕臨渤海,擁有豐富的資源和先進的生產工藝且地理位置優(yōu)越,水陸交通便利[16]。該礦山在數字化、信息化技術應用上處于國內領先地位,因此本研究以該礦為例,開展基于“礦石流”的金屬礦山綜合管控平臺研發(fā),助力三山島金礦成為智能礦山標桿企業(yè),為我國礦山行業(yè)智能化建設提供借鑒。

1 礦山綜合管控平臺架構設計

自《2006—2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》發(fā)布以來,我國各大礦山正在積極探索智慧礦山建設思路,其中各工藝生產數據的存儲與關聯(lián)分析是建設智慧礦山的基礎。傳統(tǒng)的大數據架構需要自建服務器搭建平臺,存在成本高、效率低、維護難等問題,很難滿足海量數據的分類存儲和實時性讀取及分析。而礦山大數據體量大、增長快、價值密度低,基于此,本系統(tǒng)應用華為大數據平臺進行“礦石流”大數據研究。

礦山企業(yè)目標是最大化生產礦石,因此各生產過程及業(yè)務流程設計規(guī)劃均以礦石量為基準。以“礦石流”為主線建設礦山綜合管控平臺可以打通“資源儲量—采礦—運輸—破碎—提升—選礦”整個生產過程各環(huán)節(jié)的信息壁壘,更容易實現(xiàn)礦山總體生產環(huán)節(jié)的互通互聯(lián)?；凇暗V石流”的礦山大數據綜合管控平臺系統(tǒng)總體架構主要包括大數據平臺層、數據整合分析層、管控平臺層及終端展示層,系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 綜合管控平臺系統(tǒng)總體架構Fig.1 Overall system architecture of the integrated management and control platform

綜合管控系統(tǒng)平臺架構中的各層級功能特色為:

(1)大數據平臺層提供標準數據接口及數據,支撐綜合管控平臺分析所需的所有數據。

(2)數據整合層接收大數據平臺接口層的數據,根據數據關系和分析主題對數據進行組織,并形成三維可視化及“礦石流”分析所需的格式化數據。

(3)管控平臺層對格式化的整合數據進行分析展示,有三維可視化及“礦石流”分析兩種方式。其中三維可視化包括對資源與開采環(huán)境、安環(huán)監(jiān)測監(jiān)控、智能裝備與自動化等方面的三維可視化,“礦石流”分析包括礦石流向分析、資源儲量分析、采掘充分析、運輸提升分析、選礦分析、安全生產分析及成本分析。

(4)終端展示層通過大屏、PC端、移動端3種方式綜合分析展示三維可視化及“礦石流”相關業(yè)務。

綜合管控系統(tǒng)平臺主要包括“礦石流”分析和三維可視化兩部分功能,該系統(tǒng)詳細的功能架構如圖2所示。

圖2 綜合管控平臺系統(tǒng)功能架構Fig.2 System functional architecture of the integrated management and control platform

2 基于“礦石流”的礦山大數據系統(tǒng)

近年來,大數據技術在礦山有著較為廣泛的研究和試驗性應用,但總體而言,研究的廣度和深度均處于初級階段[17]。在應用領域主要是研究大數據技術與礦山生產流程的融合實踐?！暗V石流”是貫穿礦山整個生產過程,包括“資源儲量—采礦—運輸—破碎—提升—選礦”等工藝環(huán)節(jié),其目的是實現(xiàn)礦石高效、綠色生產。因此本研究開展以“礦石流”為主線的礦山大數據系統(tǒng)研究以及綜合管控平臺開發(fā)。礦山大數據包括企業(yè)信息化數據、安環(huán)與自動化數據,其中企業(yè)信息化數據包括生產計劃管理、生產調度管理、生產化驗管理、生產驗收管理、設備管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、人力資源系統(tǒng)和成本系統(tǒng)數據;安環(huán)與自動化數據包括安環(huán)監(jiān)測監(jiān)控數據、智能裝備與自動化數據(圖3)。由圖3可知:礦山大數據來源于各子系統(tǒng)標準化之后的數據以及相關圖表數據。

圖3 礦山大數據內容Fig.3 Contents of mine big data

2.1 大數據采集與存儲技術

華為大數據平臺提供了大數據存儲、查詢、分析等功能,它是分布式計算、并行計算等傳統(tǒng)計算機網絡技術發(fā)展的產物,對外可提供大容量的數據存儲、查詢和分析能力,可為海量信息構建快速處理系統(tǒng),實現(xiàn)對數據的實時挖掘[18]。數據采集范圍包括企業(yè)信息化數據、安環(huán)與自動化數據、安全監(jiān)測監(jiān)控數據、與自動化數據?；谌A為大數據平臺的數據采集流程包括準備工作、數據資產采集、規(guī)范設計、數據開發(fā)、數據質量監(jiān)控、數據資產管理和數據服務應用程序接口(Application Program Interface,API)開發(fā),按照數據展示及分析規(guī)則對企業(yè)信息化數據和安環(huán)與自動化數據進行清洗、轉換、處理,流程如圖4所示。應用其開發(fā)功能可進行數據管理、數據集成、腳本開發(fā)、作業(yè)開發(fā)、作業(yè)調度、運維監(jiān)控等操作,完成整個數據的處理分析流程。

圖4 綜合管控平臺數據采集、處理與分析流程Fig.4 Flow for data collection,processing and analysis of the integrated management and control platform

礦山大數據存在準確性低、干擾數據多等問題,智能裝備因此在進行數據存儲時需要進行數據治理。加之,礦山數據量較大,數據存儲應當根據數據類型選擇相應的數據庫。本研究提出的基于“礦石流”為主線的數據標準化準則如圖5所示。基于業(yè)務流程(礦山規(guī)劃—地質建?！删蛴媱潯傻V設計—采礦作業(yè)—選礦—尾礦充填—尾礦排放)實現(xiàn)不同業(yè)務系統(tǒng)的數據標準化及全流程的數據標準,確保數據的完整性、一致性、規(guī)范性、準確性及數據安全訪問控制。在此基礎上,使用華為大數據平臺按照業(yè)務邏輯將各類數據集成到數據湖平臺中分層存儲。

圖5 數據標準化處理流程Fig.5 Flow of data standardization processing

2.2 數據整合技術

“礦石流”數據類型主要包括基礎數據、安全管理和經營投資數據、物聯(lián)感知數據和外部數據等。實現(xiàn)多源數據的有效整合,是建設礦山大數據綜合管控平臺的基礎。三山島金礦綜合管控平臺數據整合內容包括數據對象整理、數據項整理、接口定義、接口測試、數據核對5個步驟,如圖6所示。

圖6 綜合管控平臺數據整合流程Fig.6 Data integration process of the integrated management and control platform

2.3 “礦石流”關聯(lián)技術

以往關于礦山信息化系統(tǒng)的研究均是分系統(tǒng)、業(yè)務及管理范圍,如單工藝或者單業(yè)務等,旨在解決單點或單一工藝問題,而礦業(yè)工程是一門系統(tǒng)性學科,生產出現(xiàn)的問題往往是由多個點和面產生,因此需要對各工藝系統(tǒng)進行系統(tǒng)性分析和監(jiān)控,才能有效發(fā)現(xiàn)問題的根源,為管理人員提供客觀、及時、準確的決策依據。在完成對現(xiàn)有信息化、自動化及監(jiān)控監(jiān)測數據進行清洗、整理及標準化處理后,對生產過程中的各工藝環(huán)節(jié)進行梳理,對其結果數據進行匯總、提煉與分析,在此基礎上采用“礦石流”關聯(lián)技術將各環(huán)節(jié)的開始和結束位置進行關聯(lián),形成一套完備的礦山大數據系統(tǒng)。

2.4 系統(tǒng)技術架構

礦山大數據綜合管控平臺技術架構包括操作系統(tǒng)層、數據存儲層、數據采集層、業(yè)務邏輯層、應用展示層多層分離的相關技術框架。

(1)操作系統(tǒng)層。主要基于華為云平臺提供的Windows和Linux虛擬機,移動APP基于Android操作系統(tǒng)開發(fā)。

(2)數據存儲層。采用華為大數據平臺提供的Hadoop分布式持久化數據中心采集的各種業(yè)務數據,Redis作為緩存數據庫緩存業(yè)務過程數據,Tomcat作為應用服務器解析和編譯各應用的業(yè)務代碼,Nginx作為Web服務器為最終用戶提供高性能的應用視圖。

(3)數據采集層。通過MyBatis和大數據平臺的API接口訪問數據。

(4)業(yè)務邏輯層。采用SpringBoot技術框架處理各應用的業(yè)務邏輯,三維綜合管控可視化基于3DGIS引擎實現(xiàn)。

(5)應用展現(xiàn)層。采用Vue等前端技術架構對前后端代碼進行分離,為用戶展示不同的應用視圖。移動APP基于WEEK框架,采用HTML5技術提供展示。

最后利用三維GIS、虛擬現(xiàn)實VR等技術手段,將礦山地上地下場景、礦床地質體、井巷工程、采礦、選礦、尾礦處理生產過程及其引起的相關現(xiàn)象進行三維數字化建模,實現(xiàn)基于“礦石流”的礦山大數據綜合管控平臺建設,此外開發(fā)了移動應用APP,解決多層級領導生產數據、安全數據與預警信息獲取不及時的問題,實現(xiàn)多場景下移動辦公。

3 三山島金礦綜合管控平臺

三山島金礦經歷了自動化、信息化、數字化等多個發(fā)展階段,現(xiàn)已具備開展礦山大數據研究的基礎。為解決智慧礦山建設中出現(xiàn)的數據信息孤島等問題,基于DIMINE軟件,本研究開發(fā)了基于“礦石流”的礦山大數據綜合管控平臺,立足于提高礦山生產管理效率,豐富生產過程表現(xiàn)手法,提高礦山大數據的分析能力和準確性,促進礦山生產的安全、高效與可持續(xù)發(fā)展?；诖髷祿脚_的三山島金礦“礦石流”綜合管控平臺包含資源儲量、采掘充、輸運提升、選礦生產、安全管理、輔助系統(tǒng)、成本管理等7個內容,如圖7所示。

圖7 礦山大數據綜合管控平臺大屏Fig.7 Large screen of the mine big data integrated management and control platform

三山島金礦綜合管控平臺功能特色為:

(1)平臺首頁大屏包含全礦年度采掘、年度精礦含金量、日采掘充、月采掘充、日選礦、月選礦等各類關鍵數據的可視化。

(2)資源儲量大屏主要呈現(xiàn)資源儲量保有與變動、三級礦量、資源開采損失貧化3大類信息,如圖8所示。

圖8 資源儲量信息大屏Fig.8 Large screen of resource reserve information

(3)采掘充大屏展示采掘工藝指標數據綜合統(tǒng)計結果,幫助管理人員及時掌握掘進作業(yè)、采礦作業(yè)、充填作業(yè)的生產業(yè)務信息。

(4)運輸提升大屏從出礦和設備2個維度展示溜井、豎井、電機車等礦石流轉路線上的工藝參數。

(5)選礦生產大屏展示各選廠的關鍵生產流程中的原礦處理量與精礦產量趨勢、原礦品位和精礦品位趨勢、旋流器流量和粒度指標趨勢等,重點展示自動化設備的運行參數,以及貫穿選礦業(yè)務流程的生產、裝備、物資、能耗等多主題的關聯(lián)分析結果。

(6)安全管理大屏展示人員定位信息,按不同維度展示安全隱患占比和總數,尾礦庫指標參數,氣體監(jiān)測數據,以及尾礦庫、人員定位、微震預警信息。此外,還可以展示相關安全隱患的詳細信息。

(7)輔助系統(tǒng)大屏展示配電、排水、壓風和通風等數據,同時對提升機、水泵、壓風機、球磨機的具體耗電情況和趨勢進行展示。

(8)成本管理大屏展示內容包括總生產礦量、總生產成本、單位成本以及主要成本消耗分類的匯總信息,并用多種圖形方式展示一些主要業(yè)務指標的趨勢分析和對比分析結果。此外,還可以展示細化到下一級成本管理單元,選廠的成本管理細分了工段以及工段下的崗位,通過選擇具體工段,可展示相應崗位的消耗明細成本,結合成本考核制度,達到精細化管理成本消耗的目的。

4 結 論

(1)在現(xiàn)有自動化、數字化、信息化系統(tǒng)的基礎上,結合大數據私有云平臺對礦山生產業(yè)務進行了全方位分析,實現(xiàn)了跨工藝、業(yè)務數據的橫向貫通。

(2)開展了以“礦石流”為主線的礦山大數據系統(tǒng)研究,有助于解決以往智慧礦山建設中出現(xiàn)的信息不全面、缺乏深度分析與挖掘、數據信息孤島等問題,充分發(fā)揮數據共享與協(xié)同分析的應用價值,可為提升礦山生產效率及效益提供分析決策信息,為礦山安全管控、精準決策提供數據支撐。

(3)本研究開發(fā)的礦山大數據綜合管控平臺的三維可視化大屏可實現(xiàn)“礦石流”全流程能源、設備、物料、人員、管理等各指標信息的綜合展示、分析及告警推送,有助于實現(xiàn)礦山從局部到全局的掌控、監(jiān)督和決策。