文/薛國華

構(gòu)建“一個智能管控云平臺引領(lǐng)、一個數(shù)據(jù)中心支撐、N個子系統(tǒng)保障”的“1+1+N”智能化礦井建設(shè)模式

煤礦智能化建設(shè)是煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求?！笆奈濉睍r期以及未來更長一段時期，5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等先進信息技術(shù)將加速對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合與滲透，各種能源的比較優(yōu)勢從根本上取決于其技術(shù)創(chuàng)新的進展程度，以煤礦智能化為標(biāo)志的煤炭技術(shù)革命以及煤炭低碳利用技術(shù)的顛覆性創(chuàng)新，將使煤炭成為最有競爭力的能源和原材料資源。

陜西陜煤黃陵礦業(yè)一號煤礦堅持率先開展煤礦智能化建設(shè)，在多年探索實踐取得成效的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息技術(shù)前沿科技和智能礦井改造提升需求，科學(xué)制定智能化礦山建設(shè)發(fā)展目標(biāo)及實施方案，通過構(gòu)建“一個智能管控云平臺引領(lǐng)、一個數(shù)據(jù)中心支撐、N個子系統(tǒng)保障”的“1+1+N”智能化礦井建設(shè)模式，利用數(shù)據(jù)中心、云數(shù)據(jù)平臺、5G、機器人、AI等技術(shù)，有序推進礦井云GIS系統(tǒng)、風(fēng)險防控系統(tǒng)、智能化采煤系統(tǒng)、智能化生產(chǎn)輔助系統(tǒng)等項目的建設(shè)，探索出了智能化開采新模式，成功打造出一個初具成效的智能化礦山。

一、黃陵一號煤礦智能化建設(shè)的基礎(chǔ)

1.智能化采煤基礎(chǔ)

2013年，黃陵一號煤礦在全國范圍內(nèi)率先完成全國產(chǎn)裝備智能化開采技術(shù)研究與應(yīng)用，首創(chuàng)了地面遠(yuǎn)程操控采煤模式，實現(xiàn)了地面采煤作業(yè)的常態(tài)化，填補了我國煤礦智能化無人綜采技術(shù)的空白，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2020年，在實現(xiàn)智能開采常態(tài)化應(yīng)用的基礎(chǔ)上，積極探索研究透明地質(zhì)智能開采技術(shù)，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的“記憶截割、遠(yuǎn)程干預(yù)1.0”向“自主截割、無人干預(yù)3.0”的技術(shù)跨越。

2.快速掘進建設(shè)基礎(chǔ)

黃陵一號煤礦根據(jù)井下實際條件，利用“改造型掘進機+可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機+跨騎式四臂錨桿鉆車+邁步式自移機尾+多功能巷道修復(fù)機”進行快速掘進作業(yè)，實現(xiàn)了550m/月的掘進進尺。與西安煤礦機械有限公司合作開發(fā)的“半煤巖智能快速掘進成套裝備研發(fā)與示范”項目，以及掘錨護一體機+交錯式掘進超前支護裝置+錨運一體機+礦用自移式快速皮帶機+智能管控系統(tǒng)，破解了復(fù)雜地質(zhì)條件半煤巖巷智能掘進難題，提高了掘進效率，保障了安全生產(chǎn)。

3.生產(chǎn)輔助系統(tǒng)建設(shè)基礎(chǔ)

建成地面指揮控制中心，實現(xiàn)了對井下主運輸膠帶、主供電設(shè)備、主排水泵、主通風(fēng)機和選煤廠等子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中控制，視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)監(jiān)測分析等功能，達(dá)到了生產(chǎn)環(huán)節(jié)運行情況的全監(jiān)控效果，形成了“無人值守、有人巡視”的控制模式。

在全礦井所有主運輸膠帶、變電所和水泵房安裝24套巡檢機器人，替代人工進行智能化巡檢。創(chuàng)新建立基于4G通信的車輛管理及人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了輔助運輸管理由“零散管理”到“可視統(tǒng)一”的技術(shù)飛躍。

以精確定位技術(shù)為基礎(chǔ)，以輔助運輸系統(tǒng)安全管控為目標(biāo)，以車載智能終端為控制核心，將4G通信、無線WiFi技術(shù)與井下信號燈、智能調(diào)度、GIS地理信息和人員定位管理系統(tǒng)相融合，實現(xiàn)對運行車輛的實時跟蹤、定位、通訊，達(dá)到了車輛可視化管理和高效調(diào)配，提高了車輛運行效率，同時搭配車輛危險駕駛、特殊運行路段、紅綠燈語音報警功能，輔助駕駛員規(guī)范駕駛，實現(xiàn)了輔助運輸系統(tǒng)智能、高效、安全運行。

4.信息化建設(shè)基礎(chǔ)

（1）建立了安全生產(chǎn)信息共享管理平臺。一是充分融合地理信息、云平臺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，在GIS一張圖上通過圖件疊加綜合直觀展示，實現(xiàn)對礦井采掘工程、地質(zhì)測量、防治水、“一通三防”、機電運輸、監(jiān)測監(jiān)控、應(yīng)急救援、安全風(fēng)險、預(yù)測預(yù)警、氣象信息等數(shù)據(jù)的立體化融合；二是通過安全生產(chǎn)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入，解決安全管理過程中的諸多問題，從源頭上堵塞了礦井不安全漏洞，達(dá)到了隱患雙重防御與隱患的深度閉環(huán)式管理；三是通過經(jīng)營銷售網(wǎng)數(shù)據(jù)接入，為礦井精確管理提供了科學(xué)依據(jù)，避免了“信息孤島”經(jīng)營管理漏洞；四是通過物流供應(yīng)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入，實現(xiàn)物資數(shù)據(jù)與生產(chǎn)信息的集中共享，有效降低了庫存物資資金占用，達(dá)到當(dāng)日材料消耗與噸煤生產(chǎn)精準(zhǔn)管理目標(biāo)；五是在信息化數(shù)據(jù)傳輸方面，建立了萬兆有線+無線的立體化數(shù)據(jù)通訊“跑道”，使礦井信息化發(fā)展更通暢。

（2）在井下建成“萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)+4G+5G+WiFi”的立體化通訊網(wǎng)絡(luò)。一是實現(xiàn)了礦井5G通信、無線WiFi、Zigeeb定位等功能，為建設(shè)無線智能監(jiān)測、智能機器人巡檢、智能維護云服務(wù)等奠定了基礎(chǔ)；二是5G通信項目整體設(shè)計基于數(shù)字礦山“一網(wǎng)一站多系統(tǒng)”的核心理念，通過建設(shè)多功能基站并接入現(xiàn)有工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了井下車輛精準(zhǔn)定位、測速、車輛語音通信調(diào)度、人員精準(zhǔn)定位、5G通信及數(shù)據(jù)無線傳輸與井下WiFi覆蓋等功能。

二、黃陵一號煤礦智能化建設(shè)需求

黃陵一號煤礦按照“健全系統(tǒng)、完善功能、改造升級、確保一流”的總體規(guī)劃，科學(xué)制定了智能礦井建設(shè)實施方案：

實現(xiàn)大數(shù)據(jù)服務(wù)中心承載，統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和訪問接口標(biāo)準(zhǔn)；

基于微服務(wù)架構(gòu)和“資源化、場景化、平臺化”思想的智能綜合決策管控平臺，融合生產(chǎn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦地質(zhì)勘探、巷道掘進、煤炭開采、主輔運輸、通風(fēng)排水、供液供電、安全防控等智能化集成設(shè)計，實現(xiàn)多部門、多專業(yè)、多管理層面的數(shù)據(jù)集中應(yīng)用、共享交互和決策支持，井上下各系統(tǒng)實現(xiàn)“監(jiān)測、控制、管理”的一體化及智能聯(lián)動控制；

基于“數(shù)據(jù)驅(qū)動”“數(shù)字采礦”的理念，實現(xiàn)基于GIM時空一張圖（4D-GIS，平面圖+BIM，建筑模型），為智慧礦山提供三維可視化、協(xié)同設(shè)計、仿真模擬、礦山及設(shè)備全生命周期管理等服務(wù)；

通過精準(zhǔn)感知技術(shù)與裝備，實現(xiàn)對風(fēng)阻、風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)的智能感知，實現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)智能化；

利用大數(shù)據(jù)與人工智能AI等技術(shù)，迭代升級煤礦安全、生產(chǎn)、經(jīng)營、物資配送的智能分析與輔助決策；

利用信息化、數(shù)字化、智能化等先進技術(shù)，遵循NOSA管理體系要求，構(gòu)建成套煤礦安全風(fēng)險智能化預(yù)警及管控體系，實現(xiàn)人、機、環(huán)、管多系統(tǒng)信息感知、融合、動態(tài)辨識、有效預(yù)警、智能決策、協(xié)同控制，建成世界一流智慧化礦山。

三、黃陵一號煤礦智能化建設(shè)成果

黃陵一號煤礦以智能化建設(shè)需求為導(dǎo)向，目前完成了22個智能化建設(shè)項目，構(gòu)建形成了“一個智能管控云平臺引領(lǐng)、一個數(shù)據(jù)中心支撐、N個子系統(tǒng)保障”的“1+1+N”智能化礦井建設(shè)模式。

1.構(gòu)建智能綜合管控云平臺

以生產(chǎn)及安全為核心，將綜合自動化系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)對設(shè)計、生產(chǎn)、安全、設(shè)備管理等多角度多維度的數(shù)據(jù)分析；構(gòu)建生產(chǎn)集成自動化、監(jiān)控全局實時化、統(tǒng)計分析一體化的綜合管控平臺，實現(xiàn)了從礦井的遠(yuǎn)程智能巡檢和礦井檢修模式到生產(chǎn)模式的一鍵切換；完成了從“系統(tǒng)智能化”到“智能系統(tǒng)化”的跨越，做到了調(diào)度指揮的全息可視、重大危險的智能預(yù)警、安全管理的動態(tài)診斷、生產(chǎn)過程的協(xié)同控制、經(jīng)營管理的智能分析、業(yè)務(wù)流程的高效協(xié)同。

2.構(gòu)建一個數(shù)據(jù)中心

建設(shè)具有服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全檢測、防護功能的萬兆連接的云計算平臺?；谠朴嬎惆Ｐ蛶旌退惴◣斓臎Q策支持承載，實現(xiàn)礦井所有數(shù)據(jù)云端存儲、處理，并應(yīng)用軟件在虛擬化應(yīng)用平臺部署應(yīng)用，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)平臺、3D-GIS平臺、組態(tài)化編輯與展示平臺、設(shè)計協(xié)同平臺等組件編輯與展示平臺、設(shè)計協(xié)同平臺等組件承載的功能。

3.構(gòu)建N個子系統(tǒng)

（1）礦井云GIS系統(tǒng)。對安全生產(chǎn)信息共享平臺進行改造升級，形成一套礦井云GIS系統(tǒng)，融入礦井智能綜合決策管控平臺，將存儲的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，將分析處理后的成果以可視化的方式呈現(xiàn)，然后構(gòu)建三維地質(zhì)模型，結(jié)合揭露的實際地質(zhì)信息與工程信息對模型進行修改，真實反映井上下地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造分布情況。

（2）開發(fā)AI+風(fēng)險防控系統(tǒng)。研發(fā)建成AI+風(fēng)險防控系統(tǒng)，形成了風(fēng)險防控一體化解決方案。在信息感知層面，主要采用高清攝像機、紅外攝像機和智能安全帽等裝備，實時采集人員、設(shè)備、環(huán)境圖像、視頻和生命體征等信息，并接入監(jiān)測監(jiān)控、水情在線監(jiān)測等各類信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸層面，通過布置交換機，以十萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)等傳輸感知數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)處理層面，以AI智能推理服務(wù)器、云計算虛擬化硬件平臺、云計算虛擬化服務(wù)器、流媒體服務(wù)器等組建數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)一主數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)格式，規(guī)范數(shù)據(jù)索引和建表，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時匯入、存儲洗選、融合交互，滿足算法需要；在決策響應(yīng)層面，基于算法模型，正常狀態(tài)下保持靜默，異常狀態(tài)下即刻通過聲、光裝置進行報警；在指令反饋層面，在特別情況下發(fā)出報警的同時，向關(guān)聯(lián)設(shè)備發(fā)出指令，使設(shè)備停止運轉(zhuǎn)、閉鎖。

通過對人的不安全行為、物和環(huán)境不安全狀態(tài)、關(guān)鍵作業(yè)不規(guī)范操作的防控，并進行全程跟蹤、辨識風(fēng)險、分析預(yù)警，開創(chuàng)了“人工和AI+風(fēng)險防控智能系統(tǒng)雙重風(fēng)險監(jiān)管”先河，消除了單一人工風(fēng)險監(jiān)管在時間上的漏洞和空間上的盲區(qū)，確保了風(fēng)險始終“可控、在控”。

（3）布局智能化開采技術(shù)與“110工法”的融合。通過在后巷應(yīng)用垛式液壓支架，配合使用支架搬運機器人、單軌吊輔助運輸系統(tǒng)，實現(xiàn)沿空留巷尾巷支護和支架前移自動化，降低了勞動強度，提高了安全系數(shù)。

（4）搭建智能掘進管控平臺。通過對快速掘進裝備進行升級，搭建一套具備遠(yuǎn)程總控制管控平臺，對關(guān)鍵部位進行視頻監(jiān)測、一鍵啟停、異常遠(yuǎn)程干預(yù)等操作；掘進機具備自動定位與導(dǎo)向功能，能夠進行自適應(yīng)截割與行走，具備掘進工作面環(huán)境（粉塵、瓦斯、水等）智能監(jiān)測功能和監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)智能分析功能。

（5）完善生產(chǎn)輔助系統(tǒng)智能化建設(shè)。一是在現(xiàn)有供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加相關(guān)電力保護軟硬件、防越級、電度計量、節(jié)能運行、數(shù)據(jù)實時采集、多源異構(gòu)整合分析等功能，達(dá)到對供電系統(tǒng)能力安全分析、實時在線計算等；二是將排水與礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)智能聯(lián)動，實現(xiàn)根據(jù)水壓、水位進行固定作業(yè)點的智能抽排、負(fù)荷調(diào)控、管網(wǎng)調(diào)配功能、給排水管線與設(shè)備故障分析診斷預(yù)警；三是建立礦井智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時自動分析，并與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算系統(tǒng)相融合，對礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進行解算，自動給出調(diào)風(fēng)方案，自動建立礦井動態(tài)三維立體通風(fēng)系統(tǒng)圖，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測與預(yù)警功能；四是建立火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)和自動噴霧系統(tǒng)，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域火災(zāi)參數(shù)的智能監(jiān)測、分析，根據(jù)分析處理結(jié)果進行智能預(yù)測、預(yù)警和火災(zāi)的實時監(jiān)測仿真，對避災(zāi)路線智能規(guī)劃，并實現(xiàn)自動識別煤流自動噴霧除塵、人員感知、智能調(diào)節(jié)噴霧等功能；五是建立智能可視化打鉆系統(tǒng)，實現(xiàn)打鉆作業(yè)過程自動化、智能化及瓦斯抽采作業(yè)全過程的管控。