張 揚

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

錫林郭勒盟勝利西三露天煤礦隸屬于內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團錫林郭勒勝利礦業(yè)有限公司。該露天煤礦采用單斗－卡車開采工藝，核定產(chǎn)能達到了6 Mt/a，礦區(qū)面積總計11.592 km2。礦山智能化建設(shè)前，露天礦已建成門禁系統(tǒng)、電子汽車衡系統(tǒng)、邊坡及排土場自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、OA系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)。各信息化子系統(tǒng)由不同的單位獨自承建，建設(shè)時數(shù)據(jù)標準格式各自定義、系統(tǒng)分別獨立運行，無法形成數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合管理、數(shù)據(jù)資源共享、各信息化系統(tǒng)集中展示管控的目的，導致礦山各生產(chǎn)部門難以高效協(xié)同管理，制約礦山管理水平的提升。

隨著我國信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和國家政策的鼓勵推動，露天礦山走向智能化建設(shè)是必然趨勢。為更好地實現(xiàn)露天礦安全生產(chǎn)信息的資源共享、生產(chǎn)車輛的聯(lián)動管控和人員在崗可視化管理，形成露天礦統(tǒng)一的安全信息化管控平臺，不斷提升露天煤礦的智能化水平及安全管理效率，有效預(yù)防和減少生產(chǎn)安全事故，勝利西三露天礦綜合參考其他露天礦山智能化建設(shè)的成功經(jīng)驗，最終選擇采用基于無線寬帶集群調(diào)度的智能化建設(shè)方法[1]，確保無線集群、調(diào)度中心、卡車調(diào)度、安全管理、人員定位等各系統(tǒng)在安全可靠的基礎(chǔ)上，處于行業(yè)領(lǐng)先地位；同時，對內(nèi)實現(xiàn)各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互、共享，解決煤礦日常生產(chǎn)中各系統(tǒng)數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，對外實現(xiàn)卡車調(diào)度、人員定位、邊坡監(jiān)測等安全數(shù)據(jù)對上級安監(jiān)部門開放，安全監(jiān)管數(shù)據(jù)在保證數(shù)據(jù)安全性的前提下對外輸出。

1 無線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)

1.1 集群調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展

集群系統(tǒng)演進方向：窄帶模擬集群→窄帶數(shù)字集群→寬帶多媒體集群[2]。

窄帶模擬集群和窄帶數(shù)字集群，具備單呼、組呼、包容呼、臨時編組、緊急呼、互聯(lián)互通等語音通信功能，寬帶多媒體集群系統(tǒng)功能更加完善，在之前的基礎(chǔ)上又補充了圖像／視頻傳輸、寬帶雙向IP 數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，支持多媒體雙向數(shù)據(jù)傳輸、融合語音、視頻、雙向IP 數(shù)據(jù)，有線網(wǎng)絡(luò)延伸到無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護更加方便[3]。

1.2 無線寬帶集群調(diào)度的優(yōu)勢

無線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)具有專業(yè)集群通信性能、高吞吐量、高可靠性和實時性數(shù)據(jù)傳輸性能，可以用于行業(yè)用戶語音調(diào)度指揮、數(shù)據(jù)實時交互、協(xié)同作業(yè)等多種業(yè)務(wù)[4]。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在反恐、防爆、突發(fā)事件、事故災(zāi)難等緊急突發(fā)情況，應(yīng)急調(diào)度指揮效果顯著。為了應(yīng)對露天礦山可能出現(xiàn)的緊急災(zāi)難，如露天礦邊坡滑坡、地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)用無線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)及時應(yīng)對和處理災(zāi)難情況，能夠有效減少和避免災(zāi)難造成的人身傷亡和經(jīng)濟損失。

勝利西三露天礦建設(shè)的無線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)是露天煤礦生產(chǎn)調(diào)度主要的語音通信系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)，由基站模塊、調(diào)度模塊、大屏手機終端及線纜模塊4 部分組成，基于成熟的TD－LTE 先進技術(shù)平臺，解決了窄帶集群系統(tǒng)只具備單一語音通信調(diào)度的弊端，實現(xiàn)了語音、圖像、視頻等多形式的多媒體調(diào)度。能夠承載可視化指揮、無線視頻監(jiān)控，提供寬帶無線通信的通道，滿足融合多個信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

無線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)按照邏輯主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、終端層。①應(yīng)用層：負責生產(chǎn)監(jiān)控、運行管理、協(xié)同調(diào)度等，配備大帶寬傳輸管道，以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸；②網(wǎng)絡(luò)層：達到礦山生活區(qū)、作業(yè)區(qū)、辦公區(qū)全覆蓋、無盲區(qū)，滿足所有信息化子系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包、語音數(shù)據(jù)包、視頻數(shù)據(jù)包等各種數(shù)據(jù)的快速穩(wěn)定傳輸?shù)男枨螅Ｕ细餍畔⒒到y(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、安全性；③終端層：實現(xiàn)終端語音、視頻、定位，車輛卡調(diào)、定位等數(shù)據(jù)信息的采集和無線網(wǎng)絡(luò)接入，包含大屏手機終端、車載終端、CPE和視頻監(jiān)控攝像頭等設(shè)備。

1.3 TD－LTE 網(wǎng)絡(luò)搭建

TD－LTE 網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1。TD－LTE 網(wǎng)絡(luò)拓撲可分為無線接入部分和核心網(wǎng)部分。無線接入部分能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的遠程無線接入，向用戶提供基于IP方式的各種多媒體數(shù)據(jù)接入。核心網(wǎng)部分由邊界路由器、DHCP 服務(wù)器、Billing 服務(wù)器、EMS 服務(wù)器和磁盤陣列組成。

圖1 TD－LTE 網(wǎng)絡(luò)拓撲

無線一體化基站中集成了基站和基站控制器功能，支持用戶切換和位置管理功能，大大降低了對接入側(cè)核心網(wǎng)設(shè)備的依賴，支持獨立組網(wǎng)應(yīng)用，整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡單，同時降低了整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護成本[5]?；鞠到y(tǒng)模塊由基站與基站塔2部分構(gòu)成。為滿足覆蓋需求，同時確保網(wǎng)絡(luò)硬件容量能夠承載卡調(diào)系統(tǒng)、邊坡監(jiān)測系統(tǒng)、礦山車輛及人員定位等系統(tǒng)的接入和信號傳輸。經(jīng)過現(xiàn)場勘查及仿真模擬，規(guī)劃新建基站3 臺，其中新建20 m 單管塔基站3 座、15 m 單管塔拉遠RRU 1 座，站點分布在礦區(qū)周邊。

1）基站。采用3 臺基站4 個站址覆蓋露天礦礦田（其中需要拉遠1 個RRU），單小區(qū)上行吞吐量平均值不小于30 Mbps，下行吞吐量平均值不小于60 Mbps，實現(xiàn)露天礦礦坑內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，基站基本功能模塊包括基帶控制單元BBU 和射頻拉遠單元eRRU?；鶐Э刂茊卧狟BU 安裝在西三露天煤礦辦公樓機房內(nèi)，作為基站系統(tǒng)的管理單元，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的操作維護、指令自動處理、時鐘校準，完成傳輸網(wǎng)絡(luò)的信息交互。射頻拉遠單元eRRU 安裝在礦區(qū)新建的基站塔上，主要用于基帶數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，與基帶控制單元進行通信，通信過程中對通信信號進行調(diào)制解調(diào)、功率放大、濾波處理。

2）基站塔。礦山共建4 座基站塔，其中20 m 高基站塔3 座，15 m 高基站塔1 座，均為單管塔，用于承載基站，塔體為鋼卷管結(jié)構(gòu)，鋼材材質(zhì)為Q235，塔身設(shè)1 層平臺，設(shè)爬梯，帶護欄，平臺設(shè)計6 副天線抱桿。

2 信息化系統(tǒng)

2.1 安全生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)

安全生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)是露天礦智能化建設(shè)中的必備系統(tǒng)，是提升礦山生產(chǎn)管理人員管理水平的有效輔助手段。勝利西三露天礦安全生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)包含終端模塊、調(diào)度中心軟件系統(tǒng)、通訊模塊3部分。為了降低管理人員負擔、節(jié)約成本，終端模塊同步使用無線集群系統(tǒng)的大屏手機終端，承擔事故隱患現(xiàn)場排查數(shù)據(jù)上傳、事故隱患處理結(jié)果查詢的任務(wù)。調(diào)度中心軟件系統(tǒng)共開發(fā)了安全風險分級管控、事故隱患排查治理、安全生產(chǎn)標準化3 個模塊，分PC 端和App 端（Android 版）2 套系統(tǒng)，其中PC 端系統(tǒng)部署在煤礦內(nèi)網(wǎng)使用，App 端搭載在無線集群系統(tǒng)的大屏手機終端上使用；通訊模塊采用無線集群系統(tǒng)的TD－LTE 網(wǎng)絡(luò)，完成終端模塊和調(diào)度中心的數(shù)據(jù)交互。

該系統(tǒng)根據(jù)礦方的相關(guān)安全規(guī)定實現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)區(qū)和辦公區(qū)內(nèi)的危險源的識別和評估分級。規(guī)范了事故隱患排查治理工作流程，對隱患進行一般隱患和重大隱患分類管理，實現(xiàn)隱患排查治理的閉環(huán)管理，詳細記錄每個流程的處理時間和處理結(jié)果，形成隱患檔案并按照管理人員要求進行統(tǒng)計分析。對于逾期未整改的隱患，系統(tǒng)提供消息提醒功能，實現(xiàn)隱患整改預(yù)警升級，督促管理人員及時干預(yù)完成隱患整改。幫助管理人員實現(xiàn)了對所有未處理隱患的全程管控和已處理完成的隱患的全方位梳理。

通過建立動態(tài)露天煤礦安全生產(chǎn)標準庫，實現(xiàn)了對勝利西三礦安全生產(chǎn)標準化的網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理，企業(yè)安全生產(chǎn)標準化檢查、評分、考核、評比、反饋、整改全部實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場動態(tài)管控，生產(chǎn)安全管理人員可以動態(tài)跟蹤整改現(xiàn)場存在的安全隱患，按照標準化檢查要求自動統(tǒng)計安全風險分級管控、事故隱患排查治理以及生產(chǎn)單位各專業(yè)的評分情況，實現(xiàn)了煤礦安全生產(chǎn)查漏補缺的目的。

2.2 卡車調(diào)度系統(tǒng)

勝利西三礦卡車調(diào)度系統(tǒng)由車載終端模塊和調(diào)度中心模塊組成，數(shù)據(jù)傳輸依托于無線集群調(diào)度系統(tǒng)的TD－LTE 網(wǎng)絡(luò)[6]。車載終端模塊作為卡車調(diào)度系統(tǒng)的前端設(shè)備，主要用于采集車輛的位置信息、車輛狀態(tài)信息、司機登錄信息、請求指令等并發(fā)送給調(diào)度中心，同時接收調(diào)度中心下發(fā)的調(diào)度指令并進行語音播報和文字消息提示。調(diào)度中心模塊主要用于車輛運行情況的監(jiān)控、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的解析、統(tǒng)計和存儲，并將統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息通過圖表、圖形等形式進行展示。

勝利西三礦卡車調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)了礦山基礎(chǔ)信息智能管理，基礎(chǔ)信息涵蓋設(shè)備檔案、司機檔案、內(nèi)外障檔案、物料檔案、設(shè)備子類及型號檔案等。運用GIS 技術(shù)，結(jié)合礦區(qū)采剝工程位置平面圖、地形圖、工業(yè)布置圖等信息，建立礦山二維地理信息圖，形成礦山道路網(wǎng)。通過車載終端模塊的采集信息實現(xiàn)了車輛運行位置跟蹤及狀態(tài)自動識別，同時根據(jù)生產(chǎn)管理者制定的生產(chǎn)計劃完成優(yōu)化調(diào)度，為作業(yè)車輛提供最優(yōu)指令分配，班后根據(jù)作業(yè)車輛運行軌跡和歷史調(diào)度指令自動完成產(chǎn)量統(tǒng)計，大大提高生產(chǎn)效率，避免人工統(tǒng)計作業(yè)量存在誤差。以司機點報、調(diào)度人員補錄等多種形式完善現(xiàn)場車輛故障信息管理，實現(xiàn)了車輛設(shè)備監(jiān)控和維修人員考核功能。運用先進的BI 報表技術(shù)，基于系統(tǒng)內(nèi)的采集數(shù)據(jù)，結(jié)合礦山管理者的實際需求，進行數(shù)據(jù)分類分析與統(tǒng)計，生成各類統(tǒng)計報表。

勝利西三礦卡車調(diào)度系統(tǒng)在傳統(tǒng)卡調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，擴展開發(fā)了防碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能和防疲勞駕駛功能?；贕PRS 和UWB 技術(shù)實現(xiàn)運行車輛位置定位、行進方向預(yù)測，達到碰撞預(yù)警值時對駕駛員進行語音播報提示。防疲勞駕駛功能通過采集駕駛員的臉部特征和手臂標志動作，實現(xiàn)了閉眼、打哈欠、抽煙、打電話、未系安全帶等影響駕駛安全的行為檢測，在給司機同步報警提醒的同時進行行為抓拍，完善司機管理體系。

2.3 礦山人員定位系統(tǒng)

勝利西三露天礦人員定位系統(tǒng)作為人員安全管理的必備系統(tǒng)，主要應(yīng)用于礦山辦公區(qū)管理人員，配合卡車調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)對辦公區(qū)人員和現(xiàn)場作業(yè)人員的全覆蓋集中管理。

人員定位系統(tǒng)由調(diào)度中心軟件模塊和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，數(shù)據(jù)傳輸依托無線集群系統(tǒng)的TD－LTE網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集模塊采用的是礦山專用人員定位識別卡，具備抗震防爆的優(yōu)良性能和緊急求救的功能，完成人員定位信息的采集和緊急求救指令發(fā)送。調(diào)度中心軟件利用卡車調(diào)度系統(tǒng)生成的礦山二維地理信息圖，實時顯示人員定位卡的實時位置，進行位置追蹤；可自由設(shè)置電子圍欄，進行重點區(qū)域人員管理并進行人員考勤；人員行走軌跡提供回放功能，能夠進行圖形顯示和報表輸出。人員考勤情況、重點區(qū)域人員滯留根據(jù)礦方管理人員需求，進行分類統(tǒng)計并以報表形式輸出；為了及時應(yīng)對露天礦緊急災(zāi)難，開發(fā)了緊急避險功能，在發(fā)生危險的第一時間，完成人員的合理避險路線分配。

人員定位系統(tǒng)基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GIS 地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了人員實時定位監(jiān)控和員工自動考勤，提高了安全管理效率，達到了高質(zhì)量、高效率、低成本、高可靠性地實現(xiàn)人員綜合管理的目的。

3 智能綜合調(diào)度平臺

為了解決勝利西三礦新建信息化子系統(tǒng)和原有子系統(tǒng)之間相互獨立，容易出現(xiàn)“數(shù)據(jù)孤島”，無法達到各系統(tǒng)統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)集中展現(xiàn)的智能化需求的現(xiàn)狀，建設(shè)了智能綜合調(diào)度平臺[7]。將邊坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線集群調(diào)度系統(tǒng)、卡車調(diào)度系統(tǒng)、安全生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)整合，實現(xiàn)“一張圖”數(shù)據(jù)可視化管理。

智能綜合調(diào)度平臺包括企業(yè)介紹、GIS 一張圖、場景模式、主要建筑4 大模塊。①企業(yè)介紹模塊展示企業(yè)基本情況，包含企業(yè)情況、煤礦產(chǎn)能、采區(qū)劃分、平面布置等；②主展示區(qū)（GIS 一張圖）是基于數(shù)字孿生平臺打造的三維系統(tǒng)，將人員、車輛、視頻監(jiān)控、邊坡監(jiān)測點等上圖管理，顯示勝利西三礦實時生產(chǎn)指標完成情況，環(huán)境參數(shù)等信息；③場景模式模塊為了滿足使用人員的不同使用習慣，開發(fā)了3 種場景可供選擇；④主要建筑模塊圍繞辦公區(qū)、水處理站進行建模，展示每個建筑內(nèi)的主要設(shè)備的基礎(chǔ)參數(shù)和運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)遠程管理。

智能綜合調(diào)度平臺利用大數(shù)據(jù)分析完成了調(diào)度信息的綜合顯示、產(chǎn)量精確計算與績效考核、環(huán)境與設(shè)備異常報警與處置、預(yù)警信息提示和發(fā)布、調(diào)度臺賬與報表生成、監(jiān)測監(jiān)控實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，實現(xiàn)了露天礦建設(shè)過程中統(tǒng)籌管理、集中展示、遠程管控的目標[8]。

4 結(jié)語

應(yīng)用無線寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)露天煤礦智能化完全滿足各信息化子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅W(wǎng)絡(luò)建設(shè)相對簡單、維護方便。建設(shè)前期，統(tǒng)籌考慮整個智能化建設(shè)進程，實現(xiàn)了多系統(tǒng)共用網(wǎng)絡(luò)、集群調(diào)度系統(tǒng)和安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)共用終端，避免管理人員手持多個終端的情況出現(xiàn)，起到了節(jié)約建設(shè)成本、精簡快速辦公的效果。

基于無線寬帶集群調(diào)度的勝利西三露天煤礦智能化礦山建設(shè)涵蓋生產(chǎn)運營管控、安全管理管控、經(jīng)營決策管控3 部分。智能綜合調(diào)度平臺的建成完成了各大信息化子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合、集中展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計，實現(xiàn)了礦山“人、機、環(huán)”數(shù)據(jù)智能化精準采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成，實現(xiàn)了整個礦區(qū)業(yè)務(wù)的可視化、移動化、實時化，提高了勝利西三號露天煤礦的安全生產(chǎn)管理水平。