劉道玉，程寶軍

(1.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)管理部，河南省鄭州市，450042；2.河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南省鄭州市，451100)

1 智能化綜合管控平臺(tái)建設(shè)背景

煤礦智能化是實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，也是煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的必由之路[1-2]。其主要特征是通過(guò)對(duì)礦井人-機(jī)-環(huán)-管等要素進(jìn)行全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)自主決策與反饋執(zhí)行，通過(guò)對(duì)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)高效集成融合與挖掘分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)礦井安全高效運(yùn)營(yíng)[3-5]。近年來(lái)煤礦自動(dòng)化、信息化、智能化建設(shè)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，許多煤礦都建設(shè)了自動(dòng)化、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、經(jīng)營(yíng)管理信息化等系統(tǒng)，由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，業(yè)務(wù)互聯(lián)互通不足，距離智能化、少人化目標(biāo)存在一定差距[6-7]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)已成為可能，國(guó)內(nèi)許多研究人員對(duì)智慧煤礦及煤礦大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)進(jìn)行了探討，對(duì)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)技術(shù)及分析利用進(jìn)行了很多研究[8-15]?？傮w而言，目前國(guó)內(nèi)煤礦大數(shù)據(jù)及綜合管控平臺(tái)應(yīng)用還處于初級(jí)階段，主要表現(xiàn)在當(dāng)前不同廠(chǎng)商提供的產(chǎn)品、設(shè)備所采用的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)“七國(guó)八制”，缺乏統(tǒng)一的數(shù)字底座，數(shù)據(jù)接入轉(zhuǎn)換次數(shù)多，造成各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)一致性差、互聯(lián)互通不足，數(shù)據(jù)積累多、分析利用少，難以發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值。以鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鄭煤集團(tuán)”)所屬礦井為例，在安全監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、管理信息化、調(diào)度視頻監(jiān)控等方面建立了很多子系統(tǒng)，但都是獨(dú)立的子系統(tǒng)，系統(tǒng)間缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入平臺(tái)，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享、融合與聯(lián)動(dòng)、大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。

煤礦生產(chǎn)過(guò)程中各業(yè)務(wù)流程環(huán)節(jié)相互耦合，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)中的空間位置數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)。位置服務(wù)無(wú)處不在，礦井離開(kāi)了采掘工程平面圖就無(wú)法正常布置生產(chǎn)，也就是說(shuō)離開(kāi)了位置就無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)服務(wù)。當(dāng)前，煤礦實(shí)際工作越來(lái)越多地應(yīng)用位置的增值服務(wù)，比如監(jiān)測(cè)監(jiān)控、應(yīng)急救援、人員跟蹤管理、工作面與巷道布置、采區(qū)設(shè)計(jì)等，這些都是地理信息系統(tǒng)(GIS)引入煤炭企業(yè)信息化應(yīng)用的增值。特別是，當(dāng)前基于三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)字礦山工程建設(shè)給煤礦安全生產(chǎn)的位置服務(wù)帶來(lái)更大的空間，比如礦井正常生產(chǎn)調(diào)度、應(yīng)急救援指揮、監(jiān)測(cè)監(jiān)控的三維展示與自動(dòng)報(bào)警及其快速導(dǎo)航定位、人員下井路線(xiàn)與避災(zāi)路線(xiàn)分析等。

為此，筆者嘗試把位置服務(wù)的理念引入煤礦智能化綜合管控平臺(tái)，通過(guò)空間位置、業(yè)務(wù)邏輯、事件關(guān)系把各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，將位置屬性作為管控平臺(tái)的基本要素，構(gòu)建融合位置服務(wù)的智能化綜合管控平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井安全生產(chǎn)的有效管控。

2 智能化綜合管控平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能化綜合管控平臺(tái)通過(guò)底層泛在傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并接入礦井人-機(jī)-環(huán)-管等要素各種狀態(tài)信息，具備數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入、集成與邊緣處理功能，并賦予接入的數(shù)據(jù)以位置屬性，以此為紐帶對(duì)各子系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與聯(lián)動(dòng)分析。位置數(shù)據(jù)來(lái)源于2個(gè)方面，人員、運(yùn)輸車(chē)輛等實(shí)時(shí)移動(dòng)類(lèi)目標(biāo)位置數(shù)據(jù)由實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供，智能化采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等移動(dòng)類(lèi)設(shè)備采用自帶的定位數(shù)據(jù)；非實(shí)時(shí)移動(dòng)類(lèi)目標(biāo)位置數(shù)據(jù)由礦井GIS提供，如固定設(shè)備類(lèi)位置源自定期更新的設(shè)備布置圖坐標(biāo)，災(zāi)害源監(jiān)測(cè)探頭儀表類(lèi)位置源自安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖坐標(biāo)。

以構(gòu)建GIS“一張圖”平臺(tái)為基礎(chǔ)，以地理位置為關(guān)聯(lián)，集成安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控類(lèi)系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化類(lèi)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)類(lèi)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)管理信息化類(lèi)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)信息，建立智能化綜合管控平臺(tái)，通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)過(guò)程集中監(jiān)測(cè)、預(yù)警聯(lián)動(dòng)控制、安全精準(zhǔn)感知、分級(jí)報(bào)警、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)以及門(mén)戶(hù)應(yīng)用等。該管控平臺(tái)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和微服務(wù)架構(gòu)，采用“云、邊、端”協(xié)同模式部署，覆蓋煤礦安全、生產(chǎn)、調(diào)度、經(jīng)營(yíng)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，貫通智能生產(chǎn)執(zhí)行層與智能控制層數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)集中控制和安全監(jiān)測(cè)融合、管控協(xié)同。智能化綜合管控平臺(tái)整體架構(gòu)如圖1所示。

(1)感知執(zhí)行層。該層利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)井上下布置的各種傳感器、控制器、智能終端等感知設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦人員、設(shè)備、環(huán)境運(yùn)行工況和生產(chǎn)狀態(tài)等參數(shù)，并對(duì)相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)感知的安全環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備工況數(shù)據(jù)、生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等通過(guò)智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、傳輸分站、主站以及包括5G和F5G在內(nèi)的工業(yè)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中采集和傳輸。除瓦斯安全監(jiān)控子系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)外，其它系統(tǒng)采用“現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)+工業(yè)以太網(wǎng)+工業(yè)光網(wǎng)絡(luò)”融合組網(wǎng)模式，在規(guī)范軟硬件接口的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效可靠傳輸。

(2)基礎(chǔ)設(shè)施層。該層可以提供硬件平臺(tái)，也可以部署和應(yīng)用任意操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。在統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一接入智能網(wǎng)關(guān)，兼容各種礦用設(shè)備和子系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入；采用虛擬化和云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建礦井云數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源的統(tǒng)一規(guī)劃與集約部署。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)層。該層為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用服務(wù)接口和應(yīng)用支撐，并對(duì)礦井感知、采集的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取清洗、建模分析、可視化處理等?；谖⒎?wù)架構(gòu)，提供數(shù)據(jù)管理融合服務(wù)(數(shù)據(jù)中心)、基礎(chǔ)技術(shù)支撐服務(wù)(技術(shù)平臺(tái))及各種應(yīng)用支撐服務(wù)(業(yè)務(wù)平臺(tái))。

(4)應(yīng)用層。該層為礦井各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的不同業(yè)務(wù)需求提供相應(yīng)軟件服務(wù)?；趹?yīng)用層構(gòu)建的智能化綜合管控平臺(tái)能夠?qū)Φ讓訑?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)管理的協(xié)同調(diào)度、集中管控，同時(shí)基于智能終端實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用與服務(wù)。主要包括基于時(shí)空GIS“一張圖”的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)及安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析決策系統(tǒng)，并通過(guò)PC應(yīng)用端、移動(dòng)App、調(diào)度大屏等多種方式進(jìn)行展示和體現(xiàn)。

2.2 平臺(tái)數(shù)據(jù)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)安全、高效治理是構(gòu)建智能化綜合管控平臺(tái)的基礎(chǔ)，為此，需要統(tǒng)一和規(guī)范平臺(tái)數(shù)據(jù)體系及其標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)智能化綜合管控平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享、系統(tǒng)集成、信息融合與聯(lián)動(dòng)應(yīng)用。智能化綜合管控平臺(tái)數(shù)據(jù)體系架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)信息安全等5個(gè)部分組成。智能化綜合管控平臺(tái)數(shù)據(jù)體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能化綜合管控平臺(tái)數(shù)據(jù)體系架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)采集與傳輸。主要采集包括安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、生產(chǎn)過(guò)程控制、目標(biāo)定位、通信聯(lián)絡(luò)等系統(tǒng)的各種傳感器、監(jiān)測(cè)儀表、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等數(shù)據(jù)信息，為保證平臺(tái)應(yīng)用層對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析和利用，需依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)編碼體系和規(guī)則，制定不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范各子系統(tǒng)的接入和建設(shè)。數(shù)據(jù)編碼方面，監(jiān)測(cè)監(jiān)控各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)編碼主要包括子系統(tǒng)類(lèi)型、傳感器數(shù)值類(lèi)型、傳感器類(lèi)型、傳感器單位、報(bào)警/異常類(lèi)型、傳感器關(guān)聯(lián)關(guān)系、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)等方面的編碼。數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)方面，監(jiān)測(cè)類(lèi)子系統(tǒng)的接入采用WebAPI的接口方式，控制類(lèi)子系統(tǒng)的接入采用OPC-UA的接口方式。

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。平臺(tái)數(shù)據(jù)分為元數(shù)據(jù)、主數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層面上，首先需要做好元數(shù)據(jù)和主數(shù)據(jù)的規(guī)劃和管理。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)流程對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的清洗、存儲(chǔ)，構(gòu)建包括元數(shù)據(jù)庫(kù)、主數(shù)據(jù)庫(kù)、空間位置數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)等在內(nèi)的礦井綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，采用大集中方式進(jìn)行部署，形成全礦井1個(gè)數(shù)據(jù)中心。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)。提供所有與礦井?dāng)?shù)據(jù)資源相關(guān)的服務(wù)，支撐所有位置相關(guān)子系統(tǒng)的運(yùn)行，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集服務(wù)、數(shù)據(jù)存取服務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推送服務(wù)、數(shù)據(jù)共享與交換服務(wù)以及大數(shù)據(jù)分析服務(wù)等，以實(shí)現(xiàn)全礦井各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享和交換。

(4)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量定義、檢核任務(wù)調(diào)度，持續(xù)監(jiān)控各系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量波動(dòng)情況，進(jìn)行檢核結(jié)果分析，定期生成各業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)質(zhì)量報(bào)告。

(5)數(shù)據(jù)信息安全。針對(duì)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的重要性，采用不同的數(shù)據(jù)安全保護(hù)措施，以保障數(shù)據(jù)信息的完整性、準(zhǔn)確性、有效性、一致性和保密性。

3 智能化綜合管控平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 全息“一張圖”平臺(tái)及位置服務(wù)

礦井生產(chǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，涉及的信息都與三維坐標(biāo)和時(shí)間有關(guān)。智能化綜合管控平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，必須將安全、生產(chǎn)、執(zhí)行和經(jīng)營(yíng)等系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)上，地理位置是天然紐帶，可以將礦井各類(lèi)數(shù)據(jù)和信息有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。為此，需要構(gòu)建基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的以空間地理位置為主線(xiàn)、以分圖層管理為組織形式的礦井GIS“一張圖”平臺(tái)，為智能化綜合管控平臺(tái)提供二三維一體化位置服務(wù)，同時(shí)提供生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)和信息集成融合、協(xié)同管理以及智能決策分析等專(zhuān)業(yè)應(yīng)用?！耙粡垐D”是利用地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)協(xié)同、信息訂閱與管理和工作流等技術(shù)，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建以空間地理坐標(biāo)為主線(xiàn)的礦井空間對(duì)象時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)，為綜合管控平臺(tái)提供信息共享與協(xié)作服務(wù)。

“一張圖”以礦井采掘工程平面圖為底圖，融合各專(zhuān)業(yè)圖紙，實(shí)現(xiàn)“一張圖”上查看、管理各類(lèi)礦圖和信息的功能，在對(duì)全礦井所有數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上，將其通過(guò)地理位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并以服務(wù)的方式分類(lèi)對(duì)外提供。“一張圖”包括綜合“一張圖”、地測(cè)“一張圖”、安全“一張圖”、通防“一張圖”、機(jī)電“一張圖”等專(zhuān)題圖，各個(gè)圖層可以任意選擇；基于“一張圖”的基礎(chǔ)地理信息服務(wù)接口集成人員定位、安全監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)自動(dòng)化、工業(yè)視頻等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)[16-17]，將礦井生產(chǎn)相關(guān)的人員、環(huán)境、設(shè)備、設(shè)施等生產(chǎn)運(yùn)行信息在“一張圖”上進(jìn)行展示，并可以調(diào)取井上下所有地點(diǎn)視頻畫(huà)面、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備故障報(bào)警信息、區(qū)域人員信息、安全隱患信息、安全監(jiān)控信息、水文測(cè)點(diǎn)信息等數(shù)據(jù)。

3.2 多源異構(gòu)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理

礦井?dāng)?shù)據(jù)源主要包括安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，各專(zhuān)業(yè)管理信息化系統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，各類(lèi)信息隊(duì)列以及圖紙報(bào)表文件等各類(lèi)文檔及音視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。底層統(tǒng)一接入自動(dòng)化系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員定位、視頻監(jiān)控、語(yǔ)音廣播及各業(yè)務(wù)管理等數(shù)據(jù)并進(jìn)行抽取、清洗，賦予位置屬性，基于Hadoop+Spark大數(shù)據(jù)架構(gòu)，通過(guò)Hadoop HDFS、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)Hbase和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)Hive實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，根據(jù)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析需求特點(diǎn)，利用大數(shù)據(jù)計(jì)算引擎Spark、Storm和Flink，提供大數(shù)據(jù)算法的實(shí)時(shí)或離線(xiàn)計(jì)算服務(wù)。針對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，主要通過(guò)Node-Red[18]來(lái)實(shí)現(xiàn)與井下各類(lèi)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制。

Node-Red支持的協(xié)議較多，通過(guò)OPC的方式與自動(dòng)化子系統(tǒng)通訊，形成與各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制，通過(guò)FTP、WebSocket等數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)獲取的方式實(shí)現(xiàn)與安全監(jiān)控、人員定位、廣播等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。針對(duì)信息化系統(tǒng)所涉及的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的頻率相對(duì)較低，可通過(guò)開(kāi)發(fā)組件將數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Xml或Json格式進(jìn)行定時(shí)采集。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的數(shù)據(jù)綜合服務(wù)平臺(tái)負(fù)責(zé)處理泛在感知層所有數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)、訂閱與推送，并對(duì)外提供接口，平臺(tái)屏蔽不同子系統(tǒng)廠(chǎng)家的差異，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集工具，同時(shí)也屏蔽了不同數(shù)據(jù)庫(kù)之間的差異，只需通過(guò)接口便可以直接訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)操作。

3.3 多業(yè)務(wù)協(xié)同設(shè)計(jì)與管理

基于感知的礦井?dāng)?shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的協(xié)同管控，需要解決各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間對(duì)礦井時(shí)空數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新與共享問(wèn)題。礦井時(shí)空數(shù)據(jù)涉及地測(cè)、采煤、掘進(jìn)、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)、安全、調(diào)度等多個(gè)專(zhuān)業(yè)與部門(mén)，面向智能化開(kāi)采的空間信息處理是一個(gè)多專(zhuān)業(yè)協(xié)作的工作流，是一種數(shù)據(jù)協(xié)同[19]。礦井空間信息協(xié)作的主體是礦井各業(yè)務(wù)部門(mén)的技術(shù)管理人員，協(xié)作的對(duì)象是煤礦智能化開(kāi)采中的各類(lèi)實(shí)體，實(shí)現(xiàn)煤礦井下空間信息的協(xié)同和高效管理是煤礦智能化的基礎(chǔ)和先決條件之一。基于時(shí)空GIS“一張圖”平臺(tái)，構(gòu)建礦井多專(zhuān)業(yè)分布式協(xié)同及數(shù)據(jù)信息共享機(jī)制平臺(tái)框架如圖4所示。

由圖3可以看出，采用1個(gè)數(shù)據(jù)中心和1個(gè)事務(wù)處理平臺(tái)(業(yè)務(wù)協(xié)同設(shè)計(jì)與管理平臺(tái))的設(shè)計(jì)思想，提供數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)更新提醒等服務(wù)，建立圖形、數(shù)據(jù)以及業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)更新和協(xié)作共享模式，使得各部門(mén)能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)、全面地獲取到礦井其他各部門(mén)的最新相關(guān)信息，同時(shí)也為礦井安全、生產(chǎn)決策提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的分析數(shù)據(jù)。

圖3 多專(zhuān)業(yè)分布式協(xié)同及數(shù)據(jù)信息共享機(jī)制平臺(tái)框架

3.4 基于位置和業(yè)務(wù)邏輯關(guān)聯(lián)的多系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)

基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和“一張圖”管理，智能化綜合管控平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合、聯(lián)動(dòng)報(bào)警、聯(lián)動(dòng)響應(yīng)等。多系統(tǒng)融合包括安全監(jiān)控、人員定位、井下4G/WiFi、調(diào)度通信、應(yīng)急廣播等系統(tǒng)間的融合，以及生產(chǎn)自動(dòng)化、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、視頻監(jiān)控與人員定位等系統(tǒng)間的融合。多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警主要實(shí)現(xiàn)安全隱患、人員違章、設(shè)備故障等報(bào)警的多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，如采掘工作面瓦斯超限，可基于位置服務(wù)快速聯(lián)動(dòng)人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)響應(yīng)包括安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、采掘工作面、主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)等系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)觸發(fā)機(jī)制、聯(lián)動(dòng)響應(yīng)與地理位置映射等。

多系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)的核心是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)流程以及數(shù)據(jù)分析模型，一旦模型啟動(dòng)，平臺(tái)將通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)與流程實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)間聯(lián)動(dòng)。為此，首先對(duì)井上下所有的安全、生產(chǎn)、通信、人員定位等各類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行集成實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訂閱與推送等服務(wù)，并基于預(yù)設(shè)的聯(lián)動(dòng)流程實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)與協(xié)同。

3.5 基于大數(shù)據(jù)分析的綜合決策

為了更好地支撐礦井多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合、聯(lián)動(dòng)報(bào)警、綜合決策的實(shí)現(xiàn)，基于前述的Hadoop+Spark大數(shù)據(jù)架構(gòu)，采用內(nèi)存計(jì)算技術(shù)(如Spark)、實(shí)時(shí)流處理技術(shù)(如Storm、Spark Streaming、Flink)和并行批處理技術(shù)(如MapReduce)相融合的計(jì)算框架，針對(duì)礦井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)高吞吐量、高并發(fā)、海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，利用分布式實(shí)時(shí)計(jì)算流處理技術(shù)解決實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)在線(xiàn)分析與處理問(wèn)題，利用分布式離線(xiàn)批處理計(jì)算技術(shù)解決海量歷史數(shù)據(jù)多維度關(guān)聯(lián)分析問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)生、累積的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)與分析。

安全方面主要分析各類(lèi)隱患、風(fēng)險(xiǎn)、違章、監(jiān)測(cè)報(bào)警等信息，生產(chǎn)方面主要分析產(chǎn)量、進(jìn)尺、設(shè)備開(kāi)機(jī)率、原煤電耗、材料配件消耗等數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)礦井安全、生產(chǎn)過(guò)程中存在問(wèn)題時(shí)，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警報(bào)警。預(yù)警報(bào)警主要對(duì)自動(dòng)化、安全監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析與監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常情況時(shí)進(jìn)行信息提醒，提醒分為系統(tǒng)預(yù)警、系統(tǒng)報(bào)警、管理預(yù)警、管理報(bào)警4種類(lèi)型，系統(tǒng)預(yù)警和系統(tǒng)報(bào)警主要對(duì)安全、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，管理預(yù)警和管理報(bào)警主要對(duì)業(yè)務(wù)類(lèi)數(shù)據(jù)和管理信息進(jìn)行分析。在實(shí)現(xiàn)礦井人-機(jī)-環(huán)-管要素?cái)?shù)據(jù)信息綜合集成的基礎(chǔ)上，以煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化、作業(yè)規(guī)程、技術(shù)措施等為依據(jù)，建立并不斷完善安全診斷指標(biāo)庫(kù)、預(yù)警報(bào)警指標(biāo)庫(kù)、預(yù)報(bào)預(yù)警知識(shí)庫(kù)等，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推理、關(guān)聯(lián)分析、綜合展示等，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量化當(dāng)前全礦井和各區(qū)域安全生產(chǎn)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前存在的安全風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題，診斷推理風(fēng)險(xiǎn)與問(wèn)題發(fā)生的原因及可采取的處理措施。

4 智能化綜合管控平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

智能化綜合管控平臺(tái)于2020年10月建成并試運(yùn)行，2021年1月正式在鄭煤集團(tuán)新鄭煤電公司進(jìn)行了部署應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全礦井30余個(gè)在用系統(tǒng)的集成和優(yōu)化?；凇耙粡垐D”，通過(guò)對(duì)底層人員、設(shè)備、環(huán)境及管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、抽取與清洗，匯聚至綜合管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、數(shù)據(jù)可視化、預(yù)測(cè)預(yù)警、指標(biāo)評(píng)價(jià)等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的協(xié)同管控與聯(lián)動(dòng)。智能化綜合管控平臺(tái)應(yīng)用界面如圖4～圖6所示。

圖4 智能化綜合管控平臺(tái)“一張圖”主界面

圖5 智能化綜合管控平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化駕駛艙界面

圖6 智能化綜合管控平臺(tái)預(yù)警報(bào)警界面

通過(guò)智能化綜合管控平臺(tái)“一張圖”主界面，管理人員可以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前礦井的主要生產(chǎn)信息、安全信息、預(yù)警報(bào)警信息、值班及井下人員數(shù)以及各專(zhuān)業(yè)“一張圖”信息等。 通過(guò)智能化綜合管控平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化界面，對(duì)礦井安全狀態(tài)、產(chǎn)量、進(jìn)尺、設(shè)備工況、能耗等情況進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)駕駛艙展示。通過(guò)智能化綜合管控平臺(tái)預(yù)警報(bào)警界面，對(duì)各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)預(yù)警、報(bào)警信息集中展示，并及時(shí)推送提醒。當(dāng)?shù)V井安全監(jiān)控系統(tǒng)區(qū)域報(bào)警時(shí)，智能化綜合管控平臺(tái)數(shù)據(jù)融合聯(lián)動(dòng)界面可與應(yīng)急通訊廣播、工業(yè)視頻、人員定位系統(tǒng)間進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

鄭煤集團(tuán)新鄭煤電公司通過(guò)智能化綜合管控平臺(tái)的應(yīng)用，促進(jìn)了業(yè)務(wù)流程再造和優(yōu)化，先后減少井下固定崗位用工60余人，打通了地測(cè)防治水、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、綜合自動(dòng)化、生產(chǎn)調(diào)度、安全管理等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在礦井內(nèi)部的橫向、縱向流通渠道，使礦領(lǐng)導(dǎo)和業(yè)務(wù)部門(mén)、區(qū)隊(duì)能夠及時(shí)、全面、準(zhǔn)確地掌握所負(fù)責(zé)范圍內(nèi)的礦井安全生產(chǎn)狀況，促進(jìn)了部門(mén)、區(qū)隊(duì)間的業(yè)務(wù)協(xié)同，增強(qiáng)了礦井應(yīng)急處置能力，促進(jìn)了礦井安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

智能化煤礦綜合管控平臺(tái)以構(gòu)建GIS“一張圖”平臺(tái)為基礎(chǔ)，以地理位置為紐帶，集成生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化類(lèi)系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控類(lèi)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)類(lèi)系統(tǒng)以及業(yè)務(wù)管理信息化系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了礦井安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合分析、管控協(xié)同，生產(chǎn)過(guò)程集中監(jiān)控、預(yù)警聯(lián)動(dòng)控制，安全精準(zhǔn)感知、分級(jí)報(bào)警、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)以及門(mén)戶(hù)應(yīng)用等。雖然智能化煤礦綜合管控平臺(tái)對(duì)目標(biāo)位置數(shù)據(jù)利用進(jìn)行了初步嘗試，但還處于智能化初級(jí)應(yīng)用階段。為了能給煤礦安全高效生產(chǎn)提供更好的數(shù)據(jù)支撐，還需要更好地應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析工具、利用人工智能算法對(duì)不斷積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘分析，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置服務(wù)驅(qū)動(dòng)的煤礦安全生產(chǎn)智能預(yù)警、動(dòng)態(tài)診斷及輔助決策，促進(jìn)礦井業(yè)務(wù)流程優(yōu)化再造。