張曉霞，陳思宇，蘇上海，王海力

(煤炭科學(xué)研究總院 礦山大數(shù)據(jù)研究院，北京 100013)

0 引 言

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開(kāi)發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng),對(duì)于提升煤礦安全生產(chǎn)水平、保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義[1-2]。目前,我國(guó)煤礦智能化已經(jīng)取得了初步的成果，但是仍然存在著部分問(wèn)題：①“信息孤島”現(xiàn)象依舊存在，尚未徹底解決。由于基礎(chǔ)條件的差異，各礦井智能化建設(shè)進(jìn)展參差不齊，尚有大量礦井存在子系統(tǒng)相互孤立，數(shù)據(jù)共享路徑不通暢的問(wèn)題。而且目前建設(shè)形成的數(shù)據(jù)平臺(tái)在使用過(guò)程中也主要停留在數(shù)據(jù)集成階段，缺乏有效的融合分析機(jī)制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理之間的業(yè)務(wù)協(xié)同,大幅限制了系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性,阻礙智能礦山建設(shè)的良性快速發(fā)展[3-4]。②管理模式相對(duì)落后，信息化程度低，與其他先進(jìn)行業(yè)的信息化水平仍有較大差距。在煤礦集團(tuán)管理上，無(wú)論是橫向(礦井的科室之間、集團(tuán)的處室之間)還是縱向(礦、二級(jí)公司、集團(tuán)公司層級(jí)結(jié)構(gòu)),其管理架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程和崗位職責(zé),仍然主要是傳統(tǒng)的非信息化或半信息化管理模式[5]，缺乏高度一體化和協(xié)同化的管理體系，不能滿足煤炭工業(yè)信息化的要求[3]。③共享平臺(tái)缺失?！靶畔⒐聧u”現(xiàn)象和管理模式落后造成了目前煤礦行業(yè)獨(dú)立軟件子系統(tǒng)眾多,并且存在功能單一、數(shù)據(jù)冗余度高、系統(tǒng)操作復(fù)雜、信息共享和實(shí)時(shí)自動(dòng)分析困難等問(wèn)題[5]，無(wú)法通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)軟件的共享與復(fù)用。④煤礦設(shè)備通信接口不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不一致[6-7]，使得數(shù)據(jù)資源無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，設(shè)備之間存在信息壁壘，造成系統(tǒng)集成難度大，協(xié)同控制水平低[8-9]。

針對(duì)智能化煤礦建設(shè)中的上述問(wèn)題，許多文獻(xiàn)和煤礦用戶都提出了建立煤礦一體化綜合管控平臺(tái)的要求。文獻(xiàn)[5]提到煤礦是一個(gè)典型的多部門(mén)、多專業(yè)管理的單位,涉及不同業(yè)務(wù)方向，如何將靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、分散、孤立的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)資源整合到一個(gè)集成和統(tǒng)一的管理平臺(tái)是智能礦山建設(shè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]提出智能化煤礦應(yīng)通過(guò)統(tǒng)一的綜合管控平臺(tái)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)信息化與自動(dòng)化的深度融合。文獻(xiàn)[11]提出數(shù)字礦山是基于管理控制一體化等技術(shù)發(fā)展高度結(jié)合的產(chǎn)物。文獻(xiàn)[12]提出利用統(tǒng)一操作平臺(tái)對(duì)井下生產(chǎn)系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理,解決信息孤島、子系統(tǒng)割裂等問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]提出隨著智能礦山技術(shù)的變革與發(fā)展,為提高礦井信息互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享、智能聯(lián)動(dòng)和業(yè)務(wù)管理的協(xié)同效益,礦井生產(chǎn)控制必須由單一分散式向綜合智能化轉(zhuǎn)變，由單點(diǎn)控制向集中控制進(jìn)行轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[13]提出系統(tǒng)一體化是智慧礦山建設(shè)的實(shí)現(xiàn)方式，需要通過(guò)系統(tǒng)一體化的建設(shè),加強(qiáng)礦山系統(tǒng)間的兼容性,并減少系統(tǒng)內(nèi)功能模塊的耦合度。

目前，盡管針對(duì)一體化管控平臺(tái)的理解尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),但是研究人員已經(jīng)從不同角度對(duì)于一體化管控平臺(tái)進(jìn)行了深入研究，部分研究已經(jīng)提出了自己的建設(shè)要求和設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[14]提出基于ERP、MES、PCS結(jié)構(gòu)的管控一體化體系，通過(guò)互相關(guān)聯(lián)的PCS、MES和ERP三大系統(tǒng)組成的綜合自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu),在控制技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)的推進(jìn)下實(shí)現(xiàn)三大系統(tǒng)的綜合集成,真正完成信息的綜合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)管控一體化。文獻(xiàn)[15-16]提出在統(tǒng)一開(kāi)發(fā)平臺(tái)的框架下,基于面向服務(wù)的體系架構(gòu)和“資源化、場(chǎng)景化、平臺(tái)化”思想,圍繞監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)化、控制自動(dòng)化、管理信息化、業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)自動(dòng)化、知識(shí)模型化、決策智能化目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)用于煤炭生產(chǎn)﹑智慧生活、礦區(qū)生態(tài)的智慧礦山生產(chǎn)系統(tǒng)、安監(jiān)系統(tǒng)﹑智能保障系統(tǒng)﹑智能決策分析系統(tǒng)、智能經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)煤礦的數(shù)據(jù)集成、能力集成和應(yīng)用集成。文獻(xiàn)[17]提出對(duì)于智能化管控平臺(tái)的設(shè)計(jì),應(yīng)形成“全局優(yōu)化、區(qū)域分級(jí)、多點(diǎn)協(xié)同”的控制模式,實(shí)現(xiàn)各部門(mén)工作流程和各現(xiàn)場(chǎng)安全、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的縱向貫通、橫向關(guān)聯(lián)﹑融合,建成企業(yè)的安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)﹑管理的中樞大腦,實(shí)現(xiàn)所有系統(tǒng)功能的接入及應(yīng)用,各系統(tǒng)按照其承載的業(yè)務(wù)內(nèi)容在應(yīng)用平臺(tái)上協(xié)同開(kāi)展工作。

文獻(xiàn)[18]提出按照智能煤礦建設(shè)思路，基于統(tǒng)一的智能管控軟件平臺(tái)可以分為4個(gè)業(yè)務(wù)中心:智能管調(diào)中心、智能監(jiān)控中心、礦井安全中心、運(yùn)營(yíng)管控中心,每個(gè)中心應(yīng)涵蓋多個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)和區(qū)隊(duì)，智能管控軟件平臺(tái)需要建立全面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，涵蓋設(shè)備層、傳輸層、應(yīng)用層、信息交換安全、系統(tǒng)集成等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。文獻(xiàn)[19]提出大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺(tái)以整合現(xiàn)有智能控制技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能及技術(shù)擴(kuò)展需求，最終形成涵蓋通信、計(jì)算、監(jiān)督和管理的一體化平臺(tái)，包含現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、基礎(chǔ)控制層、大數(shù)據(jù)智能控制層以及智能管理層4個(gè)層級(jí)。

上述文獻(xiàn)闡述了一體化管控平臺(tái)建設(shè)的必要性和愿景，指出需要建設(shè)礦井級(jí)的一體化管控平臺(tái)，將各個(gè)針對(duì)單個(gè)領(lǐng)域或局部環(huán)節(jié)的集控中心和管控系統(tǒng)都統(tǒng)籌匯聚在同一平臺(tái)下，通過(guò)數(shù)據(jù)融合分析，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)控與管理。但是對(duì)落地實(shí)現(xiàn)的具體架構(gòu)、方法、系統(tǒng)組成和技術(shù)手段等尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

筆者基于部分一體化管控平臺(tái)研究的成果，重點(diǎn)針對(duì)目前智能化煤礦的發(fā)展現(xiàn)狀，參照國(guó)家能源局和國(guó)家礦山安全監(jiān)察局印發(fā)的《煤礦智能化建設(shè)指南(2021 年版)》和中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)《智能化煤礦(井工)分類、分級(jí)技術(shù)條件與評(píng)價(jià)》標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家、各省市相關(guān)智能化煤礦建設(shè)文件、各級(jí)別煤礦企業(yè)相關(guān)文件，按照智能化煤礦的三級(jí)評(píng)價(jià)體系，結(jié)合智能化建設(shè)目標(biāo)，首先圍繞一體化管控平臺(tái)不同階段的建設(shè)要求，提出礦井一體化管控平臺(tái)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，然后對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，最后通過(guò)將研發(fā)平臺(tái)部署到煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了平臺(tái)各項(xiàng)能力的有效性。

1 礦井智能一體化管控平臺(tái)建設(shè)要求

國(guó)家能源局和國(guó)家礦山安全監(jiān)察局印發(fā)的《煤礦智能化建設(shè)指南(2021年版)》中指出，需要根據(jù)礦井的地質(zhì)條件和建設(shè)目標(biāo)分步分階段開(kāi)展智能化煤礦建設(shè)[20]。對(duì)照國(guó)家發(fā)展改革委等八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出的三階段目標(biāo)，結(jié)合目前行業(yè)的發(fā)展和建設(shè)現(xiàn)狀，可以將礦井一體化管控平臺(tái)的建設(shè)劃分為3個(gè)階段，逐步有序地推進(jìn)建設(shè)。

第1階段：在煤礦開(kāi)拓設(shè)計(jì)、地質(zhì)保障、采掘生產(chǎn)、安全監(jiān)測(cè)等各個(gè)主要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)信息化傳輸和自動(dòng)化運(yùn)行的基礎(chǔ)之上，基于“云-邊-端”分層架構(gòu)，初步建設(shè)形成礦井智能一體化管控平臺(tái)，包括生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)和安全集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，通過(guò)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)互聯(lián)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)集成，打通數(shù)據(jù)孤島，形成數(shù)據(jù)中臺(tái)，同時(shí)基于業(yè)務(wù)特點(diǎn)，構(gòu)建業(yè)務(wù)模型組件，形成業(yè)務(wù)中臺(tái)，為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支撐和業(yè)務(wù)支持。

第2階段：基于算法模型開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析，充分挖掘利用數(shù)據(jù)資產(chǎn)，監(jiān)測(cè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化，安全預(yù)測(cè)預(yù)警等功能，在子系統(tǒng)的智能化單項(xiàng)應(yīng)用基礎(chǔ)上，基于跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合共享，形成智能化綜合應(yīng)用，促進(jìn)各子系統(tǒng)的自動(dòng)化協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)視與智能控制。

第3階段：不斷完善和擴(kuò)展智能化應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合人工智能技術(shù)，提高智能化管控水平，提升系統(tǒng)的自感知、自決策、自執(zhí)行能力，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的高效協(xié)同和自主優(yōu)化，形成多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，具備全面智能感知、自主分析決策、協(xié)同控制執(zhí)行等能力。

2 礦井一體化管控平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 一體化管控平臺(tái)總體架構(gòu)

一體化綜合管控平臺(tái)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系框架，按照“云-邊-端”分層架構(gòu)將煤礦各分控制系統(tǒng)如綜采子系統(tǒng)、綜掘子系統(tǒng)、運(yùn)輸子系統(tǒng)、安全子系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚融合，并與礦井相關(guān)信息化系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通，形成整個(gè)礦井級(jí)智能化綜合控制系統(tǒng)和業(yè)務(wù)綜合分析系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)為核心驅(qū)動(dòng)整個(gè)礦山安全生產(chǎn)和高效運(yùn)營(yíng)，如圖1所示。

一體化管控平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示，一共包含3層：最底層是設(shè)備層，涵蓋各種井上、井下的生產(chǎn)及監(jiān)測(cè)設(shè)備，是平臺(tái)的數(shù)據(jù)源；中間層是PaaS層，包含數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)以及一系列礦井應(yīng)用開(kāi)發(fā)的支撐組件，向下與設(shè)備層相連，接入不同工業(yè)協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)，向上支撐礦井級(jí)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)及運(yùn)行；最頂層是應(yīng)用層，包含生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)以及安全集中檢測(cè)系統(tǒng)等各類專項(xiàng)應(yīng)用和智能化綜合應(yīng)用。一體化管控平臺(tái)通過(guò)建立礦井級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將礦井所需各個(gè)子系統(tǒng)匯聚到統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行管理，各類數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)提供全面的安全保障，通過(guò)統(tǒng)一認(rèn)證、審計(jì)日志等方式保證應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、平臺(tái)安全、網(wǎng)絡(luò)安全和設(shè)備安全。

圖1 一體化管控平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of integrated management and control platform

2.2 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)建立了統(tǒng)一的系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，基于統(tǒng)一I/O采集服務(wù)，可以適配標(biāo)準(zhǔn)工控設(shè)備、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備系統(tǒng)、VOIP語(yǔ)音設(shè)備系統(tǒng)和流媒體視頻監(jiān)控等設(shè)備系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)基本架構(gòu)Fig.2 Basic architecture of real-time data acquisition platform

I/O采集服務(wù)通過(guò)EIP協(xié)議實(shí)時(shí)采集控制子系統(tǒng)和安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)通過(guò)Kafka組件存入大數(shù)據(jù)平臺(tái)。同時(shí)，控制命令通過(guò)EIP協(xié)議下發(fā)給各個(gè)控制子系統(tǒng)，由控制子系統(tǒng)對(duì)具體的設(shè)備進(jìn)行控制。視頻數(shù)據(jù)通過(guò)GB/T 28181—2011《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸交換、控制技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接入大數(shù)據(jù)平臺(tái)。其他數(shù)據(jù)根據(jù)類型通過(guò)不同的協(xié)議接入，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)平臺(tái)的融合，并可以在不同的系統(tǒng)間進(jìn)行共享。

2.3 大數(shù)據(jù)平臺(tái)

大數(shù)據(jù)平臺(tái)是智能化管控的數(shù)據(jù)底座，具備數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)服務(wù)管理等功能，為煤礦智慧化建設(shè)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一存儲(chǔ)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一分析提供了基礎(chǔ)保障，為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)匯聚與技術(shù)支撐。

平臺(tái)具備完備的元數(shù)據(jù)管理體系，可以對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行全生命周期的管理，有效支持?jǐn)?shù)據(jù)溯源。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)以統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，面向數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)和大數(shù)據(jù)分析挖掘場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，保證數(shù)據(jù)的高可用性。大數(shù)據(jù)平臺(tái)支持基于主題構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，可以將不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)需求進(jìn)行整合，并且可以對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)目錄、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)血緣等進(jìn)行管理和展示，同時(shí)支持對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)控運(yùn)維以及數(shù)據(jù)的服務(wù)化，基本架構(gòu)如圖3所示。平臺(tái)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算分析能力和海量數(shù)據(jù)處理能力，可以挖掘數(shù)據(jù)中的隱含信息，將低價(jià)值密度的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值密度的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

圖3 大數(shù)據(jù)平臺(tái)基本架構(gòu)Fig.3 Basic architecture of big data platform

2.4 PaaS平臺(tái)支撐組件

PaaS層除了數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)外，還提供了一系列礦井應(yīng)用開(kāi)發(fā)的支撐組件，包括應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用運(yùn)維工具、統(tǒng)一認(rèn)證等通用組件和云組態(tài)、煤炭行業(yè)模型等行業(yè)組件。

PaaS平臺(tái)基于Docker容器技術(shù)和Kubernetes技術(shù)，具備分布式、服務(wù)化、自動(dòng)化部署、高可用、敏捷以及分層開(kāi)放的特征，為開(kāi)發(fā)人員提供了一套服務(wù)于快速開(kāi)發(fā)、部署、運(yùn)維管理、持續(xù)開(kāi)發(fā)、持續(xù)集成的流程。平臺(tái)提供基礎(chǔ)設(shè)施管理、微服務(wù)框架、DevOps、應(yīng)用編排等基礎(chǔ)能力，開(kāi)發(fā)人員只需要將開(kāi)發(fā)完成的業(yè)務(wù)代碼提交到平臺(tái)代碼庫(kù)，并完成一些必要的配置，系統(tǒng)就可以自動(dòng)完成構(gòu)建及部署，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的敏捷開(kāi)發(fā)和快速迭代。

PaaS平臺(tái)具備通用PaaS能力，提供基礎(chǔ)組件和行業(yè)組件，包括各類數(shù)據(jù)庫(kù)、消息中間件、緩存、開(kāi)發(fā)工具組件等，在此基礎(chǔ)上提供已有應(yīng)用的上云和新應(yīng)用的云原生開(kāi)發(fā)能力。與此同時(shí)，PaaS平臺(tái)也提供煤炭行業(yè)PaaS能力，通過(guò)煤炭工業(yè)知識(shí)的軟件化封裝，構(gòu)建煤炭行業(yè)業(yè)務(wù)模型及工業(yè)微服務(wù)，實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)技術(shù)的共享和復(fù)用。

2.5 智能化綜合應(yīng)用系統(tǒng)

基于礦井一體化管控平臺(tái)的上述基礎(chǔ)支撐服務(wù)，可以融合井上、井下“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及環(huán)境安全、人員位置等安全生產(chǎn)信息，構(gòu)建礦井級(jí)的智能化綜合應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)執(zhí)行、經(jīng)營(yíng)管理、分析決策等礦井信息系統(tǒng)進(jìn)行集成分析，聯(lián)動(dòng)控制與可視化展示，實(shí)現(xiàn)礦井各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合共享與智能協(xié)同管控。例如可以通過(guò)融合煤礦各生產(chǎn)控制子系統(tǒng)和安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)分析能力，建立煤炭行業(yè)CPS模型，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的橫向協(xié)同和綜合分析，構(gòu)建主煤流協(xié)同經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等典型場(chǎng)景下的生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)，結(jié)合礦井安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和安全風(fēng)險(xiǎn)管控?cái)?shù)據(jù)，構(gòu)建基于網(wǎng)格的礦井區(qū)域安全等級(jí)評(píng)估等大安全場(chǎng)景下的安全集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

3 礦井一體化管控平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 統(tǒng)一EIP數(shù)據(jù)對(duì)象模型

礦井設(shè)備種類、數(shù)量眾多，設(shè)備參數(shù)表示不一致，因此數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，根據(jù)需求的變化，常常需要改動(dòng)點(diǎn)表，給工程人員帶來(lái)額外的調(diào)試工作。針對(duì)這一問(wèn)題，礦井一體化管控平臺(tái)以EIP對(duì)象模型作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，按照全礦井設(shè)備種類統(tǒng)一設(shè)備參數(shù)語(yǔ)法、語(yǔ)義和控制描述。

EIP對(duì)象模型也稱作礦山設(shè)備模型，該模型將礦山人-機(jī)-環(huán)-管的每種設(shè)備抽象為一個(gè)類，并在礦井一體化管控平臺(tái)中為其分配唯一的id，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理。每個(gè)類按其特征分為狀態(tài)、控制、監(jiān)視值和虛擬值4種基本屬性，每種屬性包含順序id(在此類中id唯一)、名稱、實(shí)現(xiàn)(必要或者可選)、訪問(wèn)屬性(讀寫(xiě))，屬性描述、數(shù)據(jù)類型(短整形、長(zhǎng)整型、浮點(diǎn)型、字符串等)6個(gè)基本描述域。對(duì)照實(shí)際應(yīng)用中各種設(shè)備的使用情況，可以基于類創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)對(duì)象，對(duì)每臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的表示和管理。礦井一體化管控平臺(tái)以面向?qū)ο蟮姆绞奖硎久旱V設(shè)備，提高了應(yīng)用訪問(wèn)設(shè)備參數(shù)的復(fù)用性和擴(kuò)展性，大幅提升了設(shè)備的綜合管理水平。

礦井一體化管控平臺(tái)目前已經(jīng)定義了綜采、綜掘、主運(yùn)輸、供電、排水、通風(fēng)、儲(chǔ)裝等各個(gè)子系統(tǒng)的130個(gè)EIP設(shè)備對(duì)象模型，包括采煤機(jī)、液壓支架、掘錨一體機(jī)、饋電開(kāi)關(guān)、移動(dòng)變電站、泵站、運(yùn)輸“三機(jī)”、照明綜保、磁力啟動(dòng)器、組合開(kāi)關(guān)等。以采煤機(jī)EIP對(duì)象模型為例：采煤機(jī)對(duì)象類代碼為80Hex(十六進(jìn)制)，采煤機(jī)對(duì)象一共有112個(gè)屬性，下面截取部分屬性進(jìn)行說(shuō)明，見(jiàn)表1。

表1 采煤機(jī)EIP對(duì)象模型屬性(部分)

屬性id表示各項(xiàng)屬性的順次；名稱域用簡(jiǎn)單確定的語(yǔ)義描述了采煤機(jī)的工作參數(shù)；實(shí)現(xiàn)域說(shuō)明了該屬性為必要或可選，可以使EIP對(duì)象模型兼容不同采煤機(jī)廠家的產(chǎn)品，不同采煤機(jī)的共性工作參數(shù)可以設(shè)置為“必要”，某種采煤機(jī)獨(dú)有的特殊性工作參數(shù)可以設(shè)置為“可選”；訪問(wèn)屬性表示該屬性的讀寫(xiě)功能，Get表示可讀，Set表示可設(shè)置或控制，Get/Set表示同時(shí)支持讀寫(xiě)；屬性描述詳細(xì)解釋了該屬性的具體語(yǔ)義；數(shù)據(jù)類型指定了該屬性在系統(tǒng)中的存儲(chǔ)方式，確定了該屬性在軟件中的訪問(wèn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；說(shuō)明域解釋了該屬性不同數(shù)值對(duì)應(yīng)的語(yǔ)義或表示單位。

通過(guò)在礦井一體化管控平臺(tái)應(yīng)用統(tǒng)一的EIP數(shù)據(jù)對(duì)象模型，可以減少工程人員的重復(fù)性勞動(dòng)，提高設(shè)備數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和可靠性，提升礦井一體化管控平臺(tái)的易用性和運(yùn)行效率。

3.2 大數(shù)據(jù)融合平臺(tái)

大數(shù)據(jù)融合平臺(tái)可以接入各個(gè)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和離線數(shù)據(jù)，以及采集設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且提供數(shù)據(jù)安全保障服務(wù)。面對(duì)煤礦多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合需求，需要采用新的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。首先，通過(guò)應(yīng)用統(tǒng)一的EIP數(shù)據(jù)模型，使不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遵從相同的標(biāo)準(zhǔn)，具備相同的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，保證跨系統(tǒng)的一致性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的標(biāo)準(zhǔn)化，據(jù)此利用潛在語(yǔ)義匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)模式對(duì)齊。在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)體和關(guān)系抽取技術(shù)，構(gòu)建多傳感器和多系統(tǒng)的實(shí)體鏈接，然后，引入沖突處理技術(shù)，進(jìn)行消歧和相同實(shí)體合并，最后，將數(shù)據(jù)融合形成煤炭行業(yè)主題域數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，如煤礦能效分析主題、礦井設(shè)備主題等。通過(guò)數(shù)據(jù)的融合，打破數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)煤礦子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和基于數(shù)據(jù)的智能聯(lián)動(dòng)，支撐上層業(yè)務(wù)應(yīng)用和智能化分析服務(wù)，為礦井的智能化建設(shè)提供基礎(chǔ)服務(wù)和保障。

3.3 容器化平臺(tái)

容器化平臺(tái)可以支撐應(yīng)用的開(kāi)發(fā)、架構(gòu)、交付和運(yùn)維，既能簡(jiǎn)化應(yīng)用的管理，又能滿足業(yè)務(wù)的靈活性。通過(guò)軟件定義實(shí)現(xiàn)與底層的對(duì)接，可以兼容不同類型的基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用的操作系統(tǒng)。

礦井一體化管控平臺(tái)的容器化平臺(tái)在Kubernetes的基礎(chǔ)上進(jìn)行了封裝改造，針對(duì)煤炭行業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的技術(shù)現(xiàn)狀和需求進(jìn)行了定制化開(kāi)發(fā)，采用無(wú)侵入式架構(gòu)，基于ServiceMesh技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微服務(wù)管理框架，支持不同的應(yīng)用治理模式，同時(shí)，采用插件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可插拔的服務(wù)發(fā)現(xiàn)和治理、路由、負(fù)載均衡、流量分析等功能。整個(gè)平臺(tái)以應(yīng)用為中心，通過(guò)構(gòu)建云原生應(yīng)用模型支持應(yīng)用全生命周期管理：首先，通過(guò)應(yīng)用構(gòu)建組件智能識(shí)別應(yīng)用開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，自動(dòng)編譯源碼，自動(dòng)識(shí)別環(huán)境變量和端口，構(gòu)建形成組件的鏡像文件；然后，根據(jù)應(yīng)用屬性，自動(dòng)生成應(yīng)用調(diào)度策略，在集群中調(diào)度應(yīng)用運(yùn)行；最后，基于Prometheus定制化的監(jiān)控組件，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)控對(duì)象并完成監(jiān)控配置。容器化平臺(tái)連接應(yīng)用和計(jì)算資源，支撐應(yīng)用和數(shù)據(jù)上云的同時(shí)保障了存量應(yīng)用的兼容性，同時(shí)平臺(tái)封裝了大量煤炭行業(yè)工具和應(yīng)用模型，可以支持新應(yīng)用的快捷開(kāi)發(fā)。借助云端數(shù)據(jù)建模、機(jī)理建模、人工智能等方式可以優(yōu)化現(xiàn)有業(yè)務(wù)，也可以將云端訓(xùn)練好的模型下發(fā)至邊緣端，在礦井進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)“云-邊-端”一體化。

3.4 數(shù)據(jù)交換共享

數(shù)據(jù)交換共享平臺(tái)基于云原生架構(gòu)，可以接入不同業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的共享和交換，打破煤礦各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的橫向協(xié)同和縱向聯(lián)動(dòng)，如圖4所示。數(shù)據(jù)交換共享服務(wù)提供監(jiān)控運(yùn)維、認(rèn)證授權(quán)、流量控制、數(shù)據(jù)源管理等基礎(chǔ)功能以及服務(wù)發(fā)布、服務(wù)管理、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)訂閱等核心功能，可以通過(guò)開(kāi)放API支持統(tǒng)一、安全、高效的數(shù)據(jù)交換共享。

圖4 數(shù)據(jù)交換共享平臺(tái)Fig.4 Data exchange and sharing platform

3.5 主數(shù)據(jù)管理

煤礦眾多子系統(tǒng)過(guò)去采用的都是傳統(tǒng)的定制化開(kāi)發(fā)方式，很難滿足不同煤礦的個(gè)性化需求。因此礦井一體化管控平臺(tái)提供了主數(shù)據(jù)管理模塊，應(yīng)用數(shù)據(jù)模型生成技術(shù)和低代碼開(kāi)發(fā)技術(shù)，用戶可以通過(guò)界面配置的方式，自動(dòng)生成不同的主數(shù)據(jù)模型。

主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)基于低代碼開(kāi)發(fā)技術(shù)，采用聲明式網(wǎng)頁(yè)DSL，通過(guò)將JSON轉(zhuǎn)換成React組件的方式實(shí)現(xiàn)前端模型的可視化設(shè)計(jì)，然后，通過(guò)模版引擎技術(shù)，動(dòng)態(tài)生成后端模型類，并通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)體技術(shù)將數(shù)據(jù)模型固化為底層的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種方式，可以按照不同煤礦實(shí)際需求，動(dòng)態(tài)定義主數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)，如煤礦單位信息模型，開(kāi)采管理信息模型、采煤工作面信息模型、掘進(jìn)工作面信息模型等，如圖5所示。

圖5 主數(shù)據(jù)管理Fig.5 Master data management

同時(shí)，引入代碼版本管理的思想，增加版本管理功能，可以實(shí)現(xiàn)主數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)的歷史版本管理?；谟脩羯矸菡J(rèn)證技術(shù)和令牌實(shí)現(xiàn)了主數(shù)據(jù)共享的權(quán)限認(rèn)證，保證主數(shù)據(jù)的安全和用戶數(shù)據(jù)的隱私。

礦井一體化管控平臺(tái)目前已經(jīng)預(yù)置煤礦4大類24小類主數(shù)據(jù)模型，包括單位基礎(chǔ)信息模型，采區(qū)信息模型、采煤工作面信息模型、掘進(jìn)工作面信息模型等，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 礦井一體化管控平臺(tái)主數(shù)據(jù)模型Fig.6 Master data models of mine intelligent integrated management and control platform

以采煤工作面信息模型為例，該模型共定義了36個(gè)屬性，示例見(jiàn)表2(部分)。

表2 采煤工作面主數(shù)據(jù)模型(部分)

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

本平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是煤礦生產(chǎn)、安全、管理的核心業(yè)務(wù)需求，通過(guò)有效的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)融合，加強(qiáng)煤礦生產(chǎn)、安全、管理的縱向聯(lián)動(dòng)和橫向協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)煤礦精細(xì)化運(yùn)營(yíng)，進(jìn)而降本增效。目前平臺(tái)已經(jīng)在山西天地王坡煤業(yè)有限公司和陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司進(jìn)行了試運(yùn)行。

智能一體化管控平臺(tái)部署架構(gòu)如圖7所示，主要包括大數(shù)據(jù)服務(wù)集群、PaaS服務(wù)集群、采集節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控工作站等基礎(chǔ)設(shè)施。其中，PaaS服務(wù)集群提供容器化資源，為一體化管控平臺(tái)各應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的資源調(diào)度、運(yùn)行時(shí)服務(wù)等環(huán)境。

圖7 智能一體化管控平臺(tái)部署架構(gòu)Fig.7 Deployment architecture of intelligent integrated management and control platform

平臺(tái)通過(guò)EIP協(xié)議統(tǒng)一了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)模型，為數(shù)據(jù)融合共享提供了基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，目前試運(yùn)行平臺(tái)匯聚了綜采、綜掘、主運(yùn)輸、安全監(jiān)測(cè)、人員定位等12個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，涉及50多個(gè)設(shè)備，2萬(wàn)多個(gè)采集點(diǎn)，每天數(shù)據(jù)采集量達(dá)到15 G，每天數(shù)據(jù)交換量達(dá)到50 G?；诓煌到y(tǒng)數(shù)據(jù)的融合共享，建立了6大煤礦主題庫(kù)，包含100多個(gè)分析指標(biāo)。平臺(tái)建立了礦井的主數(shù)據(jù)模型，包含煤礦基本信息、人員信息等7大類、14小類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的管理。

面向綜采、綜掘、主煤流等不同的應(yīng)用場(chǎng)景，試運(yùn)行平臺(tái)已經(jīng)完成了12個(gè)生產(chǎn)管控類和5個(gè)安全檢測(cè)類煤礦智能專項(xiàng)應(yīng)用的容器化遷移，同時(shí)基于平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用開(kāi)發(fā)運(yùn)維支持能力，完成了主煤流協(xié)同經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和煤礦區(qū)域網(wǎng)格安全等級(jí)評(píng)估2個(gè)煤礦智能綜合應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

5 結(jié) 語(yǔ)

為解決智能化煤礦建設(shè)過(guò)程中面臨的“信息孤島”現(xiàn)象，管理模式落后，共享平臺(tái)缺失，設(shè)備通信接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不一致等問(wèn)題，建立煤礦一體化綜合管控平臺(tái)已經(jīng)成為了智慧礦山建設(shè)重要的實(shí)現(xiàn)方式和發(fā)展方向。首先對(duì)一體化管控平臺(tái)的內(nèi)涵進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并對(duì)應(yīng)智能礦山建設(shè)的三級(jí)目標(biāo)，明確了不同時(shí)期對(duì)一體化管控平臺(tái)的具體建設(shè)要求。隨后對(duì)照建設(shè)要求，完成了礦井一體化管控平臺(tái)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其核心組成部分的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了定義。具體闡述了礦井一體化管控平臺(tái)建設(shè)中涉及的統(tǒng)一EIP協(xié)議、大數(shù)據(jù)融合平臺(tái)、容器化平臺(tái)、數(shù)據(jù)交換共享以及主數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵技術(shù)。最后介紹了系統(tǒng)平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中的部署架構(gòu)和協(xié)同方式，驗(yàn)證了煤礦一體化管控平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合能力和綜合管控能力。應(yīng)用該煤礦一體化管控平臺(tái)，可以有效融合井上、井下各自動(dòng)化子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)煤礦業(yè)務(wù)的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度和統(tǒng)一決策，有效地滿足時(shí)延敏感場(chǎng)景的要求，并支持煤礦生產(chǎn)、安全和管理的縱向聯(lián)動(dòng)和橫向協(xié)同。