金 磊，付恩三，田 羽，李新鵬，杜勇志，于洪洋，王福利，周志偉

(1.國能寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021000；2.應(yīng)急管理部信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029)

0 引言

2021年12月，國家能源局印發(fā)了《智能化示范煤礦驗收管理辦法(試行)》(以下簡稱“驗收辦法”)，為我國煤礦智能化建設(shè)指明了方向。其中，驗收辦法中綜合管控平臺的建設(shè)是露天煤礦智能化建設(shè)的重要組成部分(該部分為4分)。驗收辦法一是要求實現(xiàn)全環(huán)節(jié)、全周期、全過程實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采集、存儲、管理、分析；二是要求具有完善的安全風險分級管控和隱患排查雙重預防機制，能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡、水害等多種災(zāi)害監(jiān)測預警與應(yīng)急救援指揮調(diào)度；三是要求智能綜合管控平臺能支持大屏顯示、PC端顯示和移動端顯示。

我國科研人員對露天煤礦智能化總體建設(shè)框架和研究內(nèi)容進行了規(guī)劃，張瑞新等研究人員[1]提出了智慧露天煤礦建設(shè)基本框架及體系設(shè)計；付恩三等研究人員[2-5]對智慧露天煤礦總體框架及關(guān)鍵技術(shù)進行了研究；王忠鑫等研究人員[6]提出了智能露天煤礦的總體設(shè)計，但對露天煤礦智能綜合管控平臺建設(shè)的研究較少。

寶日希勒露天煤礦是我國國內(nèi)單坑最早實現(xiàn)生產(chǎn)能力達到35 Mt/a的露天煤礦。該礦立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念，為促進企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，在現(xiàn)有智能化建設(shè)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合應(yīng)急管理部信息研究院，開發(fā)建設(shè)了露天煤礦智能綜合管控平臺，實現(xiàn)了礦山多維數(shù)據(jù)“一張圖”融合展示，建立了生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息采集、傳輸、統(tǒng)計、決策機制，為寶日希勒露天煤礦智能化建設(shè)提供了有力支撐。

1 智能綜合管控平臺總體架構(gòu)

智能綜合管控平臺的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采得到、數(shù)據(jù)用得好、數(shù)據(jù)看得見以及數(shù)據(jù)可決策的4個維度[7-11]。針對智能綜合管控平臺的建設(shè)內(nèi)容，采用“云-邊-端”的總體建設(shè)思路，具體建設(shè)采用“五層兩體系”的架構(gòu)模式，涵蓋端部的感知設(shè)備層、邊側(cè)的傳輸層、云上的平臺層、應(yīng)用層和展示層，以及貫穿始終的安全運維體系和標準規(guī)范體系[12-16]。智能綜合管控平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能綜合管控平臺總體架構(gòu)

(1)感知設(shè)備層。該層依托數(shù)據(jù)采集標準規(guī)范體系，采集露天煤礦各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如：邊坡、設(shè)備(采掘、運輸、鉆爆、排土)、供電、疏干、人員、產(chǎn)量、視頻、氣象等實時數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對露天煤礦可采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全量采集，為綜合管控平臺提供數(shù)據(jù)底座支撐。

(2)傳輸層。目前寶日希勒露天煤礦已經(jīng)建立內(nèi)部5G環(huán)網(wǎng)，為無人駕駛提供網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，同時實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸。該層在邊緣側(cè)提供邊緣計算、智能分析、資源管理和監(jiān)控運維能力，部署了多臺智能采集服務(wù)器，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行的邊緣側(cè)處理，實現(xiàn)了端側(cè)數(shù)據(jù)與平臺數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和雙向交互[17-19]。

(3)平臺層。該層包括物聯(lián)平臺、采集平臺、邊緣計算平臺。其中，物聯(lián)平臺具備設(shè)備接入、規(guī)則引擎等功能；采集平臺由設(shè)備集成、消息集成、數(shù)據(jù)集成以及API接口集成組成；邊緣平臺具備算法推送和邊緣節(jié)點管理功能。物聯(lián)平臺、采集平臺、邊緣計算平臺均由云平臺提供整體支撐。

(4)應(yīng)用層。該層具備露天煤礦風險預警平臺、三維視頻平臺、綜合“一張圖”安全管控、二三維協(xié)同平臺、車鏟智能匹配、數(shù)據(jù)智能查詢和系統(tǒng)管理等功能。

(5)展示層。該層要求完全符合國家智能化驗收標準，并支持大屏顯示、PC端顯示和移動端顯示。利用三維建模、GIS“一張圖”方式呈現(xiàn)露天煤礦的全貌數(shù)據(jù)。同時，智能綜合管控平臺的用戶需要涵蓋集團用戶、二級單位以及煤礦用戶3個層次，根據(jù)不同用戶的不同關(guān)注點，呈現(xiàn)不同用戶的定制化需求。

2 智能綜合管控平臺關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲

根據(jù)露天煤礦數(shù)據(jù)類型，按照不同主題集進行劃分，每一類數(shù)據(jù)集對應(yīng)多個采集器，每個主題集對應(yīng)不同的采集器。此外，每一類數(shù)據(jù)實現(xiàn)一個采集器，同時每個采集器又能夠根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小進行橫向擴展，提升采集性能[16]。露天煤礦數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 露天煤礦數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)流

露天煤礦的實時運營會產(chǎn)生大量實時數(shù)據(jù)，時序采集平臺需要7×24 h實時采集，采集工具(ETL)支持直接從時序庫數(shù)據(jù)源中進行抽取，實現(xiàn)消息接受、消息解析、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)應(yīng)用，最后為業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用。在數(shù)據(jù)存儲方面，關(guān)系庫存儲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、主數(shù)據(jù)、字典數(shù)據(jù)等；時序庫存儲字典類、基礎(chǔ)類、實時最新斷面數(shù)據(jù)，并實時最新統(tǒng)計計算結(jié)果數(shù)據(jù)；分析庫存儲經(jīng)過加工、處理、計算后的數(shù)據(jù)，主要以分析數(shù)據(jù)為主。

2.2 二三維一體化技術(shù)

在統(tǒng)一的時空框架下，基于一套數(shù)據(jù)一個平臺，采用OpenGL和GDI混合渲染技術(shù)可實現(xiàn)對露天煤礦各類對象的二三維綜合一體化展示，并能實現(xiàn)二三維實時聯(lián)動。二三維一體化技術(shù)具體表現(xiàn)在二三維數(shù)據(jù)一體化、二三維顯示一體化、地上坑內(nèi)顯示一體化。

(1)模型輕量化技術(shù)。輕量化從理論上包括絕對輕量化和相對輕量化兩大類。為了便于從低端移動設(shè)備到高性能圖形工作站上查看和傳遞三維模型，需要將原始模型進行輕量化操作，去除原始模型中為了進行參數(shù)化設(shè)計而保存的大量冗余數(shù)據(jù)。

(2)模型壓縮。模型壓縮主要針對技術(shù)數(shù)據(jù)進行壓縮，幾何數(shù)據(jù)主要由法線數(shù)據(jù)、頂點數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)、紋理坐標數(shù)據(jù)、紋理貼圖等組成。

(3)模型簡化。三維模型分為兩大類，一類為基本體，包括常見的圓柱體、球體、錐體、回轉(zhuǎn)體、拉伸體等，這些基本體在發(fā)布以后保存為矢量數(shù)據(jù)，僅需要存儲基本體的幾何參數(shù)，就可以大大降低存儲空間；另一類是曲面，需要在保證外形邊界的前提下，合并共面三角形、法向量相近邊以及頂點等。本平臺使用經(jīng)典的二次誤差度量網(wǎng)格簡化算法，從而進一步輕量化三維模型。

(4)LOD技術(shù)。在三維模型的加載和可視化過程中，為了更方便用戶體驗，既要求加載速度又要求顯示精度，LOD(Levels of Detail)算法是一種有效的圖形生成加速方法，有助于提高復雜場景的可視化速度和交互的實時性。通過LOD算法一是能夠有效提高海量數(shù)據(jù)的三維漫游速度，二是提高三維模型可視化的真實感和美感，三是解決用戶的定位處理問題。

2.3 風險監(jiān)測預警技術(shù)

根據(jù)露天煤礦接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建露天煤礦綜合風險評價指標體系和預警模型，可對露天煤礦綜合風險進行評價。評價指標體系涵蓋人、機、環(huán)、管4個方面。利用熵權(quán)法、證據(jù)理論等模型對露天煤礦進行綜合評價，同時針對邊坡等系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)進行位移、速度、水位等數(shù)據(jù)的實時預測，為露天煤礦災(zāi)害風險提供技術(shù)支撐。同時根據(jù)風險研判結(jié)果，進行紅、橙、黃、藍4級預警。

2.4 災(zāi)害風險處置流程

通過構(gòu)建的風險研判指標體系和預警模型，能根據(jù)露天煤礦各類災(zāi)害風險的研判結(jié)果制定露天煤礦災(zāi)害風險處置流程。同時，該模型可根據(jù)不同級別的預警進行不同級別的處置。

3 應(yīng)用情況

2021年11月，寶日希勒露天煤礦開始智能綜合管控平臺建設(shè)，并于2022年5月進行了試運行，運行以來取得了較好的應(yīng)用效果。

(1)智能綜合管控平臺的GIS“一張圖”功能能夠展示寶日希勒露天煤礦各類系統(tǒng)接入的實時數(shù)據(jù)，涵蓋報警數(shù)據(jù)、車輛實時位置數(shù)據(jù)、實時產(chǎn)量及剝采比數(shù)據(jù)?！耙粡垐D”可以進行圖層切換和量測工具應(yīng)用，進行長度、面積、體積量測。GIS“一張圖”可將全礦500多個鉆孔進行三維展示，疊加無人機影像數(shù)據(jù)和CAD采礦線框數(shù)據(jù)為露天煤礦綜合生產(chǎn)提供支撐。可查閱礦坑內(nèi)車輛運行數(shù)據(jù)、司機與車輛關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)以及歷史軌跡回放數(shù)據(jù)。同時，通過圖層控制的方式，可以實現(xiàn)對邊坡、車輛、疏干水、視頻監(jiān)控、電子圍欄等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯隱展示。GIS“一張圖”實現(xiàn)了多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合展示，打破了數(shù)據(jù)壁壘和系統(tǒng)壁壘，提升了數(shù)據(jù)融合展示效果。GIS“一張圖”綜合展示界面如圖3所示。

圖3 GIS“一張圖”綜合展示界面

(2)智能綜合管控平臺能夠提供露天煤礦三維鉆孔的實時查閱、任意位置剖面的快速剖切、道路縱斷面剖切以及礦山生產(chǎn)回溯等功能。礦山生產(chǎn)回溯通過上傳當年各月的實際剝采總量圖紙信息，利用3D Tile發(fā)布方式，通過圖層控制可實現(xiàn)對寶日希勒露天煤礦歷史采剝狀態(tài)的實時還原與回放。同時，也可實現(xiàn)對生產(chǎn)計劃圖紙數(shù)據(jù)的模擬推演。

(3)智能綜合管控平臺能夠提供露天煤礦各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時查詢，涵蓋生產(chǎn)采剝量的月度和年度查詢、車輛實時數(shù)據(jù)的查詢、邊坡數(shù)據(jù)查詢以及實現(xiàn)對車鏟的實時匹配分析。平臺通過分析車輛實時運距和鏟挖量來對車鏟的欠鏟、欠車情況進行實時計算。當通過發(fā)現(xiàn)某處存在欠車情況時，通過平臺進行實時測算，精確計算出需要的車輛。通過GIS“一張圖”可精準調(diào)度車輛來實現(xiàn)剝采計劃的高效執(zhí)行，提升露天煤礦的生產(chǎn)效率，通過智能綜合管控平臺進行車輛調(diào)度，提升車鏟效率5%左右，大大降低了生產(chǎn)成本。

(4)智能綜合管控平臺通過構(gòu)建風險評價指標體系和模型，可對寶日希勒露天煤礦綜合風險進行評價，并能查看寶日希勒露天煤礦整體安全態(tài)勢以及各類危險點的問題和原因，實現(xiàn)對各類風險及報警的閉環(huán)處置。智能綜合管控平臺自2022年5月試運行以來，各類報警數(shù)據(jù)呈現(xiàn)下降趨勢，以5月份數(shù)據(jù)為例，5月份卡車報警累計6萬余次，主要由于司機駕駛不規(guī)范，違規(guī)接打電話、超速等行為導致。通過建立閉環(huán)處置與管理機制，報警數(shù)量下降至8月的200余條，且治理效果明顯，提升了寶日希勒露天煤礦的整體安全水平。

(5)智能綜合管控平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對無人機影像數(shù)據(jù)、CAD計劃圖紙數(shù)據(jù)等底圖的統(tǒng)一維護與編輯、上傳、下載等功能，實現(xiàn)底圖數(shù)據(jù)變化的實時更新。

4 結(jié)語

露天煤礦智能綜合管控平臺的建設(shè)涉及數(shù)據(jù)采集與存儲、二三維一體化技術(shù)、風險監(jiān)測預警技術(shù)以及災(zāi)害風險處置流程，整體功能涵蓋GIS“一張圖”、采礦計劃、數(shù)據(jù)查詢、風險預警以及底圖管理。該平臺上線運行后，實現(xiàn)了露天煤礦各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)的“一數(shù)一源”集中融合展示和多維數(shù)據(jù)實時查詢，提升了數(shù)據(jù)的準確性和統(tǒng)一性。通過構(gòu)建風險評價指標和閉環(huán)管理流程機制，露天煤礦各系統(tǒng)的各類報警數(shù)據(jù)下降明顯。與此同時，通過對卡車和電鏟的實時匹配分析，降低了車鏟等待時間，提升車鏟效率5%以上，大大降低了生產(chǎn)成本。寶日希勒露天煤礦智能綜合管控平臺的建設(shè)為我國其他露天煤礦智能綜合管控平臺的建設(shè)提供了參考和借鑒。