張 磊,瞿曉倩

(1.國(guó)能神東煤炭集團(tuán),陜西 神木 719315;2.陜西億杰鑫信息技術(shù)有限公司,陜西 西安 710065)

0 引言

煤礦智能化建設(shè)中應(yīng)用的私有云特點(diǎn)鮮明,集中表現(xiàn)在四大方面:(1)高可靠性;(2)安全性;(3)易擴(kuò)展性;(4)易管理性。從部分地區(qū)煤礦智慧園區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀看,應(yīng)用私有云時(shí),將重點(diǎn)放在硬件與虛擬服務(wù)器方面。與私有云技術(shù)相比,當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦智能化建設(shè)中已獲得廣泛應(yīng)用,主要按“感知層?現(xiàn)場(chǎng)管理層?網(wǎng)絡(luò)層?平臺(tái)層?應(yīng)用層”的基本架構(gòu)搭建物聯(lián)網(wǎng)綜合管控平臺(tái)。從當(dāng)前的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看,可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類設(shè)施設(shè)備的集成化管理,也能借助數(shù)據(jù)清洗技術(shù)、數(shù)據(jù)引擎存儲(chǔ)技術(shù)完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的清洗、分類、存儲(chǔ)[1]。當(dāng)前,煤礦企業(yè)集團(tuán)應(yīng)將私有云與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合起來(lái)為其實(shí)踐賦能。

1 項(xiàng)目概況

以某煤礦集團(tuán)企業(yè)為例,自2018年全面實(shí)施互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)改革,該煤礦企業(yè)集團(tuán)已初步實(shí)現(xiàn)了煤礦智能化建設(shè)目標(biāo)。近幾年,在中國(guó)式現(xiàn)代化改革過(guò)程中,結(jié)合“并聯(lián)式”發(fā)展方案,持續(xù)推進(jìn)了煤礦工業(yè)化、技術(shù)化、生態(tài)化、產(chǎn)業(yè)化方向的資源融合及實(shí)踐。然而,隨著煤礦智能化建設(shè)工作的逐漸深入,該煤礦在開(kāi)采、運(yùn)輸、通風(fēng)、供風(fēng)、抽水、監(jiān)測(cè)等方面的更新部分設(shè)備設(shè)施的同時(shí),也增加了數(shù)據(jù)類型,需要進(jìn)一步在新時(shí)期高質(zhì)量發(fā)展主題下結(jié)合技術(shù)賦能路徑,擴(kuò)大對(duì)私有云、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合及推廣應(yīng)用。

2 煤礦智能化建設(shè)問(wèn)題分析

目前,該煤礦集團(tuán)企業(yè)在智慧煤礦建設(shè)過(guò)程中已建成智慧管理平臺(tái)與能夠滿足綜合服務(wù)的各類系統(tǒng),形成了以“大平臺(tái)+小系統(tǒng)”為主的基本架構(gòu)。從問(wèn)題方面看,物聯(lián)網(wǎng)改革的持續(xù)推進(jìn)雖然增強(qiáng)了對(duì)感知技術(shù)的應(yīng)用、擴(kuò)大了感知網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,但是在原來(lái)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增加了半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),每日的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)量呈幾何倍數(shù)式增長(zhǎng),給其數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、報(bào)表管理等增加了一定的難度,不僅拖慢了系統(tǒng)運(yùn)行效率,也給網(wǎng)絡(luò)安全埋下了重大隱患。為了有效解決上述問(wèn)題,應(yīng)在當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基礎(chǔ)上融合私有云、中心云、邊緣云等技術(shù)優(yōu)化平臺(tái)系統(tǒng),全面提升其應(yīng)用效果。

3 煤礦智能化建設(shè)中對(duì)私有云和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合應(yīng)用

3.1 綜合應(yīng)用架構(gòu)

在該煤礦智能化建設(shè)過(guò)程中,工作人員先對(duì)私有云方面的“物理服務(wù)器→虛擬服務(wù)器→虛擬資源池→數(shù)據(jù)匯聚→核心交換機(jī)堆疊”等流程做進(jìn)一步分析,在“1個(gè)中心云+N多個(gè)邊緣云”的云協(xié)同兩級(jí)架構(gòu)將其部署到物聯(lián)網(wǎng)綜合管控平臺(tái)中,然后根據(jù)虛擬資源池建設(shè)要求把中心云層與邊緣層部署到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中,使中心云層、邊緣云計(jì)算服務(wù)層、終端物聯(lián)設(shè)備(負(fù)責(zé)各項(xiàng)業(yè)務(wù))之間,形成一個(gè)內(nèi)容完整的“云+邊+端”閉環(huán)[2]。該架構(gòu)既可利用原來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)綜合管控平臺(tái)為云端數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)服務(wù),又能完成對(duì)終端物聯(lián)設(shè)備關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)處理,進(jìn)而解決上述問(wèn)題。

3.1.1 感知設(shè)備與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接

工作人員應(yīng)借助不同類型的接口、以太網(wǎng)把應(yīng)用場(chǎng)景中的泛在感知設(shè)備與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合,完成感知層、現(xiàn)場(chǎng)管理層、網(wǎng)絡(luò)層的全面關(guān)聯(lián)。例如:當(dāng)前煤礦的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量增長(zhǎng)較快,此時(shí)可以在煤礦集團(tuán)企業(yè)編制基礎(chǔ)上進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象編碼:(1)對(duì)應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行具體編碼、組織機(jī)構(gòu)編碼、煤礦物聯(lián)網(wǎng)信息化分類節(jié)點(diǎn)編碼、煤礦物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)編碼、OID中國(guó)節(jié)點(diǎn)編碼。例如:在具體編碼方面,可以根據(jù)設(shè)備序列號(hào)代碼、設(shè)備型號(hào)代碼、設(shè)備分類代碼等完成具體編碼工作,員工則根據(jù)工號(hào)完成編碼等。(2)泛在感知設(shè)備與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的融合過(guò)程中,應(yīng)配套引入大數(shù)據(jù)技術(shù)滿足各個(gè)采集站的數(shù)據(jù)交互要求。例如:當(dāng)前應(yīng)用較多的RS485、CAN、以太網(wǎng)等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線及末端無(wú)線自組網(wǎng),將無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)(1,2,3,…n)與無(wú)線自組網(wǎng)基站(1,2,3…N)進(jìn)行關(guān)聯(lián),通過(guò)有線與無(wú)線通信方式連接到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn),完成采集站的數(shù)據(jù)交互、采集、清洗、分類存儲(chǔ)、數(shù)值模型分析等。其中,物聯(lián)設(shè)備應(yīng)包括人員位置感知節(jié)點(diǎn)、車輛位置感知節(jié)點(diǎn)、低功耗環(huán)境與工況感知節(jié)點(diǎn)、智能大型設(shè)備、報(bào)警裝置等。

3.1.2 邊緣云計(jì)算服務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互

邊緣云計(jì)算節(jié)點(diǎn)到地面邊緣云計(jì)算服務(wù)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互既應(yīng)保障中心云、邊緣云之間的數(shù)據(jù)交互,可以通過(guò)交互協(xié)議設(shè)置完成。通常情況下,可借助云端IP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、云端大數(shù)據(jù)分析技術(shù)或者相關(guān)算法加以解決。具體而言,云中心既可以對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、分析,也能通過(guò)云側(cè)提供邊緣平臺(tái),滿足工作負(fù)載管理、算法推送、邊緣節(jié)點(diǎn)管理,利用采集平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備集成、消息集成、數(shù)據(jù)集成、應(yīng)用集成,借助物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備接入、規(guī)則引擎、設(shè)備鑒權(quán)、設(shè)備影子等[3]。此時(shí),實(shí)質(zhì)上使現(xiàn)場(chǎng)管理(應(yīng)用場(chǎng)景)和業(yè)務(wù)應(yīng)用(應(yīng)用層)實(shí)現(xiàn)了一種多元化的數(shù)據(jù)交互,最后將云端數(shù)據(jù)中心處理后生成的報(bào)表發(fā)送到各業(yè)務(wù)模塊,從而形成云、邊、端的閉環(huán)式管理目標(biāo),構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)化、動(dòng)態(tài)化、可視化、智能化的新型生態(tài)圈。

3.1.3 搭建技術(shù)主導(dǎo)的綜合應(yīng)用平臺(tái)

該綜合應(yīng)用架構(gòu)牽涉多種技術(shù)的融合,建議在實(shí)施期間按數(shù)據(jù)感知與采集、基礎(chǔ)公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)發(fā)布、PC端與移動(dòng)客戶端煤礦礦井一體化數(shù)據(jù)融合應(yīng)用、關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)服務(wù)等進(jìn)行技術(shù)配置,形成一個(gè)技術(shù)主導(dǎo)的私有云與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu),如圖1所示。

圖1 私有云與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合應(yīng)用架構(gòu)

3.2 主要功能

在融合私有云與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后,應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)置模塊與子模塊,并根據(jù)模塊化處理需求進(jìn)行配套的功能設(shè)計(jì),滿足智能煤礦全局生產(chǎn)、信息研判、自動(dòng)彈屏、故障診斷、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、應(yīng)急指揮調(diào)度等方面的智能化管控需求。其中,常用模塊包括首頁(yè)、聯(lián)合報(bào)警、高清視頻、人員定位、三維地圖、安全監(jiān)測(cè)、報(bào)警查詢及設(shè)施設(shè)備監(jiān)測(cè)等,每個(gè)模塊的功能則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

3.2.1 首頁(yè)

在私有云與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合應(yīng)用平臺(tái)中,首頁(yè)模塊十分關(guān)鍵,應(yīng)保障整體上的全貌展示與區(qū)域清晰劃分。設(shè)計(jì)人員僅需設(shè)置一個(gè)子模塊,將功能定位在二維半圖可視化展示即可,具體包括:(1)生產(chǎn)區(qū);(2)生活區(qū);(3)安全設(shè)備聯(lián)動(dòng)等。

3.2.2 聯(lián)合報(bào)警

新時(shí)期的煤礦智慧園區(qū)中已應(yīng)用了GIS“一張圖”,在此基礎(chǔ)上利用GIS三維圖提供的信息,可使煤礦中常用的“八大系統(tǒng)”,構(gòu)建一個(gè)上層數(shù)據(jù)與下層數(shù)據(jù)的交互關(guān)系,實(shí)時(shí)地通過(guò)礦井管理“一張圖”更為精準(zhǔn)地呈現(xiàn)人員、環(huán)境、機(jī)械設(shè)備方面的生產(chǎn)狀況與安全狀態(tài)[4]。結(jié)合雙重預(yù)防機(jī)構(gòu)中的AHP模型分析結(jié)果,及時(shí)地實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)動(dòng)報(bào)警。例如:發(fā)生警情后,可以將三維視頻中的預(yù)警信息關(guān)聯(lián)發(fā)送到二維半地圖之中的報(bào)警位置,然后通過(guò)其中的報(bào)警設(shè)備標(biāo)識(shí)向應(yīng)用層推送相關(guān)信息與畫(huà)面。煤礦調(diào)度中心的調(diào)度值班人員接收到報(bào)警信息后,可以在第一時(shí)間響應(yīng)應(yīng)急措施并加以解決。

3.2.3 高清視頻

在煤礦智能化建設(shè)期間,考慮到配電場(chǎng)所、巷道、筒倉(cāng)、輸煤、順槽、掘進(jìn)、綜采等生產(chǎn)場(chǎng)景中的危險(xiǎn),普遍設(shè)置了本安型防腐防爆智能攝像頭,在這個(gè)綜合應(yīng)用平臺(tái)中,此類攝像頭采集到的高清視頻,可以通過(guò)APN專網(wǎng)或者其他網(wǎng)絡(luò)通道發(fā)送到平臺(tái)。在模塊功能設(shè)計(jì)方面,可以配套設(shè)置如下功能:(1)設(shè)備智能循檢;(2)AI智能分析;(3)視頻報(bào)警聯(lián)動(dòng);(4)多系統(tǒng)融合等[5]。這樣做,有利于整合不同類型的數(shù)據(jù),完成立體化的生產(chǎn)管理。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)上述攝像頭安裝的具體位置與應(yīng)用場(chǎng)景,在綜合應(yīng)用平臺(tái)中的視頻監(jiān)控模塊,根據(jù)“區(qū)域欄”下拉菜單進(jìn)行不同區(qū)域的設(shè)置,并對(duì)每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景做出相應(yīng)的細(xì)化處理。例如:在煤礦綜合區(qū)域菜單欄下,可以繼續(xù)設(shè)置中央變電所、永久遙感硐室、采區(qū)變電所、集運(yùn)大巷、回風(fēng)大巷、儲(chǔ)運(yùn)大巷等。

3.2.4 人員定位

在人員定位方面,直接設(shè)置集成化程度較高的人員定位系統(tǒng)。參與煤礦工作的所有人員通過(guò)穿戴配置有移動(dòng)傳感器的安全防護(hù)服、安全帽,可以在井下工作區(qū)域通過(guò)高清視頻、人體紅外監(jiān)測(cè)儀等不同的監(jiān)測(cè)裝置,對(duì)人員數(shù)量、分布、動(dòng)向、工作狀態(tài)、所處環(huán)境等,做出全方位的數(shù)據(jù)采集。同時(shí),當(dāng)工作人員進(jìn)入相應(yīng)的工作區(qū)域后,車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)或設(shè)備狀態(tài)也可以間接反映出人員的歷史狀態(tài),共同構(gòu)成對(duì)人員的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位、跟蹤及對(duì)“三違”現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)。

3.2.5 三維地圖

三維地圖重點(diǎn)放在可視化模型應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員可以利用礦區(qū)地面、井下及其他建(構(gòu))筑物等方面的歷史資料,如結(jié)合三維激光掃描圖、點(diǎn)云圖、無(wú)人機(jī)影像圖等直接搭建礦區(qū)外部三維模型,將AutoCAD圖導(dǎo)入Revit完成建筑物及各模型內(nèi)部構(gòu)成要素的建模。選擇Infraworks可視化工具快速完成全區(qū)域的漫游,并將其作為第一人稱視角下的常態(tài)化巡檢查方式[6]。把具體的設(shè)備數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、攝像機(jī)數(shù)據(jù)等關(guān)聯(lián)起來(lái),通過(guò)堆疊技術(shù)將其整合到仿真模型之中,通過(guò)實(shí)時(shí)巡查對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄上報(bào)與關(guān)聯(lián)預(yù)警等。

3.2.6 安全監(jiān)測(cè)

煤礦生產(chǎn)區(qū)位于井下,其中不排除一氧化碳、煙霧、瓦斯等有毒有害氣體,當(dāng)前井下設(shè)置了各類監(jiān)測(cè)裝置。設(shè)計(jì)人員可以把安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)與綜合應(yīng)用平臺(tái)關(guān)聯(lián)起來(lái),將其作為一個(gè)子模塊,根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域、位置、監(jiān)測(cè)裝置等制作安全監(jiān)測(cè)列表,并通過(guò)表格、圖形等方式更為直接地顯示安全監(jiān)測(cè)結(jié)果。一旦監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超出正常值范圍則通過(guò)不同顏色的數(shù)據(jù)、安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等向平臺(tái)發(fā)出告警信息,平臺(tái)接收信息后即刻以執(zhí)行命令的形式推送到安全管理部門,開(kāi)展相關(guān)的核實(shí)并采取相應(yīng)的應(yīng)急處理措施。

3.2.7 報(bào)警查詢及監(jiān)測(cè)

該綜合應(yīng)用平臺(tái)中的報(bào)警查詢模塊中,可以根據(jù)子系統(tǒng)實(shí)際級(jí)別對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行集中管理,設(shè)計(jì)人員根據(jù)與報(bào)警相關(guān)的文字信息、數(shù)字信息、視頻信息、音頻信息等,可以及時(shí)地展示人、機(jī)、材、技、法、環(huán)、管方面存在的異常信息。當(dāng)管理人員需要對(duì)其報(bào)警信息進(jìn)行查詢時(shí),可以通過(guò)信息截取的方式完成對(duì)報(bào)警前一分鐘畫(huà)面的處理,并將其當(dāng)作報(bào)警前后的對(duì)比數(shù)據(jù)。除此之外,通風(fēng)設(shè)備、水泵房、變電所等方面也可以根據(jù)相應(yīng)的子系統(tǒng)及模塊功能設(shè)置完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。

4 結(jié)語(yǔ)

新時(shí)期煤礦智能化建設(shè)中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中,普遍存在數(shù)據(jù)管理方面的短板,為了進(jìn)一步解決相關(guān)問(wèn)題,應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)對(duì)私有云的應(yīng)用。結(jié)合上述分析可以看出,私有云內(nèi)容豐富、特點(diǎn)鮮明,應(yīng)用后可以起到提質(zhì)增效、保障安全、提升系統(tǒng)性能、解決數(shù)據(jù)管理難題等多重功用。建議該煤礦企業(yè)集團(tuán)一方面在煤礦工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)科學(xué)融入私有云技術(shù),有效關(guān)聯(lián)中心云、邊緣云、終端設(shè)備,另一方面應(yīng)充分利用私有云中的虛擬化技術(shù),搭建虛擬服務(wù)器、建設(shè)虛擬資源池,全面提高整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理效率,通過(guò)為煤礦集團(tuán)賦能的方式提高其全要素生產(chǎn)率。