智能矿山平台建设与实现.pdf

第第44卷第卷第4期期 2018年年4月月工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 4 Apr 2018 ; 经验交流言 ♦ 丨丨 “ 丨 ♦』丨丨丨丨丨 ♦ ■丨丨丨丨丨 ♦ ■丨丨丨丨丨文章编号文章编号 6 7 1 -2 51X 201804-0 0 9 0 -05D O I10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17317 智能矿山平台建设与实现阙建立冀中能源邢台矿业集团有限责任公司，河北邢台冀中能源邢台矿业集团有限责任公司，河北邢台054000 摘要摘要针对现阶段数字化矿山建设中存在矿井基础参数采集内容少、集成数据综合利用价值低、数据应用分析比较单一等问题，探讨了智能矿山平台的内涵，提出了智能矿山平台设计架构，详细介绍了平台实现的关键技术。。该平台利用感知技术及高可靠性的现场控制技术，，可实现对作业现场环境、人员、、设备的全方位感知及物联控制，对矿山整体生产过程实现智能监控；利用大数据处理技术构建统一的数据运维层，可实现矿山主数据、实时监测监控数据、地理地测数据、运营管理数据等的统一管理、利用，提高数据利用率；利用大数据及深度学习技术将采集、录入及抽取的数据进行汇总、分类处理，实现数据的综合利用，提升矿山管控能力。。关键词关键词煤炭开采％％智能矿山％％物联体系％％安全生产运营平台％％大数据％％深度学习中图分类号中图分类号TD 67 文献标志码文献标志码A 网络出版时间网络出版时间 0 1 8 -0 3 -1 5 1 7 7 网络出版地址网络出版地址 G ttp //k n s. cnki. n et/kcm s/detail/3 2 . 1627. T P. 20180315. 1545. 002. htm l Construction and implementation of plat for intelligent mine Q U E Jianii Jizhong E nergy X ingtai M ining Industry G roup C o., L td ., X ingtai 054000, C hina A bstract In view of problem s of sm all anount of acquisition of basic param eter, low value of com prehensive utilization of integrated data, single data applications and analysis existed in construction of current digital m ine, content of intelligent m ine plat w as discussed, architecture design of the 0ntel0gent m0ne plat w as put forw ard, key technolog0es 0 n the plat 0m plem entat0on w as introduced. T he plat uses perception technology and high reliability control technology to realize om ni directional perception and Internet of thngs control for environm ent, staff, equipm ent, and intelligent m onitoring for overall production process; uses big data processing technology to build a unified data operation and m aintenance layer, and can realize unified m anagem ent, utilization of m ine m aster data, rea- tim e m onitoring data, geographic m easurem ent data, operation m anagem ent data, and im prove utilization rate of the d ata; uses big data and deep learning technology to gather and classify collected, and extracted data, w hich realizes com prehensive utilization of the data, and im proves capacity of m ine control and m anagem ent. Key w ords coal m ining; intelligent m ine; system of Internet of things; safety production operation plat ; big d ata; deep learning 收稿日期收稿日期2018-02-11;修回日期修回日期2018-03-12;责任编辑张强。责任编辑张强。作者筒介阙建立作者筒介阙建立（1964 ）男，河北涿州人，高级工程师，长期从事煤炭信息化管理工作，）男，河北涿州人，高级工程师，长期从事煤炭信息化管理工作，E-mailqUe；；jiaiili98861Sina. com。。引用格式阙建立引用格式阙建立.智能矿山平台建设与实现工矿自动化，智能矿山平台建设与实现工矿自动化，2018,4440-94. QUE Jianii. Construction and implementation of plat for intelligent mine[J]. Industry and Mine Automation, 2018,444 90-94. 2 0 1 8 年第期阙建立智能矿山平台建设与实现 91 〇引言〇引言数字化矿山是基于统一时空框架的矿山整体环数字化矿山是基于统一时空框架的矿山整体环境、采矿活动过程相关现象的数据化集成与可视化境、采矿活动过程相关现象的数据化集成与可视化展现，是一种 “ 硅质矿山展现，是一种 “ 硅质矿山”，综合了传感监测、遥测遥，综合了传感监测、遥测遥感、数字通信、地理地测、数字信息等技术手段，将矿感、数字通信、地理地测、数字信息等技术手段，将矿山地面广场、井下采矿、设备设施等矿山实体融合矿山地面广场、井下采矿、设备设施等矿山实体融合矿井安全、生产、经营过程所包含的数据信息在统一的井安全、生产、经营过程所包含的数据信息在统一的时空下进行全息表达，有效实现全面监控、虚拟仿时空下进行全息表达，有效实现全面监控、虚拟仿真、预测预报和可视化决策。真、预测预报和可视化决策。我国数字化矿山的研究及建设起步相对较晚，我国数字化矿山的研究及建设起步相对较晚，从从2 0世纪世纪8 0年代开始，先后经历了单机控制系统、年代开始，先后经历了单机控制系统、矿井综合自动化及数字化矿山阶段。经过多年发矿井综合自动化及数字化矿山阶段。经过多年发展，国内多数矿井已经完成综合自动化平台建设，部展，国内多数矿井已经完成综合自动化平台建设，部分矿井结合分矿井结合3 D G IS技术基本上实现了现代化矿井技术基本上实现了现代化矿井的三个目标，即基础信息数字化、生产过程虚拟化、的三个目标，即基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理控制一体化管理控制一体化[1]。但是，国内数字化矿山发展极。但是，国内数字化矿山发展极不均衡，数据集成和价值应用方面整体仍处于初级不均衡，数据集成和价值应用方面整体仍处于初级或不完善状态，普遍存在以下问题或不完善状态，普遍存在以下问题 1 矿井基础参数采集内容少，不能精准、实矿井基础参数采集内容少，不能精准、实时、全方位地表达矿井安全生产及运营状况，只是实时、全方位地表达矿井安全生产及运营状况，只是实现了对子系统的数据堆积或业务拷贝。现了对子系统的数据堆积或业务拷贝。 2 集成数据没有充分实现综合价值，数据、系集成数据没有充分实现综合价值，数据、系统之间的关联关系缺失，存在严重的业务孤岛现统之间的关联关系缺失，存在严重的业务孤岛现象象2，系统之间无法实现信息共享联动。，系统之间无法实现信息共享联动。 “ 由于缺少可靠稳定、全视角的数据源，数据由于缺少可靠稳定、全视角的数据源，数据应用分析比较单一，无法为管理层提供综合性决策应用分析比较单一，无法为管理层提供综合性决策支持支持3。。本文针对现有数字化矿山建设存在的问题，探本文针对现有数字化矿山建设存在的问题，探讨了智能矿山的内涵，提出了智能矿山平台设计架讨了智能矿山的内涵，提出了智能矿山平台设计架构。该平台以矿山物联网为数据标志，以大数据技构。该平台以矿山物联网为数据标志，以大数据技术为存储及数据分析手段，以三维可视化为综合展术为存储及数据分析手段，以三维可视化为综合展示平台，以优化日常安全生产运营智能决策为目标。示平台，以优化日常安全生产运营智能决策为目标。 1智能矿山平台内涵智能矿山平台内涵智能矿山作为矿山安全生产运营全过程的支撑智能矿山作为矿山安全生产运营全过程的支撑平台，是矿山两化深度融合的产物，承载着矿山高可平台，是矿山两化深度融合的产物，承载着矿山高可靠远程控制、安全生产精细化管控、穿透式全息可视靠远程控制、安全生产精细化管控、穿透式全息可视化查询等日常安全生产运营调度业务，并综合矿山化查询等日常安全生产运营调度业务，并综合矿山开采、掘进、机电、运输、通风、给排水各类生产过程开采、掘进、机电、运输、通风、给排水各类生产过程控制信息，安全监测监控、人员定位、防灭火等安全控制信息，安全监测监控、人员定位、防灭火等安全保障数据，生产、运输、销售调度运营数据，构建智能保障数据，生产、运输、销售调度运营数据，构建智能矿山安全生产运营数据中心，应用专业业务模型及矿山安全生产运营数据中心，应用专业业务模型及智能综合决策实现对矿山整体运营的不断优化，为智能综合决策实现对矿山整体运营的不断优化，为建设建设“高可靠安全保障、高效生产、经济运营、绿色环高可靠安全保障、高效生产、经济运营、绿色环保保”的现代化矿井提供平台支撑。的现代化矿井提供平台支撑。智能矿山平台主要依托物联网编码原则，规范智能矿山平台主要依托物联网编码原则，规范矿山各类基础信息编码与识别体系，将矿山自动化矿山各类基础信息编码与识别体系，将矿山自动化与物联网技术相结合，实现矿山各类传感及控制装与物联网技术相结合，实现矿山各类传感及控制装置的自动识别、感知与物联控制，最终在矿山实现置的自动识别、感知与物联控制，最终在矿山实现物物-物就近交流及人物就近交流及人-物远程沟通 3，集成矿山地理物远程沟通 3，集成矿山地理地测基础数据、专业实时安全生产监测监控数据、日地测基础数据、专业实时安全生产监测监控数据、日常安全生产管理数据及矿山运营管理数据信息，构常安全生产管理数据及矿山运营管理数据信息，构建智能矿山大数据中心，依据深度学习的知识库，形建智能矿山大数据中心，依据深度学习的知识库，形成最优决策模型并对各环节进行实时自动调控 1]，成最优决策模型并对各环节进行实时自动调控 1]，具有智能调度管理、安全监测监管及自动分级报具有智能调度管理、安全监测监管及自动分级报警警[4]、动态区域性安全综合分析 1]、生产过程优化控、动态区域性安全综合分析 1]、生产过程优化控制、矿山全息可视化、远程故障自诊断、信息动态关制、矿山全息可视化、远程故障自诊断、信息动态关联与决策分析等功能，最终实现矿山安全、生产、运联与决策分析等功能，最终实现矿山安全、生产、运输、销售、机电等环节的安全、高效、经济、绿色运行。输、销售、机电等环节的安全、高效、经济、绿色运行。 2智能矿山平台设计智能矿山平台设计按照物联网经典体系，智能矿山平台架构主要按照物联网经典体系，智能矿山平台架构主要由物联感知层、传输层、智能应用与决策层由物联感知层、传输层、智能应用与决策层3层组层组成，如图成，如图1所示。所示。物联感知层主要由现场大量传感器、执行器、物联感知层主要由现场大量传感器、执行器、工业视频前端摄像机、智能手持终端设备、工业视频前端摄像机、智能手持终端设备、R F ID、电、电源、定位装置等设备构成，实现作业现场环境安全、源、定位装置等设备构成，实现作业现场环境安全、生产工况的全面感知，依托井下各传感装置、控制装生产工况的全面感知，依托井下各传感装置、控制装置、定位装置的物联规则置、定位装置的物联规则[5]，实现各传感器、控制器，实现各传感器、控制器之间的自动智能识别与就地控制。之间的自动智能识别与就地控制。传输层完成物联感知层各节点的组网控制及传输层完成物联感知层各节点的组网控制及信息汇总，并通过各种通信网络（如信息汇总，并通过各种通信网络（如W iF i、、U W B、、 U H F、蓝牙、、蓝牙、G及未来的高速移动通信技术及未来的高速移动通信技术 U H T 及超高速移动通信技术（及超高速移动通信技术（E U H T 技术和工技术和工业以太网主干网完成矿山物联感知层设备配置信业以太网主干网完成矿山物联感知层设备配置信息、传感器实时数据、控制命令、视频、定位位置等数息、传感器实时数据、控制命令、视频、定位位置等数据信息的高效可靠传输 [7]。据信息的高效可靠传输 [7]。智能应用与决策层主要包括监测监控层、数据智能应用与决策层主要包括监测监控层、数据运维层和智能决策应用层。监测监控层主要以专业运维层和智能决策应用层。监测监控层主要以专业监测监控为核心，包括环境安全监控、主井提升、电监测监控为核心，包括环境安全监控、主井提升、电力监控等，实现对作业现场环境安全、生产过程的实力监控等，实现对作业现场环境安全、生产过程的实时时与与业化业化，如安，如安的的地地、、主井主井的的、、计量计量的基于的基于时时量的年月日累计产量计算、电力监控系统的防越级量的年月日累计产量计算、电力监控系统的防越级跳闸等。数据运维层主要利用跳闸等。数据运维层主要利用H adoop S p a rk大大 92 工矿自动化2 0 1 8 年第 4 4 卷数据平台或非关系型数据库（数据平台或非关系型数据库（N oS Q L 等构建智能等构建智能矿山数据中心，完成智能矿山主数据、安全生产监测矿山数据中心，完成智能矿山主数据、安全生产监测监控数据、地理地测空间基础数据、运营管理数据等监控数据、地理地测空间基础数据、运营管理数据等的集中统一存储 [5]，应用大数据及物联网等技术实的集中统一存储 [5]，应用大数据及物联网等技术实现对视频数据、实时数据、管理数据进行汇总、筛选、现对视频数据、实时数据、管理数据进行汇总、筛选、清洗、综合分析。矿山数据中心按照数据来源及数清洗、综合分析。矿山数据中心按照数据来源及数据属性分为主数据管理中心、实时监测监控数据中据属性分为主数据管理中心、实时监测监控数据中心、地理地测空间数据中心与运营管理数据中心。心、地理地测空间数据中心与运营管理数据中心。 ① 主数据管理中心依托物联网编码体系，实现矿山① 主数据管理中心依托物联网编码体系，实现矿山各类基础数据信息的统一管理，包含部门、职务、人各类基础数据信息的统一管理，包含部门、职务、人员、证照、区域地点、系统编码、传感器类别、控制器员、证照、区域地点、系统编码、传感器类别、控制器类别等，并通过统一的数据接口为智能矿山平台应类别等，并通过统一的数据接口为智能矿山平台应用提供基础数据的共享。 ② 实时监测监控数据中用提供基础数据的共享。 ② 实时监测监控数据中心实现对安全监测监控、移动目标、生产过程控制数心实现对安全监测监控、移动目标、生产过程控制数据的实时采集、处理与存储。 ③ 地理地测空间数据据的实时采集、处理与存储。 ③ 地理地测空间数据中心实现对矿山地理地测类空间数据及模型的存中心实现对矿山地理地测类空间数据及模型的存储，包括地面地形、井下地质、井巷工程、设备模型储，包括地面地形、井下地质、井巷工程、设备模型等等[2’67]。 ④ 运营管理数据中心实现对日常安全、生。 ④ 运营管理数据中心实现对日常安全、生产、运营调度等管理类数据的存储与应用，并通过数产、运营调度等管理类数据的存储与应用，并通过数据抽取、转换、装载（据抽取、转换、装载（P x tra ctT ra n sfo rm L o a d，，E T L 技术抽取及应用矿山经营类数据，包括成本、人力资技术抽取及应用矿山经营类数据，包括成本、人力资源、设备资产、财务、运销、物资及行业动态信息 [8]。源、设备资产、财务、运销、物资及行业动态信息 [8]。数据运维层将运营管理、安全生产、地理空间、矿山数据运维层将运营管理、安全生产、地理空间、矿山经营等数据有机结合起来，充分应用大数据存储、数经营等数据有机结合起来，充分应用大数据存储、数据备份、流式计算、数据处理及分析等能力，形成智据备份、流式计算、数据处理及分析等能力，形成智能矿山平台统一数据中心，支撑矿山智能业务应用能矿山平台统一数据中心，支撑矿山智能业务应用及决策分析 [ 2,7]。及决策分析 [ 2,7]。图图1智能矿山平台架构智能矿山平台架构 Fig. 1 Plat architecture of intelligent mine 智能决策应用层主要应用大数据可视化引擎，智能决策应用层主要应用大数据可视化引擎，济运行、环境最安全状态、协同最高效状态；智能决济运行、环境最安全状态、协同最高效状态；智能决根据智能矿山安全生产运营需求，构建安全、高效、根据智能矿山安全生产运营需求，构建安全、高效、经济、绿色的矿山智能决策与智能应用中心。智能经济、绿色的矿山智能决策与智能应用中心。智能应用中心主要服务于日常安全生产业务应用，实现应用中心主要服务于日常安全生产业务应用，实现协同控制、生产调度、一通三防、安全管控、机电管协同控制、生产调度、一通三防、安全管控、机电管理、煤质管理、地测防治水、安全监测、定位考勤及应理、煤质管理、地测防治水、安全监测、定位考勤及应急救援等，并应用全息矿山可视化平台、智能调度系急救援等，并应用全息矿山可视化平台、智能调度系统及智能决策结果，实现矿山生产过程中设备最经统及智能决策结果，实现矿山生产过程中设备最经中心中心将将矿山矿山程程中中的的安安、、、、运运、、、、、、物资物资、、应应、、计、计、人人资资源源管管等等进行综合集成，贴合矿山当前安全生产状态及历史进行综合集成，贴合矿山当前安全生产状态及历史数据模型，依据深度学习知识库，决策分析当前及未数据模型，依据深度学习知识库，决策分析当前及未来时间段内的矿山最优安全生产调度运营决策，并不来时间段内的矿山最优安全生产调度运营决策，并不断进行修正调节。智能决策应用层主要面向各级管断进行修正调节。智能决策应用层主要面向各级管理及业务操作人员，利用统一门户技术实现一站式登理及业务操作人员，利用统一门户技术实现一站式登 2 0 1 8 年第期阙建立智能矿山平台建设与实现 93 录、应用集成及个性化工作台）录、应用集成及个性化工作台）]，达到全视角矿山可，达到全视角矿山可视化真实再现，支持在矿山安全生产运营中心大屏视化真实再现，支持在矿山安全生产运营中心大屏幕、计算机终端及智能移动终端的业务应用 [2’ 6;]。幕、计算机终端及智能移动终端的业务应用 [2’ 6;]。 3平台实现的关键技术及装置平台实现的关键技术及装置 1 全方位感知及高可靠性现场控制技术及装全方位感知及高可靠性现场控制技术及装置。相对于传统数字矿山而言，智能矿山平台的重置。相对于传统数字矿山而言，智能矿山平台的重点在于全方位的感知及高可靠性的现场控制技术及点在于全方位的感知及高可靠性的现场控制技术及装置的应用。在智能矿山安全生产运营过程中，末装置的应用。在智能矿山安全生产运营过程中，末端感知设备将有效实现对作业现场环境、人员、设备端感知设备将有效实现对作业现场环境、人员、设备的全方位感知及物联控制）的全方位感知及物联控制）]，安全生产调度人员可，安全生产调度人员可及时准确地通过终端设备掌握工况参数，包括生产及时准确地通过终端设备掌握工况参数，包括生产现场的现场的c h4、、c o、温度、、温度、0 2等环境参数，掘进机、采等环境参数，掘进机、采煤机、液压支架、带式输送机、通风机、压风机等设备煤机、液压支架、带式输送机、通风机、压风机等设备状态及工作参数，常态化进行现场安全生产设备的状态及工作参数，常态化进行现场安全生产设备的操作及控制。智能矿山平台可将包括生产、运输、机操作及控制。智能矿山平台可将包括生产、运输、机电、供电、通风等工艺流程与该矿井地质构造及工艺电、供电、通风等工艺流程与该矿井地质构造及工艺选择、生产历史数据、实时工况结合，建立适合当前选择、生产历史数据、实时工况结合，建立适合当前状态的安全生产控制模型，实现危险源识别、灾害预状态的安全生产控制模型，实现危险源识别、灾害预报警）报警）0]、运行故障辨识、流程协同控制、节能降耗调、运行故障辨识、流程协同控制、节能