煤矿生产辅助系统管理的智能化及信息化研究.pdf

2020 年第 7 期2020 年 7 月 2015 年 6 月，国家安全监管总局根据煤矿生产形 势，发布 关于开展“机械化换人、自动化减人”科技 强安专项行动的通知 （ 安监总科技 〔 2015 〕 63 号 ） [1]。 通知要求煤炭相关企业要逐步实现以机械化生产替换 人工作业，大力提高安全生产科技保障能力。2017 年 5 月，贵州省人民政府出台了 省人民政府关于煤炭工 业淘汰落后产能加快转型升级的意见 （ 黔府发 〔 2017 〕 9 号 ） 的文件[2]，其中明确提出，“到 2020 年，生产煤 矿采煤机械化率达到 96，煤矿辅助系统智能化、信息 化服务管理和监控覆盖率均达到 100”的目标。贵州 水城矿业股份有限责任公司大湾煤矿生产辅助系统数据 分散，形成信息孤岛，难以对数据、信息进行钻取和利 用[3]。为了积极配合国家安全监管总局和贵州省人民政府 的政策要求，从企业自身实际出发，主动对大湾煤矿生 产辅助系统智能化提出升级改造的要求，以计算机技术、 控制理论和传感检测技术为手段，将煤矿所有空间数据 和有用属性数据进行数字化存储、传输、表述和深加工， 并将其运用于各个生产环节、过程控制和管理决策中[4]。 1建设目标及内容 通过调研和实地考察，结合大湾煤矿生产辅助系统 的实际情况，利用当今主流计算机和网络技术，运用先 进的边缘传感技术、网络通信技术、逻辑控制技术和融 合汇聚技术，建设包括煤矿监控及自动化平台、煤矿信 息管理平台在内的煤矿生产辅助系统智能化及信息化管 理系统，帮助矿山企业实现安全、高效、环保的生产目标。 煤矿生产辅助系统智能化及信息化管理系统主要 包括煤矿监控及自动化平台、煤矿信息管理平台及子 系统建设，其中子系统包括煤流运输系统、井下主排水 系统、主通风系统、压风系统、瓦斯抽采系统、电力系 统、工业视频系统和信息导引发布系统等。采用成熟先 进的信息化技术，基于 B/S 多层架构，实现各用户层功 能的合理配置；兼容煤矿现有各类安全生产系统及相 关硬件设备，在功能、数据、性能、接口、编码等方面 进行科学规划设计，确保产品实用，性能优良，使煤矿 生产、煤炭资源、安全、人事劳资、设备、物资、技术 档案、销售、技术实现数字化，并且逐步完善[5]，确保 本系统在 5 a 内技术仍处于先进水平。 收稿日期2020-02-21 基金项目国家“十二五”科技支撑计划项目 （ 2014BAC17B00 ） 作者简介李勇，1982年生，男，重庆人，2015年毕业于重庆大 学电气工程与自动化专业，工程师。 煤矿生产辅助系统管理的智能化及信息化研究 李勇 （ 1. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037 ） 摘要 根据近几年在全国各地煤矿设计并实施的煤矿生产辅助系统智能化、信息化管理系统项目工程中积累的经验， 提出了煤矿生产辅助系统管理的智能化和信息化研究，达到了煤矿生产辅助系统通过自动化控制、智能化管理、信息化 服务以保障煤矿正常生产、实现无人值守、减员增效的目的，对煤炭企业贯彻落实国家安全监管总局 关于开展“机械 化换人、自动化减人”科技强安专项行动的通知（ 安监总科技 〔 2015 〕 63 号 ） 文件起到了积极有效的推进作用，对大 力提高企业安全生产科技保障能力有着重要意义，具有广阔的市场前景。 关键词 辅助系统；智能化；信息化；管理平台 中图分类号 TP2； TD712.63文献标识码 A文章编号 2095-0802-202007-0080-03 Research on Intellectualization and Inatization of Coal Mine Production Auxiliary System Management LI Yong 1. Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Chongqing 400039, China; 2. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China Abstract Based on the experience of intelligent and inative management system project of coal mine production auxiliary system designed and implemented in coal mines all over the country in recent years, this paper put forward a research on intellectualization and inatization management system of coal mine auxiliary system, achieved the goal of ensuring the normal production of coal mines, realizing unattended, reducing personnel and increasing efficiency through automatic control, intelligent management and ination service of coal mine production auxiliary system. It had played a positive and effective role in promoting coal enterprises to implement the notice of State Administration of Work Safety Supervision on carrying out the special action of “Mechanized Personnel Replacement and Automatic Personnel Reduction“ Science and Technology to Strengthen Safety AJZTS 〔2015〕No.63, which is of great significance to the improvement of the scientific and technological support capacity of the enterprises work safety and has a broad market prospect. Key words auxiliary system; intellectualization; inatization; management plat （总第 178 期） 技术研究 80 2020 年 7 月2020 年第 7 期 Gepon.无源光网络。 图 1系统工作原理及整体架构图 2系统工作原理及整体架构 以煤矿现有生产辅助系统为基础核心业务，结合 煤矿的生产、安全、经营等信息，以数据集成、融合， 数据挖掘为原则，实现智能感知、远程集控和辅助决 策分析。 基于煤矿生产业务的实际需求，设计开发煤矿监 控及自动化平台。平台为煤矿采煤、掘进工作面及运 输、回风等巷道的实时工况环境信息参数，瓦斯抽采 管道内的工况数据，井下作业人员实时状态和移动轨 迹信息，各类综采设备运行状态等新建系统或者升级 改造原有系统，建立各子系统数据采集通道，进行原 始数据采集；平台根据采集到的动态数据进行逻辑分 析处理，然后分门别类地进行远程自动化控制，再利 用现有广泛应用的液晶大屏幕投影在煤矿调度室予以 集中显示，并采用终端计算机独立显示等方式将各类 综合信息通过人机界面、可视化图表等形式进行全面 的数据展示；平台对各类生产过程中产生的海量空间 信息和环境参数变化状态、各类机械设备工况数据、 作业人员位移及轨迹信息数据进行抽取、加载、转换 等标准流程化工作，将这些数据转换成数据库和数据 仓库要求的数据格式，融合到平台的数据库和专题库 中，为平台运行管理和智能决策支持提供数据支撑。 基于煤矿管理业务的实际需求，设计开发煤矿信 息管理平台。平台将各类生产过程中产生的海量空间 信息，煤矿监控及自动化平台中的各类设备工况数据、 环境参数变化状态、作业人员位移及轨迹信息等汇聚 起来，通过开发专业的管理模块和分析模块，对数据 进行分类存储、数据加工、数据分析和综合处理，形 成矿用监控数据库和矿用管理数据库，从而为数据挖 掘提供资源，为煤矿安全生产经营管理者提供全方位 的信息展示和决策支持。 为了及时、准确地将全部信息和数据在煤矿各部 门之间、与集团之间进行数据共享，以及县、市、省 三级煤矿安监局或者能源局调度指挥中心的数据实现 上传及指令下达，建立了一套 1 G/10 G 级贯穿煤矿地 面及井下的高速光纤工业环网，并无缝连接至 Internet。 系统工作原理及整体架构如图 1 所示。 煤矿生产辅助系统智能化及信息化管理系统建设 完成后，能够将煤矿地面及井下各子系统的数据、语 音、视频进行聚合，能实时、准确地监控各类设备工 况参数、环境参数、供配电参数。根据生产标准流程 或者突发事件应急预案流程，包括各级领导在内的调 度人员，可以根据不同的处理权限通过调度室和终端 计算机有效预防和及时处理各类突发事件或灾害，尽 量减少甚至避免给煤矿带来经济损失及人员伤亡。对 煤矿安全生产和经营管理信息进行采集、分析和处理， 能够提高矿井的智能感知、信息融合、远程集控、数 据挖掘和辅助决策分析，全面提升煤矿管理水平，降 低工人劳动强度，实现减员增效[6-15]，使煤矿尽早达到 国家相关要求和贵州省人民政府的政策要求。 3系统建设 根据煤矿业务应用特点和未来技术发展趋势，同 时兼顾技术更迭的特点，平台架构主要体现在多系统 数据组织、存储与管理的数据层；业务逻辑与数据处 理的业务层；成果信息发布、信息浏览及查询，系统 运维表达的用户层 3 个层面，如图 2 所示。 图 2煤矿信息管理平台架构图 按照总体规划先进性、实用可靠性、安全性等原 则进行煤矿信息管理平台建设，确保大湾煤矿生产辅 助系统智能化、信息化管理系统顺利实施。 3.1总体规划先进性原则 在把握全局的基础上，遵循“人无我有，人有我 先，人先我优，人优我特”的标准，充分考虑煤矿相关 排水系统运输系统通风压风设备管理 生产管理技术资料 一站式门户 煤矿信息管理平台煤矿监控及自动化平台 工业视频信息引导 集控数据报表数据 管理数据中心监控数据中心 工业以太网、 Gepon 煤矿高速以太网 瓦斯监测、 工业视频、 人员定位 运输、 排水、 瓦斯抽采、 供电、 压风、 通风、 信息发布 信息查询系统运维 用户层 报表数据分析决策支持数据分析 生产数据处理物资机电数据处理 业务层 数据层 安全生产数据 物资设备数据 技术资料数据 报表信息数据 系统管理数据 李勇 煤矿生产辅助系统管理的智能化及信息化研究 81 2020 年第 7 期2020 年 7 月 部门管理需求，将系统设计成一个简洁易用的工具， 实现数据资源的共存共享，发挥系统在生产管理与决 策分析中的作用。系统采用功能完善的软硬件平台， 利用虚拟化和云平台技术，对计算、网络、存储硬件 资源进行虚拟资源池化，提高系统稳定性，避免在信 息量增加时造成存储资源不足的情况，以保证系统的 先进性，确保建成后 3耀5 a 内不会因技术落后而大规模 更换，使系统具有稳定性、可靠性和前瞻性。 3.2实用可靠性原则 系统提供统一软件 UI 界面设计，所有的风格完全 与 Windows 操作系统一致，具有高度友好的用户界面 和操作简便性，便于管理和维护，既体现快速反应特 点，又便于管理决策层及时了解各项统计信息后进行 综合管理。在保证联网功能充分发挥的前提下，利用 现有平台资源，降低联网运行成本和资金投入；采用 超融合分布式存储技术，每个数据设置 2耀3 个副本， 避免突发技术故障或灾难性崩溃时数据丢失；采用资 源池化后的虚拟服务器替代传统的物理服务器，即采 集服务器、数据服务器、Web 服务器出现故障停止服 务时，虚拟服务器自动分配资源给故障虚拟服务器， 或立即由其他虚拟服务器自动接管并正常运转；采用 虚拟云桌面统一分发操作系统、数据库、应用软件及 办公软件至用户终端，统一管理用户资源，避免病毒 感染及信息泄密。 3.3安全性原则 系统应用层相对独立，以减少系统之间的互绕； 硬件设备具有防破坏的安全性功能，运行在虚拟化资 源池、虚拟云桌面的软件不受病毒感染、黑客攻击， 并能够防止未经系统授权的用户非法入侵以及经授权 的用户越权使用等情况；能够设置不同安全级别的权 限控制、审核、操作日志等功能；数据在传输过程中 采用专用加密方式保证数据信息不被非法泄漏、截获 或篡改；通过防火墙系统建立一道可靠的门槛，网络 防火墙设置只允许符合规则的业务数据通过安全策略， 保障网络访问和内网不同层次的安全；建立统一的用 户数字身份信息库和角色信息库，集中统一的用户身 份认证，实现单点登录；按照级别、功能对用户操作 权限进行划分，对角色进行功能匹配；采用 DES 或 3-DES 加密算法对关键信息进行加密和存储；对系统 的运行状态、操作状态等信息以统一格式记录在系统 后台日志中，日志文件必须有系统管理员授权才能访 问等诸多手段保证数据安全。 3.4标准性及扩展性原则 系统采用开放式架构和标准化接口协议，有良好 的兼容性和扩展性；系统平台采用“一张图”的设计理 念，在平台中可以通过按钮或者热键切换至任意子系统 运行界面查询设备运行状态、工况参数、报警信息、故 障统计等信息。系统平台采用模块化设计，支持 B/S 结 构和 C/S 结构，方便功能模块扩展；符合国际工业标 准，结合工程现场要求及未来发展趋势，预留较大扩 充余量。煤矿信息管理平台界面总体效果如图 3 所示。 图 3煤矿信息管理平台界面图 4结语 近几年，国家安监总局、地方煤炭局均出台了推 行煤矿辅助系统智能化升级改造的利好政策，文中所 述系统在实施过程中一直自我优化，不断改良和完善， 已经全面实现了包括在线专家诊断、异常状况报警、 运行指令下发上传等功能，完成了高品质的通讯数据 传输、缜密的逻辑控制程序，充分发挥了应用技术的 先进性和软件的实用性。该系统在全国各地煤矿企业 的广泛应用，改善了辅助系统以前传统人工操作的弊 端和劳动强度，为煤炭企业工作提供了强大的数据支 撑体系，总体效果较好，得到了各级领导和使用人员 的一致认可，对大力提高企业安全生产科技保障能力 有重要意义。该系统的研究不仅仅局限于独立系统的运 用，还可以将数据接入到县、市、省三级煤矿安监局或 者能源局调度指挥中心综合平台，将系统数据共享并长 期有效保存，为煤矿安全生产调度、应急救援、事故追 查提供有力保障，为煤矿企业打造绿色环保矿山、实 现煤炭经济的可持续发展提供助力。 参考文献 ［1］ 国家安全生产监督管理总局， 安监总科技 〔2015〕 63 号.国家 安全监管总局关于开展 “机械化换人、 自动化减人” 科技强安 专项行动的通知 ［S］ .2015-06-11. ［2］ 贵州省人民政府， 黔府发 〔2017〕 9 号.省人民政府关于煤炭工 业淘汰落后产能加快转型升级的意见 ［A］ .2017-05-12. ［3］ 万勇.矿用隔爆型电动阀门执行器的研发与应用 ［J］ .自动化 仪表， 20178 59-62. ［4］ 袁辉.设备 “转型升级” 安全 “脱胎换骨” 访国家安全监管总 局规划科技司副司长施卫祖 ［J］ .现代职业安全， 20159 8-13. ［5］ 李健威， 万勇.基于 WINCC 的无人值守瓦斯抽采智能控制系 统研究 ［J］ .自动化与仪表， 20195 49-52. ［6］ 刘振江， 邸春生， 张友博.浅谈数字矿山建设的关键事项 ［J］ . 内蒙古煤炭经济， 201820 48-50. ［7］ 李勇.基于三级递阶控制的煤矿智能化管控平台的设计 ［J］ .煤 炭与化工， 201910 91-94. ［8］ 秦容军.煤炭企业信息化项目风险管理研究 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法律法规。为了保证制订的政策法规能顺利实施，需 要定期对各个辖区煤矿企业的通风安全进行检查。对 于通风安全良好、保障措施齐全的企业，应该给予物 质方面的奖励；对于通风安全存在问题的企业，应该 下令整改，并给予相应的经济处罚。此外，在政府人 员执法监督过程中，一定要秉持公平公正的原则，为 煤矿企业的安全负责，拒绝瞒报安全隐患的情况发生[2]。 2.2煤矿应该加强地质勘探 煤矿通风事故很多具有一定的突发性，例如煤与 瓦斯突出。针对这种突发性问题，需要采取一些应对 措施，主要是应该加强地质勘探。根据瓦斯地质学可 知，瓦斯的赋存和聚集与煤层的地质构造有很大的关 系。在一些地质构造区瓦斯压力会异常，这很容易导 致煤与瓦斯突出。因此，根据这种情况，应该采取更 有效的方法对煤层的地质构造进行勘探，主要是勘探 一些小断层。常规的勘探方法是钻探法，主要是通过 钻孔的方法获得地层资料，但这种方法获得的资料有 限，需要采用一些物探方法，例如地质雷达、电磁法 勘探等。在获得了详细的地质资料后，就可以对一些 突发状况做出一定的处理。 2.3重视人才引进和通风管理 在煤矿生产过程中，人才发挥了关键作用。但是， 由于矿井恶劣的作业环境，人才匮乏，导致一些工作 很难有效进行。因此，煤矿企业应该积极引进高素质 的专业型技术人才，从而保证煤矿通风安全工作能够 有效进行。现在煤矿企业的待遇并不高，而且还是高 危行业，人才短缺，这是很多煤矿企业面临的问题。 为了走出目前的这种困境，煤矿企业应该高薪聘请一 些矿业学校的教师担任技术指导，不断完善矿山高素 质人才团队的建设。 此外，为了保证通风管理的顺利进行，应该定期 对矿工进行安全知识培训，增强他们的安全责任意识。 只有人人意识到矿山安全与每个人的利益息息相关时， 才能自觉遵守相关规范，从本质上减少人为因素引发 的通风安全事故。 2.4注重通风设备的更新检查 通风设备是保证通风安全的重要载体，它为人们 判断通风安全状况提供了重要参考。如果通风设备发 生故障不能正常工作，会导致人们对一些安全状况做 出错误的判断，这对于通风安全是十分不利的。因此， 煤矿相关部门应该定期检查煤矿的通风安全监测设备。 对于一些出现故障或损坏的监测设备，应该及时更换； 对于一些服务年限过长的设备，也应该更换，以保证 设备的性能满足安全生产需求[3]。 3结语 煤矿开采中要解决的首要问题就是安全问题，而 安全的核心是通风安全。通风系统的主要作用是排除井 下有毒有害气体，提供工人正常活动需要的 O2。由于各 种原因，矿井通风安全事故频繁发生，这对中国煤矿事 业的正常发展产生了不利影响。为了能有效保证通风安 全，分析了中国国情、地质因素、管理因素对通风安全 的制约，并给出了一些解决办法，例如政府应完善政策 法规，煤矿应该加强地质勘探等，以推动煤矿企业更 好地发展。 参考文献 ［1］ 陈凯.煤矿通风安全制约因素及其对策研究 ［J］ .山东工业技 术， 201818 68. ［2］ 祁永杰.煤矿通风安全制约因素及其对策分析 ［J］ .现代国企 研究， 20186 50. ［3］ 李金祥.煤矿通风安全的制约因素与防范对策探究 ［J］ .内蒙 古煤炭经济， 201623 94-95. （ 责任编辑白洁 ） 98