王光睿

（天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引言

礦山是經濟社會發(fā)展重要的物質來源之一，其安全生產水平直接影響著金屬礦產、能源礦產、水汽礦產等行業(yè)的發(fā)展。隨著智能化、數字化、信息化時代的到來，多項技術的融合與發(fā)展，為智慧礦山提供了多種應用場景。因此，探究大型礦山智慧礦山的數據分析能力、數字化水平，對促進礦山行業(yè)安全穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的現實意義。

1 大型礦山智慧礦山發(fā)展現狀

在全球工業(yè)轉型的背景下，我國為更好的迎接工業(yè)新發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，于2015年提出“智能制造2025”并重點實施“兩化”融合戰(zhàn)略，進而加快了工業(yè)數字化與網絡化的進程，使得智慧礦山建設成為礦山開采、安全生產的重要選擇。2020年3月4日，提出的“新基建”內容為傳統(tǒng)經濟向數字經濟轉型的重要動力，其中最重要的“工業(yè)互聯網”項目成為國家經濟優(yōu)化、外部競爭力增強的關鍵選擇。在建設智慧礦山時，大量的人工操作被智能礦巖分析、智能運輸分析、智能設備檢測等取代，實現了礦山生產各階段數據的綜合分析、調度。但是智慧礦山發(fā)展面臨著數據匯聚不足、傳輸能力不足、應急響應滯后、智能決策不足、傳感器精度差等問題，所以有必要結合5G技術對基于GIS+BIM模式的智慧礦山進行優(yōu)化，以此實現大數據的深度學習與智能分析，為大型礦山智慧礦山提供更多可操作的應用場景。

2 智慧礦山構建的關鍵技術

智慧礦山正向全聯動、全融合推進，不僅能夠實現生產數字化、智能化，而且還可實現管理的精細化、信息化。智慧礦山的構建需要從基礎搭建、頂層設計兩方面進行研究，以此全面實現萬物互聯、數據融合、全息感知、業(yè)務聯動與智能決策。

2.1 基礎搭建

2.1.1 5G+技術生態(tài)圈

將5G技術與大數據、物聯網、互聯網等技術進行充分融合，以此充分發(fā)揮出5G技術的功能與作用，通過一系列技術創(chuàng)新，打造出的5G技術生態(tài)能夠實現煤礦生產的智能化發(fā)展，推進傳統(tǒng)礦山行業(yè)現代化發(fā)展進程。在搭建的5G技術生態(tài)圈中，煤礦信息可從感知向智能操作轉變，進而為各領域行業(yè)發(fā)展提供強大的動力，促使關鍵基礎設施的進一步完善。搭建的5G技術生態(tài)圈如下圖所示[1]。

圖1 5G技術生態(tài)圈

2.1.2 數字化構建

傳統(tǒng)智慧礦山的研究側重生產技術以及智慧設備、采掘機械的開發(fā)，在智慧設備、智慧機器人的輔助下高效完成煤礦生產任務，但是在管理決策層面存在一定不足，針對多領域應用的GIS+BIM智慧礦山，運用5G技術對數據處理、態(tài)勢感知、管理決策等環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，以此實現集成化管理的無人礦山。GIS+BIM智慧礦山中的GIS重在表達與煤礦工程相關的自然環(huán)境信息，BIM則重在表達煤礦項目施工中的各種詳盡信息。因此，利用GIS將地下空間環(huán)境中的二維信息轉變?yōu)槿S信息，利用BIM對礦井廠房、采掘、運輸、通風等系統(tǒng)中的管線構建起相應的三維模型，并在GIS中得以呈現，同時運用5G技術保障調度、計劃、設計等智慧系統(tǒng)功能的實現，為數據查詢、數據統(tǒng)計、數據分析提供智能化的模式，以此推進智慧礦山的數字化生產與集成化管理。

2.1.3 統(tǒng)一管理技術

優(yōu)化后的大型礦山智慧礦山的統(tǒng)一管理技術主要是運用公有云與私有云之間的關系進行信息協(xié)作、共享。主要是在智慧礦山原有計算任務的基礎上，運用混合云技術提升計算的靈活性，最大程度保留煤礦生產中的安全監(jiān)控信息、運輸控制信息，進而保證集成化管理無人礦山的可靠性?；旌显萍夹g中的私有云技術主要是將企業(yè)門戶、辦公OA、ERP等日常發(fā)布的信息進行統(tǒng)一部署，然后發(fā)布在公有云上，為智能礦山的大數據中心、智能管控平臺、綜合調度平臺等提供可行的專屬通道，進而建立起有關煤礦生產、運輸的統(tǒng)一數據倉庫平臺，為后續(xù)智能管理決策提供強有力的數據支撐。

2.2 頂層設計

2.2.1 基于云端一體化的管控模式

互聯網與無線網絡在快速發(fā)展的5G技術推動作用下，數據存儲、分流以及大數據分析等功能能夠有效滿足各領域行業(yè)發(fā)展對網絡延時的要求，通過無線網絡邊緣的就近處理計算，可從根本上滿足煤礦生產智能控制、安全監(jiān)控、綜合管控的需求。基于云端一體化的管控模式中，數據分析、控制服務下沉到終端設備端之后，AI預警分析模型會在第一時間響應計算資源需求，在云端完成相關處理后輸出最佳解決方案。大數據中心與邊緣計算的有機融合，對煤礦安全生產具有重要意義。

2.2.2 基于微服務架構的系統(tǒng)設計

煤礦生產的信息化平臺已經從原有的應用框架轉變成面向服務的SOA架構的微服務架構，微服務架構采用輕量級通信機制來實現業(yè)務的服務化與去中心化，進而有效提升平臺開發(fā)、部署以及功能交付的高效性。運用微服務架構的智能礦山可將復雜的應用拆分為若干個可服務的業(yè)務，并運用5G技術促進系統(tǒng)轉變、升級，框架的不斷優(yōu)化進一步提升了智慧礦山的服務性能，對集約化管理具有重要意義。

2.2.3 基于“一張圖”的分析決策

GIS+BIM在5G技術生態(tài)下，能夠基于云端一體化的管控模式以及微服務架構的系統(tǒng)，運用云計算、視覺以及多維度作業(yè)場景為智慧礦山管理決策提供多種分析模型，徹底解決多維數據待融合、系統(tǒng)更新不及時、管理不協(xié)調等問題。其中，多維度作業(yè)場景智能決策分析模型能夠保證生產、監(jiān)管、設計等業(yè)務的智能化實現，促使一體化管理進一步落實。一體化管理運作過程中，會將采集到的信息傳輸至業(yè)務集成系統(tǒng)，并在微服務架構下進行智能態(tài)勢分析，包括總體態(tài)勢、區(qū)域監(jiān)控、運行維護等方面突發(fā)事件的智能決策，通過及時維護與管控保證安全、環(huán)境、能耗與系統(tǒng)運營質量要求相符[2]。

3 大型礦山智慧礦山主要應用場景

3.1 智能探測

大型礦山中的煤炭安全生產與開采前的地質探測工作密切相關，5G技術與傳感技術、信息技術、探測技術、智能裝備技術的深度融合，促使技術跨越式發(fā)展，實現了數據、信息、知識三個層面的透明化管理。在智能探測場景下，主要是運用BIM信息與GIS技術對主要采掘設備的數據進行實時上傳，并隨著采掘的進行實時更新人機協(xié)同管理平臺中的數據，在后臺三維點云模型的支持下，降低由于礦井下光線差、環(huán)境單一等帶來的圖像融合難度，進一步提高了相關模型的建設效率與精度，為煤礦安全高效生產提供強有力的保障。

3.2 智能掘進

我國有關大型礦山的智能掘進技術一直受到采掘工作面環(huán)境復雜的限制，在一定程度上制約了煤礦生產效率的提升，為滿足智能礦山建設要求，將5G技術與態(tài)勢感知、智能分析、遠程操作相結合，針對掘進中的截割、支護、裝運等環(huán)節(jié)，進行掘進工藝、設備升級等關鍵技術的優(yōu)化，并在原有掘進系統(tǒng)的基礎上，運用軟件功能模塊、控制算法等實現了錨桿的自動化鉆裝，從根本上解決了各生產任務連續(xù)作業(yè)中存在的問題，導航偏差控制在10cm以內，形成的精截割斷面精度為0-10cm，在很大程度上減少了煤礦巷道開采的人數，保證了生產人員的安全。

3.3 智能開采

智慧礦山中的智能開采本身就是一種對專業(yè)技術要求較高的前沿技術，智能開采的實現涉及到智能設備、地質探測、大數據融合等，通過多種技術的集成與融合，在5G技術生態(tài)圈中能夠對多種實時作業(yè)場面進行智能化推演，并運用4D透明地質構建技術處理作業(yè)環(huán)境中復雜的信息，深度分析各學習語境中的智能化技術。與此同時，結合開采工作面配套智能化技術、自動控制技術、協(xié)同推進技術等，對煤礦生產中的工作面進行遠程控制、一體化管理，最終實現了采煤機的多級聯動控制，并為集約化管理功能的實現奠定了堅實基礎[3]。

3.4 智能通風

基于GIS+BIM管控模型，融入5G技術之后，能進一步夯實人員定位、信息融合的基礎，通過大數據、互聯網等技術的運算，將礦井通風數據進行整合，以此滿足日常通風、應急通風等設計的需求。此外，智慧礦山還能夠利用傳感器實時采集礦井內的通風數據，對滿足相關規(guī)程的通風設施進行調度，然后在計算機中心以及智能“中樞神經”模塊的作用下，引導智能通風軟件對礦井內的通風穩(wěn)定性進行跟進，以此有效控制風量風速，有效避免煤礦生產發(fā)生災情。此外，系統(tǒng)能夠逐級遞進災害風險特征，從而支撐抗災軟件的深度分析與評價，對提升大型礦山智慧礦山實用價值具有重要意義[4]。

3.5 智能調度

智能調度主要是利用物聯網、廣播媒體等技術對煤礦日常生產中的海量數據信息進行傳輸，拓展5G生態(tài)圈中智能調度的范圍，并在智能設備與系統(tǒng)的支持下，保證日常安全生產、應急管理、指揮調度等順利進行。智能調度包括電力、人員、監(jiān)控、通訊、機車等多方面，運用無線、廣播、有線等設備對分站間的工作數據進行備份，以此支持分級組網的運行[5]。智能礦山一旦發(fā)現異常情況，就會多方面調度組網中的設備，并對災情特征進行識別，通過相關調度來完成異常情況的及時處理。智能調度不僅能夠支持某一專業(yè)或場所的場景運行，還支持綜合調度系統(tǒng)的運行，對煤礦生產安全、高效進行具有重要意義。

4 結語

綜上所述，通過對大型礦山智慧礦山應用場景的探究，徹底解決了原有信息化平臺數據匯聚不足、傳輸能力不足、應急響應滯后、智能決策不足、傳感器精度差等問題，確保智能化、數字化技術貫穿于煤礦生產始終，對保證煤礦生產安全性具有十分重要的現實意義。