李瓊峰,劉 娜,王振倫,黃振林

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司,湖南 郴州 423037;2.杭州和利時自動化有限公司,浙江 杭州 310020)

0 前言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在礦山行業(yè)的應(yīng)用,“智慧礦山”應(yīng)運而生,伴隨著領(lǐng)域?qū)＜以诘V山工業(yè)控制系統(tǒng)、礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)、礦山應(yīng)用技術(shù)體系方面的探索和研究,涌現(xiàn)了大量的優(yōu)質(zhì)礦山領(lǐng)域的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能化解決方案,和優(yōu)秀的智能化采礦示范工程。

然而在當(dāng)前的智慧礦山建設(shè)過程中,由于系統(tǒng)間各自設(shè)計,彼此互相數(shù)據(jù)獨立,數(shù)據(jù)融合方面依然遇到不少問題[1-2]。中國工程院院士王國法,任懷偉等人通過煤礦多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)之間深層關(guān)系,建立起與現(xiàn)場機(jī)理模型一一對應(yīng)的信息模型,為預(yù)測開采行為提供推理依據(jù),并為海量的煤礦信息提供信息模型框架[3-4]。在設(shè)備管理和生產(chǎn)全流程應(yīng)用方面,中國工程院院士于潤滄提出MIM(Mine Information Modeling)模型,通過工程數(shù)據(jù)搭建礦山信息模型,從而打通分布異構(gòu)數(shù)據(jù)的一致性,實現(xiàn)礦山對應(yīng)的數(shù)字化呈現(xiàn)[5]。中國工程院院士葛世榮,張帆等人通過構(gòu)建礦山數(shù)字孿生模型(MDTM),基于深度學(xué)習(xí)方法,借助全域感知、邊緣計算、數(shù)據(jù)驅(qū)動和輔助決策技術(shù),搭建了智慧礦山平臺[6]。智能礦山通過傳感器儀表、自動化系統(tǒng)等集成信息化系統(tǒng),實現(xiàn)對礦山安全生產(chǎn)復(fù)雜環(huán)境過程的可視化、數(shù)字化、及智能化處理?；诘V山物聯(lián)網(wǎng),借助云計算或超級計算機(jī)梳理統(tǒng)計海量數(shù)據(jù),實現(xiàn)礦山生產(chǎn)對人員、設(shè)備工況、材料能源、安全環(huán)保、計質(zhì)量、生產(chǎn)調(diào)度、現(xiàn)場作業(yè)的協(xié)同管理[7]。姜徳義等人系統(tǒng)性地將煤礦領(lǐng)域地數(shù)據(jù)劃分為兩大類(邊緣計算類和云計算類),并設(shè)計了基于邊緣云協(xié)同計算架構(gòu)的智慧礦山技術(shù)架構(gòu),并對架構(gòu)提出可落地的3種解決方案[8]。張建中分析驗證BIM模型相關(guān)格式和符合煤炭行業(yè)數(shù)據(jù)集成標(biāo)準(zhǔn),采用云計算架構(gòu)搭建BIM建模集成存儲、顯示和交互操作框架[9]。岳一領(lǐng)利用統(tǒng)計類數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對超限瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,推斷了煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運行結(jié)構(gòu)并給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)挖掘模型[10]。毛善君等敘述了透明化礦山的三層架構(gòu),并對井上井下空間建模規(guī)范,多源數(shù)據(jù)的處理與集成,構(gòu)建高精度地質(zhì)體模型,以及遠(yuǎn)程可視化等提出解決方案[11]。龐義輝等針對子系統(tǒng)割裂問題,構(gòu)建了井下多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)共享平臺,解決了信息互聯(lián)互通,不僅為生產(chǎn)經(jīng)營上層提供數(shù)據(jù)支撐,而且為底層設(shè)備智能操控提供決策依據(jù)[12]。劉銀志針對集團(tuán)信息化對異構(gòu)數(shù)據(jù)處理能力弱,結(jié)合異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、模型庫和知識庫的構(gòu)建、大數(shù)據(jù)分析和管控協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建了集團(tuán)智能礦山管理系統(tǒng)[13]。

礦山企業(yè)已經(jīng)在單體系統(tǒng)、底層數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)方面取得了較多應(yīng)用成果,并且在智能礦山建設(shè)架構(gòu)和生產(chǎn)管控方面提出了智能化解決方案。但當(dāng)前因為分散在異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式、規(guī)范以及訪問方式都不相同,導(dǎo)致上層應(yīng)用的功能和效果受限,所以處理異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)多源融合的問題急需解決。解決這個問題,需要通過融合網(wǎng)絡(luò)搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺,借助智能管控平臺的數(shù)據(jù)融合,解決集成多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入和存儲難題,通過統(tǒng)一的訪問接口,為應(yīng)用提供支撐。使得“人、機(jī)、料、管、環(huán)”多方面數(shù)據(jù)流得到智能化應(yīng)用。

1 礦山融合網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)流分析

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺需要借助融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè),形成礦山一體化通信引擎。網(wǎng)絡(luò)融合地面工業(yè)控制星型網(wǎng)和井下工業(yè)控制環(huán)網(wǎng),采用軟件冗余以及軟件集控、子系統(tǒng)集中監(jiān)控和控制、視頻智能監(jiān)視進(jìn)行集中監(jiān)控；生產(chǎn)管理將數(shù)據(jù)服務(wù)、調(diào)度控制、數(shù)據(jù)展示等綜合建設(shè),全面驅(qū)動礦山自動控制系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)融合,融合網(wǎng)絡(luò)與各系統(tǒng)之間的關(guān)系如下圖1所示。

圖1 柿竹園融合網(wǎng)絡(luò)與各系統(tǒng)關(guān)系

融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為智能礦山的數(shù)據(jù)傳輸搭建通道,進(jìn)一步將地質(zhì)、采礦、監(jiān)控、設(shè)備、管理等數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理,為礦山相關(guān)信息數(shù)據(jù)的保存、傳送、輸出和處理提供信息化基礎(chǔ)設(shè)施,并將數(shù)據(jù)服務(wù)、決策支持信息和指令應(yīng)用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)管理和控制量,構(gòu)建礦山智能管控體系。

1.1 數(shù)據(jù)流

智能礦山管理過程的數(shù)據(jù)流包括生產(chǎn)計劃管理數(shù)據(jù)流、物資/能源消耗管理數(shù)據(jù)流、安全管理數(shù)據(jù)流、設(shè)備管理數(shù)據(jù)流、驗收管理數(shù)據(jù)流、人力資源管理數(shù)據(jù)流,同時還包括關(guān)鍵的生產(chǎn)數(shù)據(jù)流、控制數(shù)據(jù)流,最終形成數(shù)字的智能礦山數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)。

1.1.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)流

智能礦山生產(chǎn)過程主要包括掘進(jìn)和開采等作業(yè)流程,過程中主要采集信息包括采礦進(jìn)度、掘進(jìn)進(jìn)度信息,匯總的報表反應(yīng)了礦山生產(chǎn)過程信息流圖,如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)調(diào)度過程數(shù)據(jù)流流程圖

1.1.2 控制數(shù)據(jù)流

礦山控制過程主要是對八大系統(tǒng),及礦山運輸系統(tǒng)、壓氣系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和提升系統(tǒng)的運行進(jìn)行自動化控制。這里以排水自動化控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

井下排水自動化控制系統(tǒng)構(gòu)架可分為：HMI,SCADA主站/服務(wù)器,交換機(jī),現(xiàn)場設(shè)備。其中,PLC以工業(yè)以太網(wǎng)與SCADA主站進(jìn)行通訊,現(xiàn)場設(shè)備采用RS232、RS422或RS485等通信方式連接PLC,系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖3所示。

圖3 自動化控制系統(tǒng)構(gòu)架

排水自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流主要包括數(shù)據(jù)采集、傳輸以及控制等過程,數(shù)據(jù)流程如圖4所示。其余系統(tǒng)的控制過程與排水自動化控制過程類似。

圖4 排水自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

1.2 數(shù)字礦山數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)

如圖5所示,通過信息化管理,形成礦山生產(chǎn)的數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)。形成各部門之間,各身份權(quán)限之間,由礦山數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)中傳遞的信息流,實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通,保證了數(shù)據(jù)的真實性、精確性和可靠性。

圖5 礦山生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)

1.3 整體分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中的監(jiān)控平臺分為多金屬采礦和柴山采礦兩個采場區(qū)域監(jiān)控中心。礦級中心實現(xiàn)全礦井的數(shù)據(jù)共享,統(tǒng)一平臺數(shù)據(jù),是全礦井的綜合監(jiān)控、調(diào)度指揮平臺；區(qū)域監(jiān)控中心是礦級中心的部分權(quán)責(zé)下放,實現(xiàn)“區(qū)域自治”,在功能上與礦級中心分工和協(xié)同,共同完成礦井的生產(chǎn)調(diào)度。兩級分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過建設(shè)區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng),能直接對所屬區(qū)域內(nèi)的各種異常情況快速響應(yīng)及處理,為礦級生產(chǎn)指揮中心減輕負(fù)擔(dān),降低事故處理延誤率,保障礦井的安全生產(chǎn)。用礦級調(diào)度權(quán)力的“減法”,換取靠近現(xiàn)場區(qū)域指揮活力的“乘法”,保障礦井的安全生產(chǎn)。

區(qū)域的劃分可以是一個盤區(qū)、采區(qū)、運輸沿線或一個工作面,它主要監(jiān)管本區(qū)域數(shù)據(jù)及部分與其他區(qū)域相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),形成滿足監(jiān)控要求的區(qū)域監(jiān)控畫面、報警信息和智能聯(lián)動。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成上,區(qū)域監(jiān)控中心附屬設(shè)備可配置成位于同一個局域網(wǎng),當(dāng)系統(tǒng)中存在多個這樣的局域網(wǎng)時,形成了所謂“多域”。

2 數(shù)據(jù)融合與智能管控平臺建設(shè)

柿竹園智能礦山結(jié)合信息化和生產(chǎn)管理需求,為了將生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等信息系統(tǒng)全面打通,智能管控平臺的內(nèi)容如圖7所示。

圖7 智能礦山管控平臺架構(gòu)

(1)基礎(chǔ)服務(wù)層：進(jìn)行礦用設(shè)備接入,礦山系統(tǒng)集成,礦山業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的通訊、存儲、管理和訪問；礦山行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)和業(yè)務(wù)通用配置能力；其中還包括了生產(chǎn)監(jiān)控基礎(chǔ)功能,包括實時監(jiān)視、趨勢分析、智能報警,系統(tǒng)診斷、WEB發(fā)布和報警聯(lián)動等；

(2)生產(chǎn)安全中心：包括有毒有害氣體檢測、隱患風(fēng)險單、微震檢測、人員定位、避險系統(tǒng)、應(yīng)急管理、產(chǎn)量檢測等；

(3)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)：包括生產(chǎn)計劃、物料管理、設(shè)備管理,同時還有班組考核、生產(chǎn)應(yīng)急處置、產(chǎn)品追蹤、質(zhì)量管理、能源管理等；

(4)生產(chǎn)調(diào)度中心：包括對有軌運輸和無軌運輸?shù)恼{(diào)度,同時包括視頻、大屏、廣播、通信系統(tǒng)的調(diào)度,以及產(chǎn)量上報、進(jìn)尺上報和調(diào)度日志；

(5)智能決策系統(tǒng)：包括報警分析、設(shè)備診斷、應(yīng)急智慧、智能聯(lián)動和健康度評估等。

2.1 數(shù)據(jù)集成

底層多源異構(gòu)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)接入數(shù)據(jù)平臺,中間層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模和信息管理機(jī)制,上層通過提供適用于應(yīng)用場景的訪問接口或人機(jī)交互界面。

2.1.1 數(shù)據(jù)接入

根據(jù)柿竹園信息化、自動化基礎(chǔ)現(xiàn)狀,數(shù)據(jù)源來自于：(1)地質(zhì)資料信息系統(tǒng),包括地理空間三維模型；(2)MES系統(tǒng)的計劃、設(shè)備、物料管理等信息和ERP系統(tǒng)的人員資質(zhì)和技能方面信息；(3)工業(yè)系統(tǒng)信息,如井下人員定位系統(tǒng)和通風(fēng)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等；(4)工業(yè)設(shè)備信息,包括挖掘機(jī)、鏟運機(jī)等；(5)還包括非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)文件,如地質(zhì)、工程圖紙,表格和照片等；(6)通過傳感器采集的信息,或者手持設(shè)備上報的實時數(shù)據(jù),再集中人工錄入。

針對上面的數(shù)據(jù)源,接入技術(shù)有：(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入,比如智能礦山的三維實體地理地質(zhì)信息,通過軟件數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；(2)對于開放數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和存儲格式的信息系統(tǒng),可以通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫訪問接口(如ODBC)或ETL插件直接從數(shù)據(jù)源服務(wù)器中提取數(shù)據(jù)；(3)針對開放應(yīng)用程序接口的信息系統(tǒng)或工業(yè)系統(tǒng)采用API接口訪問；(4)對于信息系統(tǒng),普遍使用HTTP/REST,用于Web和移動用戶接口；(5)數(shù)據(jù)文件傳輸/交換,通用的協(xié)議為FTP,主要面對礦級部門業(yè)務(wù)和運營信息,數(shù)據(jù)可為結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),接收方根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對文件進(jìn)行解析、存儲和處理；(6)深度集成工業(yè)系統(tǒng)的上位機(jī),采用Modbus TCP等標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議,如運輸系統(tǒng)等,實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控。

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)倉庫存放數(shù)據(jù)平臺的所有數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)提供方提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)往往出現(xiàn)不完整、重復(fù)、錯誤的情況。因此,數(shù)據(jù)倉庫需要具備數(shù)據(jù)清洗能力,將數(shù)據(jù)從來源端經(jīng)過抽取、轉(zhuǎn)換、加載后保存至數(shù)據(jù)倉庫,成為后續(xù)可以利用的綠色數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程中,根據(jù)不同應(yīng)用場景需求,按照所需指標(biāo)和維度進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和預(yù)處理,也可以通過自定義的模型算法進(jìn)行設(shè)計。

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對進(jìn)入數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘,這個時候大數(shù)據(jù)平臺就聚合Hadoop大數(shù)據(jù)技術(shù)中的相關(guān)組件工具,如分布式文件系統(tǒng)(HDFS)、并行處理框架(MapReduce)、數(shù)據(jù)倉庫工具(Hive)、集群管理、安全管理等發(fā)揮數(shù)據(jù)的價值以滿足場景需求。

平臺再根據(jù)應(yīng)用制定數(shù)據(jù)處理規(guī)則,將處理后的數(shù)據(jù)加載到多維度分析引擎或?qū)崟r分析引擎中,為后續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)提供挖掘分析功能,圖8體現(xiàn)了數(shù)據(jù)平臺的功能結(jié)構(gòu)圖。

圖8 平臺的數(shù)據(jù)功能結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 數(shù)據(jù)接口

管控平臺上層為應(yīng)用層,應(yīng)用程序所需要的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均通過訪問層的接口來獲得,所以一套簡單、通用、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口可為后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)提供良好的支撐。目前可支持統(tǒng)一訪問的接口技術(shù)有基于Http的RESTFUL API和基于TCP的OPC UA,以及一些其他標(biāo)準(zhǔn)的接口訪問技術(shù)或協(xié)議(如OPEN API、GraphQL等)。

RESTFUL適用于移動互聯(lián)網(wǎng)廠商作為業(yè)務(wù)使用接口的場景,實現(xiàn)第三方OTT調(diào)用移動網(wǎng)絡(luò)資源的功能,動作類型為新增、變更、刪除所調(diào)用資源。

OPC UA為工業(yè)互操作性提供統(tǒng)一框架,機(jī)器和設(shè)備制造商描述其系統(tǒng)的面向?qū)ο蟮男畔?并定義訪問權(quán)限以及集成信息安全功能。

OpenAPI規(guī)范(OAS)定義了一個標(biāo)準(zhǔn)的、語言無關(guān)的RESTFUL API接口規(guī)范,允許開發(fā)人員和操作系統(tǒng)查看并理解某個服務(wù)的功能,而無需訪問源代碼。同時可以使用最少的實現(xiàn)邏輯來理解遠(yuǎn)程服務(wù)并與之交互。

3 礦山智能巡檢應(yīng)用

柿竹園礦山傳統(tǒng)的集中式監(jiān)控是被動式的,及現(xiàn)場數(shù)據(jù)和報警信息直接呈現(xiàn)給用戶,而歷史運行記錄以報表的形式保存,等待事后查詢,事實上距離生產(chǎn)運營閉環(huán)智能化還有一段距離。

柿竹園采礦集控平臺的礦山物聯(lián)網(wǎng)和感知礦山技術(shù)輔助集成平臺實時獲取并傳輸“礦山體征”數(shù)據(jù),地面站快速處理與分析數(shù)據(jù),準(zhǔn)確感知礦山環(huán)境參數(shù)和設(shè)備工況,通過身臨其境的智能巡檢應(yīng)用遙控人員和采、掘、運裝備做出判斷和快速響應(yīng),調(diào)整作業(yè)模式、行為方式和工藝參數(shù)。

利用記錄的事故和工況歷史信息,利用趨勢分析,案例推理等的數(shù)字能力,對異常的生產(chǎn)運營指標(biāo)做出適當(dāng)?shù)念A(yù)警,在“被動式”的監(jiān)控上增添“主動式”行為。應(yīng)用的功能模塊一般包括了設(shè)備監(jiān)控、巡檢、報警、維修、GIS定位、設(shè)備控制功能等。

以壓風(fēng)系統(tǒng)為例,闡述基于數(shù)據(jù)流的智能巡檢應(yīng)用,壓風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測功能界面,如圖9所示。

圖9 壓風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測功能界面

壓風(fēng)系統(tǒng)的智能巡檢應(yīng)用由集控平臺、Web服務(wù)器和應(yīng)用功能與壓風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備群組成如圖10所示。

圖10 集控平臺的智能巡檢應(yīng)用架構(gòu)圖

集控平臺作為數(shù)據(jù)中心為上層服務(wù)提供壓風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括壓風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備群臺賬的基礎(chǔ)信息,設(shè)備狀態(tài)信息,地理空間GIS信息,實時報警信息,維護(hù)信息等數(shù)據(jù)。

Web服務(wù)器通過OPC UA接口、http接口或數(shù)據(jù)庫連接驅(qū)動,從平臺中獲取壓風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。在Web服務(wù)器中提供服務(wù),包括為GIS提供位置信息；提供設(shè)備巡檢的管理功能；利用消息引擎,根據(jù)維修規(guī)則向維修人員推送維修消息；壓風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備指標(biāo)導(dǎo)入；形成巡檢報表,提供查詢支持；提供維護(hù)信息,支持智能分析。

智能巡檢應(yīng)用通過調(diào)用服務(wù)提供的http接口,實現(xiàn)壓風(fēng)系統(tǒng)報警、維護(hù)、巡檢相關(guān)的人機(jī)交互,主要的應(yīng)用包括設(shè)備實時監(jiān)控,可以在PC端或手持設(shè)備上查看設(shè)備的實時運行狀態(tài)；巡檢人員手持終端設(shè)備,進(jìn)行實地巡檢工作；在GIS圖中展示設(shè)備和報警信息并對報警&維護(hù)信息進(jìn)行管理。

表1 壓風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)前后對比分析表

4 結(jié)論

柿竹園智能化礦山管控平臺的建設(shè)旨在以融合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為基礎(chǔ),建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),破解困擾礦山企業(yè)的信息孤島的難題；解決包括異構(gòu)傳感采集設(shè)備與環(huán)境監(jiān)測全流程的無縫集成、復(fù)雜異構(gòu)信息實時采集與高速可靠傳輸?shù)群诵膯栴},針對從多種輸入設(shè)備獲取的內(nèi)容、形式、類型上的異構(gòu)數(shù)據(jù),泛在服務(wù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)將這些復(fù)雜信息統(tǒng)一描述成采集輸入設(shè)備無關(guān)的形式。以壓風(fēng)系統(tǒng)智能巡檢應(yīng)用為例,管控平臺可實現(xiàn)多服務(wù)系統(tǒng)平臺信息互聯(lián),從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示,故障保護(hù)和診斷分析和故障報警功能。