徐華龍

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，對于提升煤礦安全生產(chǎn)水平、保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義[1-2]。

2020 年2 月25 日，國家發(fā)展改革委、應(yīng)急管理部等8 部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出了加快我國煤礦智能化發(fā)展的原則、目標(biāo)、任務(wù)和保障措施，明確提出首先建設(shè)一批智能化示范煤礦，通過典型示范推動煤礦智能化全面發(fā)展，國家能源局、國家煤礦安全監(jiān)察局已審核確定71 處煤礦，作為國家首批智能化示范建設(shè)煤礦。目前，山東、河南、貴州、山西、內(nèi)蒙古、陜西、寧夏等省份的煤炭主管部門積極出臺相關(guān)方案和政策，明確提出要建設(shè)智能礦山一體化管控平臺，加快煤礦智能化建設(shè)、升級改造[3]。

1 管控平臺含義及要求

智能礦山一體化管控平臺是在統(tǒng)一開發(fā)平臺的框架下，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能控制等新一代信息技術(shù)與煤礦安全、生產(chǎn)、運(yùn)營管控業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，基于面向服務(wù)的體系架構(gòu)和“資源化、場景化、平臺化”思想，圍繞監(jiān)測實(shí)時化、控制自動化、管理信息化、業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)自動化、知識模型化、決策智能化目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計，開發(fā)用于煤炭生產(chǎn)、智慧生活、礦區(qū)生態(tài)的智慧礦山生產(chǎn)系統(tǒng)、安監(jiān)系統(tǒng)、智能保障系統(tǒng)、智能決策分析系統(tǒng)、智能經(jīng)營管理系統(tǒng)、智慧園區(qū)等場景化APP 支持服務(wù)，實(shí)現(xiàn)煤礦的數(shù)據(jù)集成、能力集成和應(yīng)用集成[4-5]。

由國家能源局下發(fā)的《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法（試行）》文件，對智能礦山一體化管控平臺提出了明確驗(yàn)收要求：需要建立統(tǒng)一的系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，基于統(tǒng)一I/O 采集服務(wù)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，具有冗余采集和容錯機(jī)制；具有綜合監(jiān)控中心，對“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)、井下環(huán)境安全、人員位置等安全生產(chǎn)實(shí)時信息進(jìn)行綜合集成、聯(lián)動控制與可視化展示；具有大數(shù)據(jù)平臺，主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)管控，將礦井監(jiān)測監(jiān)控類系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行類系統(tǒng)、經(jīng)營管理類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)全面場景化接入，實(shí)現(xiàn)分析決策與可視化展示；具備數(shù)據(jù)分析能力，根據(jù)業(yè)務(wù)需求構(gòu)建識別模型、預(yù)測模型、控制模型、決策模型，實(shí)現(xiàn)模型庫管理；根據(jù)監(jiān)測與分析計算結(jié)果，進(jìn)行異常信息報警，能夠?qū)惓Ｐ畔⒆詣油ㄟ^電話語音或短信通知相關(guān)人員，實(shí)現(xiàn)預(yù)警、指揮調(diào)度與協(xié)同控制[6]。

2 平臺總體架構(gòu)

智能礦山一體化管控平臺總體架構(gòu)設(shè)計如圖1。

圖1 平臺架構(gòu)圖Fig.1 Platform architecture diagram

智能礦山一體化管控平臺基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，以國家能源局《煤礦智能化建設(shè)指南》為依據(jù)，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、移動互聯(lián)等先進(jìn)技術(shù)，平臺采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，融合全礦井“人、機(jī)、環(huán)、管、控”等業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入平臺、建設(shè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)中臺，提供統(tǒng)一應(yīng)用開發(fā)平臺和統(tǒng)一應(yīng)用部署平臺，建立可靠的工業(yè)安全防護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通與融合共享，全礦井安全生產(chǎn)智能監(jiān)控、智能調(diào)度、智能預(yù)警和智能決策。

1）感知控制層。利用傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、控制技術(shù)和邊緣計算技術(shù)，全面感知井下人、機(jī)、環(huán)等的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，主要涉及協(xié)議轉(zhuǎn)換、邊緣數(shù)據(jù)處理等。

2）基礎(chǔ)設(shè)施層。采用有線、無線相結(jié)合，現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)通信的方式，上傳下達(dá)數(shù)據(jù)和命令。基于虛擬化、分布式存儲、并行計算、負(fù)載調(diào)度等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲等計算機(jī)資源的資源池管理。

3）智能平臺層。智能化礦山云平臺基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，向下實(shí)現(xiàn)各種感知數(shù)據(jù)的接入，向上為智能應(yīng)用子系統(tǒng)開發(fā)提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)服務(wù)、一體化管控服務(wù)、智能移動監(jiān)控服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析服務(wù)、智能化協(xié)調(diào)管理服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)礦山多源異構(gòu)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、多系統(tǒng)融合聯(lián)動與運(yùn)營控制。

4）決策應(yīng)用層。面向礦井生產(chǎn)、安全、管理、決策分析實(shí)現(xiàn)礦山三維一張圖集中監(jiān)測、大數(shù)據(jù)融合分析、生產(chǎn)集中控制，智能終端APP 遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)管。

3 平臺關(guān)鍵技術(shù)

3.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)中臺技術(shù)

礦山統(tǒng)一數(shù)據(jù)中臺提供煤炭企業(yè)各類型數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、分析、可視化、共享等全生命周期數(shù)據(jù)服務(wù)，并提供數(shù)據(jù)的安全保障服務(wù)。采集設(shè)備、自動化系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)，接入生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)以及其他子系統(tǒng)的實(shí)時和離線數(shù)據(jù)，構(gòu)建礦級或者局級數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，打破數(shù)據(jù)孤島，以統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，提供數(shù)據(jù)實(shí)時計算分析能力和海量數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的資產(chǎn)化，支撐上層業(yè)務(wù)應(yīng)用和智能化分析服務(wù)，為礦井智能化建設(shè)提供基礎(chǔ)服務(wù)和保障[7]。礦山統(tǒng)一數(shù)據(jù)中臺基于Hadoop 架構(gòu)，針對煤礦應(yīng)用場景可進(jìn)行深度定制，提供煤礦專有數(shù)據(jù)倉庫和算法服務(wù)，并在運(yùn)維管理、可視化組件封裝、圖形化人機(jī)交互方面可進(jìn)行定制化開發(fā)和集成。數(shù)據(jù)中臺架構(gòu)圖如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)中臺架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of data center

礦山統(tǒng)一數(shù)據(jù)中臺以統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)安全防護(hù)為基礎(chǔ)，從數(shù)據(jù)的處理流程（數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理）和數(shù)據(jù)完整生命周期管理2 方面出發(fā)，通過聚合和治理煤礦現(xiàn)有分散獨(dú)立的應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，打通數(shù)據(jù)孤島，形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)沉淀，將數(shù)據(jù)抽象封裝成服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為智能礦山的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1）應(yīng)用架構(gòu)。整個大數(shù)據(jù)平臺擁有2 類用戶：數(shù)據(jù)管理員和三方數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理員通過數(shù)據(jù)管理功能，對數(shù)據(jù)采集、分析、數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行管理；數(shù)據(jù)應(yīng)用方通過數(shù)據(jù)發(fā)布、訂閱功能，申請獲取智能礦山統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心管理的數(shù)據(jù)。

2）技術(shù)架構(gòu)。智能礦山統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心的核心采用Hadoop 生態(tài)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過Spark 流批一體實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗、存儲、統(tǒng)計、分析、建模等相關(guān)功能。同時，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)開放服務(wù)，將數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)服務(wù)連接在一起。數(shù)據(jù)中臺技術(shù)架構(gòu)圖如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)中臺技術(shù)架構(gòu)圖Fig.3 Technical architecture of data center

3）數(shù)據(jù)架構(gòu)。數(shù)據(jù)架構(gòu)包含了數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)、數(shù)據(jù)服務(wù)架構(gòu)，分別通過不同的工具、技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同場景下的數(shù)據(jù)相關(guān)功能操作。數(shù)據(jù)傳輸包括文件數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)傳輸和海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)存儲分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲、實(shí)時數(shù)據(jù)存儲、文件與對象存儲、海量歷史數(shù)據(jù)存儲；數(shù)據(jù)服務(wù)分為數(shù)據(jù)檢索服務(wù)、數(shù)據(jù)模型可視化服務(wù)和發(fā)布訂閱服務(wù)。數(shù)據(jù)中臺數(shù)據(jù)架構(gòu)圖如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)中臺數(shù)據(jù)架構(gòu)圖Fig.4 Data architecture of data center

3.2 基于三維一張圖的集中監(jiān)測技術(shù)

采用跨平臺跨瀏覽器、二三維一體化技術(shù)，平臺基于一張井巷工程底圖，融合井下安全監(jiān)控、視頻監(jiān)控、水文監(jiān)測、瓦斯巡檢、智能通風(fēng)、束管監(jiān)測、光纖測溫、粉塵監(jiān)測、應(yīng)急廣播、調(diào)度通信等給專業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采掘工程、機(jī)電運(yùn)輸、一通三防、監(jiān)測監(jiān)控、應(yīng)急管理、災(zāi)害預(yù)警等信息的三維立體一張圖集中監(jiān)測，各系統(tǒng)設(shè)備空間位置及運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)和井下人員分布情況一目了然，達(dá)到全礦井、全要素、三維一張圖立體集中監(jiān)控。全礦井三維一張圖如圖5。

圖5 全礦井三維一張圖Fig.5 One three-dimensional map of the whole mine

1）礦山多源多尺度時空數(shù)據(jù)集成技術(shù)。針對礦山企業(yè)“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”等各專業(yè)數(shù)據(jù)分散、孤立的問題，通過研究礦山多源多尺度時空數(shù)據(jù)集成融合技術(shù)，建立一套統(tǒng)一的礦山時空數(shù)據(jù)集成的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，基于統(tǒng)一的地理空間參考、對象屬性等關(guān)聯(lián)關(guān)系，全面整合煤礦數(shù)字地理模型、三維地質(zhì)模型、三維設(shè)備模型、三維環(huán)境模型等，支持fbx、3ds、obj、3DTiles、glTF、點(diǎn)云模型、BIM 模型、傾斜攝影等常見三維數(shù)據(jù)格式，同時融合設(shè)備位置和姿態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)信息、工程信息、設(shè)備信息的有效融合及高精度建模，形成高精度、透明化的數(shù)字孿生礦山，將原有相互獨(dú)立的各類空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一納入煤礦時空數(shù)據(jù)中心管理，為煤礦智能礦山一體化管控平臺建設(shè)提供全礦井三維一張圖數(shù)據(jù)底座[8-9]。

2）井上下三維高精模型輕量化處理技術(shù)。由于煤礦井上工業(yè)廣場、井巷工程模型和井下重點(diǎn)區(qū)域設(shè)備數(shù)量多、幾何造型復(fù)雜，其三維構(gòu)造模型數(shù)據(jù)量極大，模型包含的三角面片數(shù)量可達(dá)百萬數(shù)量級，其全尺度高精度數(shù)值仿真模型數(shù)據(jù)量通?？蛇_(dá)GB 級。然而普通電腦設(shè)備尤其是移動設(shè)備普遍存在計算性能較低、渲染能力偏低、內(nèi)存帶寬和容量受限等缺點(diǎn)，與三維場景模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)存在難以調(diào)和的矛盾。提高超大規(guī)模三維模型的傳遞、加載和可視化效率的解決途徑之一就是模型輕量化，即對原始模型數(shù)據(jù)進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換、壓縮與再組織，這一過程能夠顯著降低模型的復(fù)雜度與存儲空間，提高繪制時模型加載與初始化的效率。輕量化通常包含模型格式轉(zhuǎn)換、模型數(shù)據(jù)組織、模型分割以及模型數(shù)據(jù)壓縮等過程，能夠在滿足誤差要求的條件下對幾何模型面片進(jìn)行自適應(yīng)簡化，過濾礦山原始三維模型冗余信息，保留礦山三維模型必要的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和顯示信息等，并通過采用一種具有較高的壓縮比和壓縮效率的模型數(shù)據(jù)壓縮算法，減小復(fù)雜產(chǎn)品模型的存儲空間占用，實(shí)現(xiàn)井上下三維高精模型數(shù)據(jù)的簡化和壓縮，以減少三維模型瀏覽需要的工作量。三維模型輕量化處理如圖6。

圖6 三維模型輕量化處理Fig.6 Light weight processing of 3D model

3.3 可視化組態(tài)集中控制技術(shù)

可視化組態(tài)集中控制采用可配置的、前后端分離的微服務(wù)架構(gòu)，支持全面的組態(tài)化開發(fā)，支持應(yīng)用界面與業(yè)務(wù)邏輯的快速組態(tài)化構(gòu)建，能夠滿足各類智能礦山應(yīng)用的功能與性能需要。應(yīng)用主流Web 技術(shù)，擁有先進(jìn)、友好的UI，支持多平臺、多終端、多瀏覽器訪問。針對需要遠(yuǎn)程監(jiān)測、監(jiān)控的煤礦各子系統(tǒng)可提供實(shí)時組態(tài)畫面監(jiān)測，圖形支持局部放大功能?？稍谙到y(tǒng)中定義故障條件，當(dāng)各系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障，符合故障條件后，實(shí)時彈出報警窗口，實(shí)現(xiàn)主要生產(chǎn)場景的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控和真實(shí)設(shè)備運(yùn)行動畫展示，為用戶提供良好的操作體驗(yàn)和擴(kuò)展性。同時，對具有遠(yuǎn)程控制功能、通過接口和通信協(xié)議的設(shè)備，獲得授權(quán)的人員可通過集中控制平臺，可對設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開停操作。在綜合管控平臺上通過管理權(quán)限，可對相應(yīng)的自動化系統(tǒng)發(fā)送控制命令，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的控制邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中控制煤礦生產(chǎn)設(shè)備，在具備條件的情況下可實(shí)現(xiàn)井下固定場所無人值守。

3.4 多系統(tǒng)多數(shù)據(jù)融合聯(lián)動技術(shù)

礦山企業(yè)普遍存在安全監(jiān)控、人員定位、視頻監(jiān)控、通信廣播、自動化等各類安全生產(chǎn)系統(tǒng)之間獨(dú)立和數(shù)據(jù)難以共享利用等問題，通過設(shè)計煤礦各安全監(jiān)測應(yīng)用子系統(tǒng)之間的聯(lián)動模型，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)V區(qū)內(nèi)發(fā)生監(jiān)測報警時，系統(tǒng)將根據(jù)報警點(diǎn)的位置自動搜索所在的區(qū)域，自動切換到報警所在區(qū)域，綜合展示報警所在區(qū)域配置的視頻、人員、環(huán)境監(jiān)控、廣播等實(shí)時數(shù)據(jù)，讓管理者和決策者實(shí)時掌握井下監(jiān)測報警的各類數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)報警級別，系統(tǒng)在授權(quán)允許情況下可下發(fā)語音廣播通知，與人員定位系統(tǒng)聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)區(qū)域報警與聯(lián)動?；凇叭S一張圖”多系統(tǒng)融合聯(lián)動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的預(yù)警提醒、報警推送，井下一旦發(fā)生災(zāi)害報警，系統(tǒng)自動啟動應(yīng)急預(yù)案，自主規(guī)劃避災(zāi)逃生路線，可與應(yīng)急廣播、人員定位、視頻監(jiān)控、自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行多系統(tǒng)融合聯(lián)動，指導(dǎo)和幫助井下受災(zāi)人員快速撤離，達(dá)到全礦井安全生產(chǎn)智能監(jiān)控和智能預(yù)警。多系統(tǒng)融合聯(lián)動如圖7。

圖7 多系統(tǒng)融合聯(lián)動Fig.7 Multi-system integration and linkage

4 結(jié) 語

智能礦山的建設(shè)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對礦山“人、機(jī)、環(huán)、管、控”數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采集、存儲、計算、管理和數(shù)據(jù)共享交換，達(dá)到全礦井可視化監(jiān)測、自動化操控和智能化決策服務(wù)。針對煤礦建設(shè)過程中存在的信息煙囪、子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)割裂等問題，結(jié)合國家能源局下發(fā)的綜合管控平臺驗(yàn)收辦法，提出了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能礦山一體化管控平臺總體架構(gòu)設(shè)計，重點(diǎn)探討和研究了統(tǒng)一數(shù)據(jù)中臺、基于三維一張圖的集中監(jiān)測、可視化組態(tài)集中控制、多系統(tǒng)多數(shù)據(jù)融合聯(lián)動等關(guān)鍵技術(shù)，為智能礦山一體化管控平臺建設(shè)提供了一種可行技術(shù)路線。由于各個煤礦企業(yè)在安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理存在一定的差異性，加上綜合管控平臺承建單位技術(shù)和理解不一致，導(dǎo)致現(xiàn)有的智能礦山綜合管控平臺數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)內(nèi)容不統(tǒng)一，是“聚堆”而不是“融合”，無法做到真正的“管”和“控”。因此，需要進(jìn)一步研究綜合管控平臺統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和礦山智能管控相關(guān)技術(shù)。