張曉霞，陳思宇，蘇上海，王海力

(煤炭科學(xué)研究總院 礦山大數(shù)據(jù)研究院，北京 100013)

0 引 言

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，將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實(shí)時互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng),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]。目前,我國煤礦智能化已經(jīng)取得了初步的成果，但是仍然存在著部分問題：①“信息孤島”現(xiàn)象依舊存在，尚未徹底解決。由于基礎(chǔ)條件的差異，各礦井智能化建設(shè)進(jìn)展參差不齊，尚有大量礦井存在子系統(tǒng)相互孤立，數(shù)據(jù)共享路徑不通暢的問題。而且目前建設(shè)形成的數(shù)據(jù)平臺在使用過程中也主要停留在數(shù)據(jù)集成階段，缺乏有效的融合分析機(jī)制，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理之間的業(yè)務(wù)協(xié)同,大幅限制了系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性,阻礙智能礦山建設(shè)的良性快速發(fā)展[3-4]。②管理模式相對落后，信息化程度低，與其他先進(jìn)行業(yè)的信息化水平仍有較大差距。在煤礦集團(tuán)管理上，無論是橫向(礦井的科室之間、集團(tuán)的處室之間)還是縱向(礦、二級公司、集團(tuán)公司層級結(jié)構(gòu)),其管理架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程和崗位職責(zé),仍然主要是傳統(tǒng)的非信息化或半信息化管理模式[5]，缺乏高度一體化和協(xié)同化的管理體系，不能滿足煤炭工業(yè)信息化的要求[3]。③共享平臺缺失?！靶畔⒐聧u”現(xiàn)象和管理模式落后造成了目前煤礦行業(yè)獨(dú)立軟件子系統(tǒng)眾多,并且存在功能單一、數(shù)據(jù)冗余度高、系統(tǒng)操作復(fù)雜、信息共享和實(shí)時自動分析困難等問題[5]，無法通過平臺實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)軟件的共享與復(fù)用。④煤礦設(shè)備通信接口不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不一致[6-7]，使得數(shù)據(jù)資源無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，設(shè)備之間存在信息壁壘，造成系統(tǒng)集成難度大，協(xié)同控制水平低[8-9]。

針對智能化煤礦建設(shè)中的上述問題，許多文獻(xiàn)和煤礦用戶都提出了建立煤礦一體化綜合管控平臺的要求。文獻(xiàn)[5]提到煤礦是一個典型的多部門、多專業(yè)管理的單位,涉及不同業(yè)務(wù)方向，如何將靜態(tài)、動態(tài)、分散、孤立的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)資源整合到一個集成和統(tǒng)一的管理平臺是智能礦山建設(shè)需要解決的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[10]提出智能化煤礦應(yīng)通過統(tǒng)一的綜合管控平臺進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)信息化與自動化的深度融合。文獻(xiàn)[11]提出數(shù)字礦山是基于管理控制一體化等技術(shù)發(fā)展高度結(jié)合的產(chǎn)物。文獻(xiàn)[12]提出利用統(tǒng)一操作平臺對井下生產(chǎn)系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理,解決信息孤島、子系統(tǒng)割裂等問題。文獻(xiàn)[8]提出隨著智能礦山技術(shù)的變革與發(fā)展,為提高礦井信息互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享、智能聯(lián)動和業(yè)務(wù)管理的協(xié)同效益,礦井生產(chǎn)控制必須由單一分散式向綜合智能化轉(zhuǎn)變，由單點(diǎn)控制向集中控制進(jìn)行轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[13]提出系統(tǒng)一體化是智慧礦山建設(shè)的實(shí)現(xiàn)方式，需要通過系統(tǒng)一體化的建設(shè),加強(qiáng)礦山系統(tǒng)間的兼容性,并減少系統(tǒng)內(nèi)功能模塊的耦合度。

目前，盡管針對一體化管控平臺的理解尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識,但是研究人員已經(jīng)從不同角度對于一體化管控平臺進(jìn)行了深入研究，部分研究已經(jīng)提出了自己的建設(shè)要求和設(shè)計方法。文獻(xiàn)[14]提出基于ERP、MES、PCS結(jié)構(gòu)的管控一體化體系，通過互相關(guān)聯(lián)的PCS、MES和ERP三大系統(tǒng)組成的綜合自動化體系結(jié)構(gòu),在控制技術(shù)、計算技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)的推進(jìn)下實(shí)現(xiàn)三大系統(tǒng)的綜合集成,真正完成信息的綜合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)管控一體化。文獻(xiàn)[15-16]提出在統(tǒng)一開發(fā)平臺的框架下,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),實(shí)現(xiàn)煤礦的數(shù)據(jù)集成、能力集成和應(yīng)用集成。文獻(xiàn)[17]提出對于智能化管控平臺的設(shè)計,應(yīng)形成“全局優(yōu)化、區(qū)域分級、多點(diǎn)協(xié)同”的控制模式,實(shí)現(xiàn)各部門工作流程和各現(xiàn)場安全、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的縱向貫通、橫向關(guān)聯(lián)﹑融合,建成企業(yè)的安全、生產(chǎn)、經(jīng)營﹑管理的中樞大腦,實(shí)現(xiàn)所有系統(tǒng)功能的接入及應(yīng)用,各系統(tǒng)按照其承載的業(yè)務(wù)內(nèi)容在應(yīng)用平臺上協(xié)同開展工作。

文獻(xiàn)[18]提出按照智能煤礦建設(shè)思路，基于統(tǒng)一的智能管控軟件平臺可以分為4個業(yè)務(wù)中心:智能管調(diào)中心、智能監(jiān)控中心、礦井安全中心、運(yùn)營管控中心,每個中心應(yīng)涵蓋多個業(yè)務(wù)部門和區(qū)隊(duì)，智能管控軟件平臺需要建立全面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，涵蓋設(shè)備層、傳輸層、應(yīng)用層、信息交換安全、系統(tǒng)集成等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。文獻(xiàn)[19]提出大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺以整合現(xiàn)有智能控制技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)存儲功能及技術(shù)擴(kuò)展需求，最終形成涵蓋通信、計算、監(jiān)督和管理的一體化平臺，包含現(xiàn)場設(shè)備層、基礎(chǔ)控制層、大數(shù)據(jù)智能控制層以及智能管理層4個層級。

上述文獻(xiàn)闡述了一體化管控平臺建設(shè)的必要性和愿景，指出需要建設(shè)礦井級的一體化管控平臺，將各個針對單個領(lǐng)域或局部環(huán)節(jié)的集控中心和管控系統(tǒng)都統(tǒng)籌匯聚在同一平臺下，通過數(shù)據(jù)融合分析，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)控與管理。但是對落地實(shí)現(xiàn)的具體架構(gòu)、方法、系統(tǒng)組成和技術(shù)手段等尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。

筆者基于部分一體化管控平臺研究的成果，重點(diǎn)針對目前智能化煤礦的發(fā)展現(xiàn)狀，參照國家能源局和國家礦山安全監(jiān)察局印發(fā)的《煤礦智能化建設(shè)指南(2021 年版)》和中國煤炭學(xué)會《智能化煤礦(井工)分類、分級技術(shù)條件與評價》標(biāo)準(zhǔn)以及國家、各省市相關(guān)智能化煤礦建設(shè)文件、各級別煤礦企業(yè)相關(guān)文件，按照智能化煤礦的三級評價體系，結(jié)合智能化建設(shè)目標(biāo)，首先圍繞一體化管控平臺不同階段的建設(shè)要求，提出礦井一體化管控平臺的總體架構(gòu)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法，然后對其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，最后通過將研發(fā)平臺部署到煤礦現(xiàn)場進(jìn)行測試，驗(yàn)證了平臺各項(xiàng)能力的有效性。

1 礦井智能一體化管控平臺建設(shè)要求

國家能源局和國家礦山安全監(jiān)察局印發(fā)的《煤礦智能化建設(shè)指南(2021年版)》中指出，需要根據(jù)礦井的地質(zhì)條件和建設(shè)目標(biāo)分步分階段開展智能化煤礦建設(shè)[20]。對照國家發(fā)展改革委等八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提出的三階段目標(biāo)，結(jié)合目前行業(yè)的發(fā)展和建設(shè)現(xiàn)狀，可以將礦井一體化管控平臺的建設(shè)劃分為3個階段，逐步有序地推進(jìn)建設(shè)。

第1階段：在煤礦開拓設(shè)計、地質(zhì)保障、采掘生產(chǎn)、安全監(jiān)測等各個主要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)信息化傳輸和自動化運(yùn)行的基礎(chǔ)之上，基于“云-邊-端”分層架構(gòu)，初步建設(shè)形成礦井智能一體化管控平臺，包括生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)和安全集中監(jiān)測系統(tǒng)等，通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)互聯(lián)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各個環(huán)節(jié)不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)集成，打通數(shù)據(jù)孤島，形成數(shù)據(jù)中臺，同時基于業(yè)務(wù)特點(diǎn)，構(gòu)建業(yè)務(wù)模型組件，形成業(yè)務(wù)中臺，為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支撐和業(yè)務(wù)支持。

第2階段：基于算法模型開展大數(shù)據(jù)分析，充分挖掘利用數(shù)據(jù)資產(chǎn)，監(jiān)測生產(chǎn)運(yùn)營全過程，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化，安全預(yù)測預(yù)警等功能，在子系統(tǒng)的智能化單項(xiàng)應(yīng)用基礎(chǔ)上，基于跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合共享，形成智能化綜合應(yīng)用，促進(jìn)各子系統(tǒng)的自動化協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)視與智能控制。

第3階段：不斷完善和擴(kuò)展智能化應(yīng)用場景，結(jié)合人工智能技術(shù)，提高智能化管控水平，提升系統(tǒng)的自感知、自決策、自執(zhí)行能力，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的高效協(xié)同和自主優(yōu)化，形成多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，具備全面智能感知、自主分析決策、協(xié)同控制執(zhí)行等能力。

2 礦井一體化管控平臺設(shè)計

2.1 一體化管控平臺總體架構(gòu)

一體化綜合管控平臺基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系框架，按照“云-邊-端”分層架構(gòu)將煤礦各分控制系統(tǒng)如綜采子系統(tǒng)、綜掘子系統(tǒng)、運(yùn)輸子系統(tǒng)、安全子系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚融合，并與礦井相關(guān)信息化系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通，形成整個礦井級智能化綜合控制系統(tǒng)和業(yè)務(wù)綜合分析系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)為核心驅(qū)動整個礦山安全生產(chǎn)和高效運(yùn)營，如圖1所示。

一體化管控平臺的總體架構(gòu)如圖1所示，一共包含3層：最底層是設(shè)備層，涵蓋各種井上、井下的生產(chǎn)及監(jiān)測設(shè)備，是平臺的數(shù)據(jù)源；中間層是PaaS層，包含數(shù)據(jù)采集平臺、大數(shù)據(jù)平臺以及一系列礦井應(yīng)用開發(fā)的支撐組件，向下與設(shè)備層相連，接入不同工業(yè)協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)，向上支撐礦井級應(yīng)用的開發(fā)及運(yùn)行；最頂層是應(yīng)用層，包含生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)以及安全集中檢測系統(tǒng)等各類專項(xiàng)應(yīng)用和智能化綜合應(yīng)用。一體化管控平臺通過建立礦井級的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將礦井所需各個子系統(tǒng)匯聚到統(tǒng)一平臺進(jìn)行管理，各類數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的標(biāo)準(zhǔn)化。同時提供全面的安全保障，通過統(tǒng)一認(rèn)證、審計日志等方式保證應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、平臺安全、網(wǎng)絡(luò)安全和設(shè)備安全。

圖1 一體化管控平臺總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of integrated management and control platform

2.2 數(shù)據(jù)采集平臺

數(shù)據(jù)采集平臺建立了統(tǒng)一的系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，基于統(tǒng)一I/O采集服務(wù)，可以適配標(biāo)準(zhǔn)工控設(shè)備、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備系統(tǒng)、VOIP語音設(shè)備系統(tǒng)和流媒體視頻監(jiān)控等設(shè)備系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 實(shí)時數(shù)據(jù)采集平臺基本架構(gòu)Fig.2 Basic architecture of real-time data acquisition platform

I/O采集服務(wù)通過EIP協(xié)議實(shí)時采集控制子系統(tǒng)和安全監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后存入實(shí)時數(shù)據(jù)庫，實(shí)時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)通過Kafka組件存入大數(shù)據(jù)平臺。同時，控制命令通過EIP協(xié)議下發(fā)給各個控制子系統(tǒng)，由控制子系統(tǒng)對具體的設(shè)備進(jìn)行控制。視頻數(shù)據(jù)通過GB/T 28181—2011《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸交換、控制技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接入大數(shù)據(jù)平臺。其他數(shù)據(jù)根據(jù)類型通過不同的協(xié)議接入，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)平臺的融合，并可以在不同的系統(tǒng)間進(jìn)行共享。

2.3 大數(shù)據(jù)平臺

大數(shù)據(jù)平臺是智能化管控的數(shù)據(jù)底座，具備數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)服務(wù)管理等功能，為煤礦智慧化建設(shè)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一分析提供了基礎(chǔ)保障，為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)匯聚與技術(shù)支撐。

平臺具備完備的元數(shù)據(jù)管理體系，可以對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行全生命周期的管理，有效支持?jǐn)?shù)據(jù)溯源。數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)以統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，面向數(shù)據(jù)訪問服務(wù)和大數(shù)據(jù)分析挖掘場景進(jìn)行優(yōu)化，保證數(shù)據(jù)的高可用性。大數(shù)據(jù)平臺支持基于主題構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫，可以將不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)需求進(jìn)行整合，并且可以對數(shù)據(jù)資產(chǎn)目錄、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)血緣等進(jìn)行管理和展示，同時支持對數(shù)據(jù)的監(jiān)控運(yùn)維以及數(shù)據(jù)的服務(wù)化，基本架構(gòu)如圖3所示。平臺具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)實(shí)時計算分析能力和海量數(shù)據(jù)處理能力，可以挖掘數(shù)據(jù)中的隱含信息，將低價值密度的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高價值密度的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

圖3 大數(shù)據(jù)平臺基本架構(gòu)Fig.3 Basic architecture of big data platform

2.4 PaaS平臺支撐組件

PaaS層除了數(shù)據(jù)采集平臺和大數(shù)據(jù)平臺外，還提供了一系列礦井應(yīng)用開發(fā)的支撐組件，包括應(yīng)用開發(fā)工具、應(yīng)用運(yùn)維工具、統(tǒng)一認(rèn)證等通用組件和云組態(tài)、煤炭行業(yè)模型等行業(yè)組件。

PaaS平臺基于Docker容器技術(shù)和Kubernetes技術(shù)，具備分布式、服務(wù)化、自動化部署、高可用、敏捷以及分層開放的特征，為開發(fā)人員提供了一套服務(wù)于快速開發(fā)、部署、運(yùn)維管理、持續(xù)開發(fā)、持續(xù)集成的流程。平臺提供基礎(chǔ)設(shè)施管理、微服務(wù)框架、DevOps、應(yīng)用編排等基礎(chǔ)能力，開發(fā)人員只需要將開發(fā)完成的業(yè)務(wù)代碼提交到平臺代碼庫，并完成一些必要的配置，系統(tǒng)就可以自動完成構(gòu)建及部署，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的敏捷開發(fā)和快速迭代。

PaaS平臺具備通用PaaS能力，提供基礎(chǔ)組件和行業(yè)組件，包括各類數(shù)據(jù)庫、消息中間件、緩存、開發(fā)工具組件等，在此基礎(chǔ)上提供已有應(yīng)用的上云和新應(yīng)用的云原生開發(fā)能力。與此同時，PaaS平臺也提供煤炭行業(yè)PaaS能力，通過煤炭工業(yè)知識的軟件化封裝，構(gòu)建煤炭行業(yè)業(yè)務(wù)模型及工業(yè)微服務(wù)，實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)技術(shù)的共享和復(fù)用。

2.5 智能化綜合應(yīng)用系統(tǒng)

基于礦井一體化管控平臺的上述基礎(chǔ)支撐服務(wù)，可以融合井上、井下“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及環(huán)境安全、人員位置等安全生產(chǎn)信息，構(gòu)建礦井級的智能化綜合應(yīng)用系統(tǒng)，對生產(chǎn)執(zhí)行、經(jīng)營管理、分析決策等礦井信息系統(tǒng)進(jìn)行集成分析，聯(lián)動控制與可視化展示，實(shí)現(xiàn)礦井各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合共享與智能協(xié)同管控。例如可以通過融合煤礦各生產(chǎn)控制子系統(tǒng)和安全監(jiān)測子系統(tǒng)的實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺提供的數(shù)據(jù)分析能力，建立煤炭行業(yè)CPS模型，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的橫向協(xié)同和綜合分析，構(gòu)建主煤流協(xié)同經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等典型場景下的生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)，結(jié)合礦井安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和安全風(fēng)險管控數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于網(wǎng)格的礦井區(qū)域安全等級評估等大安全場景下的安全集中監(jiān)測系統(tǒng)等。

3 礦井一體化管控平臺關(guān)鍵技術(shù)

3.1 統(tǒng)一EIP數(shù)據(jù)對象模型

礦井設(shè)備種類、數(shù)量眾多，設(shè)備參數(shù)表示不一致，因此數(shù)據(jù)采集過程中，根據(jù)需求的變化，常常需要改動點(diǎn)表，給工程人員帶來額外的調(diào)試工作。針對這一問題，礦井一體化管控平臺以EIP對象模型作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，按照全礦井設(shè)備種類統(tǒng)一設(shè)備參數(shù)語法、語義和控制描述。

EIP對象模型也稱作礦山設(shè)備模型，該模型將礦山人-機(jī)-環(huán)-管的每種設(shè)備抽象為一個類，并在礦井一體化管控平臺中為其分配唯一的id，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理。每個類按其特征分為狀態(tài)、控制、監(jiān)視值和虛擬值4種基本屬性，每種屬性包含順序id(在此類中id唯一)、名稱、實(shí)現(xiàn)(必要或者可選)、訪問屬性(讀寫)，屬性描述、數(shù)據(jù)類型(短整形、長整型、浮點(diǎn)型、字符串等)6個基本描述域。對照實(shí)際應(yīng)用中各種設(shè)備的使用情況，可以基于類創(chuàng)建一個或多個對象，對每臺設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的表示和管理。礦井一體化管控平臺以面向?qū)ο蟮姆绞奖硎久旱V設(shè)備，提高了應(yīng)用訪問設(shè)備參數(shù)的復(fù)用性和擴(kuò)展性，大幅提升了設(shè)備的綜合管理水平。

礦井一體化管控平臺目前已經(jīng)定義了綜采、綜掘、主運(yùn)輸、供電、排水、通風(fēng)、儲裝等各個子系統(tǒng)的130個EIP設(shè)備對象模型，包括采煤機(jī)、液壓支架、掘錨一體機(jī)、饋電開關(guān)、移動變電站、泵站、運(yùn)輸“三機(jī)”、照明綜保、磁力啟動器、組合開關(guān)等。以采煤機(jī)EIP對象模型為例：采煤機(jī)對象類代碼為80Hex(十六進(jìn)制)，采煤機(jī)對象一共有112個屬性，下面截取部分屬性進(jìn)行說明，見表1。

表1 采煤機(jī)EIP對象模型屬性(部分)

屬性id表示各項(xiàng)屬性的順次；名稱域用簡單確定的語義描述了采煤機(jī)的工作參數(shù)；實(shí)現(xiàn)域說明了該屬性為必要或可選，可以使EIP對象模型兼容不同采煤機(jī)廠家的產(chǎn)品，不同采煤機(jī)的共性工作參數(shù)可以設(shè)置為“必要”，某種采煤機(jī)獨(dú)有的特殊性工作參數(shù)可以設(shè)置為“可選”；訪問屬性表示該屬性的讀寫功能，Get表示可讀，Set表示可設(shè)置或控制，Get/Set表示同時支持讀寫；屬性描述詳細(xì)解釋了該屬性的具體語義；數(shù)據(jù)類型指定了該屬性在系統(tǒng)中的存儲方式，確定了該屬性在軟件中的訪問數(shù)據(jù)長度；說明域解釋了該屬性不同數(shù)值對應(yīng)的語義或表示單位。

通過在礦井一體化管控平臺應(yīng)用統(tǒng)一的EIP數(shù)據(jù)對象模型，可以減少工程人員的重復(fù)性勞動，提高設(shè)備數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和可靠性，提升礦井一體化管控平臺的易用性和運(yùn)行效率。

3.2 大數(shù)據(jù)融合平臺

大數(shù)據(jù)融合平臺可以接入各個生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)時和離線數(shù)據(jù)，以及采集設(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)，并且提供數(shù)據(jù)安全保障服務(wù)。面對煤礦多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合需求，需要采用新的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。首先，通過應(yīng)用統(tǒng)一的EIP數(shù)據(jù)模型，使不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遵從相同的標(biāo)準(zhǔn)，具備相同的存儲結(jié)構(gòu)，保證跨系統(tǒng)的一致性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的標(biāo)準(zhǔn)化，據(jù)此利用潛在語義匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)模式對齊。在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，通過實(shí)體和關(guān)系抽取技術(shù)，構(gòu)建多傳感器和多系統(tǒng)的實(shí)體鏈接，然后，引入沖突處理技術(shù)，進(jìn)行消歧和相同實(shí)體合并，最后，將數(shù)據(jù)融合形成煤炭行業(yè)主題域數(shù)據(jù)倉庫，如煤礦能效分析主題、礦井設(shè)備主題等。通過數(shù)據(jù)的融合，打破數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)煤礦子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和基于數(shù)據(jù)的智能聯(lián)動，支撐上層業(yè)務(wù)應(yīng)用和智能化分析服務(wù)，為礦井的智能化建設(shè)提供基礎(chǔ)服務(wù)和保障。

3.3 容器化平臺

容器化平臺可以支撐應(yīng)用的開發(fā)、架構(gòu)、交付和運(yùn)維，既能簡化應(yīng)用的管理，又能滿足業(yè)務(wù)的靈活性。通過軟件定義實(shí)現(xiàn)與底層的對接，可以兼容不同類型的基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用的操作系統(tǒng)。

礦井一體化管控平臺的容器化平臺在Kubernetes的基礎(chǔ)上進(jìn)行了封裝改造，針對煤炭行業(yè)應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)現(xiàn)狀和需求進(jìn)行了定制化開發(fā)，采用無侵入式架構(gòu)，基于ServiceMesh技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微服務(wù)管理框架，支持不同的應(yīng)用治理模式，同時，采用插件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)可插拔的服務(wù)發(fā)現(xiàn)和治理、路由、負(fù)載均衡、流量分析等功能。整個平臺以應(yīng)用為中心，通過構(gòu)建云原生應(yīng)用模型支持應(yīng)用全生命周期管理：首先，通過應(yīng)用構(gòu)建組件智能識別應(yīng)用開發(fā)語言，自動編譯源碼，自動識別環(huán)境變量和端口，構(gòu)建形成組件的鏡像文件；然后，根據(jù)應(yīng)用屬性，自動生成應(yīng)用調(diào)度策略，在集群中調(diào)度應(yīng)用運(yùn)行；最后，基于Prometheus定制化的監(jiān)控組件，自動發(fā)現(xiàn)監(jiān)控對象并完成監(jiān)控配置。容器化平臺連接應(yīng)用和計算資源，支撐應(yīng)用和數(shù)據(jù)上云的同時保障了存量應(yīng)用的兼容性，同時平臺封裝了大量煤炭行業(yè)工具和應(yīng)用模型，可以支持新應(yīng)用的快捷開發(fā)。借助云端數(shù)據(jù)建模、機(jī)理建模、人工智能等方式可以優(yōu)化現(xiàn)有業(yè)務(wù)，也可以將云端訓(xùn)練好的模型下發(fā)至邊緣端，在礦井進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)“云-邊-端”一體化。

3.4 數(shù)據(jù)交換共享

數(shù)據(jù)交換共享平臺基于云原生架構(gòu)，可以接入不同業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的共享和交換，打破煤礦各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的橫向協(xié)同和縱向聯(lián)動，如圖4所示。數(shù)據(jù)交換共享服務(wù)提供監(jiān)控運(yùn)維、認(rèn)證授權(quán)、流量控制、數(shù)據(jù)源管理等基礎(chǔ)功能以及服務(wù)發(fā)布、服務(wù)管理、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)訂閱等核心功能，可以通過開放API支持統(tǒng)一、安全、高效的數(shù)據(jù)交換共享。

圖4 數(shù)據(jù)交換共享平臺Fig.4 Data exchange and sharing platform

3.5 主數(shù)據(jù)管理

煤礦眾多子系統(tǒng)過去采用的都是傳統(tǒng)的定制化開發(fā)方式，很難滿足不同煤礦的個性化需求。因此礦井一體化管控平臺提供了主數(shù)據(jù)管理模塊，應(yīng)用數(shù)據(jù)模型生成技術(shù)和低代碼開發(fā)技術(shù)，用戶可以通過界面配置的方式，自動生成不同的主數(shù)據(jù)模型。

主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)基于低代碼開發(fā)技術(shù)，采用聲明式網(wǎng)頁DSL，通過將JSON轉(zhuǎn)換成React組件的方式實(shí)現(xiàn)前端模型的可視化設(shè)計，然后，通過模版引擎技術(shù)，動態(tài)生成后端模型類，并通過動態(tài)實(shí)體技術(shù)將數(shù)據(jù)模型固化為底層的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。通過這種方式，可以按照不同煤礦實(shí)際需求，動態(tài)定義主數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)，如煤礦單位信息模型，開采管理信息模型、采煤工作面信息模型、掘進(jìn)工作面信息模型等，如圖5所示。

圖5 主數(shù)據(jù)管理Fig.5 Master data management

同時，引入代碼版本管理的思想，增加版本管理功能，可以實(shí)現(xiàn)主數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)的歷史版本管理。基于用戶身份認(rèn)證技術(shù)和令牌實(shí)現(xiàn)了主數(shù)據(jù)共享的權(quán)限認(rèn)證，保證主數(shù)據(jù)的安全和用戶數(shù)據(jù)的隱私。

礦井一體化管控平臺目前已經(jīng)預(yù)置煤礦4大類24小類主數(shù)據(jù)模型，包括單位基礎(chǔ)信息模型，采區(qū)信息模型、采煤工作面信息模型、掘進(jìn)工作面信息模型等，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 礦井一體化管控平臺主數(shù)據(jù)模型Fig.6 Master data models of mine intelligent integrated management and control platform

以采煤工作面信息模型為例，該模型共定義了36個屬性，示例見表2(部分)。

表2 采煤工作面主數(shù)據(jù)模型(部分)

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

本平臺設(shè)計的主要依據(jù)是煤礦生產(chǎn)、安全、管理的核心業(yè)務(wù)需求，通過有效的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)融合，加強(qiáng)煤礦生產(chǎn)、安全、管理的縱向聯(lián)動和橫向協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)煤礦精細(xì)化運(yùn)營，進(jìn)而降本增效。目前平臺已經(jīng)在山西天地王坡煤業(yè)有限公司和陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司進(jìn)行了試運(yùn)行。

智能一體化管控平臺部署架構(gòu)如圖7所示，主要包括大數(shù)據(jù)服務(wù)集群、PaaS服務(wù)集群、采集節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控工作站等基礎(chǔ)設(shè)施。其中，PaaS服務(wù)集群提供容器化資源，為一體化管控平臺各應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的資源調(diào)度、運(yùn)行時服務(wù)等環(huán)境。

圖7 智能一體化管控平臺部署架構(gòu)Fig.7 Deployment architecture of intelligent integrated management and control platform

平臺通過EIP協(xié)議統(tǒng)一了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)模型，為數(shù)據(jù)融合共享提供了基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，目前試運(yùn)行平臺匯聚了綜采、綜掘、主運(yùn)輸、安全監(jiān)測、人員定位等12個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，涉及50多個設(shè)備，2萬多個采集點(diǎn)，每天數(shù)據(jù)采集量達(dá)到15 G，每天數(shù)據(jù)交換量達(dá)到50 G。基于不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合共享，建立了6大煤礦主題庫，包含100多個分析指標(biāo)。平臺建立了礦井的主數(shù)據(jù)模型，包含煤礦基本信息、人員信息等7大類、14小類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的管理。

面向綜采、綜掘、主煤流等不同的應(yīng)用場景，試運(yùn)行平臺已經(jīng)完成了12個生產(chǎn)管控類和5個安全檢測類煤礦智能專項(xiàng)應(yīng)用的容器化遷移，同時基于平臺的數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用開發(fā)運(yùn)維支持能力，完成了主煤流協(xié)同經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和煤礦區(qū)域網(wǎng)格安全等級評估2個煤礦智能綜合應(yīng)用的開發(fā)。

5 結(jié) 語

為解決智能化煤礦建設(shè)過程中面臨的“信息孤島”現(xiàn)象，管理模式落后，共享平臺缺失，設(shè)備通信接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不一致等問題，建立煤礦一體化綜合管控平臺已經(jīng)成為了智慧礦山建設(shè)重要的實(shí)現(xiàn)方式和發(fā)展方向。首先對一體化管控平臺的內(nèi)涵進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并對應(yīng)智能礦山建設(shè)的三級目標(biāo)，明確了不同時期對一體化管控平臺的具體建設(shè)要求。隨后對照建設(shè)要求，完成了礦井一體化管控平臺的總體架構(gòu)設(shè)計，并對其核心組成部分的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了定義。具體闡述了礦井一體化管控平臺建設(shè)中涉及的統(tǒng)一EIP協(xié)議、大數(shù)據(jù)融合平臺、容器化平臺、數(shù)據(jù)交換共享以及主數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵技術(shù)。最后介紹了系統(tǒng)平臺在實(shí)際應(yīng)用中的部署架構(gòu)和協(xié)同方式，驗(yàn)證了煤礦一體化管控平臺的數(shù)據(jù)融合能力和綜合管控能力。應(yīng)用該煤礦一體化管控平臺，可以有效融合井上、井下各自動化子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)煤礦業(yè)務(wù)的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度和統(tǒng)一決策，有效地滿足時延敏感場景的要求，并支持煤礦生產(chǎn)、安全和管理的縱向聯(lián)動和橫向協(xié)同。