劉 娜， 黃振林， 劉俊杰， 鄒 波

(寧波和利時(shí)智能科技有限公司 解決方案部， 北京 100013)

0 前言

伴隨著智慧礦山的提出，專家和學(xué)者們圍繞著智能采礦的生產(chǎn)場(chǎng)景，在數(shù)字孿生、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、BIM、GIS、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)領(lǐng)域做了大量研究，并輸出有關(guān)采礦信息模型的構(gòu)建、智慧礦山平臺(tái)的建立、邊云協(xié)同計(jì)算架構(gòu)的搭建等方面的科研成果。比如，王國(guó)法、任懷偉[1-2]等人建立海量的煤礦信息提供信息模型框架，為預(yù)測(cè)開采行為提供推理依據(jù)；葛世榮、張帆[3]等人通過(guò)邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、礦山數(shù)字孿生模型(MDTM)，搭建了智慧礦山平臺(tái)；姜徳義[4]等人設(shè)計(jì)了基于邊緣云協(xié)同計(jì)算的智慧礦山技術(shù)架構(gòu)。張建中[5]分析并驗(yàn)證BIM模型，采用云計(jì)算架構(gòu)搭建BIM建模，集成存儲(chǔ)、顯示和交互操作框架；龐義輝[6]等構(gòu)建了多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)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)；劉娜[7]等基于數(shù)據(jù)服務(wù)的智能管控平臺(tái)，以多源異構(gòu)數(shù)據(jù)應(yīng)用為場(chǎng)景，提出了智能巡檢應(yīng)用需求和主要功能設(shè)置。以上成果都為礦山企業(yè)在智慧礦山架構(gòu)和生產(chǎn)管控方面提供了解決方案。

本文以上述的研究成果為依據(jù)，圍繞采礦業(yè)務(wù)的多源數(shù)據(jù)模型建立和模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)問(wèn)題，搭建具有數(shù)字場(chǎng)景、可視化模塊開發(fā)工具和渲染引擎的智能采礦可視化集控平臺(tái)，借助數(shù)字孿生可視一體化技術(shù)，研究集控平臺(tái)對(duì)采礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化應(yīng)用效果，服務(wù)于采礦生產(chǎn)元數(shù)據(jù)從采集、處理、存儲(chǔ)到事件驅(qū)動(dòng)、功能應(yīng)用的全過(guò)程。

1 智能采礦可視化集控平臺(tái)架構(gòu)

圖1 智能采礦可視化集控平臺(tái)架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)部署于集團(tuán)、總公司運(yùn)營(yíng)層面，邊緣層部署在各地域的生產(chǎn)單位，對(duì)接數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求高的采礦現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端，如圖1所示，展示了智能采礦可視化集控平臺(tái)的組成部分。平臺(tái)由一系列服務(wù)/微服務(wù)組件所組成，服務(wù)之間通過(guò)Restful API和OPC UA(C/S和Pub/Sub)進(jìn)行通信。平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)集成功能和通信安全性的通信驅(qū)動(dòng)程序連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、傳感器和現(xiàn)有子系統(tǒng)，包括生產(chǎn)環(huán)境在線檢測(cè)系統(tǒng)(通風(fēng)、排水、人員定位等子系統(tǒng))和采礦自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)(生產(chǎn)掘進(jìn)、立井提升等子系統(tǒng))。場(chǎng)景構(gòu)建服務(wù)是對(duì)數(shù)字孿生模型按照業(yè)務(wù)邏輯構(gòu)建不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，可視化模型開發(fā)和渲染引擎平臺(tái)使得數(shù)字場(chǎng)景可視化。平臺(tái)向管控云層上傳數(shù)字模型形成資產(chǎn)，提供大數(shù)據(jù)分析用于經(jīng)營(yíng)決策，同時(shí)模型訓(xùn)練的結(jié)果和拓展應(yīng)用可以通過(guò)接口從云層下載到平臺(tái)應(yīng)用。

2 基于數(shù)字孿生的智能采礦可視化集控平臺(tái)的搭建

2.1 三維數(shù)字重構(gòu)

圖2 三維數(shù)字重構(gòu)

智能采礦的三維數(shù)字重構(gòu)主要是采礦區(qū)平行世界的構(gòu)建，借助于數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生世界與物理世界的一一映射。三維數(shù)字重構(gòu)的關(guān)鍵是數(shù)字模型。對(duì)采礦過(guò)程設(shè)備、人員、巷道巖體結(jié)構(gòu)、工作面等靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一配置，構(gòu)成采礦區(qū)平行世界的數(shù)字模型，主要包括環(huán)境模型、設(shè)備模型、工作面模型、生產(chǎn)過(guò)程模型、安全模型、算法模型、行業(yè)知識(shí)模型。這些模型為采礦數(shù)字化管理奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，如圖2所示。

采礦環(huán)境模型庫(kù)：對(duì)真實(shí)環(huán)境的模型建立，包括硐室、采礦巷道巖體結(jié)構(gòu)建立模型，以及工作人員信息的模型，方便集成GIS實(shí)現(xiàn)環(huán)境中工作人員的定位；

采礦設(shè)備模型庫(kù)：建立采礦主要設(shè)備的信息模型，對(duì)設(shè)備的屬性、參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、信息關(guān)聯(lián)關(guān)系等進(jìn)行規(guī)范化描述，支撐新添設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化接入；

采礦工作面模型庫(kù)：工作面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型優(yōu)化，場(chǎng)景坐標(biāo)的讀取，工作面紋理的加載；

采礦生產(chǎn)過(guò)程模型庫(kù)：管理采礦流程信息，對(duì)采礦進(jìn)度、產(chǎn)量等信息采集，并構(gòu)建優(yōu)化分析模型；

采礦安全模型庫(kù)：建立采礦關(guān)鍵環(huán)節(jié)的安全模型，對(duì)重要參數(shù)預(yù)警、事件報(bào)警，安全狀態(tài)評(píng)估等進(jìn)行規(guī)范化模型描述；

采礦算法模型庫(kù)：包括報(bào)警、調(diào)度、人員排班、采掘計(jì)劃等業(yè)務(wù)算法模型；

采礦行業(yè)知識(shí)庫(kù)模型：將開采工藝流程知識(shí)、安全防護(hù)知識(shí)、故障維修知識(shí)等行業(yè)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)沉淀到知識(shí)庫(kù)，指導(dǎo)業(yè)務(wù)操作、工藝設(shè)置、安全生產(chǎn)、故障維修業(yè)務(wù)。

2.2 設(shè)備服務(wù)層

平臺(tái)的設(shè)備服務(wù)層提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集、處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采礦設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)、采礦業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)采和集成，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心和核心服務(wù)層。

2.3 數(shù)據(jù)中心

第一，數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)和管理實(shí)時(shí)采集的設(shè)備/子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，來(lái)自地測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，GIS系統(tǒng)的人員定位數(shù)據(jù)；第二，整合生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、人員、安防、環(huán)境等數(shù)據(jù)，做到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與模型信息數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，為礦區(qū)各業(yè)務(wù)部門數(shù)據(jù)運(yùn)用和共享做基礎(chǔ)支撐；第三，云層大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.4 核心服務(wù)層

通過(guò)渲染引擎平臺(tái)建立三維的結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)采礦區(qū)三維數(shù)字場(chǎng)景中數(shù)字模型的空間整合，同時(shí)對(duì)礦區(qū)的數(shù)字信息進(jìn)行可視化模塊開發(fā)，能夠快速調(diào)用分享模型中的信息，并以數(shù)據(jù)報(bào)表、視頻對(duì)接、場(chǎng)景交互等形式呈現(xiàn)。

2.5 服務(wù)應(yīng)用層

提供邊緣側(cè)分析和應(yīng)用服務(wù)，比如對(duì)各監(jiān)控子系統(tǒng)的生產(chǎn)工況參數(shù)進(jìn)行綜合分析，并關(guān)聯(lián)到數(shù)字模型，支撐可視化調(diào)用呈現(xiàn)；借助觸發(fā)條件規(guī)則引擎，還可以通過(guò)集控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和自動(dòng)控制；建立系統(tǒng)級(jí)，多層級(jí)的預(yù)警、報(bào)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)、視頻聯(lián)動(dòng)、超限測(cè)值的聯(lián)動(dòng)、生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度室LED系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、語(yǔ)音系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

3 平臺(tái)功能

智能采礦集控平臺(tái)是提供三維可視化和采礦生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程管控的數(shù)字化平臺(tái)，主要功能描述如下：

(1)模型創(chuàng)建與場(chǎng)景編輯。平臺(tái)可以直接導(dǎo)入數(shù)字元素模型，例如三維軟件創(chuàng)建的設(shè)備三維模型(Creo/3DMax)，或者掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的三維環(huán)境模型；或者通過(guò)采礦設(shè)計(jì)類軟件(3DMine)對(duì)地表、巖體、巷道、工作面創(chuàng)建的實(shí)體模型。場(chǎng)景伴隨著模型的動(dòng)態(tài)更新而實(shí)時(shí)更新。起始的采礦環(huán)境是個(gè)靜態(tài)的場(chǎng)景模型，通過(guò)迭代采礦每時(shí)每刻動(dòng)態(tài)變化的實(shí)際數(shù)據(jù)信息，不斷更新采礦生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，裝備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、人員以及設(shè)備的定位信息等，形成一個(gè)自適應(yīng)的采礦場(chǎng)景。

(2)數(shù)據(jù)組織與管理。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分為由空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)組成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、采礦現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)礦區(qū)空間關(guān)系、設(shè)備類型進(jìn)行分類管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備或資產(chǎn)信息的查詢和快速定位。比如可以查詢到設(shè)備相關(guān)屬性信息，包括名稱、資產(chǎn)編號(hào)、生產(chǎn)廠家、規(guī)格、圖紙、維護(hù)記錄等。極大提高礦區(qū)管理部門對(duì)礦區(qū)內(nèi)各類設(shè)備資源的快速監(jiān)管效率。生產(chǎn)數(shù)據(jù)是指生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)信息(包括產(chǎn)量數(shù)據(jù)、裝備運(yùn)行狀態(tài)和人員定位等)的組織和管理。對(duì)于不同廠家的分布式子系統(tǒng)產(chǎn)生的異構(gòu)數(shù)據(jù)，需要通過(guò)異構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)引擎來(lái)管理。

(3)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控。對(duì)采集生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的實(shí)時(shí)信息提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和實(shí)時(shí)分析，輸出各種統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，同時(shí)以二維或三維可視化呈現(xiàn)裝備的狀態(tài)、人員位置、過(guò)程報(bào)警和分析預(yù)警等信息?；谑录?qū)動(dòng)的信息流觸發(fā)相關(guān)接入子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，做出決策并發(fā)布控制命令或向調(diào)度員提供操作建議，實(shí)現(xiàn)對(duì)采礦裝備等子系統(tǒng)的一鍵啟動(dòng)和智能調(diào)度。

(4)三維可視化與人員裝備仿真。采礦區(qū)平行世界的“虛擬采礦”包括礦區(qū)內(nèi)重要場(chǎng)所、工作面、硐室、巷道三維可視化、人員和生產(chǎn)設(shè)備的三維可視化，以及對(duì)安全預(yù)警、報(bào)警提醒和安全事件的可視化分析?；胤诺奶摂M生產(chǎn)過(guò)程包括井巷地理網(wǎng)絡(luò)的人員和裝備運(yùn)行軌跡的仿真。

(5)輔助決策。集控平臺(tái)為決策者提供權(quán)限查看，提供采礦駕駛艙、信息一張圖、報(bào)警分析、智能聯(lián)動(dòng)等可視化的輔助決策支撐。

4 平臺(tái)應(yīng)用的預(yù)期效果

以平臺(tái)對(duì)接人員定位子系統(tǒng)和通風(fēng)子系統(tǒng)為例，說(shuō)明智能采礦可視化平臺(tái)建設(shè)前后的預(yù)期效果對(duì)比分析，如表1所示。

表1 平臺(tái)建設(shè)前后預(yù)期效果對(duì)比分析表

5 結(jié)論

在采礦數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，智能采礦可視化集控平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。端邊云的協(xié)同架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以數(shù)據(jù)價(jià)值為中心，提供采礦設(shè)備接入、采礦系統(tǒng)集成、采礦業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化訪問(wèn)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)沉淀的全流程數(shù)據(jù)服務(wù)。平臺(tái)由三維數(shù)字重構(gòu)、設(shè)備服務(wù)層、核心服務(wù)層、服務(wù)應(yīng)用層模塊構(gòu)成，提供模型創(chuàng)建與場(chǎng)景編輯、數(shù)據(jù)組織與管理、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、三維可視化與人員裝備仿真和輔助決策的功能。通過(guò)人員定位和通風(fēng)子系統(tǒng)管理業(yè)務(wù)的預(yù)期效果分析，展示了智能采礦可視化集控平臺(tái)的價(jià)值。同時(shí)平臺(tái)的異常告警配置、采礦業(yè)務(wù)報(bào)表設(shè)計(jì)器、采礦事件驅(qū)動(dòng)等業(yè)務(wù)配置工具，為后期平臺(tái)的數(shù)字孿生漫游、一鍵啟動(dòng)等應(yīng)用開發(fā)提供通用組態(tài)的能力。