神华准能集团数字矿山系统构建及数据标准化研究

武国平 额尔德木吐 刘宇飞 王石磊 陆 翔

(1.神华准能集团科学技术研究院，内蒙古自治区鄂尔多斯市， 017000；2. 神华准能集团信息处，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000；3.中国矿业大学矿业工程学院， 江苏省徐州市，221116)

1 引言

数字矿山建设是露天煤矿现代化的重要标志，数字矿山的建设有助于露天煤矿管理者全面监控生产中的各个环节，并在此基础上进行日常生产调度和运营决策级突发情况下的应急响应，从而提升露天开采的开采效率和安全性。矿业发达国家数字矿山的研究及建设已经越过了系统整合阶段，将重心转移至远程遥控和自动化采矿。美国己成功研发大范围采矿调度系统，该系统采用计算机、无线数据通讯、调度优化以及全球卫星定位系统(GPS)技术，对露天煤矿生产进行实时控制与管理；德国鲁尔煤业的哈尼尔矿采用鲁尔公司的数字化矿山系统，通过地面监控调度中心，对井下各个生产流程进行综合监视和集中控制，实现从地面对井下人员调度和设备操作的整体的整体控制。

目前国内绝大部分露天煤矿都已经进行了部分生产环节的信息化建设，并且有少数露天煤矿生产环节信息化已经全覆盖。但是由于每个露天煤矿生产环节信息化由不同公司完成，因此不同的生产环节信息系统之间存在数据格式不统一，系统间信息传输方式及协议存在多种壁垒，并且绝大部分露天煤矿未有整合性的信息平台一体化建设，导致现有各工作环节的信息化应用停留在监控层面，缺乏数据深度挖掘和决策支持等深层次方面的应用。基于此，准能集团在现有的部分生产环节信息化基础上，整合了现有资源，规划了数字矿山系统架构，并开展了数据标准化研究，整合数字矿山系统的所有数据信息，设计了一个功能全面、联系紧密、互通高效的数字一体化系统。

2 准能集团露天煤矿概况

准能集团拥有生产能力为3400万t/a的黑岱沟露天煤矿和生产能力为3500万t/a的哈尔乌素露天煤矿及配套。黑岱沟露天煤矿位于准格尔煤田中部，距离准能集团公司9.8 km，向北距离呼和浩特市120 km，向西距离鄂尔多斯市135 km，向南距离平朔露天煤矿225 km，均有二级公路相通。大准(大同—准格尔)电气化铁路直通黑岱沟露天煤矿，呼准(呼和浩特—准格尔)铁路正在兴建，交通运输极为便利。黑岱沟露天煤矿的设计开采范围为42.36 km2，可采原煤储量为14.98 亿t，设计生产能力为2000万t/a，服务年限为75 a。哈尔乌素露天煤矿可采原煤储量为17.3亿t，煤层平均厚度为21.01 m，全矿平均剥采比为6.626 m3/t，设计服务年限为79 a。首采区原煤储量为6.36亿t，平均剥采比为4.099 m3/t，服务年限为32 a。2017年，黑岱沟露天煤矿生产原煤3448万t，哈尔乌素露天煤矿生产原煤2285万t(受征地问题影响)。黑岱沟煤矿和哈尔乌素露天煤矿计划进行扩能改造工程，改造后两矿设计生产能力达到7000万t/a。

3 准能集团数字矿山功能需求分析

准能集团数字矿山功能需求分析从管理决策层、生产执行层和生产监控层三大层面进行分析。

3.1 管理决策层

管理决策层是根据准能集团的发展方向进而对露天煤矿的管理和经营作出正确的决策和规划，其关心的是整个露天煤矿各方面的整体运作状况和阶段性的绩效，需要掌握露天煤矿“采电运”整体信息，根据这些信息阶段性地对露天煤矿的工作进行全盘监管和决策指导，并时刻保持与各露天煤矿的联系，定期进行电视电话会议，并在紧急事件发生时第一时间连线控制。管理决策层需要具备以下功能：

(1)保持与下级单位信息通讯，定期进行工作指导会议，在紧急情况发生时直接远程指导工作。

(2)根据所采集的多种煤矿生产等内部信息以及市场、销售等外部信息对露天煤矿生产流程进行优化，并对关键问题进行决策。

3.2 生产执行层

生产执行层是根据决策层所制定的生产计划和决策结果进行相应的生产管理，管理内容包括露天煤矿生产的全部内容以及露天煤矿生产的各种辅助环节。生产执行层需要具备以下功能。

(1)对生产作业全过程进行全方位的监测、预警、指挥、数据统计和分析，实现生产作业任务的下达及反馈、突发事件的应急处置和调度值班的日常管理，结合移动办公等技术手段，实现基层区队以及班组人员与系统的实时信息交互。

(2)进行煤炭生产机电设备的日常运营及维修管理，实现设备管理业务数据的采集、汇总、报表统计和计算分析，提高机电设备的管理效率。为设备管理及维修人员提供完整、准确的设备历史台帐和运行状态信息，合理安排部署维修计划，优化配置维修资源，有效监控维修过程，降低维修配件库存成本，实现机电设备的全生命周期管理。

(3)整合企业生产管理相关的制度、规程、规范、工艺流程等，对技术文件的收集、鉴别、整理、保管、传递、统计和查询等环节进行管理。

(4)具有应急事件的应对能力，实现应急预案、应急演练、应急资源和应急处置的全过程集中管理。同调度与作业管理子系统有机结合，实现应急指令和现场信息的及时上传与下达，合理协调和调度应急资源，提升应急指挥和应急处置效率，有效降低灾害事故造成的经济损失。

(5)根据实时采集的露天煤矿生产及附属信息对生产业务关键指标进行综合统计、图形化展示、对比分析、趋势预警和数据挖掘，为各级业务管理人员科学决策提供数据支持。

(6)对炸药厂原料和成品的出入库、炸药生产过程和爆破装药过程的集中统一管理。

(7)对班组生产作业进行管理，以成本核算和绩效考核为核心提升班组人员的标准化作业水平和工作效率。

(8)对露天煤矿卡车进行智能管理和调度优化，提升露天煤矿运输设备的联动能力和生产效率。

3.3 生产监控层

生产监控层对露天煤矿生产系统进行全方位的监控，采集各个生产环节的数据，为生产执行层进行管理提供数据依据。生产监控层需要具备以下功能。

(1)对钻孔深度进行自动监测，为现场施工和作业提供实时数据支持，提高钻孔深度精度，提升钻孔生产作业效率和质量。

(2)对采煤挖掘机进行高精度定位，实时管控采煤位置和高程，提高煤层分层开采的准确度，提高开采煤炭质量。

(3)对炸药混装车进行监控，实现炸药车装药精准控制，提升爆破作业质量，降低炸药消耗，减少由于误差带来的爆破效果差和不安全因素。

(4)对大型运输卡车轮胎温度和压力进行实时监测和分析，减少轮胎维护工作和人员，延长轮胎使用寿命，节省人力和轮胎成本支出。

(5)对大型运输卡车进行精确油耗计量，提高单班核算准确度，为卡车油耗控制提供数据依据和手段。

4 准能集团数字矿山系统设计

4.1 系统架构设计

根据上述对准能集团的需求分析，将准能集团数字矿山建设分为两个层级的建设，第一个层级为针对不同用户使用的硬件交互平台，主要分为集团管理决策层的生产执行指挥硬件平台、各部门管理层的生产执行平台以及数据采集平台；第二层级为依附于第一层级的各种功能系统。准能集团数字矿山系统架构如图1所示。

图1 准能集团数字矿山系统架构

图2 准能集团数字矿山系统逻辑框架

4.2 逻辑框架设计

根据准能集团数字矿山的系统功能，设计了准能集团数字矿山系统逻辑框架。该逻辑框架以数据库为核心，连接生产执行硬件平台、生产执行平台和数据采集平台，各平台连接自身的依附系统。准能集团数字矿山系统逻辑框架如图2所示。

4.3 物理框架设计

在准能集团数字矿山系统逻辑框架基础上，设计了准能集团数字矿山物理框架。由于准能集团有两个露天煤矿，因此将硬件分成黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿和集团中心三大部分，各部分主要服务器之间采用环形网络，增强网络的抗损性，两个露天煤矿应用服务器与应用终端之间采用以太网络连接。准能集团数字矿山物理框架如图3所示。

图3 准能集团数字矿山物理框架

5 数据标准化研究

5.1 数据标准化原则

结合准能集团主数据的标准体系规范和管理要求，系统总体设计遵循以下主要原则：满足准能集团主数据多业态、多层级、多主题域的特点；满足准能华集团主数据集中、分级和混合管理的业务需要；满足准能集团数据管控要求，并可实现与神华集团主数据管理系统的集成；提供具有良好扩展性与可维护性的应用框架，支持应用功能的扩展，实现功能和流程的灵活配置；与应用系统、应用集成平台等基础系统具有良好的集成性，具有高可用性、可扩展和负载均衡的系统架构，并支持未来与认证、门户等系统的集成；充分借鉴已有解决方案，使用成熟可靠的开发平台，减少项目实施的技术风险；完善功能与数据权限控制机制，支持重要数据修改的跟踪与安全审计。

5.2 数据构架设计

主数据管理作为数据纽带存在于企业信息化应用中，是系统集成和数据共享的基础。经过神华集团SH217工程建设和准能集团数字矿山工程建设，准能集团信息化应用已实现煤炭、铁路和电力生产三大板块业务的全面覆盖，为企业的办公、生产能力和效率提升提供了坚实的基础。

主数据管理系统的架构设计应以满足准能集团主数据管理的需要和应用需求为基础。因此，在本次系统架构设计时遵循先进性、完整性和可扩展性原则，功能上除具备完整的数据管控、应用和基础管理外，还应能够提供较强的外部集成和协作能力，具备先进的交换机制实现数据同步，同时，可以对外提供多种预置的服务来响应外部应用系统的调用，从而使系统具有很强的实时操作性。借鉴行业先进实践和神华集团MDM主数据核心业务功能，一套完整的主数据管理系统应包括主数据管控、主数据应用、基础管理和系统管理四大部分功能。主数据管理总体功能架构如图4所示。

图4 主数据管理总体功能架构

图5 数据系统集成总体架构

5.3 系统集成构架

目前主数据管理解决方案主要采用基于ETL工具和基于SOA体系架构的两种方式来实现与各应用系统间的数据交互和应用。结合准能集团信息化建设现状和利旧原则，本方案中建议以ETL工具为基础，首先实现主数据管理系统与各应用系统的集成和协作，在未来条件具备的情况下，最终实现与统一身份认证和企业门户的集成。

主数据平台与其他系统主要通过以下2种方式交互：一种是业务系统直接与主数据管理平台交互，如统一身份认证系统、神华集团MDM等；另一种是业务系统通过应用集成平台与主数据管理平台交互，如操作类和分析类应用系统等。数据系统集成总体架构如图5所示。

6 准能集团数字矿山建设进展

准能集团数字矿山建设分为三大阶段：第一阶段是规划设计阶段，第二阶段是系统管理平台、数据库和通讯架设阶段，第三阶段是功能性子系统集成阶段。

在第一阶段中，准能集团已经完成数字矿山整体系统规划和数据结构设计。数字矿山的整体规划中，准能集团有黑岱沟和哈尔乌素两个开采场，根据此特点准能集团设计了一个指挥平台、一个数据中心、两个分平台及其子系统的三级构架，并设计了数据库构架和数据标准，定义了每一个数据的字段和存储规则。目前基本完成第一阶段建设任务。

在第二阶段中，准能集团完成了该数据库的软硬件建设、通讯网络的硬件建设以及管理平台的硬件建设，管理软件主体功能在运行调试中，管理平台的功能性子系统正在建设中。第二阶段的建设已经完成80%，并且基本硬件建设完成。

在第三阶段中，已经将目前露天煤矿存在的部分管理子系统接入管理平台之中，并进行数据和通讯的标准化处理，成功移植原有的管理功能。燃油监管和轮胎监测子系统正在安装调试，炸药管理和应急管理等子系统正在建设之中。第三阶段已经完成50%的建设内容。

准能集团数字矿山的建设已经完成绝大部分，建设好的部分即投入生产应用。从目前完成部分来看，新建设的数字矿山基本解决了准能集团管理系统之间的数据交流问题，加强了管理部门对生产一线的监控，并且新引入的部分子系统提高了相应部门的管理水平。准能集团将在未来的1～2年内完成数字矿山的建设，并全面投入应用，届时数字矿山的生产分析能力将大大提高，生产管理和监控更加现代化。

7 结语

数字矿山建设是煤炭企业信息化发展的标志和途径，良好的系统构架和数据标准化是衡量一个企业数字矿山建设优劣的首要因素。准能集团在已有部分生产系统信息化基础上设计了数字矿山一体化构架，并提出了数据标准化构架，为实时数字矿山工程奠定了坚实的指导基础。

目前准能集团数字矿山项目已经基本完成，主要硬件改造升级完毕，处于试运行和系统磨合阶段。准能集团的数字矿山建设能够为其它煤炭生产企业的信息化建设提供借鉴和参考。