智能矿山架构设计和关键技术应用

文/郑海山

做好顶层设计，大力建设配套的组织架构和关键技术，是高效、有序推进智能化煤矿建设的关键

煤炭行业转型升级促进煤矿迈入智慧化阶段，推动煤炭行业的发展进入新业态，并形成新的产业增长点。阳泉煤业集团公司把煤矿的固有信息和动态信息通过先进的人工智能和网络传输等技术，对矿井安全生产和经营管理信息进行采集、分析和处理，实现协同运行并提供决策支持的整体化解决方案，为企业实现高质量发展提供根本保障。

一、智能矿山的内涵

智能矿山就是要通过总体规划统一化、开采环境数字化、技术装备智能化、生产过程可视化、信息传输网络化、生产管理科学化，实现万物物联、远程控制、全面感知、一键开停、少人无人、智能分析的目标。

智能矿山是矿业信息技术（IT）、矿山物联网技术（MIOT）和采矿操作运营技术（OT）的深度融合。IT技术包括ERP、MGIS、SCADA、PLC和现场设备及传感器。MIOT技术包括基于信息安全、云计算、区块链、大数据、人工智能、5G等的智能安全监控、智能采矿装备、煤矿机器人和信息物理系统。OT技术包括矿床结构及分布、开采规划及精度、开采工艺及效率、过程测量与监控、设备维护与运行、生产管理与优化、安全监管与改进、数据获取及建模等要素。智能化矿山要立足高起点、高标准，坚持“总体规划、标准先行，架构科学、分步接入”的原则，全面提升煤矿生产水平、安全水平和管控水平。

二、应用平台

1.工业物联网基础平台

基于传统工业以太环网及5G通信技术，构成煤矿完整的网络平台。矿井工业以太网络系统采用万兆工业以太环网，按生产关系和地理位置构成逻辑环型网络结构。地面接入交换机组成地面环形网络，井上各子系统接入地面网络。井下交换机组成井下环形网络，井下子系统接入井下网络。两个环网通过核心交换机进行汇聚，实现环间数据通信。无线网络系统采用5G通信技术，将井下人、机、环等多因素信息采集、传输。

2．标准数据运行平台

标准数据中心系统是集资料的收集与处理、数据的存储管理及资料检索应用等多环节的综合应用系统。它不仅要对种类繁多、格式复杂、数据量庞大的各种数据资料进行有效管理，而且要高效支持各类业务及用户的数据访问。这些访问既有实时性很强的日常预报业务，也有时效性要求不高的准实时业务；既有本地用户，也有远程用户；既服务于数据中心系统煤矿内部，也要实现对外数据共享。因此，功能上不仅要考虑系统本身所涉及的各个环节，还要考虑满足各类不同应用的需求。

3．调度集控平台

调度集控平台是实现矿井安全生产各环节参数的自动接入与汇总处理，并能实现智能化控制方案形成，对现场子系统进行调控的平台。它将实时状态监测与分析相结合，可通过多种方式对接入数据进行查看，通过对各个子系统的数据融合，对井下工作面安全状况进行评估，实现对关联系统的控制，按专业面向使用部门实现远程集中控制，实现“智能调度、集中监控”。

4．经营管理平台

通过ERP系统的应用，实现物资供应、人力资源、财务、销售等业务的统一协同管理。

5．综合分析决策平台

综合分析决策平台需要在智能化矿山建设过程中，逐步完善和优化业务模型、数据模型、数据关联模型，构建完善的专家模型，实现基于空间关系、环境因素、设备运行、业务管理等范畴的综合分析，这是智能化矿山建设的最终目的。

6．一站式协同办公平台

通过一站式协同办公平台，实现对各种数据的展示、监控、预警，实现大数据分析的BI展现，完成协同办公，实现辅助决策。

三、解决路径

1.面临的风险

（1）安全方面：水、火、瓦斯、顶板缺乏精准预测预报。

（2）智能控制方面：煤矿的机械化、自动化、智能化技术转移缓慢。

（3）煤岩识别方面：无法实施精准预测和探测。

（4）机器人方面：受传输质量和延时的制约，无法较快推广。

（5）大数据方面：标识体系滞后，动态数据采集困难。

（6）地理空间方面：透明化矿山，3D_GIS展现应用还有差距。

2.路径分析

（1）推进数据标准建设。数据分结构数据和非结构数据。结构数据包含设备、配件、材料、人员、供应商、客户、账套等。非结构数据包含视频、行为、声音等。要加快井下各类设备传感器和识别卡的研究和应用，实现数据的自动识别和在线采集。研究煤炭行业大数据BI展现的标准模板，具有操作实用性和辅助决策性。建设煤炭行业的主数据标准，形成共享，同时方便统计和对标。在此基础上，构建集团级的数据池。阳煤集团的主数据已建设三年，形成70多万条数据。

（2）推进工业物联网平台建设。工业物联网平台具有可实用性和安全性，实现远程集中控制，并具备大区域集中指挥控制功能，实现业务系统和工控系统共享，实现预测预警，区域集控、集中运维。

（3）推进智能控制技术应用。推进煤矿5G网络试点应用建设，结合人工智能AI，研究井下无人车、皮带集控、智能巡检等的应用。研究综采自动化的采煤机记忆割煤、液压支架自动跟机、可视化远程监控，实现在地面或顺槽监控和集中控制。

（4）推进BPR流程再造。随着ERP、MES、DCS等系统的投入建设，实现业务流程的梳理和优化、管理职能的划分和界定、组织架构的重组和再造。

（5）推进业务区域协同管控。企业管理已不是单纯的直线制或者是系统垂直管理，而是协同和区域的管理。要实现区域管理、区域运维，对职工的要求，要从专业人才向复合人才转移。

（6）推进本质安全煤矿建设。在本质安全煤矿建设过程中，要向无人和少人转移，向一键式采煤发展，向无人驾驶、无人值守推进，推广可靠、安全、稳定的煤机装备，突破煤岩识别技术，提高职工素质。

四、应用场景

1.调度远程集中控制

阳煤集团各矿通过对信息技术的不断应用，都建设了适合本单位实际的调度指挥中心。在各调度指挥中心内，以生产调度、通风调度、电力调度岗位为基础，部分煤矿还设有综采设备监控、皮带机监控等岗位。

新元公司调度远程集中控制是通过建立一套以调度指挥中心为核心，以视频、井下以太环网、音视频、远程控制等为基础的自动化控制系统，目标是实现对大动力设备的远程集控和无人值守，以及矿调度中心对井下主要系统的远程集中监控。为此，公司建设了软件综合集成平台和矿井综合自动化集成平台。两个平台采用一对冗余的服务器对煤矿各生产和安全子系统的原始数据进行采集和集中处理，以及采用实时历史库构架数据存储与支撑平台，存储煤矿各生产和安全系统过程数据，形成全公司安全生产的全历史数据平台。通过以上两个平台，矿调度中心对矿井生产、供电、排水、运输、瓦斯抽采等主要系统实现了远程集中监控。具体效果： 一是具备了地面启停所有主要运输皮带机、给煤机等设备功能；二是实现对公司瓦斯抽采管路的全方位实时监测；三是实现变电站、采区水仓、中央水泵房、瓦斯抽放泵站、压风机房的无人或少人值守；四是实现大巷防尘喷雾装置的自动运行与远程集中控制功能；五是实时监测井下工业环网以及各节点设备的网络运行状况；六是实现矿井风井场地通风机及风门的远程开停和在线监控以及报警、信息显示等功能；七是实现立井提升机的远程集中监控。

2.5G应用前景

日前，5 G 技术在新元公司井下测试成功。5G测试所用的设备都是华为公司制造，地面安装BBU5900与移动核心网连接。井下安装Book2.0 RRU5235E井下覆盖测试，Book2.0 RRU5235E是全球首款1.8G+2.6G双频RRU，拥有最高集成度；D频段扩频到160M，功率提升至2×15W；G/T/F/5G多模一步到位。测试报告为：平均测试速率为下载800Mbps，上传700Mbps。全程通话质量良好，无掉音，无杂音。天线井下正向覆盖距离（无遮挡）300m左右，背向覆盖120～150m左右。

（1）在质量管控方面：目前井下使用的钻机视频全部利用信号线传输，传输中间环节多，作业时频繁移动，容易折损线缆，造成图像信息中断。而且由于通信技术所限，传输距离短、画面不清晰，导致视频动作不流畅，有卡顿，无法通过有效手段监督打钻作业质量。在打钻巷道安装5G基站定向天线，使5G信号覆盖附近钻场，利用带有5G发射功能的无线高清摄像头，代替现有有线传输方式，简化现场布线和避免线缆频繁拖移，实现视频高清回传，直观地监视打钻操作。同时结合先进的图像分析技术，通过现场高清图像自动分析出加杆下杆的数量，有效监督现场打钻质量。

（2）在井下设备远程故障诊断及健康管理方面：利用5G技术将设备监测和故障诊断技术与网络技术、计算机技术、现代通信技术相结合，形成了一种全新的监测诊断模式，即基于5G通信技术的设备远程监测诊断系统。将故障现场和远程诊断中心联系起来，现场技术人员采用终端设备与远程诊断中心技术人员进行视频通话，由远程诊断中心的故障诊断系统对现场故障进行诊断。快速诊断现场故障，指导现场作业人员排除故障，提高故障处置效率。

五、结语

智能化煤矿建设是一个系统工程，大力建设配套的组织架构和关键技术，能够更高效、更有序地推进智能化煤矿的落地和实施。在这个过程中，要做好顶层设计、严格执行考核、加强人才培养，建成系统齐全、深度互联、高度智能、透彻感知、云边协同、数据治理、综合应用、安全可靠的“智慧煤矿”。