李村煤矿智慧矿山操作系统平台的应用

王 鹏

（潞安集团李村煤矿，山西 长治 046600）

1 概述

目前，煤矿安全高效矿井系统的机械化程度达到90%以上，单机自动化也日趋完善，建成了一批千万吨级矿井群，也开发了初级的多系统数字矿山综合自动化系统[1]。然而，目前煤矿总体的信息化程度还相对不高，生产过程中的各种数据和信息还无法实现有效关联，没有“智慧的大脑”对所有子系统实施协调、联控，因而生产的过程控制、设备健康管理、安全风险防控、生态环保等都还没有实现最优化的管控[2]。

在这种形势下，结合李村煤矿智慧矿山操作系统现状，针对安全生产设备故障诊断、能耗分析、安全生产动态诊断等实际需求，利用大数据手段对矿井安全生产进行智能化提升，更好的服务于安全生产调度指挥与决策。智慧化矿山的建立及实现，能为整个矿区的安全生产、高效运行和高经济效益提供重要保障。

为此，在满足相关文件资料要求情况下，十分有必要对李村煤矿智慧矿山操作系统平台进行升级建设。

2 智慧矿山操作系统平台总体方案设计

智慧矿山操作系统平台是基于矿山云数据中心的开放式、可扩展的智慧矿山内核与操作系统，属于智慧矿山的重要组成部分。向下实现各种感知数据的接入，向上为智慧矿山APP 开发提供服务和工具，自身内置GIS 平台、GIM 时空一张图平台、组态化平台、实时数据综合服务平台、设计协同平台、后端即服务平台、工作流引擎、BI 及报表工具、矿山大数据分析平台[3]。智慧矿山操作系统平台主体结构主要由感知执行层、网络传输层、智慧矿山操作系统平台层（MOS）和智能应用APP 层（AppStore）组成。其系统的架构见图1。整个操作系统平台运行环境要求： 需要9 台虚拟机，分别部署视频服务器1台，服务器2 台，应用服务器2 台，数据采集及推送服务器2 台，数据库服务器2 台；CPU：Intel（R）Xeon（R）CPUE5-2650v4@2.60GHz/8 核；内存：16G；数据存储容量按1T/年设计。

图1 智慧矿山操作系统平台整体架构

3 智慧矿山操作系统平台关键子系统设计

3.1 智能网关设计

在多种合作模式下，各类产品之间的技术栈、通信协议和数据格式缺乏统一标准，各子系统之间无法进行有效互通，这为各子系统的数据接入带来极大的阻力[4]。将矿山数据标准化统一接入智能网关，能极大程度的简化了数据接入的这个“痛点”和“难点”。

智能网关技术包括矿山各类智能设备、传感器的协议解析、各类信息化系统的数据接入、数据标准化输出等关键技术，其拓扑结构见图2。具备的相关功能如下：

（1）支持适配工业数据协议：OPC DA、OPC UA、Modbus、OSIsoft PI 等。

（2）支持应用层/传输协议：HTTP、FTP、AMQP、TCP、UDP 等。

（3）数据库支持：所有关系行数据库以及流行的非关系行数据库。

（4）数据格式的转换：支持csv、json、xml 以及自定义格式的转换。

（5）支持JavaScript 脚本的执行与编辑。

（6）支持节点编辑。

（7）可以在任意节点查看输出结果。

图2 智能网关拓扑结构

3.2 组态化平台设计

所设计的组态化平台支持全面的组态化开发和应用界面与业务逻辑的快速组态化构建，能够满足各类智慧矿山应用的功能与性能需要。平台框架模块包括组态配置子系统、配置中心子系统、数据服务、业务系统模块、API 网关等功能模块[5]。本平台采用分布式集群部署方式，可做到水平扩展，打破其它组态软件的单机局限性，满足矿方基于一个系统可管理所有子系统的能力。对全矿区建设有全方位了解，实现了监管无死角，既解决了以前每个子系统由一个人员负责的分散管理模式，又解决了数据融合在统一平台，为数据分析和使用提供可能，各子系统间数据分析清晰可见。另外，通过以上技术机构，平台服务可支持个性化设备模型的构建，能够编辑设备的图片、设备监测的参数、报警阈值等。组态化平台实现技术逻辑结构图和拓扑关系组态化编辑界面见图3、图4。

图3 组态化平台逻辑结构

图4 拓扑关系组态化编辑界面

3.3 设计协同平台

当前，煤矿各科室，如地质、测量、通风、机电、采掘、技术等科室均是通过相互拷贝图形、定期生成交换图或ftp 共享图形的方式来实现图形文件的交换与共享，致使出现信息不全，更新不及时等情况，导致效率低下[6]。因此，有必要在整个智慧矿山建立过程中，设计一套设计协同平台。设计协同平台是以GIM 时空“一张图”，采用一个数据中心（空间数据中心）、一个事务处理平台（内置数据存储、数据管理、上传下载、冲突管理、数据订阅、数据发布、版本管理、权限管理等于一体的协作平台）为设计基础，实现矿井各专业信息统一管理和动态更新。设计协同平台将提供包括空间数据管理、权限管理、专题图层管理、数据订阅与发布等内置功能，为各专业科室的图形数据上传、下载更新、数据共享、版本控制等提供的协同工具。设计协同平台的结构见图5。

图5 设计协同平台结构

3.4 矿山全维度数据存储管理模块设计

矿山全维度数据存储管理模块属于矿山大数据分析平台的重要组成部分，与系统底层数据融合模块、数据资源计算功能模块、大数据分析模块、数据可视化模块等共同构成了矿山大数据分析平台。整个模块主要由： 数据接入层、数据总线、Storage Service、元数据管理、业务关系管理等组成，而数据接入层可实现不同样式和类型数据的统一接入；数据总线可对接入数据按照业务主体进行管理；Storage Service 能支持Nosql，RMDB、Meta DB 的数据存储和管理； 元数据管理负责数据和业务管理。全维度数据管理模块框架见图6。

图6 全维度数据管理模块框架

4 控制系统运行效果分析

在完成李村煤矿智慧矿山操作系统平台建立后，针对李村煤矿实际应用过程中，通过此操作系统平台中的区域安全监控，实现了井下区域内的环境参数、人员情况、视频、广播等领域的集成监控，并通过AI 视频分析技术的应用，实现了视频监控系统的无人值守。同时，整个井下区域的工作效率、系统管理水平、事故应急响应及救援能力得到显著提升，也实现了主运输系统的节能降耗、减少了胶带及电机等设备磨损损耗，运行效果显著，验证了此操作系统平台的可行性。

5 结语

设计一套有针对性的、符合井下区域使用需求的智慧矿山操作系统平台，是提高井下安全管理水平、矿井突发事件应急救援、应急响应能力的重要基础。为此，开展了李村煤矿智能化程度的提升设计，包括对李村煤矿智慧矿山操作系统平台进行总体方案设计及关键子系统进行设计，利用大数据和人工智能技术，实现矿井安全隐患智能感知与安全生产动态诊断，直接服务于李村煤矿安全生产指挥与决策。该研究对保障企业的生产效率及井下作业安全起到重要支撑作用。