智慧露天煤矿在新IT 架构下的关键技术

白怡明

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

随着我国经济发展进入新时代，传统的粗广型煤矿生产和运营方式已难以为继。近几年，煤矿行业的数字化转型进程高速发展，随着采矿业信息化转型进程走深走实，整个行业的智能化程度进一步提高，大数据、云计算、物联网等新技术均已在煤炭行业有所布局，发展前景广阔。

整体来看，目前煤炭行业的信息化程度并不低，涉及到勘探、开采、监测、机械、供电、运营等环节，已有长期且成体系的信息化应用[1-2]。以煤矿开采来说，现代煤矿作业面均已应用大量的传感器技术，机械的作业情况能够通过各种仪器仪表实现远程监控，大型开采设备运维已经有专业的信息化系统和软件支持，但是煤矿产业仍然面临严峻的智能化转型考验。目前智慧露天煤矿建设的倾向性为：①不谈架构谈应用，喜欢短平快的东西；②舍得搞装备升级改造，很少想到投数据，投持续发展。然而数字化转型首先要从理念转型开始，从技术层面来说，以往的矿山信息化依靠光纤传输，带宽有限，限制了智能化的程度。煤矿信息中心多采用传统服务器集群的建设管理模式[3]，各个部门信息化系统分立，数据庞大并分散；从应用场景来说，露天煤矿作业是24 h 全天候作业，煤矿智能系统需要保证高强度下的高稳定性[4]，同时边坡治理、疏干排水、粉尘等有害气体的排放又为智能系统提出了苛刻的环境和监测需求[5]；从人才方面，露天煤矿乃至矿业集团的云计算和大数据专业人才相对匮乏。因此在露天煤矿智能化转型中，建设一个可以融合物联网、边缘数据、云原生、5G、人工智能的新IT 架构体系尤为重要。

1 基本智慧露天煤矿的新IT 架构组成

1.1 新IT 架构组成

新IT 架构是基于“端-边-云-网-智”技术架构赋能予露天煤矿下的场景应用和智能迭代。当在“端”侧建设大量自动化，智能化生产子系统后，将并发海量的现场生产数据，利用5G 传输网赋予的多网融合技术，利用私有云对数据分析并管理，通过云端强大的算力，加以人工智能的先进算法，对煤炭行业的工艺流程，运维流程，销售流程，机电检修流程等机理加以学习、总结，让人工智能对露天煤炭的生产、安全子系统的辅助决策更精准，管理应用更高效，形成一个新的煤矿生产模式。

当下煤矿行业的采煤生产环节和运销管理已经变得与物联网、AI、大数据深度融合并依赖于IT 技术的发展[6]，主要分为2 个方向的智能化升级。

1）生产环节智能化。从生产环节智能化的维度看，自动化广泛应用于生产环节，提高了煤矿一线工人的效率，传统的采、剥、卡车运输、穿爆、灾害预警、生产辅助等正在升级为智能化穿爆系统、智能化采剥系统、卡车无人驾驶系统、边坡位移自动监测、智能排水、变电所无人值守等转变，大幅提高了煤矿劳动者工作效率，同时CAD、BIM、3D 等软件提高了煤矿运行的工具效率。

2）决策分析智能化。从决策分析智能化的维度看，企业内部SAP、ERP、MES 等信息化软件，通过不断采集、分析露天煤矿企业生产、运维、销售、人、财、设备等数据，基于云原生+AI 形成一种新的辅助机制，通过智能迭代学习和自我纠错，慢慢取代传统的工程师经验判断[7]，实现短时高效的智能辅助决策，以适应智能化发展的需求。

1.2 新IT 架构体系

目前露天煤矿信息化大多是一种简单的自动化体系，而智慧露天煤矿是一个庞大而复杂的行业生态，将重复建设大量生产、安全子系统；开发大量生产、管理、运维等分析软件，因此新IT 架构重点要解决的是降低煤炭行业大量存在于端侧的重复建设，提高软件开发和应用的快速交付速度。此外，运行自动化系统的传统IT 架构规模变得越来越大，复杂性越来越高，这就要求煤矿企业对管控平台的二次设计、开发向轻量化、智能化、易扩展等方向发展。而传统烟筒式的IT 架构无法满足智慧煤矿的发展需求，未来必将淘汰。

伴随着露天煤矿生产工艺智能化、需求逻辑的逐渐增加，对露天管控一体化平台的响应要求越来越高。大量机电设备的持续增加，目前很多露天煤矿的解决方案是在原有管控一体化平台的基础上不断接入新建生产子系统，即“系统+系统”模式，而煤矿信息化主要依靠光纤传输，带宽有限，承载功能少，多个业务系统分立存在，数据庞杂而分散，“信息孤岛”严重、数据臃肿、更新缓慢、升级低效等，子系统数据处理能力呈指数成倍增长，难以适应未来智慧露天煤炭智能化架构体系。针对目前露天煤矿的行业特点，引用新IT 架构（基于云原生+AI）的逻辑体系，基于云原生架构可以帮助实现各生产子系统和露天煤矿行业应用场景的云端化迁移，云原生提高容器式的架构模式，构建一套在云上开发的软件应用、生产模式、机电管理服务、运维体系，使基础数据、算法模型、分析信息云中心汇集、本地化调用，子系统之间打通数据结构，实现互通互联、辅助决策、高效交付、按需服务，即“应用+系统”模式。基于新IT 架构智慧露天煤矿架构如图1。

图1 基于新IT 架构智慧露天煤矿架构

2 新IT 架构的关键技术

2.1 智能物联网终端

随着AI 和5G 的飞速发展，在露天煤矿上的生产过程环节，可以看到更多的智能终端产品（智能传感器、智能基站、智能分站）在向着小型化，通用化发展。智能终端产品具备数据采集、分析软件等功能于一体，进一步实现了行业的通用性标准，使智能终端可以重复对多个生产子系统提供通用的、稳定的数据流。

2.2 边缘计算

边缘计算是基本新IT 架构的一个重要组成部分，与传统IT 架构所不同，它的主要计算源在靠近物联网终端的数据源附近，这个特性使得在它的服务响应消除了目前工业以太网在延长和带宽方面的性能瓶颈。在5G 技术的支撑下，边缘计算可以实现在数据来源处直接完成对数据模型的运算程序，跳过数据在网络上、云上的传输过程，在实时数据分析和处理上，比传统的云计算更加高效且安全。例如视频AI 技术就是一种应用于边缘计算的应用场景。通过在摄像仪加装AI 分析模块，可以在视频端识别人员、设备、环境等运行状况，并通过大数据比对进行分级预警识别，可以提高露天煤矿生产效率和管理水平，提高设备运行周期等。

2.3 云原生计算

露天煤矿的云架构建设主要有3 个层面：基础信息设施层、数据采集层及平台应用层。云平台将分散的、独立的多个生产子系统，依托分布式部署软件实现逻辑上和层次上的统一整合，然后向端侧提供自动化运行，数字化动态分析，满足不同部门的需求。由此看出，智慧露天煤矿未来的发展方向是向云原生平台转变，这是以云上做软件应用服务为主，按需配置为辅的必然发展结果。

1）敏捷基础设施。云原生在技术方面依托于传统云计算的概念（IaaS、PaaS、SaaS），采用基于基础设施的技术手段，那么露天煤矿智能化系统就可以在云原生架构下生成业务场景，持续高效而低成本的简单复制，提供应用快速交付能力。

2）微服务。由于微服务的应用属性，在云原生架构下，露天煤矿智能化服务将分为3 个方面：①独立性设计-微服务之间属于松耦合状态，可以独立完成升级、部署和应用；②可扩展设计-微服务具有扩展性，可以频繁扩展更新而不会对端侧产生任何影响；③快速响应设计-微服务发生错误时能迅速结束，然后恢复错误前状态，以保证应用持续。

3）DevOps 和持续交付。DevOps 代表软件的开发和运维是一个整体。持续交付代表着煤矿行业软件迭代更新的交付能力。在云原生基础上，通过打通自上而下各个自动化子系统单项，使用云原生的软件开发模式，遵循生产工艺流程和设备运行逻辑的基本原则下，将软件开发变成了一个个独立的单元模块，通过与生产子系统紧密结合，筛选多个单元模块联合组成一系列应用，在软件构建、测试、发布以及部署在端侧充分发挥自动化计算能力，实现低成本开发，快速交付等功能。

2.4 5G 网络系统

露天煤矿大型机电设备数量庞大，在实际生产过程中，这些子系统对各种机电设备的运行参数、响应速度、稳定性等均有较高的要求，传统传输网络布线复杂，按功能种类需要建设多个环网结构，以满足现有机电设备的运行条件。5G 网络技术提供了一种全新的网络架构[8]，应对煤矿未来并发式的数据量、设备量增长，各类新业务和应用场景提供N 网融合的一体化网络传输平台，将成为未来露天煤矿的主要网络建设方向之一。智慧露天煤矿5G 网络传输如图2。

图2 智慧露天煤矿5G 网络传输

5G 应用在煤炭行业，将改变生产、运维、服务等环节，促进智能化转型。5G 与数字孪生系统的应用，实现物理世界与虚拟世界的转变，IT 和IOT 世界中结构化和非结构化数据的抽象化，通过在虚拟世界分析构成露天煤矿开采系统的全部机电设备，分析机电设备的具体活动（包含车辆运行，机器运转，工作效率等），通过模拟有限的设备数量而产生无限的设备活动构建大数据，实现虚拟世界与现实世界的融合。5G 与远程控制和集中控制的应用，实现多人协调生产向无人化，少人化巡检转型，降低一线生产工人强度，减少生产事故，增强一线工人的幸福感。5G 的便捷部署能力，提供煤炭行业改过建实施方案灵活化，提升全要素生产率。

5G 网络具有以下特点：①5G 与生产子系统的关键技术融合，将充分发挥放大、叠加、倍增效应，实现煤矿生产子系统应用场景的创新；②5G+工业互联网关键技术融合，将建设高安全性、稳定性的煤矿专用网络；③露天煤矿行业安全生产是红线，5G 作为智慧露天煤矿的基础支称载体，将“打通”各子系统环节，推动智能化技术发展，实现露天煤矿生产环节的智能感知、数据采集、AI 分析、精细管理、数据集中化、岗位无人化、辅助生产系统远程化等需求场景，把生产人员从作业区移至巡检区，实现少人，无人作业。

2.5 人工智能系统

在智慧露天煤矿的建设中，人工智能技术如何应用是一个难题，目前煤矿大多数都应用在大型机电设备子系统中，比如智能化采掘工作面，智能化采剥，智能化远程监控等，这些智能化发展都推进了智能矿山的建设，但是要看到智慧矿山除了自动化机电设备外，还要解决人工智能在数据获取、数据分析、数据上云的过程，在计算服务、存储服务、网络服务上，在软件研发、快速交付等方向。

例如AI 图像处理、大数据分析功能针对带式输送机堆煤、跑偏、大块异物等进行分析，巡检机器人通过采集对象的温度、振动等参数进行分析，大型机电设备通过建立预警模式，分析设备全生命周期状态等。通过人工智能和大数据计算能力，打破传统各个系统的数据孤岛，解决数据低质和数据安全等问题，为智慧露天煤炭建设云端轻量化节点技术，设备端、手机APP、PC 终端均可在可信任环境下从云端的海量节点直接获取数据和决策应用。数据通过各轻量级节点区块链化，跨链协同计算，在根源上打破传统各系统之间数据壁垒和信息孤岛，实现多系统数据协同和多系统安全可控，提升煤矿生产和管理效能。

3 应用新IT 架构的优势

新IT 架构是基于“端-边-云-网-智”技术架构在煤炭行业下的全新支撑和赋能。新IT 架构具有部署简便、易扩展等优点，为大型煤炭企业在上云的过程中，提供私有化的环境部署。

1）云原生架构可以实现各生产子系统和露天煤矿行业应用场景的云端化迁移，提高容器及编排的架构模式，提供基础数据、算法模型等云中心汇集、本地化使用，子系统之间打通数据结构、高效持续交付、按需提供服务，即“应用+系统”模式。

2）目前煤矿智能化建设多为智能化单系统建设，各系统数据分开采集，煤矿综合管控平台统一管理，调度。存在所有控制、管理、分析系统在单一系统上，1 个煤矿动辄20～30 个生产子系统大量重复建设基础设施。新IT 架构将提供现有系统的控制、管理、分析等功能上云端，设备层保留现有生产运行模式，但是软件均由云端提供，大量减少重复建设和软件开发成本。

3）由于新IT 架构在云端具有低成本，快速可复制的特性，从集团角度可对智慧露天煤矿的云端软件进行应用服务为主，按需配置为辅的模块化管理，大幅降低智慧露天煤矿新建过程中软件编程的人工成本和时间成本。

4）新IT 架构下的通过人工智能，边缘计算、云数据、物联网等技术融合在一起，在根源上打破传统各系统之间数据壁垒和信息孤岛。

4 结语

概述了智慧露天煤矿在基于新IT 架构下的架构设计方案，并针对新IT 架构模式与传统烟囱式IT架构模式进行了对比，通过技术比较后，可以看出新IT 架构下智慧露天煤矿在设备层保留原有的生产运行方式，在智能化系统的软件编程、控制、ERP 管理等功能“迁移”上云端，大量减少重复性工作的建设成本和人工成本。新IT 架构在云原生计算的基础上，可以提供低成本，快速可复制的露天煤矿应用场景解决方案，彻底打破传统模式下的“信息孤岛”。

现阶段我国的露天煤矿智能化系统发展时间较短，在场景应用上有着大量改进和发展的空间。新IT 架构下的智慧露天煤矿由原有露天煤矿重系统轻架构设计转变为重架构轻系统设计，从给予露天煤矿行业支撑和赋能角度阐述了架构设计的重要性。新IT 架构的云原生特性可以给露天煤矿从数据感知、分析、决策、控制等多个维度提供低成本，高复用，快速交付的智能化解决方案，提高露天煤矿的综合运营效益。