私有云和物联网技术在煤矿智能化建设中的综合应用

张 磊,瞿晓倩

(1.国能神东煤炭集团,陕西 神木 719315;2.陕西亿杰鑫信息技术有限公司,陕西 西安 710065)

0 引言

煤矿智能化建设中应用的私有云特点鲜明,集中表现在四大方面:(1)高可靠性;(2)安全性;(3)易扩展性;(4)易管理性。从部分地区煤矿智慧园区建设现状看,应用私有云时,将重点放在硬件与虚拟服务器方面。与私有云技术相比,当前的物联网技术在煤矿智能化建设中已获得广泛应用,主要按“感知层↔现场管理层↔网络层↔平台层↔应用层”的基本架构搭建物联网综合管控平台。从当前的实践经验看,可实现对各类设施设备的集成化管理,也能借助数据清洗技术、数据引擎存储技术完成对采集数据的清洗、分类、存储[1]。当前,煤矿企业集团应将私有云与物联网技术融合起来为其实践赋能。

1 项目概况

以某煤矿集团企业为例,自2018年全面实施互联网与物联网改革,该煤矿企业集团已初步实现了煤矿智能化建设目标。近几年,在中国式现代化改革过程中,结合“并联式”发展方案,持续推进了煤矿工业化、技术化、生态化、产业化方向的资源融合及实践。然而,随着煤矿智能化建设工作的逐渐深入,该煤矿在开采、运输、通风、供风、抽水、监测等方面的更新部分设备设施的同时,也增加了数据类型,需要进一步在新时期高质量发展主题下结合技术赋能路径,扩大对私有云、物联网技术的融合及推广应用。

2 煤矿智能化建设问题分析

目前,该煤矿集团企业在智慧煤矿建设过程中已建成智慧管理平台与能够满足综合服务的各类系统,形成了以“大平台+小系统”为主的基本架构。从问题方面看,物联网改革的持续推进虽然增强了对感知技术的应用、扩大了感知网络的覆盖范围,但是在原来的结构数据基础上增加了半结构数据与非结构数据,每日的数据增长量呈几何倍数式增长,给其数据采集、存储、分析、报表管理等增加了一定的难度,不仅拖慢了系统运行效率,也给网络安全埋下了重大隐患。为了有效解决上述问题,应在当前的物联网平台基础上融合私有云、中心云、边缘云等技术优化平台系统,全面提升其应用效果。

3 煤矿智能化建设中对私有云和物联网技术的综合应用

3.1 综合应用架构

在该煤矿智能化建设过程中,工作人员先对私有云方面的“物理服务器→虚拟服务器→虚拟资源池→数据汇聚→核心交换机堆叠”等流程做进一步分析,在“1个中心云+N多个边缘云”的云协同两级架构将其部署到物联网综合管控平台中,然后根据虚拟资源池建设要求把中心云层与边缘层部署到生产网络中,使中心云层、边缘云计算服务层、终端物联设备(负责各项业务)之间,形成一个内容完整的“云+边+端”闭环[2]。该架构既可利用原来的物联网综合管控平台为云端数据中心提供数据服务,又能完成对终端物联设备关联业务处理,进而解决上述问题。

3.1.1 感知设备与边缘计算节点连接

工作人员应借助不同类型的接口、以太网把应用场景中的泛在感知设备与边缘计算节点进行联合,完成感知层、现场管理层、网络层的全面关联。例如:当前煤矿的数据结构复杂、数量增长较快,此时可以在煤矿集团企业编制基础上进行物联网对象编码:(1)对应用对象进行具体编码、组织机构编码、煤矿物联网信息化分类节点编码、煤矿物联网节点编码、OID中国节点编码。例如:在具体编码方面,可以根据设备序列号代码、设备型号代码、设备分类代码等完成具体编码工作,员工则根据工号完成编码等。(2)泛在感知设备与边缘计算节点之间的融合过程中,应配套引入大数据技术满足各个采集站的数据交互要求。例如:当前应用较多的RS485、CAN、以太网等工业现场总线及末端无线自组网,将无线感知节点(1,2,3,…n)与无线自组网基站(1,2,3…N)进行关联,通过有线与无线通信方式连接到边缘计算节点,完成采集站的数据交互、采集、清洗、分类存储、数值模型分析等。其中,物联设备应包括人员位置感知节点、车辆位置感知节点、低功耗环境与工况感知节点、智能大型设备、报警装置等。

3.1.2 边缘云计算服务节点数据交互

边缘云计算节点到地面边缘云计算服务节点间的数据交互既应保障中心云、边缘云之间的数据交互,可以通过交互协议设置完成。通常情况下,可借助云端IP工业网络、云端大数据分析技术或者相关算法加以解决。具体而言,云中心既可以对业务应用方面的数据进行实时采集、存储、分析,也能通过云侧提供边缘平台,满足工作负载管理、算法推送、边缘节点管理,利用采集平台实现设备集成、消息集成、数据集成、应用集成,借助物联网平台进行设备接入、规则引擎、设备鉴权、设备影子等[3]。此时,实质上使现场管理(应用场景)和业务应用(应用层)实现了一种多元化的数据交互,最后将云端数据中心处理后生成的报表发送到各业务模块,从而形成云、边、端的闭环式管理目标,构建一个实时化、动态化、可视化、智能化的新型生态圈。

3.1.3 搭建技术主导的综合应用平台

该综合应用架构牵涉多种技术的融合,建议在实施期间按数据感知与采集、基础公共数据缓冲区、数据处理与存储管理、数据发布、PC端与移动客户端煤矿矿井一体化数据融合应用、关键技术与基础服务等进行技术配置,形成一个技术主导的私有云与物联网技术综合应用平台架构,如图1所示。

图1 私有云与物联网技术综合应用架构

3.2 主要功能

在融合私有云与物联网技术后,应采用模块化设计思想设置模块与子模块,并根据模块化处理需求进行配套的功能设计,满足智能煤矿全局生产、信息研判、自动弹屏、故障诊断、风险预警、应急指挥调度等方面的智能化管控需求。其中,常用模块包括首页、联合报警、高清视频、人员定位、三维地图、安全监测、报警查询及设施设备监测等,每个模块的功能则根据实际情况进行设置。

3.2.1 首页

在私有云与物联网技术综合应用平台中,首页模块十分关键,应保障整体上的全貌展示与区域清晰划分。设计人员仅需设置一个子模块,将功能定位在二维半图可视化展示即可,具体包括:(1)生产区;(2)生活区;(3)安全设备联动等。

3.2.2 联合报警

新时期的煤矿智慧园区中已应用了GIS“一张图”,在此基础上利用GIS三维图提供的信息,可使煤矿中常用的“八大系统”,构建一个上层数据与下层数据的交互关系,实时地通过矿井管理“一张图”更为精准地呈现人员、环境、机械设备方面的生产状况与安全状态[4]。结合双重预防机构中的AHP模型分析结果,及时地实现视频联动报警。例如:发生警情后,可以将三维视频中的预警信息关联发送到二维半地图之中的报警位置,然后通过其中的报警设备标识向应用层推送相关信息与画面。煤矿调度中心的调度值班人员接收到报警信息后,可以在第一时间响应应急措施并加以解决。

3.2.3 高清视频

在煤矿智能化建设期间,考虑到配电场所、巷道、筒仓、输煤、顺槽、掘进、综采等生产场景中的危险,普遍设置了本安型防腐防爆智能摄像头,在这个综合应用平台中,此类摄像头采集到的高清视频,可以通过APN专网或者其他网络通道发送到平台。在模块功能设计方面,可以配套设置如下功能:(1)设备智能循检;(2)AI智能分析;(3)视频报警联动;(4)多系统融合等[5]。这样做,有利于整合不同类型的数据,完成立体化的生产管理。设计人员可以根据上述摄像头安装的具体位置与应用场景,在综合应用平台中的视频监控模块,根据“区域栏”下拉菜单进行不同区域的设置,并对每个应用场景做出相应的细化处理。例如:在煤矿综合区域菜单栏下,可以继续设置中央变电所、永久遥感硐室、采区变电所、集运大巷、回风大巷、储运大巷等。

3.2.4 人员定位

在人员定位方面,直接设置集成化程度较高的人员定位系统。参与煤矿工作的所有人员通过穿戴配置有移动传感器的安全防护服、安全帽,可以在井下工作区域通过高清视频、人体红外监测仪等不同的监测装置,对人员数量、分布、动向、工作状态、所处环境等,做出全方位的数据采集。同时,当工作人员进入相应的工作区域后,车辆实时状态或设备状态也可以间接反映出人员的历史状态,共同构成对人员的实时动态定位、跟踪及对“三违”现象的监测。

3.2.5 三维地图

三维地图重点放在可视化模型应用,设计人员可以利用矿区地面、井下及其他建(构)筑物等方面的历史资料,如结合三维激光扫描图、点云图、无人机影像图等直接搭建矿区外部三维模型,将AutoCAD图导入Revit完成建筑物及各模型内部构成要素的建模。选择Infraworks可视化工具快速完成全区域的漫游,并将其作为第一人称视角下的常态化巡检查方式[6]。把具体的设备数据、传感器数据、摄像机数据等关联起来,通过堆叠技术将其整合到仿真模型之中,通过实时巡查对异常数据进行记录上报与关联预警等。

3.2.6 安全监测

煤矿生产区位于井下,其中不排除一氧化碳、烟雾、瓦斯等有毒有害气体,当前井下设置了各类监测装置。设计人员可以把安全监测监控系统与综合应用平台关联起来,将其作为一个子模块,根据安全风险区域、位置、监测装置等制作安全监测列表,并通过表格、图形等方式更为直接地显示安全监测结果。一旦监测到的数据超出正常值范围则通过不同颜色的数据、安全风险等级等向平台发出告警信息,平台接收信息后即刻以执行命令的形式推送到安全管理部门,开展相关的核实并采取相应的应急处理措施。

3.2.7 报警查询及监测

该综合应用平台中的报警查询模块中,可以根据子系统实际级别对报警信息进行集中管理,设计人员根据与报警相关的文字信息、数字信息、视频信息、音频信息等,可以及时地展示人、机、材、技、法、环、管方面存在的异常信息。当管理人员需要对其报警信息进行查询时,可以通过信息截取的方式完成对报警前一分钟画面的处理,并将其当作报警前后的对比数据。除此之外,通风设备、水泵房、变电所等方面也可以根据相应的子系统及模块功能设置完成实时监测等。

4 结语

新时期煤矿智能化建设中的物联网技术应用过程中,普遍存在数据管理方面的短板,为了进一步解决相关问题,应持续加强对私有云的应用。结合上述分析可以看出,私有云内容丰富、特点鲜明,应用后可以起到提质增效、保障安全、提升系统性能、解决数据管理难题等多重功用。建议该煤矿企业集团一方面在煤矿工业物联网平台科学融入私有云技术,有效关联中心云、边缘云、终端设备,另一方面应充分利用私有云中的虚拟化技术,搭建虚拟服务器、建设虚拟资源池,全面提高整个平台的数据处理效率,通过为煤矿集团赋能的方式提高其全要素生产率。