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        ★ 智慧礦山 ★

        煤礦智能化建設目標和總體框架的研究與設計

        王 翀 魏立科 張冬陽 徐志明

        (應急管理部信息研究院,北京市朝陽區,100029)

        摘 要為了推進煤礦智能化轉型升級,提升煤礦安全生產水平,增強煤礦企業的核心競爭力,對煤礦智能化建設目標和總體框架進行了研究,提出了煤礦智能化建設“四橫四縱”總體框架,并詳細介紹了智能化的生產系統、高速安全的傳輸網絡系統、智能支撐平臺、智慧協同管控系統的煤礦智能化主要系統建設以及安全可靠的運行保障體系、嚴謹全面的標準規范體系、統一完備的煤礦智能化工作機制以及創新實用的產學研用機制的煤礦智能化體系與機制建設。

        關鍵詞 煤礦智能化 智能系統 高質量發展 智慧礦山 煤礦機器人

        隨著《國家能源安全戰略行動計劃(2013-2020)》中“四個革命和一個合作”戰略要求的提出,國家能源局確定了《能源發展戰略行動計劃(2014-2020年)》中“節約、清潔、安全”三大能源戰略方針和“節能優先、綠色低碳、立足國內、創新驅動”四大能源發展戰略,部署了增強能源自主保障能力、推進能源消費革命、優化能源結構、拓展能源國際合作、推進能源科技創新等能源發展改革的重點任務。與此同時,煤炭安全生產及節能減排相關政策的出臺與市場競爭的加劇,這使得煤炭行業的發展面臨新的挑戰[1]。

        目前,煤炭行業處于四期疊加,即“需求增速放緩期、過剩產能和庫存消化期、環境制約強化期、結構調整攻堅期”,煤炭行業必須不失時機地改革創新,促進轉型升級。以云計算、物聯網、大數據為代表的新一代信息技術與傳統煤炭行業融合創新,充分發揮互聯網在本行業生產要素配置中的優化和集成作用,將對行業整體提升科技實力、樹立品牌形象、提高經營質量等方面產生重大而深遠的影響。同時,應推動煤炭行業的發展進入新形態,形成新的產業增長點,促使傳統煤炭行業轉型升級[2-4]。

        從企業發展來看,隨著科技進步和其他清潔能源的發展,煤礦企業求生存、高質量、高效益發展的需求越來越緊迫,要實現煤礦企業的可持續發展,必須以科技創新為突破,以先進技術為引領。從煤礦生產來看,企業發展仍存在制約因素,其中最為突顯的是基層一線職工趨于老齡化,35歲以上的職工占比59%,其中40~50歲職工占36%,且多數為生產技術骨干,35歲以下的職工占比41%,而且一線人員流失比較嚴重,人員老齡化和生產組織矛盾日益凸顯,嚴重制約和困擾企業安全的生產和發展。[5-6]。因此,建設安全高效的綠色智能礦山,以引領煤炭行業高質量發展勢在必行。

        1 煤礦智能化建設的目標和總體架構

        煤礦智能化應以“安全、高效、綠色”為目標,運用物聯網、大數據、云計算、移動互聯等技術手段,構建具備“人、機、環”信息全面感知、自主融合、動態辨識、有效預警、協同控制的智能系統,實現按需生產和“人、財、物”高效流轉。通過綜合運用各種感知技術,更加全面、準確、實時地感知人、物和環境的信息;運用網絡、通信、集成等技術,實現人與人、人與物、物與物之間的信息交換以及系統間的橫向集成和縱向互通;運用數據挖掘、知識發現、專家系統等人工智能技術,實現生產調度指揮、資源預測、安全警示、突發事件處理等決策支持。

        當前,我國煤礦智能化建設正處于初級階段,將從單個系統、單項技術的智能化(一個系統、一個崗位的“點上的無人”),過渡到多個系統的智能化(部分系統的集成,“面上的無人”)。目前煤礦智能化工作的主要重點集中在生產環節,如何實現采、掘、機、運、通等方面的智能化建設目標,如何構建智能化煤礦總體建設框架,打造“國際一流、國內領先”的“安全、高效、綠色、可持續發展”的新型現代礦井,是擺在我們面前的主要任務。[7]

        1.1 煤礦智能化建設目標

        采煤工作面智能化、掘進工作面智能化、主/輔助運輸系統智能化和通風系統智能化等是煤礦智能化建設的主要任務,也是煤礦智能化初級階段的建設目標。

        (1)采煤工作面智能化。采煤機、液壓支架、刮板輸送機等綜采設備能夠實現三維空間位置高精度監測、姿態精準感知、故障診斷與自動調直,并實現集中、就地、遠程和協同控制,主要生產流程一鍵啟停。

        (2)掘進工作面智能化。滿足煤礦巷道安全快速的掘進需求,具備井下環境感知、精確定位、自主移動導航、定姿定形定向截割、多工序智能協同控制、 數字孿生遠程智能監控等核心功能,實現煤礦巷道探測、掘進、 支護、清運快速協同作業。

        (3)主/輔運輸系統智能化。主運輸系統實現集中控制,煤流運輸線設備逆煤流啟動,順煤流停車,分析并調整工作狀態,并實現無人值守功能;輔助運輸系統具備煤礦井下高精度導航定位、深部地下受限空間內防爆運輸設備無人駕駛、全礦井人員及物資智能調度等核心功能,實現煤礦物料標準化裝載、智能化配送、自動化轉運、無人化運輸。

        (4)通風系統智能化。主要通風機具備無級調節功能,主要進回風巷間的風門實現自動控制和遠程控制功能;主要通風機的正常啟動、反風和風機 切換實現一鍵式操作;主要通風機集中監控,不設專職司機,實行巡檢制度,主要通風機房設圖像監視;在線監測主要通風機的運行參數,相關數據可以存儲、查詢;局部通風機實現地面集控,煤及半煤巷局部通風機具備調速的功能。

        1.2 煤礦智能化建設總體架構

        按照煤礦智能化的建設目標,應構筑煤礦智能化發展“四橫四縱”總體架構[8],“四橫”是指煤礦智能化建設中的系統和平臺,包括智能化生產系統、高速安全的傳輸網絡系統、智能支撐平臺和智慧協同管控系統,“四縱”是指貫穿煤礦智能化建設中的支撐體系和機制,包括安全可靠的運行保障體系、嚴謹全面的標準規范體系、統一完備的工作機制和創新實用的產學研用機制。煤礦智能化建設總體架構如圖1所示。

        圖1 煤礦智能化建設總體架構

        2 煤礦智能化主要系統建設

        2.1 智能化生產系統建設

        針對采掘工作面生產過程復雜、開采裝備系統龐大、作業環境惡劣等特點,在機械化開采、自動化開采的基礎上,進一步推進信息化和工業化深度融合的煤炭開采技術革命,大力開展采、掘、機、運、通、智能化創新及智能化關鍵技術和裝備研究、試驗及應用。

        (1)智能化綜采工作面。通過構建由一個核心控制系統、七大子系統組成的智能化控制系統,實現工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機、乳化液泵站、電力負荷系統的協調聯動控制,完成綜采工作面生產過程自動化控制功能,提高生產效率;對主要生產設備工況進行實時在線監測、及時發現故障隱患,提高設備開機率;對工作面的相關信息分類整理,通過工業環網將數據上傳地面調度中心,采用地面調度中心將數據融合到基于物聯網技術的綜放設備智能化管理系統,實現數據共享、遠程管理和深度利用[9-10]。

        (2)智能化掘進工作面。通過使用EBZ系列縱軸式掘進機+巷道超前臨時支護+履帶式錨桿鉆車,以及使用快速掘錨一體機+錨運破一體機,和TBM盾構掘進等多種快速掘進工作面裝備配套方案,以實現多掘一錨,掘錨并行作業工藝的快速機械化掘進作業。通過“以工作面自動控制為主,集控中心遠程干預為輔”的自動化掘進模式進行研究,達到掘進工作面少人化的目標,為實現煤礦井下安全、高效快速掘進提供基礎。

        (3)智能化主運輸。通過建設主運輸智能控制系統來實現帶式輸送機的智能保護、智能聯動控制、智能調速及對煤流運輸的全方位、多角度的智能監測控制。主運輸智能控制系統由遠程監控、傳輸網絡、現場控制設備等組成。遠程監控部分主要由SCADA監控軟件、監控客戶端及配套外設組成,實現遠程監控和存儲查詢功能;傳輸網絡采用工業以太環網平臺;現場控制設備主要由膠帶運輸監控、X射線探傷和帶式輸送機撕裂檢測預警等組成。

        (4)智能化輔助運輸。采用“齒軌一體化”方案和“全礦單軌吊一體化”方案,兩種方案遵循保證生產、逐步推進的理念,分兩個階段實現智能化改造。首先完成從地面工業廣場到井下工作面的一站式連續化運輸改造,實現初步的減人增效,同時降低運輸安全隱患;在實現一站式連續化運輸改造的基礎上,進行機車的電氣化升級,運輸智能化輔助系統的升級,實現最終的無人駕駛,智能輔運。

        (5)煤礦特種機器人應用。在井下研究配置主運輸系統皮帶巡檢機器人,井下變電所、水泵房巡檢機器人及危險氣體巡檢機器人三大類特種機器人實現替代人工作業,減少井下作業人數,提高巡檢工作的智能化水平。

        2.2 高速安全的傳輸網絡系統建設

        針對現階段煤礦傳輸網絡易受干擾、傳輸數據量小、傳輸速率低和覆蓋不全面等特點,建設井上井下全覆蓋的萬兆高速傳輸骨干網絡。結合井下4G/5G無線通信網絡、WIFI、軟件定義網絡(SDN)、 IPv6、專業數字集群(PDT)等技術,綜合工業以太網、寬窄帶無線通信網、物聯網、專網、互聯網等手段,建成井上井下一體、全域覆蓋、全程貫通、韌性抗毀的通信網絡,解決所有子系統信息傳輸通道。

        (1)“一張網”傳輸平臺。企業管理網絡是通過井下光纖建立高速的網絡聯接骨干線,實現生產、運營層面各個區域互聯互通的“一張網”,建立覆蓋礦井工業場地、行政辦公、安全生產和視頻會議的獨立網絡,鏈路設計采用萬兆骨干、千兆匯聚、千兆到桌面,井上WIFI覆蓋的方式;工業控制網是通過解決所有子系統傳輸物理通道,將礦井各環節系統(采煤、掘進、機電、運輸、通風等)的設備工作狀態信息、生產信息、安全信息實時傳遞到礦井生產安全調度指揮中心,為礦井的生產綜合監控平臺提供一個高速、安全、可靠的信息傳輸基礎平臺。

        (2)井下4G/5G通信網絡。建立煤礦井下基于4G TD-LTE技術的無線寬帶專網通信平臺。實現礦井無線寬帶覆蓋,通訊下行速率為100 Mbit/s,上行速率為50 Mbit/s,以滿足監控數據、語音、圖像和控制等多種信息實時傳輸的要求,并實現與工業環網的無縫對接和有線、無線的網絡優化功能。相比4G,5G大幅提高了網絡部署和運營的效率,頻譜效率提升5~15倍,支持0.1~1 Gbps的用戶體驗速率,具有100萬/km2的連接數密度、毫秒級的端到端時延、每平方公里數十Tbps的流量密度以及500 km/h以上的移動性和數十Gbps的峰值速率。特別適用于需要解決遠程控制、無人駕駛所需要的流量密度高、低延時的智能工作面、智能掘進工作面和齒軌車無人駕駛的應用場景。完成基于統一平臺開發的井上、井下無線終端部署,實現全網的有線、無線調度功能,具有強大的“視頻+語音+數據”的多媒體通信能力,并實現全網數據的無障礙傳達及獲取能力[11-12]。

        2.3 智能支撐平臺建設

        針對煤礦數據處理功能和應用支撐服務無法滿足現階段的要求,建設煤礦云化大數據中心,提供性能強大、彈性計算、異構兼容的云資源服務能力;構建全方位獲取、全網絡匯聚、全維度整合的海量數據資源治理體系。建立煤礦應用支撐服務平臺,實現各系統統一數據、統一接口、統一服務和統一應用。

        (1)云數據中心。采用當前最先進的設計理念,即 “云—邊—端”三位一體化信息服務的架構,為煤礦智能化實現智能感知、智能交互、智能決策提供技術保障。云負責全局結構化數據推理分析能力和資源管控力,實現對分支站點的管理及配置;邊緣計算提供快速、高效、精準的實時響應,承擔大量的數據處理及計算功能,可有效緩解云端計算壓力;端實現IOT數據實時采集及傳輸[13]。

        (2)煤礦應用支撐服務平臺。由智能網關、三維GIS平臺、組態化平臺、實時數據綜合服務平臺、設計協同平臺、后端服務平臺、BI及報表工具組成,實現煤礦各系統統一數據、統一接口、統一服務和統一應用。智能網關用于統一煤礦各個系統數據接入的標準和接口定義;二維GIS、三維GIS和組態化平臺用于提供礦井生產和安全信息綜合“一張圖”展示;實時數據綜合服務用于所有感知層數據的采集、存儲、歷史數據查詢與統計、訂閱與推送,并對外提供數據接口服務;設計協同平臺用于打通煤礦內部不同專業、不同科室之間的協同合作;后端服務平臺為上層應用提供統一的服務支撐;BI工具用于提供工作所需的報表、大屏展示等應用功能。

        2.4 智慧協同管控系統建設

        協同管控系統建設內容主要為“1+5+1”業務體系,“1+5+1”業務體系為一個綜合門戶+五大業務域+一個管控平臺。

        (1)綜合門戶。綜合門戶向用戶提供統一的登錄入口,便于用戶快捷、一站式訪問整個協同管控系統。

        (2)感知監測業務域。感知監測業務域通過對生產現場的實時監測,全方位掌握各生產單位的生產情況,避免違規作業,及時發現問題,確保安全生產。

        (3)生產經營業務域。生產經營業務域實現礦井生產經營管理過程中各流程及制度的電子化、信息化,實現經營管理精細化,提升企業整體管理水平,為礦領導決策提供有效依據。

        (4)生產執行業務域。生產執行業務域中機電管理、一通三防管理系統的補充使整體生產執行體系更加完善,新增加的生產分析等綜合分析功能將決策依據、管理思想進行系統固化,圍繞決策有效性,能夠有效提升煤礦管理和決策分析水平。

        (5)指揮救援業務域。指揮救援業務域使救援資源得到充分利用的同時,協同有效地將避災與搶險管控起來,確保救援工作科學合理,提升了事故應急救援指揮能力。

        (6)安全保障業務域。安全保障業務域實現煤礦安全態勢綜合分析、災害風險實時動態評估、隱患關聯預測研究、事故預警與原因溯源研究等功能,提升了隱患、風險應對能力,為礦井安全、高效開采,提高生產過程中“人、機、環、管”的安全水平提供了保障。

        (7)綜合管控平臺。綜合管控平臺基于實時、準確的基礎地理空間服務支撐,將礦井的生產狀況、資源狀況、安全狀況等各類信息接入到平臺框架中進行展示和應用,為安全生產決策提供技術保障,提高礦井層面綜合分析能力和應急響應速度,從而為企業宏觀管理、安全生產、領導決策提供有效支撐[14-16]。

        3 煤礦智能化體系與機制建設

        3.1 嚴謹全面的標準規范體系

        煤礦智能化總體標準作為其他層面標準的統領和基礎依據,界定了煤礦智能化標準的范圍,為其余標準提供基礎支撐;煤礦智能化評價標準作為煤礦智能化建設和煤礦信息化建設的查錯依據和升級舉措,用來評估煤礦智能化標準實施建設情況,保持標準體系的生命力;感知網絡標準、傳輸網絡標準、生產系統標準、信息資源標準和業務系統標準作為煤礦智能化建設的技術支撐標準和業務支撐標準;運維管理標準和信息安全標準作為煤礦智能化建設的保障標準,對上述5個層面進行補充和完善[17]。

        3.2 安全可靠的運行保障體系

        建立全面立體的安全防護體系和科學智能的運維管理體系,實現對煤礦智能化信息系統、人員、重大設備的多層次、全維度的安全防控,部署智能化運維管理系統,對建立完善的運維管理制度和運維反應機制,保障煤礦信息網絡以及應用系統安全、穩定、高效、可靠地運行,十分必要。主要通過煤礦智能化綜合協同管控中心的智能決策模型進行自動決策,保障礦井人、機、環、管全方位的安全,并通過反饋信息主動進行決策再優化。

        (1)信息系統安全保障。建設和完善信息安全監控體系,加強煤礦企業信息安全規范建設和標準化建設,加強對信息安全保障工作的領導,建立健全信息安全管理責任制,確保信息安全、網絡安全和網絡空間安全。

        (2)人員安全保障。在個體防護和系統防護方面開展研究,提供人員所處環境參數的實時采集、無線語音通話、視頻采集上傳與遠程調看、危險狀態逃生信息的實時獲取等功能。

        (3)系統安全保障。將井下環境的實時監測信息、重點區域的安全狀態實時評估及預警信息與井下人員進行實時互聯。

        (4)機電設備安全保障。具有智能化的設備點檢與運維管理能力,提供設備在線點檢、損耗性部件周期性更換提示、健康狀態實時評估等功能。

        (5)環境安全保障。具備災害實時在線監測、井下安全狀態實時評估及預測預警、降害措施自動制定能力。

        (6)安全管理保障。具備自動進行風險日常管控、自動定期進行安全風險辨識評估及預警分析、多維度自動統計與分析隱患的能力,具有手持終端現場檢查能力,實現隱患排查任務的自動派發、現場落實、實時跟蹤、及時閉環管理。

        3.3 統一完備的工作機制

        建立集團統一領導、煤礦各級部門分工協作的工作組織領導體系,建立覆蓋項目建設全過程的協調聯動制度機制、項目管理制度,完善應用考核機制,推進形成煤礦智能化全集團 “一盤棋”工作格局[18]。

        (1)加強組織領導。推進煤礦智能化“一把手”負責制,成立煤礦智能化工作領導小組,統籌推進煤礦智能化建設。

        (2)明確職責分工。充分發揮業務部門在煤礦智能化建設中的需求引領和應用建設的主體作用,信息化部門會同支撐單位做好基礎平臺建設與技術保障。

        (3)完善項目管理。強化煤礦智能化建設相關政策法規支持,建立健全項目管理和專家咨詢制度。完善項目建設組織機構,合理制定項目實施計劃,加強風險評估和管控,確保全過程受控,嚴把工程質量。強化第三方測評、檢驗和評估在項目檢查、驗收中的作用。

        (4)注重績效評估。建立煤礦智能化工作考核評估體系,納入各部門、各單位綜合評價和績效考核范疇。建立常態化評估機制和重大事件通報制度,加強工作檢查和督導。將考評結果作為工作改進完善的重要依據,總結經驗,形成閉環。

        3.4 創新實用的產學研用機制

        培育專業化的技術研究團隊,打造煤礦專業人才培養體系,加強各類先進技術攻關、融合與集成創新,建立開放的“產學研用”技術創新機制和產業生態,才能調動全社會力量共同參與煤礦智能化建設。

        (1)加強技術力量整合。推進部屬技術支撐保障力量、教學科研力量整合,加強與相關領域國內外知名高校、科研院所及信息技術領軍企業的長期穩定合作,彌補自身技術力量不足。

        (2)加強先進技術融合。促進云計算、大數據、物聯網、人工智能、移動互聯等新一代信息技術與煤礦智能化深度融合集成,開展新技術應用示范工程,推進軍民融合。

        (3)加強專業人才培育。始終把提高全員應用能力水平擺在首要位置,不斷提高領導干部運用數據分析問題、解決問題的能力,加強全員信息化素質培訓教育,建設復合型、創新型核心人才隊伍。

        (4)加強關鍵技術攻關。充分與煤礦智能化科技發展相結合,組織人工智能、大數據前沿技術研究,組織實施重大專項與重點研發計劃。營造創新氛圍,支持科技成果的應用轉化。

        4 結語

        煤礦智能化建設前景廣闊、意義深遠。積極推進煤礦智能化建設,是促進煤炭行業高質量發展的重要舉措,同時也是建設“安全、高效、綠色、可持續”發展礦山的必然選擇,是提高礦企核心競爭力、實現可持續發展的必要條件。通過構筑“四橫四縱”總體建設架構,可將我國煤礦打造成“國際一流、國內領先”的“安全、高效、綠色、可持續發展”的新型現代化智慧礦井。

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        Study and design of overall framework of coal mine intelligent construction

        Wang Chong, Wei Like, Zhang Dongyang, Xu Zhiming

        (Information Institute, Ministry of Emergency Management of the PRC, Chaoyang, Beijing 100029, China)

        Abstract In order to promote the intelligent transformation and upgrading, improve the level of safety production of coal mines, strengthen the core competitiveness of coal mine enterprises, the goal and overall framework of coal mine intelligent construction were studied, and a "four horizontal and four vertical" overall framework for coal mine intelligent construction was presented. The main coal mine intelligent system construction was introduced in detail including intelligent production system, high-speed and secure transmission network system, intelligent support platform and intelligent and collaborative control system, and the coal mine intelligent system and mechanism construction was elaborated including safe and reliable operation guarantee system, rigorous and comprehensive standard specification system, unified and complete coal mine intelligent working mechanism and innovative and practical support mechanism for industry-university-research cooperation.

        Key words coal mine intelligence, intelligent system, high-quality development, intelligent mine, coal mine robot

        中圖分類號 TD-918

        文獻標識碼 A

        引用格式:王翀,魏立科,張冬陽等.煤礦智能化建設目標和總體框架的研究與設計[J].中國煤炭,2020,46(4):26-31.

        Wang Chong, Wei Like, Zhang Dongyang, et al.Study and design of overall framework of coal mine intelligent construction[J].China Coal,2020,46(4):26-31.

        作者簡介:王翀(1974-),男,遼寧昌圖人,碩士研究生,主要從事礦山大數據物聯網、煤礦信息化、安全生產理論、煤礦安全監管監察信息化研究。E-mail:wangchong@coalinfo.net.cn。

        (責任編輯 路 強)

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