赵金升　丁宇辉　 王鹏　刘伟

摘   要：智能化矿山建设是物联网技术在矿山资源领域的应用，是指通过各类传感设备、传输设备与控制设备，构成矿山人与物、人与人、物与物相联的网络，实现矿山灾害环境、设备工作状况、人员安全信息的实时感知、监测与控制;矿山复杂环境下生产网络内的人员、环境、设备和基础设施等信息的智能采集;覆盖全矿山的多网融合通信、集中调度;煤炭生产全过程的全面感知和动态协同控制、故障自诊断;煤矿安全生产大数据云服务、灾变环境应急通信及人员精确定位等。提升矿井智能化水平。

关键词：智能化  智能感知  物联网  智能终端  集成控制

中图分类号：TD67                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）07（a）-0055-02

矿山自动化先后经历了单机自动化、综合自动化和矿井智能化3个阶段。目前矿井智能化技术在矿山的研究与应用已经取得了大量的成果，但是国内外关于智能化矿井还是没有一个统一的定义，很多概念与智能化矿井相混淆，在国内，使用较多的概念有数字矿山、感知矿山、智能矿山、智慧矿山、矿山物联网等。

1   系统研究背景及意义

国务院公布《中国制造2025》，其中明确提出了：组织开发智能控制系统、工业应用软件、故障诊断软件和相关工具、传感和通信系统协议，实现人、设备与产品的实时联通、精确识别、有效交互与智能控制。在物联网技术基础上，实现矿山“人、机、环”数据智能化精准采集、网络化传输、规范化集成;建立统一的集成控制平台，实现生产全过程一体化智能控制、经营全流程一体化协同管理;建设基于大数据中心的安全生产信息云服务系统;实现煤炭无人（少人）开采与灾害防控一体化的智能化采矿;实现原煤运输、供电、排水、通风、压风等环节远程智能控制、无人值守。最终将煤矿建设为安全、高效、智能、绿色的世界一流煤矿。

2  系统设计

智能化矿井建设主要内容包括：基础设施建设、生产监控系统建设、生产管理系统建设、经营管理系统建设、安全智能决策系统建设。

一个平台：统一的智能集成控制平台。

一个系统：煤矿大数据及云服务系统。

三个网络：企业管理网、工业控制网（控制网、视频网、安全监控网络）、通信联络网（程控调度通信、移动通信、扩播通信）。

五个中心：数据汇集中心、调度指挥中心、智能控制中心、安全监测中心、生产运营管理中心。

2.1 设计思路

近年来，各大型煤矿均开展了数字化、智能矿山的建设，取得了诸多成果，同时也出现许多问题，通过充分的调研，总结目前矿井智能化建设存在以下的問题：

（1）信息化体系的行业标准不健全，智能化矿井建设各自为政、摸索建设，造成智能化矿井建设五花八门，阻碍了智能化矿井的发展。

（2）众多信息化服务企业也没有标准，自行研发，子系统接口协议各式各样，互相不兼容，数据不能共享。

（3）实现智能化的传感技术稳定性、精确度仍欠缺，不实时，直接影响到矿井智能化系统运行的稳定。

（4）新技术应用如物联网、大数据、云计算等技术，在矿井智能化建设还没未真正发挥有效作用。

（5）矿井智能化设计的管、控与企业管理模式不匹配，无法实现有效结合。

（6）综合自动化平台搭建不合理，无法在智能化框架下完成专业调度与综合调度相互融合与衔接。

（7）系统融合、数据共享深度不够，需供、产、销及开发设备单位共同实现数据顺畅交互，为矿井整体智能化软件开发提供条件。

2.2 总体架构设计

智能化矿井总体架构依托于矿山物联网三层体系，通过统一的网络平台、统一的数据平台、统一的业务支撑平台和统一管控应用平台，实现智能感知、协同通信、智能控制与大数据决策支持。

智能感知层：各类智能传感器和智能分站等设备，实现人员、设备、环境智能化感知、可视化监控、精准定位。

传输层：融合井上下千兆/万兆工业控制网络、矿山4G/WIFI网络等，实现井上下多数据的传输调用，实现统一调度、互联互通。

数据共享层： 建立统一的数据中心，实现各类异构数据的高度共享。

智能管控层：建立矿山生产过程控制平台和矿山生产技术管理平台。利用先进的智能控制算法及智能控制技术，实现对矿山应用设备和感知层应用终端的自动化、智能化控制。

应用与分析层：实现大数据应用与智能分析、专家决策及移动互联网应用等。

2.3 建设路线

智能化矿井建设路线如下图所示：包括：基础设施规划建设、生产监控系统建设、生产管理系统建设、经营管理系统建设、安全智能决策系统建设等。

2.3.1 设备层

（1）安全生产井上下动态实时在线信息的采集。这里主要包括生产环境在线检测系统、综合自动化系统、其他生产指挥信息采集系统。

（2）生产技术和运营管理数据的采集。主要包括非实时的生产数据，如钻孔、地震、机电设备、通风阻力测定等;运营管理的数据，如财务管理、运销管理、人力资源管理等。

（3）执行控制层或管理决策层信息。通过管理决策层的分析、处理，其结果通过控制层、传输层达到执行层，完成对设备的控制、矿体的空间形态和属性的动态修正。

2.3.2 数据传输层

数据传输层采用以太网技术，由工业环网与信息网组成，采用网闸加防火墙技术进行安全隔离。整个矿井采用有线和无线结合的方式实现全网络覆盖。

2.3.3 运营管控层

运营管控层包括控制、调度、决策三大中心：

（1）控制中心由采掘工作面、主煤流运输、生产辅助等分控中心组成;

（2）调度中心由动目标运维、调度通信等模块组成;

（3）决策中心由区域环境作业评估、生产效能评估、危险源风控管理、通风解算、火灾模拟分析、管网决策分析、矿井地质分析、供电网络分析、大型设备故障诊断、透水淹没分析等模块组成。

2.3.4 经营管理层

经营管理层包括供电设计、采矿设计、设备管理、地测管理、生产调度、生产成本、生产衔接等系统。

2.3.5 云计算数据中心

云计算数据中心包括统一的数据仓库、数据处理、数据挖掘、灾备处理等。

2.3.6 二维及三維可视化展示

二维及三维可视化展示包括三维建模、三维漫游、实时监测、信息查询等。

3  应用效果

平台实施后，能够实现矿井生产过程自动化系统、环境监测系统、人员定位管理系统等矿井所有的设备、环境、人员等各类异构系统的全面集成;同时应该具体集成通讯、广播、视频等多媒体系统的能力，实现数据、语音、视频的一体化监控、调度、管理应用。

4  效益分析

智能化矿山建设是在数字矿井建设的整体框架下，采用国内一流和世界先进的技术和装备，建成一个能用、实用、管用、高效运行的智能化矿井，实现矿井“管、控、营”一体化，实现矿井安全可靠化、管理高效化、成本最小化、效益最大化。为煤矿安全、高效、智能生产具有显著的经济和社会效益。

5  结语

智能化矿山是矿山物联网的演进，通过引入智能传感器、矿山融合通信、多系统协同控制、故障诊断与智能决策、基于云服务的大数据处理、灾变环境智能机器人和无人机侦测等技术，实现矿山复杂环境下生产网络内的人员、环境、设备和基础设施等信息的智能采集;覆盖全矿山的多网融合通信、集中调度;煤炭生产全过程的全面感知和动态协同控制、故障自诊断;煤矿安全生产大数据云服务、灾变环境应急通信及人员精确定位等。

参考文献

[1] 刘丹.智能矿山的研究与开发[J].国外金属矿山，1994（11）：86-88.

[2] 张宝明.建设智能化矿山，促进煤炭工业持续健康发展[J].中国煤炭工业，2019（1）：9.

[3] 中国恩菲技术专家到德铜开展智能化矿山建设调研[J].有色设备，2018（3）：62.