王启健，于 涛

(招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿，山东 烟台 265400)

数字化、信息化、无人化、智能化及绿色开采是目前矿山发展的主要方向。智慧矿山是信息产业和工业领域的一种先导性技术理念，是两化融合在矿山行业内的具体体现[1]。智慧矿山集合了采矿技术、信息技术、通信技术、自动控制技术、物联网技术、软件技术、云计算、大数据等多项技术，是建立在矿山数字化基础上的能够完成矿山企业所有信息的精准适时采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化运行和智能化服务的数字化智慧体[2-3]。

大尹格庄金矿近年来积极开展矿山智能化建设，主要从矿井无人化智能装备研制、无人值守智能选矿及尾矿回填关键技术研究、基于物联网的井下环境感知与安全健康生产研究等方面进行基础建设，在全面提升自动化的同时搭建了完整的矿山物联网，同时利用大数据技术，逐步建立矿山大数据分析平台，以期实现矿山生产与安全管理全方位的可视化集中监测或监控、数据挖掘、分析、诊断和决策，用于完成矿山各种感知信息的收集、加工和再利用，实现矿山的透明管理[4-6]。

1 基于物联网的矿井通信体系建设

利用工业环网与无线网相结合方式，可实现矿山井上下网络高速稳定传输[7]。大尹格庄金矿通信体系建设包括井上下1 000 M高速工业以太环网，同时利用无线网络覆盖全矿。

1.1 矿山工业环网

智慧矿山综合管理平台的主干网结构采用环形工业以太网。在井下工业以太环网的基础上，可以实现井下人员定位管理系统、电网监测监控系统、水泵运行监测控制系统、主扇运行监控系统、工业环境监测系统、工业信号集控系统等相关系统数据的集中传输与管理。目前该系统包含工业环网交换机36台，机柜31台，光模块81个，光缆22 000余米。

1.2 矿山无线通信网络

矿用无线通信系统是基于工业以太网的井下通讯系统，以光缆为骨干，无线网络为延伸，在井下设立若干基站，通过无线局域网络覆盖井下巷道，在井下建立有线与无线混合型的局域网。根据无线基站的覆盖性能，设计在井下主要作业区域每隔500 m处安装一个无线基站，实现井下主要作业区域的信号覆盖。利用智能手机安装对应APP可实现相互之间语音通信的功能，从而实现井上对井下的调度，能够更准确、实时、快速地进行生产指挥、调度、抢险救灾、安全救护、安全监测、移动数据传输。目前该系统主要包含AC控制器1台，无线覆盖基站86台，光缆24 000余米，接入交换机12台。部分终端设备在线运行状态见表1。

2 平台技术架构及数据管理

基于微软的IoT服务平台，构建一体化设备远程监控管理应用平台，通过现场智能网关设备采集数据，并通过IoT Hub将数据传输到微软云平台，通过Stream Analytics流分析系统进行数据过滤，利用Power BI的多数据源报表分析提供面向不同使用者的数据报表和可视化展示，并针对管理者、运维人员及用户开发web版本等物联网远程监控应用。同时，扩展应用对于自动实时捕获的来自各种资产设备的海量数据，包含位置信息、设备运行状态信息、耗材消耗量等，利用Machine Learning及HD Isight进行大数据分析和洞察预测，实现基于物联网平台的智能分析功能。

大数据平台提供可视化的存储资源管理界面，通过Web UI界面操作HDFS、Hbase和Hive等组件，包括对HDFS文件目录的增删、查询、上传、下载等功能，对HBase的增删表、列族的数据查询编辑等功能，对Hive的建库建表建分区、数据查询、上传、下载等功能。平台中MPP数据管理是对Greenplum数据库的管理，包括数据库的增删查、表的增删改查、字段的增删改查、分区的增删查以及SQL编辑器。关系数据库管理中包括了数据源连接的管理、数据表元数据的管理以及数据字典管理，同时平台支持所有格式的数据文件上传、存储及下载浏览功能，支持常用数据的数据字典格式存储、编辑、新增及删除。平台数据管理界面见图1。

图1 平台管理界面Fig.1 Management interface

大数据平台通过标准的SQL实现多数据源多异构数据的统一高效访问，即基于数据湖为基础，Big SQL可以让用户通过使用标准的SQL，访问HDFS、Hbase和Hive中的数据。平台采用高速MSSQL分布式存储，以分区表的形式实现数据按时间存储到不同的物理文件中，达到高速安全的便捷访问。

3 大数据分析功能

在依托矿山物联网的基础上，搭建的黄金矿山大数据分析平台包含排水、提升、选矿、通风、运输、配电、充填、供风、水平衡、尾矿库、六大系统、其它系统管理等多个分析模块，同时平台设置了系统管理和用户管理两个自定义模块，便于平台的维护。

3.1 排水系统模块

矿区关键排水环节耗电多，分时用电效果显著。目前排水系统有良好的自动化基础，但缺乏对生产数据的有效分析及利用，难以有效辅助现场人员排水作业。引入大数据分析平台，将排水系统大数据分析分为排水看板、排水详情、开机时间统计、每日排水单价、效率统计分析、历史数据综合查询、排水报表等多个分析维度，可进行数据深入挖掘与分析预测，将业务知识数字化、模型化，让生产指导实时化。

排水看板是排水系统的集成展示，根据排水系统采集的自动化数据，统计排水量、能耗、排水时间、单耗、单价等数据，形成综合性看板，方便管理人员快速掌握当前排水情况。排水看板界面见图2。

图2 排水看板Fig.2 Drainage system board

排水详情可指定查询某一日排水详情，包括统计数据(排水量、尖峰平谷用电量、单价等)、运行工况(水泵启停信息、井下水仓液位、井上选厂液位等)，为优化排水作业和减少排水费用提供数据支持。排水详情查询界面见图3。

图3 排水详情Fig.3 Drainage system details

开机时间统计可统计每日各台水泵单耗、平均排水量，指定查询某段时间内的各水泵累计开启时长，指导设备检修。每日排水单价可浏览每日排水单价；效率统计分析模块可浏览各水泵的单耗及排水量情况；历史数据综合查询可查询各水泵的电流、流量、轴温、压力历史数据及水仓、选厂液位历史数据；排水报表模块可查询日报表及月报表。排水系统大数据分析在保障矿山安全与选厂用水情况下，可实现平谷用电，节约电能消耗，提高水泵效率，优化生产与维保工作。

3.2 提升系统模块

矿区已有的提升控制信号系统实现了自动化，但对提升机的提升效率缺乏有效分析。通过对提升机油压、电流、速度、加速度、位置、提升量、能耗、轴温、油品等数据进行监测，建立提升机运行数据模型，通过大数据分析实现提升机远程监控与数据采集诊断，极大提升提升机的提升效率与维护水平。提升系统模块主要从提升井提升量、提升速度分析、班组报表、提升日报表、鄂破运行时间、皮带运行时间等多个分析维度分析。

根据各井提升工况，统计各提升井的提升量等数据，迅速掌握主井提升详情，形成可查询、可输出的报表。各提升井每日提升情况见图4。

图4 提升看板Fig.4 Hoisting system board

提升系统主要数据(电流、速度、位置、油压、温度、加速度等)按1 s的频率存入数据库，数据库采用MSSQL分布式存储，以分区表的形式进行数据存储。数据不会清空，支持高效快速的便捷查询。根据历史工况可详细分析提升机状况，为优化、诊断提供数据支持。通过长时间监测分析提升机运行电流、速度、位置、能耗变化情况，找出提升机提升效率、维护保养与故障规律，设计提升预知性维护。

3.3 选矿系统模块

目前有较完备的自动化系统，并采集了一定的生产数据，但缺少对生产数据分析与指导，生产过程的优化控制多依赖人工经验。引入大数据分析模型，形成破碎看板、每日破碎统计、破碎日报表 、料位查询、球磨机工况、历史数据综合查询、球磨机电流、加球报表、地磅日报表模块等多个分析维度，发现能耗效率提升点，能够自动控制并指导生产机制，指导工艺优化改造，提升工作效率。

根据自动化数据取得的数据，统计破碎量、选矿量、主要设备运行时间、吨矿单耗、吨矿费用、用电量比例等数据，形成综合看板及报表，破碎看板界面见图5。

图5 破碎看板Fig.5 Crushing system board

破碎工段主要设备运行参数及主要指标存入数据库，存储周期30 s，历史数据不会清空。根据历史数据计算破碎效率、破碎做功等参数，点击某日参数可跳转到当日具体工况，具体分析当日主要设备做功、空转、能耗等数据。破碎工段历史数据查询界面见图6。

图6 历史数据综合查询Fig.6 Comprehensive query of historical data

3.4 其他生产、安全系统大数据分析与应用

通过大数据平台，融合物资(设备)供应链系统、生产管理系统、项目管理系统、安全管理系统、地磅计量系统、化验室系统等现有生产安全相关系统，可实现全矿信息化、数字化办公，降低设备与物料库存，让数据流动起来，提高办公效率，为矿山整体降本增效。

1)生产管理系统

通过前端数据采集将生产现场数据以日报、月报等形式向相关负责人进行展示，实现生产情况有效统计和监督，给管理决策提供直接的数据。集成生产系统中指定矿山填报的生产数据，包括采矿信息、选矿信息、品位信息等，形成综合看板及各种日报、月报等。采矿月报界面见图7。

图7 采矿月报Fig.7 Monthly mining report

2)项目管理系统

实现项目进度与成本对比分析，通过评估项目进度、费用的综合执行效果，量化地反映项目的进展情况。集成项目管理系统中可显示指定矿山的项目招标、进度、管理、付款等信息，按月统计投资结算比例并形成项目清单。项目管理看板界面见图8。

图8 项目管理看板Fig.8 Project management board

3)安全管理系统

通过统计隐患整改率、安全检查频次、证照情况、安全绩效考核等内容，实时展示矿山安全现状。集成矿山双体系安全管理系统，统计安全生产天数、隐患数、整改数、安全投入、证照管理(企业证照、施工队证照、员工证照等)、员工职业档案管理等功能，形成综合看板，见图9。

图9 安全管理看板Fig.9 Safety management board

4 结论

构建的黄金智慧矿山大数据分析平台可实现对采掘、运输、提升、通风、排水、充填、选矿、尾矿处理等生产环节所涉及的影响矿山生产工艺指标、能耗、作业效率及成本费用等数据信息的采集，通过专题分析与大数据分析发现隐形问题，比如主井提升速度优化：通过数据采集分析发现主井提升机原先运行速度图存在问题，减速不是平滑运行，通过数据分析提出优化改进方案，将速度图优化后，每次提升时间缩短20多秒，缩短1/9时间，效率与能耗也相应提高。