智慧矿山综合监控系统构建及数据处理
丁永禄 吕兆海 杨洋 马旭 冯耀东 刘振兴 岳晓军
（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川750011）
摘要 基于金家渠煤矿智慧矿山建设需求，以金家渠煤矿为示范点，展开了智能矿山示范工程建设。在示范工程实施过程中，采用物联网、云计算、大数据技术在原有数字矿山基础上进行升级，提出综合监控系统设计应包含系统结构、子系统接入、数据提取利用、三维可视化、远程无线操控、互联网APP应用等功能，结果表明可实现综合监控的信息化、可视化，提高安全管控水平。
关键词 智慧矿山 子系统接入 三维可视化 数据交互 接入方式
随着物联网和大数据技术的兴起，信息技术、通信技术、自动控制技术的不断发展，智慧矿山建设的标准和要求越来越高。传统的矿井综合监控系统大多数采用计算机网络技术对井上下的设备实施控制，并将煤矿环境信息及设备状况信息发布在网络平台上。金家渠煤矿智慧矿山综合监控平台设计在传统数字化矿山的基础上，改变矿井传统的运行方式，借助物联网、云计算、大数据技术，通过采用多元信息化与自动化技术，实现全矿井监测控制可视化、管理决策科学化、过程控制自动化、调度指挥综合化，形成生产各环节全要素的远程监测、监视、控制、决策和调度管理。智慧矿山首先是科技化，把硬件设施做到极致；其次是效益化，使工作和生产效率达到最优；最终是人文化，更好地服务员工个体，解决员工诉求，最终实现这三个方面的耦合。
1金家渠智慧矿山建设情况
从2012年至今，金家渠煤矿先后建立了安全监测系统、调度通信系统和人员精确定位系统等，特别是2017被确立为智慧矿山建设示范矿井之后，对矿井原设计进行了系统升级完善。金家渠智慧矿山采用虚拟化技术和集中存储方式，建成矿端云管理平台中心，解决数据无法共享、本地扩容瓶颈等问题；采用桌面虚拟化，提高终端运行效率，方便运行维护；通过地面井下4G通信系统，实现有线和无线、固定和移动的高速互通，查看和接收矿井生产系统运行状态及实时信息；通过数据智能收集、分析并提供决策的生产管控智慧平台，形成集矿井生产、安全、技术管理功能为一体的协同管理系统；利用二维码技术将设备管理延伸到井下生产现场；4G通信系统、智能移动终端和手机APP实现了矿井管理全覆盖；三维漫游展示方式，使各接入子系统运行场景更加直观、简便。
2综合监控系统设计
综合监控系统依托矿井万兆工业以太环网，实现井下采掘作业、运输提升、机电设备、通风环境等信息远程传输与共享集成集控，并对现场的历史数据、实时数据进行整合形成企业生产信息，提供决策依据。系统使用C/S与B/S相结合架构设计，基于．NET平台开发。使用微软智能客户端技术，实现无接触部署、离线应用、自动更新、个性化用户界面，解决B/S与C/S结构在使用习惯与性能的差异。采用Wonderware大型组态软件进行二次开发，实现各环节设备的集中、协同、优化、联动控制等综合自动化功能。系统整体架构如图1所示。
图1综合监控系统整体架构图
2.1系统结构设计
综合监控系统包括设备接入层、过程控制层和信息层三个层次，生产过程执行系统（MES系统）和分析决策报表系统两个系统。
2.1.1设备接入层
根据金家渠煤矿底层子系统的建设情况及信息系统的建设情况共设计接入13类子系统和4个监测系统，系统硬件通过以太网通信接口，软件通过标准协议与各子系统连接，为实现过程控制提供基础数据保证。
2.1.2过程控制层
实现过程控制类子系统13类28个系统的控制，根据各个子系统的工艺流程实现远程一键手动/自动启停设备，针对异常数据进行分级别预警、报警，实现相关系统之间连锁、联动功能。
2.1.3信息层
建立综合自动化信息展示平台，采用面向对象技术，针对不同的数据信息（安全、生产、成本、监测数据等）进行综合分析，为企业决策者有效实施管理和制订计划提供依据。
2.1.4生产过程执行系统
生产过程执行系统即MES系统，涵盖综合集成平台管理、运行维护、设备运行管理、生产数量管理、作业绩效管理等功能，实施精细的生产过程管理，可解决煤矿计划管理层和过程控制层之间的断层问题，提高作业现场管理效能，实现生产运行控制信息化。
2.1.5分析决策报表系统
与Excel设计风格相同，使用者可自由地对报表进行重新设计和修改，多部门、多人员协同工作辅以报表处理、图表、表单、交互分析、数据填报、决策分析、移动APP等功能，综合各子系统提取的数据，实现类似媒体集团“中央厨房”的作用，更快更好地整合数据并产生报表供决策。
2.2子系统接入设计
综合监控系统以矿井网络物理链路为基础，使各子系统数据高效、可靠、实时传输，同时采用数据交互方式，保证多元化的子系统能够顺利接入平台。
2.2.1子系统接入方式
根据各子系统技术特点，目前采用以下三种接入方式：
（1）上位机接入方式：采集服务器通过以太环网及OPC、DDE、ODBC、FTP接口协议规范与子系统主机进行数据交换，安全监控系统和人员定位系统采用此接入方式。结构如图2所示。
图2上位机接入方式结构图
（2）PLC接入方式：针对自动化控制系统，采集服务器通过以太环网与PLC的以太网接口连接，安装在采集服务器中PLC的OPC Server与生产综合监控平台的采集服务器进行数据交换。结构如图3所示。
（3）嵌入式控制接入方式：针对采用嵌入式控制器作为核心控制器的子系统，通过内置的OPC/DDE Server，采集服务器通过以太环网及接口协议与子系统相连。结构如图4所示。
图3 PLC接入方式结构图
图4嵌入式控制器接入方式结构图
根据金家渠煤矿各子系统的特点，主要以PLC接入方式为主。各子系统接入后，将采集到安全、生产、成本等数据进行分析、整理、提取后，生成相应的图表为决策分析提供依据。
2.2.2数据交互方式
数据交互方式主要有OPC、ODBC和FTP三种方式。OPC（OLE for Process Control）基于微软的组件技术设计，采用C/S体系结构，可存取本地和网络其他节点OPC服务器数据，实时性和安全性高，综合监控系统直接读取使用数据；ODBC（Open Database Connectivity）基于数据库的数据交互，虽然实时性和效率性较低，但是可将实时性要求不高的周期性数据按规定的数据结构通过标准的访问数据接口写入指定的共享数据库的表中，综合监控系统可通过数据库的接口获取相关的数据信息；FTP（File Transfer Protocol）基于文件的数据交换方式，实时性和效率相对较低，通过提前设置好的文件格式，使用FTP上传工具上传至采集服务器上，供综合监控系统解析使用。
综合考虑数据交换的实时性和效率性等需求，数据交互方式采用以OPC方式为主，ODBC方式作为补充。
2.2.3子系统接入
金家渠煤矿接入子系统分为控制类和监测类，其中控制类有13项子类28项子系统，监测类有4项子类4项子系统，综合监控平台共设计了32个子系统的接入，通过对接入子系统数据的整合，展示于DLP大屏，便于生产指挥中心及时了解矿井的生产运行状态。目前，矿井主运输系统，+920主排水系统，中、北部10 kV主供电系统及压风系统已实现集中监测。中部工业广场10 kV变电所、压风机房、通风机房，北部工业广场10 kV变电所、通风机房，11采区变电所、13采区变电所7个作业点具备无人值守条件。具体信息如表1所示。
表1监控和监测子系统明细表
2.3系统辅助设计
2.3.1三维可视化系统
三维可视化系统采用GIS技术与虚拟现实技术，以矿井煤层、岩层、构造等信息为基础，构建出矿井采、掘、机、运、通各专业子系统仿真模拟，反映出矿井真实生产环境。系统与矿井煤矿地测数据进行无缝对接，实现巷道二三维自动生成，通过叠加各类环境参数、设备状态、人员分布等信息，对井下主要生产情况进行直观掌握，实现三维可视化管理。利用三维可视化系统结合安全监测监控系统以及人员精确定位系统实现对突发危险区域实时报警，实现事前预警、事中控制。通过使用深度学习的检测算法，可实现安防功能，对行人和车辆进行检测。
2.3.2 4G手机APP应用系统
通过手机APP二次开发，支持安卓及苹果IOS系统，整合应用各个系统生产数据，借助矿井4G无线通信系统，在井下使用本安型移动智能终端，在井上使用Android及IOS终端，可使用开发的APP实现语音、视频通话、实时查看综合监控平台以及其他整合系统的数据，掌握矿井生产运行动态，发现设备故障可通过维修工单及时联系职能部门及时处理，提升工作效率。
2.4物联网数据采集
综合监控系统平台是基于开源Hadoop进行数据存储和处理，对数据进行内在联系和内在价值的挖掘，构建以数据为核心的精准决策新模式。根据物联网构架，金家渠煤矿物联网可分为感知层、网络层、应用层3层。
（1）感知层由安全监测系统、人员精确定位系统等系统中所含甲烷传感器、一氧化碳传感器、ZigBee技术的人员定位分站、二维码标签、摄像头等多种终端感知设备用以采集作业环境数据以及设备信息。
（2）网络层对感知层获取的信息进行传输，目前主要通过矿井工业环网进行传输，随着金家渠煤矿4G网络覆盖范围的扩大以及技术的可靠性提升，形成以工业环网为主，4G无线网络为辅的覆盖整个矿区的物联网数据采集传输网络。
（3）应用层作为用户与物联网的接口，融入了煤矿的安全生产监测监控及预测、预警、决策功能。针对物联网采集数据建立统一的信息编码、传输、处理等标准，在生产环节中的重要设备上安装传感器，实现对设备的实时监测以及设备运行状态分析，完成对重要设备动态感知的目标，并根据现场情况进行远程故障修复，构建智慧矿山综合一体化物联网。
2.5大数据的处理
煤炭开采领域数据产出量及可供接入的设备数量较多，且增速快，然而煤炭大数据的利用及其价值亟待挖掘。大数据的特点：①研究海量数据。②研究事件间的相关性。③研究对象多样化。④快速处理能力。基于声音、电磁辐射、红外辐射、瓦斯涌出量、环境温度、采掘位置、气体浓度、水压、水位、设备温度、设备功率等一系列相关性数据，按照4 V特性（Volume-大容量，Velocity-快速性，Variety-多样性，Veracity-真实性）构建综合监控平台，提高数据采样频率，扩充采样的异构性，对数据进行筛选，剔除不真实数据。针对煤矿井下环境、灾害、人员活动进行高度耦合，并对设备性能下降，零部件磨损等难以量化的隐匿性问题进行预测预警。
利用现已建好的数据中心，采用“大数据”“云计算”等技术手段，逐步将过程数据、空间数据、业务数据、流媒体数据等整合为统一接口网关，建成功能完善、技术先进的综合管控一体化智慧矿山平台。通过大数据的处理，采用多种方式展现，进行数据的智能分析，提供决策依据。实现生产指标分析，发掘生产组织短板，提升生产效能。实现能效分析，围绕采煤机、转载机、皮带等重大设备的开机率、用电能耗等指标进行精准分析，提升设备应用效能。实现安全分析，对各类重大风险隐患的发现率、整改率、验收合格率进行动态追踪，提升安全防控水平。实现人员分析，从人员年龄、工种、部门、入井时长、三违数量等多种要素进行综合分析呈现，深入分析全员工效。
3运行效果评价
金家渠智慧矿山综合监控系统，运用Wonderware组态进行系统平台的开发，将三维可视化系统、CAD、GIS、MES系统进行深度融合，采用功能化、模块化设计，运用统一的数据中心将过程数据、空间数据、业务数据、流媒体数据整合为统一接口网关，通过大数据平台进行数据读取和存储，实现智慧化决策分析。综合监控平台通过对各单体子系统的集成，提取矿井的环境信息数据和矿井生产数据以及井下环境实时图像，方便企业掌握生产运行中各个环节的情况，提高矿井管理运行水平。综合监控平台利用万兆工业环网，传输平台、现场总线和无线技术将采掘、运输、供配电、给排水以及通风等系统的关键数据进行采集，实现远程控制，达到少人值守或无人值守；利用云计算、大数据、物联网、移动互联网、虚拟化、光纤通信等技术进行数据处理，将有效信息以组态方式展示在生产综合监控平台，同时将生产信息、预警报警信息等及时传达到客户端，为领导层的决策分析提供依据，从而提高了企业效益。
4结论
以金家渠煤矿为依托，开展智慧矿山综合监控系统构建及数据处理，获得以下结论：
（1）以物联网、大数据为支撑的智慧矿山综合监控平台应实现对数据信息的实时精准采集，加以配套的高速稳定传输网络，三维实景展现矿井生产要素和环境要素，实现从井上到井下、从宏观到微观、从决策到实施的立体衔接。
（2）满足智能化安全生产管控、调度指挥、风险追踪和预测预警等功能的综合监控系统，可实现灾害预警、安全生产、少人或无人开采。
（3）利用综合监控平台对各子系统采集的数据进行大数据分析，对井下、地面生产系统运行数据进行动态监测-联动控制，对供电、排水、通风、压风、皮带运输等系统实现地面集控。
（4）探索数据的关联性，实现监控实时化、系统集成化、数据海量化、分析决策在线化和智能化，构建数据分析模型进行预测预报。
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