基于位置服務的煤礦智能化綜合管控平臺研究與應用

劉道玉，程寶軍

(1.鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司生產管理部，河南省鄭州市，450042；2.河南省新鄭煤電有限責任公司，河南省鄭州市，451100)

1 智能化綜合管控平臺建設背景

煤礦智能化是實現煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，也是煤炭企業實現安全高效生產的必由之路[1-2]。其主要特征是通過對礦井人-機-環-管等要素進行全面感知、實時互聯分析，實現自主決策與反饋執行，通過對海量多源異構數據高效集成融合與挖掘分析，實現數據驅動礦井安全高效運營[3-5]。近年來煤礦自動化、信息化、智能化建設取得長足進步，許多煤礦都建設了自動化、安全監測監控、視頻監控、經營管理信息化等系統，由于缺乏統一的規劃，業務互聯互通不足，距離智能化、少人化目標存在一定差距[6-7]。

隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術的發展，實現跨系統多源異構數據的融合、業務聯動已成為可能，國內許多研究人員對智慧煤礦及煤礦大數據管控平臺進行了探討，對數據采集、存儲技術及分析利用進行了很多研究[8-15]?？傮w而言，目前國內煤礦大數據及綜合管控平臺應用還處于初級階段，主要表現在當前不同廠商提供的產品、設備所采用的通訊協議和數據結構“七國八制”，缺乏統一的數字底座，數據接入轉換次數多，造成各子系統間數據一致性差、互聯互通不足，數據積累多、分析利用少，難以發揮數據的價值。以鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司(以下簡稱“鄭煤集團”)所屬礦井為例，在安全監測、生產過程自動化、管理信息化、調度視頻監控等方面建立了很多子系統，但都是獨立的子系統，系統間缺乏統一的數據接入平臺，不能實現系統間數據共享、融合與聯動、大數據分析與應用。

煤礦生產過程中各業務流程環節相互耦合，產生的數據與地理信息系統中的空間位置數據具有較強關聯。位置服務無處不在，礦井離開了采掘工程平面圖就無法正常布置生產，也就是說離開了位置就無法實現生產服務。當前，煤礦實際工作越來越多地應用位置的增值服務，比如監測監控、應急救援、人員跟蹤管理、工作面與巷道布置、采區設計等，這些都是地理信息系統(GIS)引入煤炭企業信息化應用的增值。特別是，當前基于三維地理信息系統平臺的數字礦山工程建設給煤礦安全生產的位置服務帶來更大的空間，比如礦井正常生產調度、應急救援指揮、監測監控的三維展示與自動報警及其快速導航定位、人員下井路線與避災路線分析等。

為此，筆者嘗試把位置服務的理念引入煤礦智能化綜合管控平臺，通過空間位置、業務邏輯、事件關系把各業務子系統關聯起來，將位置屬性作為管控平臺的基本要素，構建融合位置服務的智能化綜合管控平臺，以實現對礦井安全生產的有效管控。

2 智能化綜合管控平臺架構設計

2.1 平臺整體架構設計

智能化綜合管控平臺通過底層泛在傳感網絡進行數據采集，并接入礦井人-機-環-管等要素各種狀態信息，具備數據統一接入、集成與邊緣處理功能，并賦予接入的數據以位置屬性，以此為紐帶對各子系統業務數據進行融合與聯動分析。位置數據來源于2個方面，人員、運輸車輛等實時移動類目標位置數據由實時定位監測系統提供，智能化采煤機、掘進機等移動類設備采用自帶的定位數據；非實時移動類目標位置數據由礦井GIS提供，如固定設備類位置源自定期更新的設備布置圖坐標，災害源監測探頭儀表類位置源自安全監測系統布置圖坐標。

以構建GIS“一張圖”平臺為基礎，以地理位置為關聯，集成安全監測監控類系統、生產過程自動化類系統、輔助生產類系統及業務管理信息化類系統等數據信息，建立智能化綜合管控平臺，通過對各子系統數據進行融合分析，實現礦井生產過程集中監測、預警聯動控制、安全精準感知、分級報警、應急聯動以及門戶應用等。該管控平臺基于統一數據標準、工業互聯網和微服務架構，采用“云、邊、端”協同模式部署，覆蓋煤礦安全、生產、調度、經營等業務領域，貫通智能生產執行層與智能控制層數據通道，實現生產集中控制和安全監測融合、管控協同。智能化綜合管控平臺整體架構如圖1所示。

(1)感知執行層。該層利用物聯網技術，通過井上下布置的各種傳感器、控制器、智能終端等感知設備，實時監測煤礦人員、設備、環境運行工況和生產狀態等參數，并對相關設備、系統進行控制，實時將現場感知的安全環境數據、設備工況數據、生產狀態數據及視頻監控數據等通過智能數據網關、傳輸分站、主站以及包括5G和F5G在內的工業傳輸網絡進行集中采集和傳輸。除瓦斯安全監控子系統獨立組網外，其它系統采用“現場總線+工業以太網+工業光網絡”融合組網模式，在規范軟硬件接口的基礎上，實現數據高效可靠傳輸。

(2)基礎設施層。該層可以提供硬件平臺，也可以部署和應用任意操作系統和應用軟件。在統一數據標準的基礎上，采用標準化數據格式統一接入智能網關，兼容各種礦用設備和子系統數據通信協議，實現結構化數據、半結構化數據及非結構化數據的統一接入；采用虛擬化和云計算技術構建礦井云數據中心，實現網絡資源、存儲資源和計算資源的統一規劃與集約部署。

(3)數據服務層。該層為應用層提供統一的數據分析應用服務接口和應用支撐，并對礦井感知、采集的各類數據進行抽取清洗、建模分析、可視化處理等?；谖⒎占軜?，提供數據管理融合服務(數據中心)、基礎技術支撐服務(技術平臺)及各種應用支撐服務(業務平臺)。

(4)應用層。該層為礦井各生產環節的不同業務需求提供相應軟件服務?；趹脤訕嫿ǖ闹悄芑C合管控平臺能夠對底層數據進行實時分析與處理，實現礦井安全生產管理的協同調度、集中管控，同時基于智能終端實現移動互聯應用與服務。主要包括基于時空GIS“一張圖”的安全監測系統、安全管理系統、生產監測監控系統、生產管理系統及安全生產大數據分析決策系統，并通過PC應用端、移動App、調度大屏等多種方式進行展示和體現。

2.2 平臺數據體系架構設計

海量多源異構數據安全、高效治理是構建智能化綜合管控平臺的基礎，為此，需要統一和規范平臺數據體系及其標準，以實現智能化綜合管控平臺的數據共享、系統集成、信息融合與聯動應用。智能化綜合管控平臺數據體系架構主要由數據采集與傳輸、數據存儲、數據服務、數據質量控制和數據信息安全等5個部分組成。智能化綜合管控平臺數據體系架構如圖2所示。

圖2 智能化綜合管控平臺數據體系架構

(1)數據采集與傳輸。主要采集包括安全監測監控、生產過程控制、目標定位、通信聯絡等系統的各種傳感器、監測儀表、控制器和執行機構等數據信息，為保證平臺應用層對這些數據的分析和利用，需依據物聯網編碼體系和規則，制定不同子系統的數據編碼和數據接口標準，以規范各子系統的接入和建設。數據編碼方面，監測監控各個子系統的數據編碼主要包括子系統類型、傳感器數值類型、傳感器類型、傳感器單位、報警/異常類型、傳感器關聯關系、實時數據狀態等方面的編碼。數據接口標準方面，監測類子系統的接入采用WebAPI的接口方式，控制類子系統的接入采用OPC-UA的接口方式。

(2)數據存儲。平臺數據分為元數據、主數據和業務數據，在數據存儲層面上，首先需要做好元數據和主數據的規劃和管理。在此基礎上，根據業務流程對業務數據進行梳理，設計數據模型和數據結構，完成業務數據的清洗、存儲，構建包括元數據庫、主數據庫、空間位置數據庫、實時數據庫、業務應用數據庫等在內的礦井綜合數據庫，采用大集中方式進行部署，形成全礦井1個數據中心。

(3)數據服務。提供所有與礦井數據資源相關的服務，支撐所有位置相關子系統的運行，包括實時數據采集服務、數據存取服務、實時數據推送服務、數據共享與交換服務以及大數據分析服務等，以實現全礦井各業務子系統數據的共享和交換。

(4)數據質量控制。通過對數據質量定義、檢核任務調度，持續監控各系統數據質量波動情況，進行檢核結果分析，定期生成各業務系統關鍵數據質量報告。

(5)數據信息安全。針對不同類型數據的重要性，采用不同的數據安全保護措施，以保障數據信息的完整性、準確性、有效性、一致性和保密性。

3 智能化綜合管控平臺關鍵技術

3.1 全息“一張圖”平臺及位置服務

礦井生產是一個動態變化的過程，涉及的信息都與三維坐標和時間有關。智能化綜合管控平臺要實現數據融合、業務聯動，必須將安全、生產、執行和經營等系統建立在統一的數據共享平臺上，地理位置是天然紐帶，可以將礦井各類數據和信息有機聯系起來。為此，需要構建基于統一數據標準的以空間地理位置為主線、以分圖層管理為組織形式的礦井GIS“一張圖”平臺，為智能化綜合管控平臺提供二三維一體化位置服務，同時提供生產專業協同設計、數據和信息集成融合、協同管理以及智能決策分析等專業應用?！耙粡垐D”是利用地理信息系統、數據庫、設計協同、信息訂閱與管理和工作流等技術，基于統一數據標準構建以空間地理坐標為主線的礦井空間對象時空數據庫，搭建設計協同平臺，為綜合管控平臺提供信息共享與協作服務。

“一張圖”以礦井采掘工程平面圖為底圖，融合各專業圖紙，實現“一張圖”上查看、管理各類礦圖和信息的功能，在對全礦井所有數據進行梳理的基礎上，將其通過地理位置進行關聯后存入數據庫，并以服務的方式分類對外提供?！耙粡垐D”包括綜合“一張圖”、地測“一張圖”、安全“一張圖”、通防“一張圖”、機電“一張圖”等專題圖，各個圖層可以任意選擇；基于“一張圖”的基礎地理信息服務接口集成人員定位、安全監測、生產自動化、工業視頻等系統的數據[16-17]，將礦井生產相關的人員、環境、設備、設施等生產運行信息在“一張圖”上進行展示，并可以調取井上下所有地點視頻畫面、設備運行參數、設備故障報警信息、區域人員信息、安全隱患信息、安全監控信息、水文測點信息等數據。

3.2 多源異構大規模數據處理

礦井數據源主要包括安全監測監控系統、生產自動化系統的實時數據，各專業管理信息化系統的關系型數據庫，各類信息隊列以及圖紙報表文件等各類文檔及音視頻等非結構化數據。底層統一接入自動化系統、安全監測監控、人員定位、視頻監控、語音廣播及各業務管理等數據并進行抽取、清洗，賦予位置屬性，基于Hadoop+Spark大數據架構，通過Hadoop HDFS、分布式數據庫Hbase和數據倉庫Hive實現大規模數據存儲，根據不同業務數據分析需求特點，利用大數據計算引擎Spark、Storm和Flink，提供大數據算法的實時或離線計算服務。針對實時生產數據，主要通過Node-Red[18]來實現與井下各類子系統的數據采集與系統控制。

Node-Red支持的協議較多，通過OPC的方式與自動化子系統通訊，形成與各子系統的數據采集與系統控制，通過FTP、WebSocket等數據交換、數據獲取的方式實現與安全監控、人員定位、廣播等系統的數據共享。針對信息化系統所涉及的關系型數據庫，數據產生的頻率相對較低，可通過開發組件將數據庫數據轉換為Xml或Json格式進行定時采集。在此基礎上構建的數據綜合服務平臺負責處理泛在感知層所有數據的采集、存儲、歷史數據查詢與統計、訂閱與推送，并對外提供接口，平臺屏蔽不同子系統廠家的差異，提供統一的數據采集工具，同時也屏蔽了不同數據庫之間的差異，只需通過接口便可以直接訪問數據，進行數據的查詢和統計操作。

3.3 多業務協同設計與管理

基于感知的礦井數據信息，實現各業務系統的協同管控，需要解決各業務系統間對礦井時空數據的動態更新與共享問題。礦井時空數據涉及地測、采煤、掘進、機電、運輸、通風、安全、調度等多個專業與部門，面向智能化開采的空間信息處理是一個多專業協作的工作流，是一種數據協同[19]。礦井空間信息協作的主體是礦井各業務部門的技術管理人員，協作的對象是煤礦智能化開采中的各類實體，實現煤礦井下空間信息的協同和高效管理是煤礦智能化的基礎和先決條件之一?；跁r空GIS“一張圖”平臺，構建礦井多專業分布式協同及數據信息共享機制平臺框架如圖4所示。

由圖3可以看出，采用1個數據中心和1個事務處理平臺(業務協同設計與管理平臺)的設計思想，提供數據上傳、數據更新、數據下載、數據更新提醒等服務，建立圖形、數據以及業務的動態更新和協作共享模式，使得各部門能夠實時、動態、全面地獲取到礦井其他各部門的最新相關信息，同時也為礦井安全、生產決策提供及時、準確、全面的分析數據。

圖3 多專業分布式協同及數據信息共享機制平臺框架

3.4 基于位置和業務邏輯關聯的多系統融合聯動

基于統一的數據標準和“一張圖”管理，智能化綜合管控平臺能夠實現多系統數據融合、聯動報警、聯動響應等。多系統融合包括安全監控、人員定位、井下4G/WiFi、調度通信、應急廣播等系統間的融合，以及生產自動化、安全監測監控、視頻監控與人員定位等系統間的融合。多系統聯動報警主要實現安全隱患、人員違章、設備故障等報警的多系統聯動，如采掘工作面瓦斯超限，可基于位置服務快速聯動人員定位系統、應急廣播系統、調度通信系統以及視頻監控系統。多系統聯動響應包括安全監測監控系統、人員定位系統、采掘工作面、主煤流運輸系統、通風系統、壓風系統、排水系統、供電系統、通信系統、視頻監控系統、大屏幕顯示系統等系統間聯動觸發機制、聯動響應與地理位置映射等。

多系統融合聯動的核心是數據標準、業務流程以及數據分析模型，一旦模型啟動，平臺將通過統一的數據服務與流程實現業務間聯動。為此，首先對井上下所有的安全、生產、通信、人員定位等各類系統進行集成實現數據融合，同時通過數據服務平臺實現數據訂閱與推送等服務，并基于預設的聯動流程實現關聯系統的聯動與協同。

3.5 基于大數據分析的綜合決策

為了更好地支撐礦井多系統數據融合、聯動報警、綜合決策的實現，基于前述的Hadoop+Spark大數據架構，采用內存計算技術(如Spark)、實時流處理技術(如Storm、Spark Streaming、Flink)和并行批處理技術(如MapReduce)相融合的計算框架，針對礦井實時監測監控系統高吞吐量、高并發、海量數據的特點，利用分布式實時計算流處理技術解決實時監測監控系統數據在線分析與處理問題，利用分布式離線批處理計算技術解決海量歷史數據多維度關聯分析問題，對產生、累積的數據進行分類統計與分析。

安全方面主要分析各類隱患、風險、違章、監測報警等信息，生產方面主要分析產量、進尺、設備開機率、原煤電耗、材料配件消耗等數據，當發現礦井安全、生產過程中存在問題時，及時進行預警報警。預警報警主要對自動化、安全監測、業務數據進行融合分析與監測，當監測到異常情況時進行信息提醒，提醒分為系統預警、系統報警、管理預警、管理報警4種類型，系統預警和系統報警主要對安全、自動化監測類數據進行分析，管理預警和管理報警主要對業務類數據和管理信息進行分析。在實現礦井人-機-環-管要素數據信息綜合集成的基礎上，以煤礦安全生產規程、規范、標準、安全質量標準化、作業規程、技術措施等為依據，建立并不斷完善安全診斷指標庫、預警報警指標庫、預報預警知識庫等，利用數理統計、數據挖掘等技術，對煤礦安全生產相關信息進行統計推理、關聯分析、綜合展示等，根據實時數據量化當前全礦井和各區域安全生產狀態，發現當前存在的安全風險和問題，診斷推理風險與問題發生的原因及可采取的處理措施。

4 智能化綜合管控平臺應用實例

智能化綜合管控平臺于2020年10月建成并試運行，2021年1月正式在鄭煤集團新鄭煤電公司進行了部署應用，實現了全礦井30余個在用系統的集成和優化?；凇耙粡垐D”，通過對底層人員、設備、環境及管理業務數據進行采集、抽取與清洗，匯聚至綜合管控平臺，實現了多源數據關聯分析、數據可視化、預測預警、指標評價等應用，實現了各業務系統的協同管控與聯動。智能化綜合管控平臺應用界面如圖4～圖6所示。

圖4 智能化綜合管控平臺“一張圖”主界面

圖5 智能化綜合管控平臺數據可視化駕駛艙界面

圖6 智能化綜合管控平臺預警報警界面

通過智能化綜合管控平臺“一張圖”主界面，管理人員可以實時獲取當前礦井的主要生產信息、安全信息、預警報警信息、值班及井下人員數以及各專業“一張圖”信息等。 通過智能化綜合管控平臺數據可視化界面，對礦井安全狀態、產量、進尺、設備工況、能耗等情況進行可視化數據駕駛艙展示。通過智能化綜合管控平臺預警報警界面，對各專業系統預警、報警信息集中展示，并及時推送提醒。當礦井安全監控系統區域報警時，智能化綜合管控平臺數據融合聯動界面可與應急通訊廣播、工業視頻、人員定位系統間進行聯動。

鄭煤集團新鄭煤電公司通過智能化綜合管控平臺的應用，促進了業務流程再造和優化，先后減少井下固定崗位用工60余人，打通了地測防治水、安全監測監控、綜合自動化、生產調度、安全管理等業務數據在礦井內部的橫向、縱向流通渠道，使礦領導和業務部門、區隊能夠及時、全面、準確地掌握所負責范圍內的礦井安全生產狀況，促進了部門、區隊間的業務協同，增強了礦井應急處置能力，促進了礦井安全高效生產。

5 結語

智能化煤礦綜合管控平臺以構建GIS“一張圖”平臺為基礎，以地理位置為紐帶，集成生產過程自動化類系統、安全監測監控類系統、輔助生產類系統以及業務管理信息化系統等數據，實現了礦井安全、生產、經營業務數據融合分析、管控協同，生產過程集中監控、預警聯動控制，安全精準感知、分級報警、應急聯動以及門戶應用等。雖然智能化煤礦綜合管控平臺對目標位置數據利用進行了初步嘗試，但還處于智能化初級應用階段。為了能給煤礦安全高效生產提供更好的數據支撐，還需要更好地應用大數據分析工具、利用人工智能算法對不斷積累的數據進行深度挖掘分析，以實現目標位置服務驅動的煤礦安全生產智能預警、動態診斷及輔助決策，促進礦井業務流程優化再造。