矿业数智化发展的研究与应用

矿业数智化发展的研究与应用

肖萨

河南财经政法大学/昆山登云科技职业学院   215300

摘要：近年来我国的能源开采行业在探索转型发展,很多应用计算机技术的大型先进设备已经被应用在了生产领域，解决了效率问题，而安全问题和效益问题在一定程度上制约了采矿行业的总体发展。基于此本文重点探析了在矿山领域将现代信息、控制技术与采矿技术融合，在纷繁复杂的资源开采信息背后找出高效、安全及环保的生产路径，对矿井系统进行最佳的协同运行控制，并根据地质环境及生产要求变化自动创造全新的控制流程，实现矿山智能化对于带动开采行业产业结构调整具有非常重要的意义。

关键词：智慧矿山 物联网 信息采集 一体化平台

一、我国矿业现状分析

我国矿业以井工开采为主，近年来，通过智能化开采技术与装备的创新研发，在开采智能化技术与装备方面实现技术突破，全部装备实现了国产化。同时，创新开采理念和智能化生产模式相结合，形成了“集控中心可视化远程控制割煤，工作面无人操作”、“无人跟机作业，有人安全值守”等开采理念, 构建了“以工作面自动控制为主，集控中心远程干预为辅”的工作面智能化生产模式，实现了智能采煤技术的深刻变革，已建成一批现代化特大型安全高效煤矿,为全面推进智慧矿山建设和智能化开采发展奠定了基础。

我国矿山开采历经机械化、自动化、智能化的发展阶段，其中，矿山智能化建基于矿山自动化、信息化、数字化。智能矿山的发展大致划分为四个阶段。包括:1）20世纪90年代单机自动化阶段，该阶段分类传感技术和二维GIS平台得到应用，单机传输通道形成，实现了可编程控制、远程集控运行、报警与闭锁。2）21 世纪初综合自动化阶段，该阶段综合集成平台与3D GIS数字平台得到应用，高速网络通道形成，实现了初级数据处理、初级系统联动、信息综合发布。3）2010 年至今局部智能化阶段，此阶段经历了可视化远程干预(1.0时代)和工作面自动找直(2.0时代)两个技术阶段，目前正处于向透明工作面(3.0时代)研究过程中。该阶段的典型特征为BIM、大数据、云计算技术得到应用，实现了局部闭环运行、多个系统联动及专业决策。4）未来全面智能化阶段。

二、矿业数智化发展的研究的重要意义

当前中国处于局部智能化阶段，随着开采技术的解决，效率问题、安全问题和效益问题引起重要关注。2020年2月，国家发改委、能源局等八部门联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，首次于国家层面对煤矿智能化发展提出了具体目标，旨在推动智能化技术与煤炭产业融合、提升煤矿智能化水平、促进煤炭工业高质量发展。

矿业生产行业具备较高复杂性和危险度,过去由于受资源赋存条件、开发与利用工艺的复杂度、技术与装备水平等因素制约，煤炭自动化、智能化水平较低，重大安全隐患的智能监测、预测、预警等技术相对落后，导致煤矿事故频发。自我国煤矿行业进入局部智能化阶段以来，煤矿开采死亡率呈现明显的下降趋势，重大事故得到有效遏制。

为了提升矿企本质安全生产水平，达到透明化矿井和全矿井控制协同化的水平，基于现代智能化理念,将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、工业互联网、机器人化装备等与现代矿山开发技术深度融合，形成矿山全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的完整智能系统，实现矿井开拓、采掘、运通、分选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程的智能化运行的智能矿山4.0应运而生。

国家《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出，到2035 年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。目前，煤炭智能化开采还处于示范阶段，适用于条件较好的工作面，随着技术水平的提升，未来10-20 年内或将大范围应用。

三、矿山数智化技术

3.1电子技术

电子技术是矿山自动化技术中多种技术的关键技术。近年来，现代电子技术的发展非常快，以微电子技术和电力电子技术为典型，在很多领域都有着极为广泛的应用。机电设备中包含的各种电子器件非常多，各类电子器件的反应迅速、灵敏度高，这些特征使得各种电子器件在机电设备中的应用，提升了机电设备的可靠性与安全性。矿山机电自动化、监控系统中，电子技术不可或缺，在这一技术应用以后，就可以使得整个机电设备使用、采矿作业中的信息采集、检测、传输和处

理的便捷性。

3.2互联网技术

高性能的冗余容错以太网(FTE) 作为信息化建设的重要基础部分，以太网担负着整个矿井的数据传输任务。FTE极大地减少了我们的运行和维护成本,为提高系统的使用率和可靠性提供了理想的效果。它不仅提供容错能力，还提供了工业控制应用所需的快速响应、决策和安全性。

3.3信息化技术

矿业企业信息化建设主要包括矿产资源信息化、人力资源信息化、财务管理信息化、采购管理信息化、营销管理信息化、设备管理信息化、矿山安全管理信息化等的内容。矿业企业要想获得长足的生存与发展，就势必要进行信息化建设，将信息化技术广泛应用于生产经营过程中，以确保对矿山进行科学、合理地规划开发，从而提供生产运营效率，减少事故发生。

3.4数字化矿山技术

数字化矿山是采用计算机、网络通讯、多媒体、三维、数据库、过程控制、煤矿工艺等技术，综合生产、经营、管理、环境、资源、安全和效益等各种因素,将海量、异质、异构、多维、动态的矿山信息进行科学、全面、高效的采集、整合和管理，最大限度地挖掘和发挥矿山数据的潜能和作用，为矿山的勘探设计、资源评估、开采生产和市场运营提供现代化的管理手段和科学的决策支持，以增强矿山企业在市场中的竞争能力和适应能力，保证可持续发展。

3.5物联网技术

矿山物联网即工业物联网技术在矿山领域的应用，矿山物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，利用感知技术与智能装置对矿山物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现矿山人与物、物与物信息交互和无缝连接，达到对矿山物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的，发展方向是矿山开采的无人化、智能化。

四、HES智慧矿山平台设计实现

五、 智能化矿山建设的核心为数字化矿山，完整的数字矿山建设实施体系包括：以数字采矿软件系统平台为基础的测量、采矿、通风、产品质量控制技术协同的数字矿山研发中心；以安全监管与集成、生产过程数据集成、分析与管理，并为决策提供数据支撑的智能管控中心；以智能设备制造、数据采集运用及分析处理为主的智能制造中心及以数字矿山规划、虚拟实训为主的规划服务中心等。HES智慧矿山平台设计实现：

1）整体架构

基于工业物联网平台和大数据平台打造的智慧矿山平台旨在通过数字化管理、智能化分析和可视化呈现等技术手段，提升矿山监管的效率和质量，实现安全生产，提升产量，效率的目标。需要提供设备接入、数据管理、应用开发等全方位的支持和服务。

利用WISE-IoTSuite采用物联网业界先进的物联网平台的架构，可轻松快速打造工业物联网云平台，它使您能够轻松安全地连接，管理和吸收大规模的物联网数据，实时处理和分析/可视化数据，作为工业物联网通用平台的基底，提供端到端一站式的完整平台建置方案，可快速实现设备联网及数据上云，涵盖了数据传输与存储，云原生微服运用平台，数据融合与协同管理。

通过IoTSuite可以实现各类设备数据上云，设备管理、数据管理、应用管理和安全管理等功能，提升平台的稳定性和可靠性。同时通过DataInsight数据集成与分析服务，可帮助用户对接各IT系统的业务数据，将这些业务数据进行统一集成，计算与存储，计算统计出的指标用于建设数字化决策中心，给管理者提供基于数据驱动的决策。

以IoTSuite工业云平台为基地建设的主要特点是：边缘端采集提供丰富的智能网关和边缘采集软件，支持上百种工业协议，可以接入各类设备和矿山案场的数据采集。平台端提供统一的数据接入与管理能力，提供各种数据存储方式可方便查看实时和历史数据，收集了大量数据之后，可进行综合，智能的探索分析，或利用大数据分析的相关功能进一步挖掘数据的价值，让企业真正做到数据驱动决策。

2）数据采集

边缘流数据处理服务IoT Edge采集支持多种工业协议，支持各类设备和工业案场的数据。对采集的数据，IoT Edge边缘节点可以对数据进行分析处理后再选择发送到云端、数据库或其他第三方平台，保证有效数据传输，节省流量成本。

3）数据上云

设备连网需云端连接和边缘设备连接组成。在上传通路中，数据传输服务为数百万物联网边缘设备和物联网数据中心之间建立可靠和安全的双向通信。下载通路中，边缘智能网关通过有线或无线技术提供传统工业设备的连接支持。设备连网可分成云端连接和边缘连接两部分。

4）业务系统数据集成

智慧环保平台在项目现场，针对不同的企业信息化建设的环境，很难免存在和第三方信息化系统集成的问题，要进行数据的互联互通。或政府监管的要求，要获得第三方的一些标准数据或将数据计算的结果要分享给第三方的系统。DataInsight提供的数据集成和分析平台，用于连接企业系统中的离散数据源，对数据进行统一编目、查询、关联和处理，并提供统一的数据访问接口与可视化分析报表给前端应用使用，在技术与服务的双轮驱动下，帮助企业实现以数据驱动决策，最终达成运营效率的提升和效益的改善。

5）业务系统数据计算与分析

目前支持SQL开发和自定义扩展函数两种方式，底层都采用Spark作为大数据计算引擎，结合列式存储、并行内存计算、定时数据更新等策略，实现大体量数据的抽取、计算和分析。

6）低代码数据可视化

低代码数据可视化服务是一个数据分析和可视化的工具，可连接常用的数据库，并和WISE-PaaS平台数据无缝整合，快速制作各种常用和工业物联网领域专有的报表展示，提供场域图绘制，透过WISE-PaaS/Dashboard应用构建框架（SRP-Frame）无需开发即可快速构建应用。

HES智慧矿山平台提供从边缘采集，平台管理，到应用的解决方案，还有软件硬一体的方案，减少客户集成的负担。同时工具型的平台也具有完全的开放性，供二次开发使用。首先

提供了简单易用的资源管理界面，降低用户使用Kubernetes的门槛，为用户提供云基础资源的管理。其次，为用户提供应用开发的环境和应用部署，升级，资源调配等管理能力。另外，提供物联网数据和业务数据接入的能力，同时把物联网的数据可与业务数据融合，进行计算分析，完成IT&OT的融合。基于IoTSuite构建的数据平台作为中心云，可以集中管理部署在多个场域的边缘节点，海量的IoT数据在本地完成就近的过滤筛选和统计分析之后，就可以在汇入中心云进行融合分析和统一决策，从而实现数据的边云协同。IoTSuite把云原生的能力延伸到边缘，基于IoTSuite构建的工业APP，可以不用修改一行代码，即可以部署于以上四种云平台方案。实现一次开发，多端部署。

六、结语

矿业开采生产运用物联网、大数据等新-代信息技术对其进行智能化建设，是适应现代工业技术革命发展趋势、保障国家能源安全、实现煤炭工业高质量发展的本质支撑。构建新的智能模式,实现矿山资源与开采环境数字化、信息传输网络化、技术装备智能化、生产过程控制可视化、生产管理与决策科学化,实现“安全、高效、智能、绿色”矿山，提高矿山企业核心竞争力,是矿山企业生存和发展的必经之路。

在智能化矿山体系构建与实施过程中，要在统一规划部署之下，建立客观基础条件建设、核心平台打造及其安全性能提升、潜力分析、指标提升、持续完善的建设投入与产出成效对应关系,进一步使智能化矿山建设的各个系统、过程控制及评价参数发展更和谐，使建设与应用效果更科学。同时也在整个矿山智能化过程中的建设、实施、应用的大循环中形成了闭环，使其综合体系更科学、更完善。

智慧矿山平台建设成为了矿业企业转型升级的必要选择。智慧矿山平台通过物联网技术，实现对矿山所有关键设备和环境参数的实时监测和数据采集，并依据实时监测数据进行预测和预警，提供预防性和响应性的控制措施，最终实现对矿藏开采、生产运输、设备维护等环节的精细化管理，提高生产效率、减少事故频发、提高质量和可靠性等。

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