智能矿山一体化管控平台研究及实现
王立杰1,2，杨坤尧1,2，张素娜1,2 ，王培培1,2 ，杨洋1,2，孙琳琳1,2
摘 要：针对未来智能矿山，企业必须加强安全生产一体化智能管控平台建设，解决信息孤岛等难题。本文以某铁矿智能矿山建设为背景，以互联网、物联网、大数据、人工智能等为技术手段，论述了基于全矿采选的一体化智能管控平台的设计与实现。将该矿现场约18000点的工控数据按照时间域、系统域、工序域进行分类、对比、关联、分析和智能管控，并通过数据驾驶舱直观展现。实现整个铁矿采选生产全过程的自动化、信息化、智能化的高度融合，智能控制、智能预警、智能诊断。经初期使用验证，平台运行顺畅，达到减员增效、节能降本的目的，发挥出数据对生产的指导作用。
关键词：智能矿山；两化融合；大数据；可视化；一体化管控平台
近年来，我国在矿山管控组态软件应用、矿山算法分析软件应用、三维建模软件应用、数据集成平台应用等信息化建设方面取得了一定成果，万兆工业网络、具有故障诊断功能的传感器等亦开始出现应用[1-2]。但在智能决策、大数据分析等方面处于刚起步阶段，数据仍处于分散的型“孤岛”模式[3]，信息化程度低生产指挥和调度效率较低，各工艺作业协同程度低，冶金矿山行业两化融合水平仍落后于其他行业。国家大力推进矿山信息化的整体建设，提出了“两化融合”政策并推进实施。因此，针对未来智能矿山建设，企业必须抓住机遇，加强将各类控制数据通信技术、智能决策等技术集成为一体的智能化生产管控平台建设[4-6]。本文以中关铁矿智能矿山建设为背景，以互联网、物联网为基础，以大数据、人工智能为技术手段，建设一套一体化的生产智能控制平台，该平台具备数据自分析、故障自恢复、管理自提升等功能，最终实现整个矿山安全生产的智能决策和自动智能运行。
1 一体化智能管控平台概述
1.1中关铁矿智能矿山建设现状
中关铁矿提出并践行“安全、绿色、高效、智慧”新型现代化标杆矿山建设理念，至2021年完成了智能矿山自动化基础技术研究与实施，达到了各子系统自动化建设的预期目标。井下电机车有轨运输、溜破及主井提升、矿石上料及磨选系统、充填系统、尾砂压滤、矿井排水及通风、高压供配电、地表生产供水、井下人员定位及安全监测系统等实现了集中或自动控制运行。但全矿采选数据还处于分散的“孤岛”模式，信息化程度低，大量数据需要岗位人工记录和统计，信息收集难度大，生产调度效率较低；各系统之间数据无法融合互通和实现共享，不足以为科学决策提供支持。
1.2管控平台实现目标
打破全矿各系统之间数据“孤岛”，建立全矿采选系统数据建模与大数据分析系统，实现各系统数据联动，做到跨系统控制，多系统数据融合。通过对数据进行清洗、挖掘，将数据直观展现为矿山、作业区、班组等的生产状态，发挥出数据对生产的指导作用，提高生产排产计划指标准确率，提高生产效率，为打造数据工厂、透明工厂奠定基础。
1.3管控平台开发环境
采集层：通过矿区前端布置接口机将矿山的各种不同系统不同协议的数据，通过KingSCADA进行采集和数据整合，通过KingIOServer将数据用统一的接口传输到中心端，减轻系统的整体负荷。
存储分析层：包括KingHistorian数据库软件和KingCalculation计算引擎，把传输到中心端的数据通过计算、存储和分析，为安全生产提供数据支撑和综合性动态分析。
数据展示层：在任何时间可通过WEB方式在线浏览查安全生产的动态运行信息，及时准确地做好安全生产调度指挥和处理突发事件，消除安全隐患。
2 一体智能管控平台总体设计
一体化智能管控平台是在硬件基础设施的基础之上，构建智能计算环境与应用开发环境，主要包含平台层、应用层和交互层。图1为平台总体架构图。
2.1平台层
开发平台包括数据资源管理、智能计算平台和应用开发平台。其数据资源管理主要是对工业实时数据库、业务数据库进行统一的管理，具体包含实时数据、设备基础数据、人员数据信息、安全管理数据、生产管理数据及其他相关业务数据，并对数据进行规范化的处理；智能计算平台是提供从数据预处理、数据建模、构建业务分析流、模型管理等全过程的管理工具；应用开发平台则提供智能报表组件、图表Echart、工艺流程图、3D组件、视频组件、GIS及UI组件等，满足可视化应用的要求。
图1 平台总体架构图
2.2应用层
基于平台层可以开发出智能监测、智能报警、智能调度、生产管理、设备管理、能耗管理、智能报表、综合分析、系统管理等应用模块，实现生产的智能化调度、控制与管理，并可根据需要进行应用模块的扩展。
2.3交互层
一体化智能管控平台可提供多种交互方式，可通过浏览器对系统进行安全防卫，可随时共享平台服务和资源。其管理门户可以集成到企业的专用门户网站，实现统一的身份管理；生产门户可提供操作员站、集控中心大屏、驾驶舱等多种展示方式；移动门户支持移动端方式展示和访问。
3 系统主要建设内容
3.1一体化智能管控平台建设基础
中关铁矿智能矿山建设按照“整体规划，分步实施”的原则，已完成地表远程智能集控中心和数据中心的建设，搭建了井下千兆光纤环网，建设了Hyper-V虚拟化私有云平台，并完成了私有云平台升级和网络安全防护升级。升级后，该平台包括3台高性能服务器、2套微软WindowsServer2012 R2 Datacenter系统、4台SAN交换机、2台磁盘列阵，并对私有云系统框架整体优化和升级工业级的防火墙。为一体化智能管控平台的建设构建了基础的硬件环境。
3.2一体化智能管控平台主要建设内容
以满足矿山安全生产管控需要为出发点，结合中关铁矿智能矿山建设现状，该矿一体化智能管控平台主要建设模块包括：采矿地质资源动态管理、能源智能分析管理、生产调度智能化管控、智能业务营销、质量监测、人员定位及监测监控、数字孪生、设备管理、生产工艺综合管控等模块，最终实现各模块之间的融合及共享。
（1）采矿地质资源动态管理
利用该矿现有的3DMine软件，建立矿体三维模型、构造模型及品位模型，进度计划模型，配矿方案选定等，通过流程优化、现场三维模型资源整合，利用数据库技术把成果数据进行集中管理，实时动态掌握采矿环节。主要包含：开采矿房三维整体分布、单体矿房地质剖面图、矿房参数、采矿方法及采切工程、年产量核定及月采切工程量、采切施工计划等功能，实现基于三维的矿山计划编制。
（2）能源智能分析管理
结合现有工序能源消耗情况，建立矿山能源生产管控驾驶仓，对各系统关键工序能源数据进行采集、存储、分析管和理，及时发现能源使用的不合理现象并优化流程，实现能源监控和能源管理流程的优化与再造；建立以数据为依据的能源消耗评价体系，对全矿关键工序能源进行集中统一管理，最终实现能源调度的扁平化在线高效节能管控，通过能源监控指导和优化生产，降低能源成本。
（3）生产调度智能化管控
集成矿山各作业区的生产数据，将采矿、运提、上料系统、选矿、压滤、充填、精粉销售等生产环节的生产数据及设备运转、能源消耗、出矿量、视频监控系统等数据集成到生产作业数据填报页面当中，将生产指标、设备和能源数据等，接至集控中心；通过系统集成，自动获取各项生产指标，实现调度报表自动生成，实现数据的无缝集成和“不落地”传递，提高调度指令的及时性和准确性。
（4）智能业务营销
对矿山主导产品的采购及销售数据进行汇总分析，利用表格、饼图、曲线图等方式进行直观展示，实现业务营销信息化管理。可通过业务类型、客户、物料与时间统计销售完成的总车数、总皮重、总毛重等，进行销售查询、采购查询、物料发运查询等；通过绘制不同客户、不同物料的销售量曲线图，分析销售情况，为企业管理者提供决策依据。
（5）质量监测
建立质检监测模块对产品过程质量数据进行采集、计算、汇总，实现质量数据的统计与分析、异常报警、发布和共享等。其主要质检指标包括：按日统计原矿的全铁含量、亚铁含量、硫含量；综合精矿的全铁含量、亚铁含量、硫含量、细度、水分。质检取样指标包括：按日统计不同客户销售铁精粉的全铁含量、亚铁含量、二氧化硅、水分信息。
（6）人员定位及监测监控
在矿山现有人员定位及监测监控系统的基础上，建立人员定位及监测监控模块，实现井下六大系统与一体化智能管控平台数据联动。该模块主要功能包括：井下人员实时分布、携卡人员基本信息及下井考勤、井下超员报警、禁区警告、工作超时报警、携卡人员异常信息分布及报警；监测数据实时显示、空气质量柱状图显示、馈电及断电状态、超限值报警、异常状态、监测历史数据查询等。当井下人员所处环境指数超标时，系统将报警提示，并通过定位卡提示井下人员。
（7）数字孪生
通过三维可视化技术集成全矿传感器实时数据、运营管理数据、视频监控数据等，将数据、算法和决策分析结合在一起并建立模拟，通过虚拟映射实现实转虚和虚控实的控制过程[5]。最终集成生产监控、能源管理、质量监测、业务营销、人员定位与监测监控等模块，建立三维可视化模型，实时展示矿山总体、各生产车间及以上模块的实时状态数据，实现生产监控的精细化管控。其功能模块包括：生产监控三维建模、三维地图、矿产资源三维可视化、井下人员定位与监测监控系统三维可视化等。
（8）设备管理
通过该模块与矿山现有设备管理系统、SAP系统做接口，将设备出入库等数据接入平台，按照全工序跟踪设备、备件和物料的生命周期进行台账管理。重点对其运转参数，包括在线时长、维修情况、损耗情况等数据的存储、汇总与查询。
（9）生产工艺综合管控
采用3D建模和自动化系统相互融合技术对矿区重点设备、重要场所情况及生产数据等采用“一张图”的方式进行展示[6]。同时结合实际生产工艺，通过采集现有溜破及主井提升、上料及磨选、磁选过滤、充填系统、压滤系统等设备起停信号、设备运行状态参数信息，以3D流程图的方式实现全矿采选全流程工艺实时监控，实现各环节数据的融合后的洗涤、提取等，完成各系统数据的充分利用和有效指导生产。
图2 重点工序电耗分析界面 图3 质量监控界面
4 实现效果
系统建成后，将该矿采选工艺现场约18000点的工控数据在数据中心得到汇聚与存储，并按照时间域、系统域、工序域进行分类、对比、关联、分析与展现。实现了矿山生产业务场景、生产设备、矿产资源、井下地图的三维可视化展示及漫游；通过数据驾驶舱直观展现矿山各区域生产流程和地质资源管理情况；准确可靠的排产出采矿计划及设计；以生产运行控制为核心，围绕生产安全、生产设备、生产能耗进行计算分析，进一步联动控制现场生产节奏，实现全矿生产过程的自动化与信息化的高度融合和智能管控。系统存储速度150000条/S；生产排产计划指标准确率趋近95%；数据创效产出率提高15%。图2~3为平台功能模块界面。
5 结论
以中关铁矿智能矿山建设为背景，论述了一体化智能管控平台的设计与实现，将该矿现场约18000点的工控数据按照时间域、系统域、工序域进行分类、对比、关联、分析和智能管控，并通过数据驾驶舱直观展现。实现全矿采选数据建模及整个铁矿生产过程的自动化、信息化、智能化的高度融合，智能控制、智能预警、智能诊断。经实践验证，平台运行顺畅，达到减员增效、节能降本的目的，发挥出数据对生产的指导作用。
参考文献
[1] 谭章禄,韩茜,任超.面向智慧矿山的综合调度指挥集成平台的设计与应用研究[J].中国煤炭,2014,40(9):59-63.
[2] 阙建立.智能矿山平台建设与实现[J].工矿自动化,2018,0(4):90-94.
[3] 常晓娜,石勇,吴兴江.基于安全生产的智能煤矿管控系统[J].煤矿安全,2018,49(12):102-107.
[4] 陈杰.智慧煤矿管控一体化平台系统研究[J].煤矿安全, 2022,53(4):129-134.
[5] 韩斌,吴爱祥,王贻明,等.数字孪生净水厂运维管控一体化平台关键技术及应用[J].计算机集成制造系统,2021,27(2): 432-444．
[6] 黎佩东,许金,何桥.基于开源组件的矿井GIS一张图系统设计与实现[J].煤炭工程,2020,52(10):20-24.