• (010)84657853 84657852 84657855 84658665
  • (010)84657900
  • mt@zgmt.com.cn
  • 北京市朝阳区芍药居35号中煤信息大厦(100029)

★ 智慧矿山 ★

煤矿智能化建设目标和总体框架的研究与设计

王 翀 魏立科 张冬阳 徐志明

(应急管理部信息研究院,北京市朝阳区,100029)

摘 要为了推进煤矿智能化转型升级,提升煤矿安全生产水平,增强煤矿企业的核心竞争力,对煤矿智能化建设目标和总体框架进行了研究,提出了煤矿智能化建设“四横四纵”总体框架,并详细介绍了智能化的生产系统、高速安全的传输网络系统、智能支撑平台、智慧协同管控系统的煤矿智能化主要系统建设以及安全可靠的运行保障体系、严谨全面的标准规范体系、统一完备的煤矿智能化工作机制以及创新实用的产学研用机制的煤矿智能化体系与机制建设。

关键词 煤矿智能化 智能系统 高质量发展 智慧矿山 煤矿机器人

随着《国家能源安全战略行动计划(2013-2020)》中“四个革命和一个合作”战略要求的提出,国家能源局确定了《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》中“节约、清洁、安全”三大能源战略方针和“节能优先、绿色低碳、立足国内、创新驱动”四大能源发展战略,部署了增强能源自主保障能力、推进能源消费革命、优化能源结构、拓展能源国际合作、推进能源科技创新等能源发展改革的重点任务。与此同时,煤炭安全生产及节能减排相关政策的出台与市场竞争的加剧,这使得煤炭行业的发展面临新的挑战[1]

目前,煤炭行业处于四期叠加,即“需求增速放缓期、过剩产能和库存消化期、环境制约强化期、结构调整攻坚期”,煤炭行业必须不失时机地改革创新,促进转型升级。以云计算、物联网、大数据为代表的新一代信息技术与传统煤炭行业融合创新,充分发挥互联网在本行业生产要素配置中的优化和集成作用,将对行业整体提升科技实力、树立品牌形象、提高经营质量等方面产生重大而深远的影响。同时,应推动煤炭行业的发展进入新形态,形成新的产业增长点,促使传统煤炭行业转型升级[2-4]

从企业发展来看,随着科技进步和其他清洁能源的发展,煤矿企业求生存、高质量、高效益发展的需求越来越紧迫,要实现煤矿企业的可持续发展,必须以科技创新为突破,以先进技术为引领。从煤矿生产来看,企业发展仍存在制约因素,其中最为突显的是基层一线职工趋于老龄化,35岁以上的职工占比59%,其中40~50岁职工占36%,且多数为生产技术骨干,35岁以下的职工占比41%,而且一线人员流失比较严重,人员老龄化和生产组织矛盾日益凸显,严重制约和困扰企业安全的生产和发展。[5-6]。因此,建设安全高效的绿色智能矿山,以引领煤炭行业高质量发展势在必行。

1 煤矿智能化建设的目标和总体架构

煤矿智能化应以“安全、高效、绿色”为目标,运用物联网、大数据、云计算、移动互联等技术手段,构建具备“人、机、环”信息全面感知、自主融合、动态辨识、有效预警、协同控制的智能系统,实现按需生产和“人、财、物”高效流转。通过综合运用各种感知技术,更加全面、准确、实时地感知人、物和环境的信息;运用网络、通信、集成等技术,实现人与人、人与物、物与物之间的信息交换以及系统间的横向集成和纵向互通;运用数据挖掘、知识发现、专家系统等人工智能技术,实现生产调度指挥、资源预测、安全警示、突发事件处理等决策支持。

当前,我国煤矿智能化建设正处于初级阶段,将从单个系统、单项技术的智能化(一个系统、一个岗位的“点上的无人”),过渡到多个系统的智能化(部分系统的集成,“面上的无人”)。目前煤矿智能化工作的主要重点集中在生产环节,如何实现采、掘、机、运、通等方面的智能化建设目标,如何构建智能化煤矿总体建设框架,打造“国际一流、国内领先”的“安全、高效、绿色、可持续发展”的新型现代矿井,是摆在我们面前的主要任务。[7]

1.1 煤矿智能化建设目标

采煤工作面智能化、掘进工作面智能化、主/辅助运输系统智能化和通风系统智能化等是煤矿智能化建设的主要任务,也是煤矿智能化初级阶段的建设目标。

(1)采煤工作面智能化。采煤机、液压支架、刮板输送机等综采设备能够实现三维空间位置高精度监测、姿态精准感知、故障诊断与自动调直,并实现集中、就地、远程和协同控制,主要生产流程一键启停。

(2)掘进工作面智能化。满足煤矿巷道安全快速的掘进需求,具备井下环境感知、精确定位、自主移动导航、定姿定形定向截割、多工序智能协同控制、 数字孪生远程智能监控等核心功能,实现煤矿巷道探测、掘进、 支护、清运快速协同作业。

(3)主/辅运输系统智能化。主运输系统实现集中控制,煤流运输线设备逆煤流启动,顺煤流停车,分析并调整工作状态,并实现无人值守功能;辅助运输系统具备煤矿井下高精度导航定位、深部地下受限空间内防爆运输设备无人驾驶、全矿井人员及物资智能调度等核心功能,实现煤矿物料标准化装载、智能化配送、自动化转运、无人化运输。

(4)通风系统智能化。主要通风机具备无级调节功能,主要进回风巷间的风门实现自动控制和远程控制功能;主要通风机的正常启动、反风和风机 切换实现一键式操作;主要通风机集中监控,不设专职司机,实行巡检制度,主要通风机房设图像监视;在线监测主要通风机的运行参数,相关数据可以存储、查询;局部通风机实现地面集控,煤及半煤巷局部通风机具备调速的功能。

1.2 煤矿智能化建设总体架构

按照煤矿智能化的建设目标,应构筑煤矿智能化发展“四横四纵”总体架构[8],“四横”是指煤矿智能化建设中的系统和平台,包括智能化生产系统、高速安全的传输网络系统、智能支撑平台和智慧协同管控系统,“四纵”是指贯穿煤矿智能化建设中的支撑体系和机制,包括安全可靠的运行保障体系、严谨全面的标准规范体系、统一完备的工作机制和创新实用的产学研用机制。煤矿智能化建设总体架构如图1所示。

图1 煤矿智能化建设总体架构

2 煤矿智能化主要系统建设

2.1 智能化生产系统建设

针对采掘工作面生产过程复杂、开采装备系统庞大、作业环境恶劣等特点,在机械化开采、自动化开采的基础上,进一步推进信息化和工业化深度融合的煤炭开采技术革命,大力开展采、掘、机、运、通、智能化创新及智能化关键技术和装备研究、试验及应用。

(1)智能化综采工作面。通过构建由一个核心控制系统、七大子系统组成的智能化控制系统,实现工作面液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机、乳化液泵站、电力负荷系统的协调联动控制,完成综采工作面生产过程自动化控制功能,提高生产效率;对主要生产设备工况进行实时在线监测、及时发现故障隐患,提高设备开机率;对工作面的相关信息分类整理,通过工业环网将数据上传地面调度中心,采用地面调度中心将数据融合到基于物联网技术的综放设备智能化管理系统,实现数据共享、远程管理和深度利用[9-10]

(2)智能化掘进工作面。通过使用EBZ系列纵轴式掘进机+巷道超前临时支护+履带式锚杆钻车,以及使用快速掘锚一体机+锚运破一体机,和TBM盾构掘进等多种快速掘进工作面装备配套方案,以实现多掘一锚,掘锚并行作业工艺的快速机械化掘进作业。通过“以工作面自动控制为主,集控中心远程干预为辅”的自动化掘进模式进行研究,达到掘进工作面少人化的目标,为实现煤矿井下安全、高效快速掘进提供基础。

(3)智能化主运输。通过建设主运输智能控制系统来实现带式输送机的智能保护、智能联动控制、智能调速及对煤流运输的全方位、多角度的智能监测控制。主运输智能控制系统由远程监控、传输网络、现场控制设备等组成。远程监控部分主要由SCADA监控软件、监控客户端及配套外设组成,实现远程监控和存储查询功能;传输网络采用工业以太环网平台;现场控制设备主要由胶带运输监控、X射线探伤和带式输送机撕裂检测预警等组成。

(4)智能化辅助运输。采用“齿轨一体化”方案和“全矿单轨吊一体化”方案,两种方案遵循保证生产、逐步推进的理念,分两个阶段实现智能化改造。首先完成从地面工业广场到井下工作面的一站式连续化运输改造,实现初步的减人增效,同时降低运输安全隐患;在实现一站式连续化运输改造的基础上,进行机车的电气化升级,运输智能化辅助系统的升级,实现最终的无人驾驶,智能辅运。

(5)煤矿特种机器人应用。在井下研究配置主运输系统皮带巡检机器人,井下变电所、水泵房巡检机器人及危险气体巡检机器人三大类特种机器人实现替代人工作业,减少井下作业人数,提高巡检工作的智能化水平。

2.2 高速安全的传输网络系统建设

针对现阶段煤矿传输网络易受干扰、传输数据量小、传输速率低和覆盖不全面等特点,建设井上井下全覆盖的万兆高速传输骨干网络。结合井下4G/5G无线通信网络、WIFI、软件定义网络(SDN)、 IPv6、专业数字集群(PDT)等技术,综合工业以太网、宽窄带无线通信网、物联网、专网、互联网等手段,建成井上井下一体、全域覆盖、全程贯通、韧性抗毁的通信网络,解决所有子系统信息传输通道。

(1)“一张网”传输平台。企业管理网络是通过井下光纤建立高速的网络联接骨干线,实现生产、运营层面各个区域互联互通的“一张网”,建立覆盖矿井工业场地、行政办公、安全生产和视频会议的独立网络,链路设计采用万兆骨干、千兆汇聚、千兆到桌面,井上WIFI覆盖的方式;工业控制网是通过解决所有子系统传输物理通道,将矿井各环节系统(采煤、掘进、机电、运输、通风等)的设备工作状态信息、生产信息、安全信息实时传递到矿井生产安全调度指挥中心,为矿井的生产综合监控平台提供一个高速、安全、可靠的信息传输基础平台。

(2)井下4G/5G通信网络。建立煤矿井下基于4G TD-LTE技术的无线宽带专网通信平台。实现矿井无线宽带覆盖,通讯下行速率为100 Mbit/s,上行速率为50 Mbit/s,以满足监控数据、语音、图像和控制等多种信息实时传输的要求,并实现与工业环网的无缝对接和有线、无线的网络优化功能。相比4G,5G大幅提高了网络部署和运营的效率,频谱效率提升5~15倍,支持0.1~1 Gbps的用户体验速率,具有100万/km2的连接数密度、毫秒级的端到端时延、每平方公里数十Tbps的流量密度以及500 km/h以上的移动性和数十Gbps的峰值速率。特别适用于需要解决远程控制、无人驾驶所需要的流量密度高、低延时的智能工作面、智能掘进工作面和齿轨车无人驾驶的应用场景。完成基于统一平台开发的井上、井下无线终端部署,实现全网的有线、无线调度功能,具有强大的“视频+语音+数据”的多媒体通信能力,并实现全网数据的无障碍传达及获取能力[11-12]

2.3 智能支撑平台建设

针对煤矿数据处理功能和应用支撑服务无法满足现阶段的要求,建设煤矿云化大数据中心,提供性能强大、弹性计算、异构兼容的云资源服务能力;构建全方位获取、全网络汇聚、全维度整合的海量数据资源治理体系。建立煤矿应用支撑服务平台,实现各系统统一数据、统一接口、统一服务和统一应用。

(1)云数据中心。采用当前最先进的设计理念,即 “云—边—端”三位一体化信息服务的架构,为煤矿智能化实现智能感知、智能交互、智能决策提供技术保障。云负责全局结构化数据推理分析能力和资源管控力,实现对分支站点的管理及配置;边缘计算提供快速、高效、精准的实时响应,承担大量的数据处理及计算功能,可有效缓解云端计算压力;端实现IOT数据实时采集及传输[13]

(2)煤矿应用支撑服务平台。由智能网关、三维GIS平台、组态化平台、实时数据综合服务平台、设计协同平台、后端服务平台、BI及报表工具组成,实现煤矿各系统统一数据、统一接口、统一服务和统一应用。智能网关用于统一煤矿各个系统数据接入的标准和接口定义;二维GIS、三维GIS和组态化平台用于提供矿井生产和安全信息综合“一张图”展示;实时数据综合服务用于所有感知层数据的采集、存储、历史数据查询与统计、订阅与推送,并对外提供数据接口服务;设计协同平台用于打通煤矿内部不同专业、不同科室之间的协同合作;后端服务平台为上层应用提供统一的服务支撑;BI工具用于提供工作所需的报表、大屏展示等应用功能。

2.4 智慧协同管控系统建设

协同管控系统建设内容主要为“1+5+1”业务体系,“1+5+1”业务体系为一个综合门户+五大业务域+一个管控平台。

(1)综合门户。综合门户向用户提供统一的登录入口,便于用户快捷、一站式访问整个协同管控系统。

(2)感知监测业务域。感知监测业务域通过对生产现场的实时监测,全方位掌握各生产单位的生产情况,避免违规作业,及时发现问题,确保安全生产。

(3)生产经营业务域。生产经营业务域实现矿井生产经营管理过程中各流程及制度的电子化、信息化,实现经营管理精细化,提升企业整体管理水平,为矿领导决策提供有效依据。

(4)生产执行业务域。生产执行业务域中机电管理、一通三防管理系统的补充使整体生产执行体系更加完善,新增加的生产分析等综合分析功能将决策依据、管理思想进行系统固化,围绕决策有效性,能够有效提升煤矿管理和决策分析水平。

(5)指挥救援业务域。指挥救援业务域使救援资源得到充分利用的同时,协同有效地将避灾与抢险管控起来,确保救援工作科学合理,提升了事故应急救援指挥能力。

(6)安全保障业务域。安全保障业务域实现煤矿安全态势综合分析、灾害风险实时动态评估、隐患关联预测研究、事故预警与原因溯源研究等功能,提升了隐患、风险应对能力,为矿井安全、高效开采,提高生产过程中“人、机、环、管”的安全水平提供了保障。

(7)综合管控平台。综合管控平台基于实时、准确的基础地理空间服务支撑,将矿井的生产状况、资源状况、安全状况等各类信息接入到平台框架中进行展示和应用,为安全生产决策提供技术保障,提高矿井层面综合分析能力和应急响应速度,从而为企业宏观管理、安全生产、领导决策提供有效支撑[14-16]

3 煤矿智能化体系与机制建设

3.1 严谨全面的标准规范体系

煤矿智能化总体标准作为其他层面标准的统领和基础依据,界定了煤矿智能化标准的范围,为其余标准提供基础支撑;煤矿智能化评价标准作为煤矿智能化建设和煤矿信息化建设的查错依据和升级举措,用来评估煤矿智能化标准实施建设情况,保持标准体系的生命力;感知网络标准、传输网络标准、生产系统标准、信息资源标准和业务系统标准作为煤矿智能化建设的技术支撑标准和业务支撑标准;运维管理标准和信息安全标准作为煤矿智能化建设的保障标准,对上述5个层面进行补充和完善[17]

3.2 安全可靠的运行保障体系

建立全面立体的安全防护体系和科学智能的运维管理体系,实现对煤矿智能化信息系统、人员、重大设备的多层次、全维度的安全防控,部署智能化运维管理系统,对建立完善的运维管理制度和运维反应机制,保障煤矿信息网络以及应用系统安全、稳定、高效、可靠地运行,十分必要。主要通过煤矿智能化综合协同管控中心的智能决策模型进行自动决策,保障矿井人、机、环、管全方位的安全,并通过反馈信息主动进行决策再优化。

(1)信息系统安全保障。建设和完善信息安全监控体系,加强煤矿企业信息安全规范建设和标准化建设,加强对信息安全保障工作的领导,建立健全信息安全管理责任制,确保信息安全、网络安全和网络空间安全。

(2)人员安全保障。在个体防护和系统防护方面开展研究,提供人员所处环境参数的实时采集、无线语音通话、视频采集上传与远程调看、危险状态逃生信息的实时获取等功能。

(3)系统安全保障。将井下环境的实时监测信息、重点区域的安全状态实时评估及预警信息与井下人员进行实时互联。

(4)机电设备安全保障。具有智能化的设备点检与运维管理能力,提供设备在线点检、损耗性部件周期性更换提示、健康状态实时评估等功能。

(5)环境安全保障。具备灾害实时在线监测、井下安全状态实时评估及预测预警、降害措施自动制定能力。

(6)安全管理保障。具备自动进行风险日常管控、自动定期进行安全风险辨识评估及预警分析、多维度自动统计与分析隐患的能力,具有手持终端现场检查能力,实现隐患排查任务的自动派发、现场落实、实时跟踪、及时闭环管理。

3.3 统一完备的工作机制

建立集团统一领导、煤矿各级部门分工协作的工作组织领导体系,建立覆盖项目建设全过程的协调联动制度机制、项目管理制度,完善应用考核机制,推进形成煤矿智能化全集团 “一盘棋”工作格局[18]

(1)加强组织领导。推进煤矿智能化“一把手”负责制,成立煤矿智能化工作领导小组,统筹推进煤矿智能化建设。

(2)明确职责分工。充分发挥业务部门在煤矿智能化建设中的需求引领和应用建设的主体作用,信息化部门会同支撑单位做好基础平台建设与技术保障。

(3)完善项目管理。强化煤矿智能化建设相关政策法规支持,建立健全项目管理和专家咨询制度。完善项目建设组织机构,合理制定项目实施计划,加强风险评估和管控,确保全过程受控,严把工程质量。强化第三方测评、检验和评估在项目检查、验收中的作用。

(4)注重绩效评估。建立煤矿智能化工作考核评估体系,纳入各部门、各单位综合评价和绩效考核范畴。建立常态化评估机制和重大事件通报制度,加强工作检查和督导。将考评结果作为工作改进完善的重要依据,总结经验,形成闭环。

3.4 创新实用的产学研用机制

培育专业化的技术研究团队,打造煤矿专业人才培养体系,加强各类先进技术攻关、融合与集成创新,建立开放的“产学研用”技术创新机制和产业生态,才能调动全社会力量共同参与煤矿智能化建设。

(1)加强技术力量整合。推进部属技术支撑保障力量、教学科研力量整合,加强与相关领域国内外知名高校、科研院所及信息技术领军企业的长期稳定合作,弥补自身技术力量不足。

(2)加强先进技术融合。促进云计算、大数据、物联网、人工智能、移动互联等新一代信息技术与煤矿智能化深度融合集成,开展新技术应用示范工程,推进军民融合。

(3)加强专业人才培育。始终把提高全员应用能力水平摆在首要位置,不断提高领导干部运用数据分析问题、解决问题的能力,加强全员信息化素质培训教育,建设复合型、创新型核心人才队伍。

(4)加强关键技术攻关。充分与煤矿智能化科技发展相结合,组织人工智能、大数据前沿技术研究,组织实施重大专项与重点研发计划。营造创新氛围,支持科技成果的应用转化。

4 结语

煤矿智能化建设前景广阔、意义深远。积极推进煤矿智能化建设,是促进煤炭行业高质量发展的重要举措,同时也是建设“安全、高效、绿色、可持续”发展矿山的必然选择,是提高矿企核心竞争力、实现可持续发展的必要条件。通过构筑“四横四纵”总体建设架构,可将我国煤矿打造成“国际一流、国内领先”的“安全、高效、绿色、可持续发展”的新型现代化智慧矿井。

参考文献:

[1] 谢和平,王金华,王国法等.煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想[J].煤炭学报,2018,43(5):1187-1197.

[2] 王国法,刘峰,庞义辉等.煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J].煤炭学报,2019,44(2):349-357.

[3] 王国法. 如何正确认识并理解煤矿智能化[N].中国煤炭报,2019-03-19(004).

[4] 孙继平.煤矿信息化与智能化要求与关键技术[J].煤炭科学技术,2014,42(9):22-25,71.

[5] 谭章禄,吴琦.智慧矿山理论与关键技术探析[J].中国煤炭,2019,45(10):30-40.

[6] 吕鹏飞,何敏,陈晓晶,鲍永涛.智慧矿山发展与展望[J].工矿自动化,2018,44(09):84-88.

[7] 王国法,王虹,任怀伟等.智慧煤矿2025情景目标和发展路径[J].煤炭学报,2018,43(2):295-305.

[8] 陈晓晶,何敏.智慧矿山建设架构体系及其关键技术[J].煤炭科学技术,2018,46(2):208-212,236.

[9] 王国法,赵国瑞,任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J].煤炭学报,2019,44(1):34-41.

[10] 王国法,张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[J].中国矿业大学学报,2018,47(3):459-467.

[11] 孙继平.煤矿信息化与自动化发展趋势[J].工矿自动化,2015,41(4):1-5.

[12] 孙继平,陈晖升.智慧矿山与5G和WiFi6[J].工矿自动化,2019,45(10):1-4.

[13] 李小四,马建民,王莹莹.智慧矿山建设的演进及发展趋势[J].工矿自动化,2019,45(9):65-69.

[14] 毛善君,夏良,陈华州.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.

[15] 毛善君,刘孝孔,雷小锋等.智能矿井安全生产大数据集成分析平台及其应用[J].煤炭科学技术,2018,46(12):169-176.

[16] 毛善君,崔建军,令狐建设等.透明化矿山管控平台的设计与关键技术[J].煤炭学报,2018,43(12):3539-3548.

[17] 谭章禄,马营营,郝旭光等.智慧矿山标准发展现状及路径分析[J].煤炭科学技术,2019,47(3):27-34.

[18] 韩茜. 智慧矿山信息化标准化系统关键问题研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2016.

Study and design of overall framework of coal mine intelligent construction

Wang Chong, Wei Like, Zhang Dongyang, Xu Zhiming

(Information Institute, Ministry of Emergency Management of the PRC, Chaoyang, Beijing 100029, China)

Abstract In order to promote the intelligent transformation and upgrading, improve the level of safety production of coal mines, strengthen the core competitiveness of coal mine enterprises, the goal and overall framework of coal mine intelligent construction were studied, and a "four horizontal and four vertical" overall framework for coal mine intelligent construction was presented. The main coal mine intelligent system construction was introduced in detail including intelligent production system, high-speed and secure transmission network system, intelligent support platform and intelligent and collaborative control system, and the coal mine intelligent system and mechanism construction was elaborated including safe and reliable operation guarantee system, rigorous and comprehensive standard specification system, unified and complete coal mine intelligent working mechanism and innovative and practical support mechanism for industry-university-research cooperation.

Key words coal mine intelligence, intelligent system, high-quality development, intelligent mine, coal mine robot

中图分类号 TD-918

文献标识码 A

引用格式:王翀,魏立科,张冬阳等.煤矿智能化建设目标和总体框架的研究与设计[J].中国煤炭,2020,46(4):26-31.

Wang Chong, Wei Like, Zhang Dongyang, et al.Study and design of overall framework of coal mine intelligent construction[J].China Coal,2020,46(4):26-31.

作者简介:王翀(1974-),男,辽宁昌图人,硕士研究生,主要从事矿山大数据物联网、煤矿信息化、安全生产理论、煤矿安全监管监察信息化研究。E-mail:wangchong@coalinfo.net.cn。

(责任编辑 路 强)