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★ 本刊特稿 ★

煤矿智能化建设顶层设计方案研究

付国军1 赵阳升2 牛乃平1

(1.山西科达自控股份有限公司,山西省太原市,030006;2.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

摘 要 煤矿智能化建设是一个复杂的系统工程,围绕煤矿智能化建设的顶层设计,梳理了煤炭开采各阶段生产要素和基础设施的变化,依据煤矿井下特殊环境特点和煤矿智能化建设需求,提出了智能矿山“6+1+1”建设模型,并融合信息物理系统CPS(Cyber-Physical Systems),阐述了矿山信息物理系统M-CPS(Mine-Cyber Physical Systems)技术体系,构建了煤矿子系统级、矿级、集团级、行业级可扩展的M-CPS系统。针对煤矿智能化建设过程中存在的问题,提出了“顶层设计、基础先行、重点突破、全面接入”的建设原则。以“一张网”“一张图”为基础先行建设;以“一系列智能化设备”中采煤、掘进、排水、通风、供电等与安全生产直接相关的智能化子系统及“一个平台”“生产安全、网络安全”为重点建设内容,最后将其他智能化子系统分期分批建设并全面接入,形成完整的智能矿山系统。

关键词 煤矿智能化 顶层设计 信息物理系统 智能化开采 数字孪生体

煤炭是我国的主体能源,为保障国家能源供给和能源安全做出了巨大贡献。在未来较长时期内,煤炭在我国一次能源供应保障中的地位和作用难以改变。但由于我国煤炭开采主要是地下作业,生产环境恶劣多变,并受地质条件及瓦斯、水、火、冲击地压等多种自然灾害的威胁,煤矿安全生产面临极大挑战。同时,我国人口老龄化趋势加快,劳动力资源明显减少,也给煤矿未来发展带来巨大影响。

随着科技的进步,物联网、大数据、云计算、5G、人工智能等技术得到快速发展,已成为新一轮科技革命及产业升级的重要着力点[1-2]。采用新一代智能化技术改造煤矿传统生产方式,改善煤矿生产环境条件,减少井下作业人员,构建安全、高效、绿色的无人或少人化智能矿山,已经成为煤炭企业转型升级发展的重要举措。2020年2月,国家发展改革委、国家能源局等8部委印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出,到2021年,建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿;到2025年,大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化;到2035年,各类煤矿基本实现智能化。煤矿智能化建设已经成为行业推进煤炭产业高质量发展的主要任务。

煤矿智能化建设是一个复杂的系统工程,近年来,我国在煤矿智能化开发领域通过不断加大政策扶持、资金支持和科技创新的力度,煤矿智能化技术的研究与应用取得较大成果。但在建设过程中还有许多问题需要解决。第一,随着煤炭开釆的不断深入与快速发展,要求实现准确、高效、协同的智能化少人、无人开采新模式,客观上对全矿井网络化、智能化建设提出了更高要求;第二,随着煤矿网络化、智能化程度的提高,系统复杂性增加,传统的控制系统和信息化系统已不能承载多源异构、复杂网络系统之间的高效协同,需要构建更加智能的系统实现创新应用;第三,行业内对智能矿山认识程度不同,没有形成统一共识。智能化建设过程中,煤矿信息孤岛依然存在,信息不能共享。各子系统独立组网,传感网络、无线宽带网络相互独立没有融合,部分矿井虽然使用了基于LTE-4G/5G宽带的无线通讯网络,但功能单一,没有与生产数据相结合,未能实现数据高度融合,没有参与到控制系统中,也制约了矿山整体智能化技术的应用。

1 煤矿智能化开采的演进及其特征

煤炭开采经历了爆破开采、机械化开采,目前已向智能化开采演进与发展。在不同阶段,主要生产要素与基础设施也随之发生变化并升级,煤炭不同开采阶段生产要素与基础设施变化如图1所示。

图1 煤炭不同开采阶段生产要素与基础设施变化

(1)爆破开采阶段,主要包括落煤、装煤、运煤、支护、采空区处理等工序。其特点是爆破落煤、人工装煤与运煤,用单体支柱支护工作空间顶板。生产要素是人力和火药。人力作为主要的生产要素,生产力较低,人员伤亡严重,基础设施是井巷工程。

(2)机械化开采阶段,主要运用一系列的煤机装备代替人工进行开采,如采煤工作面采用综合机械化采煤,主要有采煤机、刮板输送机、液压支架等,由人工操作机器,将人员从直接开采中解放出来变为操作机器开采。生产要素是煤机装备和人力,煤机装备作为主要的生产要素,起着较大的作用,人力起着辅助作用。煤机装备的动力主要来源于电力,因此在井巷工程基础上,电力是其新增的重要基础设施。

(3)智能化开采阶段,主要利用智能系统远程控制煤机装备,使煤矿井下实现少人化、无人化,进一步将人员从煤矿井下解放出来,达到无人值守、减少煤矿人员伤亡的目标。生产要素主要是智能系统、智能装备和人才,其中智能系统是由智能感知传感器、智能控制执行装置、数据传输网络、数据采集存储设备、集成大数据与人工智能的管控平台等组成,包括智能开采、智能掘进、智能运输、智能排水、智能通风等智能化系统;智能装备是具有智能运行的煤机设备和机器人;人才是能掌控智能设备、能进行更高层次的生产规划、设计与管理的人员。支撑智能化开采的主要基础设施是数字化井巷工程、电力和网络,其中数字化井巷工程是采用地理信息系统(GIS)描述的井巷工程,电力是智能化供电系统,网络作为新的基础设施,在智能化开采阶段的整个智能系统中发挥重要作用。

从煤炭不同开采阶段生产要素与基础设施的变化中可以看出,人力的作用在逐渐减小,机器智能或系统智能的作用在逐渐增加。在爆破开采阶段,矿山生产过程主要靠人力来完成,人力处于第1位的生产要素,解决的主要问题是人力问题和巷道安全问题;在机械化开采阶段,人力已经退居第2位,主要解决制约煤机装备发展的技术瓶颈,提高煤机装备功率和可靠性等,以提高产能;而在智能化开采阶段,其主要生产要素有了本质变化,其显著特征是“少人化、无人化”开釆,即开采面少人(无人)作业、掘进面少人(无人)作业、危险场所无人作业、大型设备无人值守,直到整座矿山无人作业。人力不再参与开采作业,矿山生产过程主要由智能系统和智能装备来完成。在智能化开采阶段,解决的主要问题是突破煤矿智能化建设的关键技术,基于主要生产要素和基础设施研究煤矿智能化整体解决方案,构建煤矿智能化系统。

2 煤矿智能化建设模型

煤矿智能化系统与工厂智能化系统不同,特别是井工煤矿属于地下采矿作业,由于存在工作环境恶劣(瓦斯爆炸、水害、顶板塌落、粉尘等各类灾害威胁)、地质条件多变、限定空间作业、工作场景移动(采掘工作面随开采进尺推进而不断移动,井下人员、车辆、设备也在不断移动)等特点,限制了很多地面先进技术直接在井下应用,给煤矿智能化建设带来了极大困难。部分在地面可以直接应用的技术,在煤矿井下应用需要进一步的研究与开发。煤矿智能化系统要根据煤矿特殊环境条件进行设计,充分考虑煤矿智能化开采阶段各生产要素和基础设施的变化,按照数字化、网络化、智能化的基本要求,面向煤矿安全生产管控、经营管理、行业管理与服务等业务需求进行综合设计。为此,提出煤矿智能化建设的顶层设计方案,概括为智能矿山“6+1+1”建设模型,即“一系列智能化设备”“一张网”“一张图[3]”“一个标准”“一个库”“一个平台”6个子项构成煤矿安全生产管控层,加“一个运营管理中心”和“一朵云”,面向矿山经营决策管理和矿山云服务进行部署。此外,在智能矿山“6+1+1”建设模型中,在安全生产管控层与企业经营决策管理层之间设有工业非军事隔离区(IDMZ安全隔离区),实现企业网与工控网的安全隔离,提升工业控制系统的网络安全水平。智能矿山“6+1+1”建设模型如图2所示。

图2 智能矿山“6+1+1”建设模型

智能矿山“6+1+1”建设模型考虑了矿山控制与管理的结构层级与网络安全建设要求,每个子项具体含义说明如下。

(1)“一系列智能化设备”是生产信息采集、任务执行的重要环节,由“采、掘、运、提、排、通、供”等矿山安全生产各个环节的诸多智能化子系统与智能化设备构成,如智能工作面控制子系统、矿山特种机器人等。

(2)“一张网”是融合有线宽带与无线宽带以及窄带传输技术的矿山多源异构网,实现生产信息全面感知与高速通信。

(3)“一张图”以矿山地理信息系统(GIS)为基础,为智能化子系统及各类应用提供精准的空间地理坐标,实现地质、测量、防治水、采掘生产、通风以及大型设备等不同业务数据在不同图层的分层展示。

(4)“一个平台”面向智能矿山实现煤矿安全生产信息感知、计算、控制、执行的安全生产管控一体化平台,用于管理运行各智能生产系统与设备,实现矿山生产无人值守、系统联动、数据融合和调度管理。

(5)“一个标准”指构建统一的数据采集标准,包括数据采集规范与数据接口规范,主要解决煤矿众多生产控制子系统数据接口不统一、数据规范不标准的问题。

(6)“一个库”主要面向矿山多维异构的各类数据,包括结构化数据、半结构化数据、非结构化数据,建立便于数据挖掘的统一的数据库,实现数据统一存储、管理、调用,支持数据统一接入、全维度数据管理、跨业务数据融合。

(7)“一个运营管理中心”主要面向经营决策管理,集成了基于大数据的矿山精细化管理、分析决策软件,包括人员、财务、采供、销售、生产、计划管理等,为实现矿井高效运营提供技术支撑。今后随着智能化技术应用的普及,运营管理中心会逐渐上移到集团层面。

(8)“一朵云”指基于云平台技术构建的矿山私有云或公有云,主要应用于集团管控、产业链协同、政府监管。

在智能矿山“6+1+1”建设模型中,各子项在功能上相互支撑,构成“感知→互联→数据融合→可视化展示→分析计算→决策控制”的基本逻辑框架,构建了企业安全、生产、经营管理、后勤保障的综合智能系统。

3 煤矿智能化建设技术体系

随着煤矿智能化的演进与发展,已由单一设备、单一系统运行状态的控制上升到全系统过程协同和工业互联云端协同[4]。人、机、环信息高度交织,通信交互方式多变,数据多源异构。系统复杂度增加,管控难度变大。仅采用嵌入式、可编程逻辑控制器(PLC)自动控制系统和分布式控制系统(DCS)以及传统的信息化系统已不足以支撑大型数字化、网络化、智能化系统的运行与控制,不能实现生产各作业环节紧密衔接和有效协同配合。需要更为强大的技术体系支撑智能系统的运行。

信息物理系统CPS(Cyber-Physical Systems)[5-6]是支撑信息化和工业化融合的综合技术体系。近年来在各类新技术发展的驱动下,在部分行业得到了推广应用。CPS的本质是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系,提高资源配置效率,实现资源优化。它是基于硬件、软件、网络、平台构建的复杂系统[7]。CPS系统在对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量上,特别是网络规模上远超现有的工控网络。CPS系统在层级内包含了传统的可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS),但与之相比,在传输模式上由总线变为网络协议通信,更具开放性,并且由自动控制变为信息化传导模式,传导范围比区域控制变得更为广泛,实现了互联互通与广泛的数据融合。可以解决矿山复杂系统控制、智能无人开采所需的技术支撑问题。信息物理系统CPS的本质[8]如图3所示。

图3 信息物理系统CPS的本质

智能矿山“6+1+1”建设模型融合了CPS信息物理体系架构,是CPS系统的典型应用,本文定义为矿山信息物理系统M-CPS(Mine-Cyber Physical Systems)。M-CPS系统是由“6+1+1”中的各项构成的硬件、软件、网络、平台四大核心技术要素的复杂系统,集成了矿山多源信息智能感知、异构网络统一传输、信息融合交互、协同控制等关键技术,使矿山物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同,其功能技术架构可分为支撑域、融合域、业务域和安全域。M-CPS系统功能技术架构如图4所示。

图4 M-CPS系统功能技术架构

(1)在支撑域,“一张网”“一个库”“一个标准”为信息空间和物理空间的数据融合提供基础支撑。

(2)在融合域,“一系列智能化设备”构成物理空间,“一张图”与“一个平台”包括各类三维仿真软件、数字孪生体[9],构成信息空间。融合域实现信息系统与物理系统交互映射与深度融合,从而实现矿山生产活动信息的智能感知、分析决策、工业自动化控制和安全生产监控等。

(3)在业务域,基于“一个运营管理中心”与“一朵云”,把大数据、区块链、人工智能等新一代信息技术充分运用在煤炭企业的管理和生产活动中,实现矿山生产经营管理、设备健康管理、安全风险防控、生态环保等最优化的管控[10]

(4)在安全域,主要包括互操作安全、协同安全、网络安全、主机安全、应用安全、数据安全、环境安全和物理安全。

CPS系统具有可扩展性和延展性,可不断向更高层级发展,实现对人才、技术、资金等资源和要素的高效整合。在M-CPS系统建设中,可构建单元级、系统级、系统之系统级(SOS)、SOS扩展级应用[11],分别对应于煤矿子系统级、矿级、集团级、行业级的M-CPS系统。在子系统级主要实现系统内的智能感知、分析决策与控制;在矿级主要实现全矿井安全生产管控;在集团级主要实现生产经营决策管理;在行业级主要面向行业设计、运维服务、上下游产业链、政府监管等,实现工业互联网云端的服务与管理。在整个层级中,集团级服务于矿级,行业级服务于集团级,最终围绕矿级进行管理与决策。矿级是整个层级扩展的核心,也是其他层级的基础,是M-CPS系统建设的重点。M-CPS系统层级如图5所示。

图5 M-CPS系统层级

4 煤矿智能化建设步骤

一般一个煤矿大概有30~50个子系统,系统庞大而复杂。要科学合理地建设智能化煤矿,应在“6+1+1”建设模型中,遵循“顶层设计、基础先行、重点突破、全面接入”的建设步骤。

4.1 基础先行

“一张网”与“一张图”是煤矿智能化建设的重要新基建内容,在煤矿生产和安全管理中发挥着重要作用。

“一张网”是煤矿重要的基础设施,承载着煤矿所有智能化系统的协同运行,它的建设不像地面工厂一样,直接可以使用运营商现成的网络,而是需要根据煤矿特点构建井下特殊的异构网络,要考虑井下限定空间无线信号的传输问题、网络的承载能力、传输速度、移动互联性。“一张网”以“光纤骨干网+宽带无线网络(4G/5G)+窄带物联网”的多网融合为特点,为智能矿山建设提供高效的传输平台与数据接口,实现数据在“一张网”中的统一传输,解决目前行业中普遍存在的“信息孤岛”现象,实现矿井高带宽、低时延、高可靠性的通信要求。其万兆级的主干光纤环网为矿山安全生产的大量数据传输提供了技术支撑;宽带无线网络(4G/5G)的应用,可解决井下移动语音通信、数据、视频共网传输,解决生产过程中移动设备的远程控制问题;窄带物联网可实现大量低功耗移动无线传感器的接入和数据联网。“一张网”的建设能够减少井下线缆的铺设量,提高数据传输的可靠性,为煤矿智能化建设打下坚实的基础。“一张网”基础设施如图6所示。

图6 “一张网”基础设施

“一张图”是矿山井巷工程的数字化描述。由于煤层是分布于三维地理空间的地质实体,矿山生产的一切过程都与三维空间密切相关。煤层地质体具有隐蔽性、复杂多变性,因此开采环境数字化是煤矿智能化建设的基础。以煤矿地理信息系统(GIS)为基础的“一张图”,可提供智能化开采过程的全面地图服务,根据煤矿生产需求,构建地质图、采掘图、机电图、通风图等各类不同的图层。在不同的图层,显示不同的专业内容,从而实现煤矿可视化开采和可视化展示。“一张图”基础设施如图7所示。

图7 “一张图”基础设施

4.2 重点突破

(1)以“一系列智能化设备”中与生产安全直接相关的子系统为重点,优先建设。在煤矿各类子系统中,采、掘工作面是生产的直接环节,也是危险作业场所,辅助运输、主运输是瓶颈环节,通风、排水是安全保障环节,供电是最基本的基础设施环节,因此对“采、掘、运、提、排、通、供”等环节智能化系统要优先建设和重点突破,剩下的各子系统可根据实际情况逐步建设接入。

(2)以“一个平台”为核心,提供数据支撑。煤矿安全生产管控一体化平台包含调度中心,既要完成调度任务,也要完成控制任务,是煤矿安全生产的“大脑”,所有安全生产问题都要在平台上解决,因此是智能化建设的核心,要重点建设。“一个平台”集成汇聚井上下各分支系统监控点的视频流、数据流和信息流,与矿区各子系统实现无缝连接,将安全生产管理和控制运行在一个管理平台,基于统一的编码标准和采集标准,采用工业软件、地理信息系统、人工智能、数字孪生、大数据分析等新一代智能化技术,实现煤矿安全生产设备的数据采集、多源数据融合、生产过程控制、生产设备运维、决策分析管理、故障联动报警、信息引导发布、移动互联App等功能。煤矿安全生产管控一体化平台功能构成如图8所示。

图8 煤矿安全生产管控一体化平台功能构成

(3)以“生产安全、网络安全”为保障,提供安全服务。目前煤矿生产安全保障系统是智能煤矿的重要建设内容,如“六大避险系统”以及“风险预控[12]系统”都已作为矿井安全的建设重点,但在信息化时代,网络安全也是重中之重,要与生产安全放在同等地位。煤矿要建设安全生产控制专网,在生产控制专网与企业办公网之间,构建工业安全隔离区,实现矿山信息的安全性。在企业经营管理层、企业安全生产管控层形成以工业信息安全防护为重点的纵深防御,利用工业隔离网闸、工业网络审计、工业态势感知等技术手段,帮助矿山实现工业信息安全保障能力建设。煤炭企业典型网络安全防护拓扑图如图9所示。

4.3 全面接入

在基础设施和重点子系统建设完成后,基本可实现矿井安全生产层的智能化运行。而后向上应建设并接入“一个运营管理中心”与“一朵云”,助力经营决策管理。其他智能化子系统可分期分批全面接入。

在上述智能矿山“6+1+1”建设模型中,“一个运营管理中心”与“一朵云”是接入互联网的关键环节。但在安全生产层建设完成的基础上它才能发挥作用。只有在信息化、智能化、大数据不断深化应用后,云计算才有价值。因此在煤矿智能化建设的初期阶段,应重点考虑安全生产层的建设。

图9 煤炭企业典型网络安全防护拓扑图

5 结语

(1)煤矿在智能化开采阶段其生产要素和基础设施发生了本质变化,智能化系统将是其第一生产要素,网络是其新增的基础设施,在煤矿智能化建设过程中要重点考虑和建设。

(2)煤矿智能化建设需要顶层设计,本文提出了“6+1+1”智能矿山建设模型,融合了CPS信息物理系统,定义为矿山信息物理系统M-CPS。其中“一系列智能化设备”“一张网”“一张图”“一个标准”“一个库”“一个平台”构成了矿井安全生产管控层,“一个运营管理中心”与“一朵云”面向经营决策管理和矿山云服务进行部署。在矿井安全生产管控层与经营管理层之间须部署工业非军事隔离区(IDMZ安全隔离区),实现企业网与工控网的安全隔离。智能矿山“6+1+1”建设模型是以安全生产层为核心的矿级、集团级、行业级的M-CPS系统。

(3)煤矿智能化建设要遵循顶层设计、基础先行、重点突破、全面接入的实施步骤。“一张网”“一张图”是基础,应先行建设;“一系列智能化设备”中的关键子系统以及“一个平台”“生产安全、网络安全”是建设重点;最后要将各智能化子系统全面接入,才能形成完整的智能矿山系统。

(4)煤矿智能化建设是煤炭企业高质量发展的必然选择,最终目标是打造无线全覆盖与智能控制、无人值守、无人员伤亡的“三无”煤矿,无线全覆盖与智能控制是技术基础和手段,无人值守是技术结果,无人员伤亡是愿景,最终目标是达到绿色、安全、高效。

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Research on top level design scheme for intelligent construction of coal mine

Fu Guojun1, Zhao Yangsheng2, Niu Naiping1

(1. Shanxi Keda Automation Control Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030006, China;2. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

Abstract Intelligent construction of coal mine is a complex systems engineering. Focused on the top-level design of intelligent construction of coal mine, the changes of production factors and infrastructure in various stages of coal mining were combed. According to the special environmental conditions of coal mine and the demand of intelligent construction, the "6+1+1" construction model of intelligent mine was proposed, and the M-CPS technology architecture system of mine information physical system was elaborated by integrating cyber-physical systems (CPS), and the expandable M-CPS system of coal mine subsystem level, mine level, group level and industry level was constructed. In view of the problems existing in the process of intelligent construction of coal mine, the construction principles of "top-level design, foundation first, key point breakthrough and comprehensive access" were put forward. the intelligent coal mine construction should be carried out first on the basis of "one network" and "one map", and the key construction contents included intelligent subsystems such as coal mining, tunneling, drainage, ventilation, power supply and so on, which were directly related to safety production in "a series of intelligent equipment", and "one platform", "safety production and network production", finally, other intelligent subsystems would be constructed in stages and batches and fully connected to form a complete intelligent mine system.

Key words intelligent coal mine, top-level planning, cyber-physical system, intelligent mining, digital twin

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引用格式:付国军,赵阳升,牛乃平.煤矿智能化建设顶层设计方案研究[J].中国煤炭,2020,46(12):6-14.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.12.002

Fu Guojun, Zhao Yangsheng, Niu Naiping.Research on top level design scheme for intelligent construction of coal mine[J].China Coal,2020,46(12):6-14.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.12.002

基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2016YFC0600900)

中图分类号 TD67

文献标识码 A

作者简介:

付国军(1962-),男,内蒙古赤峰人,教授,山西省新兴产业领军人才,现任中国煤炭工业协会信息化分会副会长、智慧矿山协同创新联盟理事长、山西科达自控股份有限公司董事长。长期从事矿山行业智能化技术研究与实践工作,在煤矿智能化领域获发明专利5项、实用新型专利16项、获省部级以上科技进步奖6项,主持编写并出版了《煤矿智能化技术》。

赵阳升(1955-),男,山西太原人,中国科学院院士,太原理工大学采矿工程学科教授,长期从事矿产资源开发科学和工程研究,是原位改性流体化采矿理论与实践的开拓者。在盐矿和煤层气开采领域获2项国家技术发明二等奖和省部级自然科学、技术发明、科技进步一等奖5项,兼任中国岩石力学与工程学会副理事长,国家油页岩开采研发中心副主任。

牛乃平(1967-),男,山西岚县人,电气工程及自动化专业高级工程师,现任山西科达自控股份有限公司技术总监,长期从事矿山智能化技术开发与研究,取得发明专利3项、实用新型专利9项,获得省部级科技进步奖3项,参与编写了《煤矿智能化技术》。

(责任编辑 路 强)