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★ 智慧矿山 ★

智慧矿区建设战略布局及关键技术

吴群英1 郭佐宁1 牛虎明1 符立梅2 习 晓1 周晓明1

(1.陕煤集团陕北矿业有限公司,陕西省榆林市,719000;2. 西安科技大学, 陕西省西安市, 710054)

摘 要 陕煤集团陕北矿业有限公司智慧矿区建设通过全面数据采集、全过程数据管理、混合云化部署架构、融合应用系统以及人性化的设计,达到支持多组织管理、业务一体化管控、快速决策分析等目标,对上支撑陕西煤业股份有限公司业务平台,对下实现透视化管控,对外实现业务协同,对内实现融合分析,最终实现以管理为核心,以融合、分析、协同为手段的智慧内涵,进而实现公司更低的成本、更高的效率与更好的效益。陕煤集团陕北矿业有限公司以价值创造为引领,构建创新驱动、规划先行、技术支撑、梯度推进、全面协同的全新智慧化建设模式,率先搭建矿山大数据工业互联网平台,实现井下生产安全、控制、监测等5G技术全面应用,打造以管理为核心、技术为支撑、效能为评价的实践之路。

关键词 智慧矿区 业务协同 融合分析 智慧内涵 矿山大数据工业互联网平台

随着互联网技术的快速发展,传统工业面临着信息化时代的深刻变革,因此如何推进煤炭行业两化深度融合、贯彻落实习近平总书记提出的“四个革命、一个合作”能源安全新战略、加快推进煤炭行业供给侧结构性改革、推动智能化技术与煤炭产业融合发展、促进矿山数字化转型升级、实现矿区智慧化成为了煤炭领域的新发展主题[1]。2020年2月25日,国家8部委联合制定了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》[2],新一代信息技术的发展为煤矿智能化转型升级提供了契机[3]。陕煤集团陕北矿业有限公司(以下简称“陕北矿业公司”)智慧化建设采用新一代信息技术,按照“统一规划设计、统一投资管理、统一标准体系、统一建设运维”的理念,制定了智能化建设战略布局,并将智慧矿区建设作为信息化重大战略目标,通过智慧化建设不断提升企业“二优三商三打造”高质量发展的内涵品质。

1 陕北矿业公司信息化建设现状

1.1 企业概况

陕北矿业公司是陕煤集团在陕北国家能源基地规划建设的大型煤炭生产企业,下属红柳林矿业公司、柠条塔矿业公司、张家峁矿业公司、韩家湾煤炭公司、孙家岔龙华矿业公司、中能煤田公司、涌鑫矿业公司、神南产业发展公司、神南煤炭科技孵化公司和“沿黄煤环”发展生态大数据有限公司10个单位(8对生产矿井),主导并联合中国煤炭学会等单位成立了陕北煤炭绿色发展研究院。陕北矿业公司拥有优质煤炭产能7000万t/a(其中50%用于化工原料)、2亿t/a煤炭生产服务能力和1000 m2科技孵化基地,盈利超100亿元/a。2019年,陕北矿业公司商品煤产量为6700万t,实现营业收入209亿元,利润达到101亿元。

近年来,陕北矿业公司坚决贯彻国家及集团公司的决策部署,取得了15项煤炭行业第一,荣获了“国家级两化融合贯标示范企业”“中国能源企业信息化管理创新奖”“陕西省质量奖”“中国工业大奖”“全国五一劳动奖状”等重大奖项。

1.2 信息化建设现状

陕北矿业公司通过不断全面深化“两化融合”,加快智能化矿区建设步伐,近几年下属各生产矿井取得卓越成效。

(1)下属各生产矿井均实现了人员(车辆)定位、安全监测、应急广播、调度通讯、无线通讯、工业视频的多系统融合,通过融合基站实现了底层应急联动。

(2)部分矿井现已建成了地质一张图、智慧导航、智能化选煤厂和工会管理等信息化系统,实现了信息采集全覆盖、数据资源全覆盖、统计分析全自动、业务管理全透明。

(3)矿井智能化工作面已经实现常态化自动割煤,切实做到了减人增效的目标。

(4)陕北矿业公司业务管理方面推行全面预算管理,导入卓越绩效管理体系,不断优化管理机制,经营管理成效显著。

虽然陕北矿业公司及其下属生产矿井已具备较高智能化应用水平,并取得良好效果,但仍面临以下诸多痛点和难点问题。

一是信息化应用范围覆盖不全面。部分关键业务如设备管理、固定资产管理、工程项目管理、仓储管理等存在较为明显的信息化缺口。

二是信息孤岛现象较为严重。应用系统之间基本没有集成关系,阻碍了业务的融合衔接,不能为企业的整体运转提供有力的数据支撑。

三是缺乏整体架构。信息系统的整体架构缺乏统一规划设计,各单位独立建设,没有在整体上形成平台化架构,缺乏灵活性和可扩展性,不能完全做到随需而变,难以适应企业发展的需要。

四是存在业务断层。单一业务线向下延伸多级才能到生产基层,整体效率低,信息失真程度高。

五是缺少管控支撑工具。缺乏实现煤矿数据集成、能力集成和应用集成的智能化管控平台。

为此,陕北矿业公司根据实际需求和前期工作基础,结合最新的技术发展趋势和跨行业经验,探索了符合陕北矿业公司发展要求、以智慧矿区为核心、以实现矿井智能化为最终目标的智慧化建设方案。

2 陕北矿业公司智慧矿区建设内涵

2.1 智慧矿区建设内涵

目前众多学者基于现代智慧理念根据不同的生产条件及应用角度给出了不同的智慧矿区定义[4-6]。陕北矿业公司根据企业数字化转型的根本需求,构建了以数据获取为核心和以系统建设一体化为原则的分布式统一架构的智慧化体系。

陕北矿业公司利用新一代信息技术,在供应销售等环节中,通过构建“客户端-生产端-供应端”数据的采集、传输、分析、反馈的闭环体系,打破不同层级、不同业务间的数据壁垒,健全安全、高效、协调、绿色的煤基经济社会体系,定义全新陕北矿业公司智慧矿区,矿区以工业互联网平台为支撑,自主学习决策形成全新的数字经济体系,推进企业数字化转型。

陕北矿业公司智慧矿区建设以数字经济、系统工程、信息科学及采矿工程等多学科交叉融合为基础,最终实现无人、安全、高效、绿色及定制化矿山,具有纵向、横向及端到端高度集成,系统间深度互联互通;基于传感器、控制器、泛在网络、条码/UWB等泛在感知技术,实现矿井生产的全面透彻感知;采用数据挖掘、知识发现及动态建模等技术实现业务的数据模型驱动;基于人工智能、虚拟现实/增强现实、智能穿越等智能技术实现人机环协同作业;通过订单式生产、弹性保障制度及贯通的管控能力实现弹性供给等特征。

2.2 智能化发展背景与趋势

2.2.1 智能化发展背景

(1)新道路。新道路即创新驱动、质量保障、效益优先、全要素生产率提高的高质量发展之路,其核心问题是全要素生产率的提高,质量强国,需要解决的是要素分割、低效率配置及循环问题。

(2)新方向。新方向即数字产业化、产业数字化、数字中国的数字经济方向,其核心问题是数字经济建设,需要解决的是业务数字化转型问题。

(3)新格局。新格局即形成强大的国内市场,构建新发展格局,坚持扩大内需这个战略基点,加快培育完整内需体系,畅通国内大循环,促进国内国际双循环的国际国内双循环格局,核心问题是畅通国内大循环,需要解决的是循环畅通的基础及技术问题。

(4)新挑战。新挑战即整体智能化之战,核心问题是矿区整体智能化,需要解决的是矿区要素内循环、矿区要素与社会产业大循环。

2.2.2 智能化发展趋势

矿井各单元智能化不等同于矿井整体智能化,矿井整体智能化亦不等同于矿区智能化。陕北矿业公司智慧矿区建设有如下使命。

(1)从点状、专业状智能化向多系统协同及全矿区智慧化迈进。点状、专业状智能化实践提升和训练了智能化的知识与能力,但造成了信息孤岛,成为智能化的最大障碍。陕北矿业公司矿区智能化历程如图1所示。

图1 陕北矿业公司矿区智能化历程

由图1可以看出,从业务链角度看,点状、线状、链状协同相对较多,网状整体协同少;从区域角度看,矿井内部协同较多,矿区整体协同循环少,矿区与外部高效协同循环少。因此需要向多系统及矿区整体智慧化发展。

(2)从主系统智能化向辅助维护工程智能化并重迈进,解决零星辅助工作及运行支撑系统的智能化问题。“十四五”期间,地质灾害监测、识别、分析、预警全流程智能化将是煤矿智能化发展的具体方向。采用图像分类、目标检测、图像语义分割、场景文字识别、图像生成、视频分类、度量学习等技术,立足地质灾害空间分异性,加强案例积累与挖掘,在建设更加精密群测群防网络的基础上,研发自适应性较强的监测传感采集设备,探索更加精准的预测预警模型与算法,为精细化的防灾减灾服务奠定基础。

(3)从智能技术升级改造向管理系统智慧化迈进。管理变革才能适应智能化这一生产力变革,使其发挥应有的效能。管理的方向是承载物理实体的数据及价值,建设以数据驱动为管理方式、以开放平台为基础支撑、以数字技术为核心要素的企业新形态。管理研究的对象包括数字资源的获取、数据资产的权益、分析获得的劳动价值、应用驱动的产业增值、创新拓展的科技与管理的良性循环,研究内容包括数字经济学与数字管理学,其中数字管理学是指产业体系中资源配置、科研创新、生产组织、商业模式以数据为中心重构技术流、资金流、人才流、物资流,实现体系重构、动力变革、范式迁移;数字经济学是指以万物互联、数据驱动、软体定义、平台支撑、智能主导的五大特征数字经济新时代。

(4)从矿井智能化向矿区智慧化迈进,解决矿井、矿区全要素生产率的提升,打破“专业墙”“矿井墙”,实现集约化运行,整体提升效率效益。基于矿山工业互联网平台的建设,矿井侧通过生产组织方式、生产保障方式及绩效激励方式等方面的变革,解决设备与环境、设备与设备、设备与人、人与人、设备与产品的关系,矿区侧通过经验管理模式、企业组织架构、业态体系规划等方面的变革,解决矿区与生产资料高效配置关系、矿区与客户需求精准供给关系、矿区与矿区需求质量决策关系、矿区与产业生态链关系、矿区与社会文明的关系,从而实现“产供销服”方式升级、“安全高效绿色”功能升级、“产业生态”协同升级及“设计制造供应链”质量升级。

(5)从追求“少人、无人”的“安全、高效”向“清洁、绿色、生态、精准供给”并重的功能迈进,解决智能化全面要义落实问题,即实现安全、高效、清洁、绿色、生态的全方面智能化。

3 陕北矿业公司智慧矿区战略布局

陕北矿业公司提出了“1543” 智慧矿区建设模式,即1个以价值创造为核心目标的战略布局,包含创新引领、规划先行、技术支撑、梯度推进、全面协同的5个推进原则,在新道路、新方向、新格局、新挑战上的4项根本任务,以管理为核心、技术为支撑、效能为评价的3大实践方法。其中,战略引领建设体系并指导实践方法,建设体系与实践方法达到相互验证与支撑关系。陕北矿业公司“1543”智慧矿区建设模式如图2所示。

图2 陕北矿业公司“1543”智慧矿区建设模式

3.1 “21851”黑金工程战略

陕北矿业公司全面开展“21851”黑金工程战略布局,即构建矿井+矿区2级大数据智能管控云平台、1个5G+智慧矿区创新试验区和8大5G+智慧矿区应用场景,联合5类产业链伙伴建立智慧矿区创新产业联盟,最终打造1个具有协同、生态、情怀的绿色智慧创新谷,实现煤炭产品、行业标准、产业装备、技术力量及运维服务等全面数字化转型升级。其中8大5G+智慧矿区应用场景包括智能生产协同调度、采动灾害智能预警、矿山装备运行监测及预测性维护、供应链协同资源配置、智能无人化综采工作面、智能环境感知及安全检测、智能化巷道快速掘进、智能化生产辅助保障,5类产业链伙伴,包括通信运营商、科研院校、设备制造商、终端供应商及系统集成商。陕北矿业公司智慧矿区建设战略布局如图3所示。

图3 陕北矿业公司智慧矿区建设战略布局

陕北矿业公司智慧矿区建设基于现代管理理念和新一代信息技术,将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网技术、机器人、智能化装备等与现代煤矿开发技术深度融合,形成矿区全面感知、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,实现矿区开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、生产管控等全过程智能化运行的体系。其总体目标是形成煤矿完整智能系统、全面智能运行、科学绿色开发的全产业链运行新模式,为保障国家能源安全、实现煤炭企业高质量发展提供核心技术支撑。

3.2 建设思路

数据是驱动矿山数字经济发展的重要基础要素,陕北矿业公司通过下属生产矿井、生产服务公司、科技孵化公司及生态研究院构建边缘侧,为矿山工业互联网平台提供数据资源;平台基于统一的数据接口标准与数据服务体系,为矿区提供应用服务,如生产系统、安全系统、保障系统、经营系统、决策系统及生态系统等软件服务,形成数字化的知识与信息,为矿区数字化转型提供关键的生产要素。陕北矿业公司通过5G、大数据、云计算、区块链新信息技术的综合运用,以及信息化人才培养、生态治理、隐私安全、绿色可持续发展等社会约束激励,催生了矿山新业态、新组织、新管理以及新技术,最终实现矿区智慧化建设。陕北矿业公司智慧矿区建设总体思路如图4所示。

(1)新业态。陕北矿业公司基于数据化供应链的视角,通过对数据采集、存储、传递、分析管理和应用,实现从定制化订单、自动化数字化生产、智能运输、精准化供给服务全产业链的数字化转型;同时,将矿山大数据作为一种新的资产、资源和生产要素,提高生产和决策的智能化,驱动企业以客户需求为导向的价值创造模式变革。

(2)新组织。随着矿区全生产链各个环节的即时连接、深度透明与高度智能化,外部合作伙伴和内部业务单元逐步实现数字化无缝连接,内部各个层级和业务模块开始实现数据知识与信息的对等与对称。数字化、平台化与生态化将推动企业发展新的经济模式。

(3)新管理。数字化转型给矿区组织架构、管理模式及管理方式带来了深刻的变化,陕北矿业公司基于新一代信息技术的发展,实现了管理的数字化与智慧化,即管理结构扁平化、管理模式自组织化和管理方式数字化。

(4)新技术。数字化转型的前沿科学技术主要包括人工智能、区块链和数据安全防护体系。对企业产业价值有巨大影响力的数字化技术包括数据、计算能力和连接、分析和人工智能、人机交互及先进开采工艺。

陕北矿业公司智慧矿区建设遵循国家和集团的整体战略,基于实际需求和管理模式,通过基础网络、数据中心、技术平台、应用系统、保障体系、数据服务的搭建和逐步完善,整体上形成平台化技术架构、一体化应用系统、专业化组织保障、共享化数据服务,最终全面实现智能化生产、透彻化感知、可视化管理、数字化决策的智慧矿区。

图4 陕北矿业公司智慧矿区建设总体思路

3.3 规划先行

3.3.1 顶层设计原则

(1)统一标准规范。建立数据标准、业务标准、技术标准,而平台是贯彻标准的手段。

(2)统一规则和分步实施相结合。统一规划保证多系统建设的一致性和完整性,分步实施是自下而上的执行,难点在于一张蓝图绘制到底的能力。

(3)兼顾创新性和成熟性。既要考虑发展趋势和先进性,又要考虑采用成熟、可用、可靠的产品,同时还要兼顾经济性,在满足当下需求的同时适应未来发展。

(4)构建数据采集、融合和分析能力。扩大数据采集范围、推动业务数字化,建立数据共享共用机制,加快推动系统间、各层级、内外部数据的互联互通和共享聚合。

3.3.2 设计要求

陕北矿业公司智慧矿区建设需求是对下实现所属矿井的透视化管控,对上支撑上级集团公司发展,满足国家战略与社会需求,通过各层级间的数据融合分析,对外实现与供应商、制造商与客户的业务协同。因此,公司规划有如下设计要求。

(1)使价值有效、高效地流动,即业务有效。

(2)服务于全要素生产力提升,即要素和效能要发挥出来,即吨煤效益。

(3)服务于扁平化的生产过程。

(4)服务于精准的市场响应。

(5)服务于企业的业务生态健康,即健全的供应链、销售链。

(6)智慧化内涵、目标、架构、原则、路径及技术系统构成了智慧矿区建设标准及技术体系。

3.4 技术体系

陕北矿业公司智慧矿区技术体系包含总体架构、业务架构、技术架构及数据架构4个部分[7]

(1)总体架构。总体架构与传统的平台体系不同,是基于私有云架构的智慧矿区基础平台,包括基础设施服务层 、平台服务层、软件服务层、管理模式层。此外,该架构支持大数据分析能力和边缘计算的能力,并且融合“1+4”体系结构(1个数据中心和4类业务场景下的软件服务综合体系结构)。其中,基础设施服务层提供相关网络、计算、存储和其他硬件设备资源;平台服务层主要包括业务中台、数据中台和技术中台;软件服务层主要实现煤矿企业中安全管控、生产运行、调度协同和经营管理4大类业务场景下不同软件系统的功能模块,并以统一接口的形式对不同功能的模块进行封装和管理;管理模式层主要包括人才培养和新技术条件下的4类业务场景的工作方式变革。

(2)业务架构。上述体系架构较难细致描述智慧矿区建设中业务逻辑关系等信息,为此,陕北矿业公司在智慧矿区总体架构的基础上,通过业务场景的划分,建立了智慧矿区的业务逻辑架构。该架构以云计算和大数据平台为基础,通过实现一体化的综合管控业务功能,减少因系统互操作、标准化不健全和缺乏统一的标准化平台等因素引起的数据孤岛和信息烟囱问题,最终实现智慧矿山的智能化管控服务。

(3)技术架构。技术架构主要包括7个部分:数据获取层、数据整合层、数据存储层、数据访问层、数据分析层、业务逻辑层和应用表示层。此外,还包括安全控制和管理配置等相关技术。本架构的特点在于各类技术的组件化与服务化。

(4)数据架构。在构建业务逻辑架构和技术架构的基础上,为了能够更好地挖掘和利用数据,提供智能化服务,改变了以数据获取为核心的架构方式,构建以数据利用为核心的智慧矿山数据架构。该架构主要包括5个部分:数据的基础建设、系统运维、数据应用、数据管理及规划与部署。通过建立智慧矿区的数据架构,实现智慧矿山数据的深入应用。

3.5 全面协同

陕北矿业公司智慧矿区“六协同”策略将“数据孤岛”变为“协同共享”,通过智慧矿区建设全力打造煤基园区(榆神四期)绿色智能创新谷产业群。

(1)价值协同与价值流管理。打破业务间、企业间、产业间之“墙”,价值创造求最优解。

(2)信息集成共享。政策、市场、生产、供应、销售、转化、循环等信息集成。

(3)高效扁平化管理协同。业务、管理高效,政令迅达。

(4)创新协同。构建多主体协同创新联盟,政产学研用五位一体创新,力求改革政策体系。

(5)顶层协同设计。多产业、多行业、多专业一体化设计,形成立体式“绿色智能化”园区,引领“煤竭亦兴”的新型道路。

(6)全要素协同提升。从农林到煤炭生产及服务,再到煤炭化工电力转化融合发展。

3.6 梯度推进

基于陕北矿业公司智慧矿区总体规划,拟采用“总体规划、分步实施、矿区引领、矿井支撑、强基保产、稳步推进”的实施原则,最终全面实现“高效协同、成本可控、效益显著”的智慧化陕北矿业新局面。

陕北矿业公司智慧矿区建设将按照“3个层级梯度推进”的基调进行总体推进。其中,2018年开始启动煤基园区层的榆神四期“绿色智能创新谷”方案研究;2018-2021年完成矿井层的智能化建设,2020年陕北矿业公司共建设完成张家峁矿业公司、红柳林矿业公司、柠条塔矿业公司3个国家首批智能化示范矿井[8];2022年完成矿区层的陕北矿业“5G+智能矿区”建设统筹规划。

4 陕北矿业公司智慧矿区建设关键技术

4.1 统一的数据系统接口标准和大数据体系建立

统一的数据接口标准和大数据体系实现各业务系统间共用基础信息的源头统一、实时共享,保证数据的规范性、一致性、及时性和安全性。同时,为未来的数据抽取、汇总、分析和决策提供准确、一致、相关联的基础数据。

(1)多协议转换接口开发。支持市场上主流的现场工业通讯协议(串口、网络、通讯中间件以及软件API等)、多种业界常用的协议标准(TCP/IP协议、OPC UA协议、DDENET协议、FTP协议、Modbus、ODBC)以及其它非标准串行通讯协议多种数据接口方式。

(2)数据资产管理。实现数据的统一存储和管理,基于大数据进行业务分析和应用,实现数据共享、融合,支撑业务系统集成应用。

(3)数据分析。利用数据分析技术,对采集的各类煤矿基础数据、动态监测数据进行加工、整理,形成实时比对柱状图及其他比对形式,达到任务完成率实时掌握、一目了然的目的,同时根据状态提示、操作提示、故障提示,对发现异常后造成周边环境安全、设备及影响生产的可能性进行预警,能够在分析界面展示出上下级设备、系统、流程、影响因素的分析结果,并可根据事态级别大小,预演分析结果并推送至不同层级人员,进而建立影响矿井安全生产的重要因素构建多种分析模型。

4.2 基于大数据分析的矿山智能预警方法研究

基于陕北矿业公司安全监测系统,全面梳理整合基础信息,实现大数据深度应用。

(1)基于云平台的泛在连接,建设边缘云和 5G+边缘计算,采集矿压、地下水位和流量、瓦斯、温度、湿度、一氧化碳等数据,构成矿山监测大数据,针对煤矿隐患、事故、重大危险源、煤矿综合风险指标、煤矿事故风险指标、重大危险源等多维在线分析及关联关系挖掘,为煤矿决策提供支持。

(2)研究矿井水害形成机理,以矿井长期水文监测数据为驱动,采用大数据与人工智能探索水害预警新途径;利用粒计算将瓦斯和矿压数据进行信息粒化,然后利用人工智能技术对瓦斯和矿压进行预测,实现精准预测、智能预警和超前预警;研究无网格 SPH 方法的计算效率、精度和收敛性,以及在水害预警和矿压预警中的适用性。

4.3 矿山工业互联网网络安全方法研究

矿山工业互联网系统是典型的信息物理融合系统[9],容易受到网络干扰或攻击,而矿山行业的网络安全发展速度远远落后于信息化建设速度。

(1)针对矿山工业互联网网络安全需求, 利用离散事件系统监督控制理论,研究其安全与控制问题。

(2)基于随机 Petri 网对矿山工业互联网系统进行可信性分析和评估,并研究其安全传输机制与加密方法、多方合同安全计算等。

(3)针对恶意软件在矿山工业互联网系统中的传播问题,研究其传播机制,为控制恶意软件传播提供技术支撑。

4.4 基于5G的矿山数字孪生系统研究

基于大数据基础支撑平台汇聚的感知数据,通过 5G 技术进行实时传输,从而构建矿山综采工作面物理实体的数字孪生模型,精确表征数字孪生模型的时空演化特性与映射重构性能,实现矿山综采工作面生产过程远程智能监测、设备性能实时监控和生产场景三维可视化。

(1)开采工艺数字孪生。模拟综采工作面在各种场景下的效果,从而避免不成熟、有潜在风险的开采工艺,把开采流程适应时间减至最短。通过预先调设多个开采参数,能在投产之前对工艺有效性及安全性进行模拟测试和设计验证。

(2)开采过程数字孪生。对综采工作面智能化生产进行监控,对变化的生产条件进行采煤工作面运行参数调整,实现完全自主化运行,代替人工的现场生产控制。

(3)设备性能数字孪生。通过在线收集采煤设备和工作面系统的运行数据,对设备的性能状态、能耗峰值及停机风险进行分析和预测,从而实现综采工作面设备的预测性维护,即通过监测数据来判别故障趋势,提前介入维护以减少停机时间,利用数字模型快速查证故障致因并给予及时维护。

(4)生产管理数字孪生。模拟煤矿开采工艺,对开采效果进行预测评估,从而提高煤炭开采效率。另外,通过对工作面场景、采煤机械和整个开采流程的数字化模拟,管理人员能以虚拟场景来测试新流程、新工艺,从而选出可行的优化开采方法,做出最佳决策。

(5)采煤安全数字孪生。通过数字孪生场景对生产现场进行实时监控和反馈,提前发现瓦斯超限、突水前期、顶板来压及设备冲突、行为异常等事故征兆,自动执行预警和相关安全措施预案,从而提前避免事故发生,保证智能开采工作面的生产安全性、连续性和稳定性。

5 陕北矿业公司智慧矿区建设展望

5.1 价值目标

(1)安全。零伤亡,本安型。

(2)高效。矿井端实现智能化生产系统+机器人辅助工作系统;矿区端实现“产供销+人财物+责权利”网络化、智能化集成管理运行;各矿井实现入井单班百人限员目标(“0-1-4-6-8-10”:固定岗位0人值守、运输系统1人操作、片区安检员4人、采煤工作面6人、掘进工作面8人、采掘常规检修10人)。矿井平均产量为1.5万t/(人·a),单日入井人数不超过100人、150人 2个标准。

(3)清洁。煤炭定制化产品实现非电力用煤供给占产能70%;煤炭服务产品实现辐射500 km、50多家矿井,服务上中下游供应链企业3000家;煤炭科技产品实现孵化企业100家,成熟10项煤炭企业核心技术;煤炭绿色大数据产品实现服务黄河中游煤炭产业生态治理及产业生态发展。

(4)绿色。绿色矿区建成形成示范;立体式生态系统建设形成示范。

(5)质量。《卓越绩效评价准侧》成熟运行;数字型企业运行体系全面运行;煤炭服务、孵化技术等非煤炭产品销售收入超过煤炭产品销售收入;“6个融合”一体化发展模式在新矿区实施。

5.2 未来发展新模式

陕北矿业公司智慧矿区实现产业生态圈“6个融合”一体化发展模式:矿区多个矿井一体化系统规划、设计和建设;矿区一、二、三产业门类系统研究规划设计;实现立体式生态型矿区;矿区以价值创造并流动的“数字经济”,不是目前有“部门墙”“业务墙”“企业墙”“产业墙”各自为战的园区,是“融合”不是“聚堆”;是“政、产、学、研、用”深度合作机制的园区,是多学科集成的园区,不是各自设置规划及研发创新的园区;是规划推动起来难度很大,需要国家层面政策支持的园区,不是一个企业和行业能完全推进目标实现的园区。

参考文献:

[1] 王国法.加快煤矿智能化发展建设智能+绿色煤炭工业新体系[J].中国煤炭工业,2020(4):8-15.

[2] 国家发展改革委, 国家能源局, 应急管理部, 国家煤矿安监局, 工业和信息化部, 财政部,科技部, 教育部. 关于加快煤矿智能化发展指导意见[J].中国安全生产,2020(3): 05-05.

[3] 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.

[4] 罗香玉,李嘉楠,郎丁.智慧矿山基本内涵、核心问题与关键技术[J].工矿自动化,2019, 45(9): 61-64.

[5] 张瑞新,毛善君,赵红泽,等.智慧露天矿山建设基本框架及体系设计[J].煤炭科学技术,2019,47(10): 1-23.

[6] 李梅,杨帅伟,孙振明等.智慧矿山架构与发展前景研究[J].煤炭科学技术,2017,45(1): 121-128.

[7] 吴群英,蒋林,王国法等.智慧矿山顶层架构设计及其关键技术[J].煤炭科学技术,2020,48(7): 80-91.

[8] 国家能源局,国家煤矿安全监察局.关于开展首批智能化示范煤矿建设的通知 [DB/OL]. http://zfxxgk.nea.gov.cn /2020-11/25/c_139561244.htm.

[9] Shmuel Tyszberowicz,David Faitelson.Emergence in cyber-physical systems: potential and risk[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering,2020,21(11): 1554-1556.

Research on strategic layout and key technologies of intelligent mining area construction

Wu Qunying1, Guo Zuoning1, Niu Huming1, Fu Limei2, Xi Xiao1, Zhou Xiaoming1

(1. Northern Shaanxi Mining Co., Ltd., Shaanxi Coal and Chemical Industry Group, Yulin, Shaanxi 719000, China;2. Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

Abstract Through comprehensive data collection, whole-process data management, hybrid cloud deployment architecture, integrated application system and humanized design, the intelligent mining area construction of Northern Shaanxi Mining Co., Ltd. reached the goals of supporting multi-organization management, business integrated management and control, rapid decision and analysis, etc., supporting the business platform Shaanxi Coal and Chemical Industry Group on the upper level, realizing perspective management and control on the lower level and realizing business collaboration externally and integration analysis internally, and finally the connotation of wisdom with management as the core, integration, analysis and collaboration as the means was realized, so as to realize the company's lower cost, higher efficiency and better benefit. Guided by value creation, Northern Shaanxi Mining Co., Ltd. built a brand-new intelligent construction mode innovation-driven, planning first, technology support, gradient advancement and comprehensive coordination, took the lead in building a big data industry Internet platform of mine, realized the comprehensive application of 5G technologies such as underground production safety, control and monitoring, built a practical road with management as the core, technology as the support and efficiency as the evaluation.

Key words intelligent mining area, business collaboration, integration analysis, the connotation of wisdom, big data industrial Internet platform of mine

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引用格式:吴群英,郭佐宁,牛虎明,等. 智慧矿区建设战略布局及关键技术 [J].中国煤炭,2020,46(12):45-53.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.12.007

Wu Qunying,Guo Zuoning,Niu Huming,et al. Research on strategic layout and key technologies of intelligent mining area construction[J].China Coal,2020,46(12):45-53.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.12.007

中图分类号 TD67

文献标识码 A

作者简介:吴群英(1968-),男,陕西韩城人,正高级工程师,博士研究生,现任陕煤集团陕北矿业有限公司党委书记兼董事长。E-mail:wuqunying68@163.com。

(责任编辑 路 强)