矩阵式模块化煤矿智能矿山架构研究_胡涛.pdf

矩阵式模块化煤矿智能矿山架构研究胡涛(湘煤集团兴源矿业有限公司,湖南 耒阳市 4 2 1 8 0 0)摘 要:针对现有的煤矿智能矿山架构结构复杂、含义不清晰的现状,以及功能过剩与实际操作性不强的缺点,对现有的煤矿智能化架构特点和内容进行分析,以简洁直观易操作为设计思路,对煤矿智能化架构进行研究,构建了矩阵式模块化煤矿智能矿山架构。该架构结构简单、内容指向明确、可灵活选用并与现有矿山实际充分结合,能够为煤矿带来低成本、高效益,并保证矿山安全生产,为智能化在我国煤矿行业的大规模推广提供了参考与可能。关键词:矩阵式模块化;煤矿;智能矿山;架构创新0 前言矿山发展至今,经历了若干历程,从最初的手工开采矿山,到大规模使用机械的机械化矿山,再到高速网络集成的自动化矿山,再到以信息数字化、控制自动化、过程可视化等为特征的数字矿山,乃至包括主动感知、自动分析与调控、大数据、人工智能、无人驾驶等为特征的智能化矿山,大致经历了5个时代12。智能矿山是在数字矿山的基础上,充分结合物联网、无人驾驶和操控、大数据分析及虚拟现实技术等高新技术,实现物理矿山的虚拟化、生产环节的可视化、运营环节的高效化,是在数字矿山和矿山物联网基础上对生产和经营的流程再造,是在感知和数字化基础上将信息提炼为决策智慧,并将决策智慧转化为执行能力的矿山35。智能矿山采用人工智能、工业互联网、新一代通信技术、大数据、区块链、边缘计算、精确定位与导航、虚拟现实等智能技术和信息化技术,深化改造并重塑矿山采选,及后续加工等核心生产环节,实现矿山全链条的智能化与协同化,从而达到矿山经营处于高效、安全、绿色、和谐及经济效益最优的目标68。智能矿山以基础信息化设施、矿山资源数字化系统、安全管理信息化系统为支撑,以矿山大数据与运营决策系统为决策核心,通过固定设施自动化系统、无轨装备智能化系统、有轨装备智能化系统、智能选厂等智能化作业系统完成矿山各作业环节的实际执行和闭环反馈,形成透明化、一体化和规范化的生产、运营、决策体系4,9。1 煤矿智能化架构建设分析1.1 煤矿智能化架构内容我国煤矿的智能化工作相对其他类型矿山起步较早。为贯彻落实 关于加快煤矿智能化发展的指导意见(发改能源2 0 2 02 8 3号),加快推广智能矿山应用,早日实现矿山行业的产业升级,科学规范有序开展煤矿智能化建设,相关部门出台了 煤矿智能化建设指南(2 0 2 1年版),以分类建设,分级达标、因矿施策,培育典型、系统规划,全面推进、以人为本,安全高效为原则,提出了煤矿智能矿山建设目标与总体设计。煤矿智能化将人工智能、工业互联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发技术进行深入融合,形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统,实现煤矿开拓、采掘(剥)、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等全过程的智能化运行。煤矿智能化应基于工业互联网平台的建设思路,采用一套标准体系、构建一张全面感知网络、建设一条高速数据传输通道、形成一个大数据应用中心,面向不同业务部门实现按需服务。煤矿智能化典型架构见图1。通过对现有的智能矿山架构分析可知,由于煤矿开采环境的封闭局限和应力条件的复杂多变,其智能化架构及建设内容往往必须包含4个方面。(1)开采环境智能感知。此部分由各种信息获取装置组成,是智能矿山架构的底层和基础,位于技术架构的感知执行层。其包括感知与执行两个层面,I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.027图1 煤矿智能化建设典型技术架构包括生产环境、设备、人员(尤其是一线作业人员)、车辆及安全等,既可以感知周围环境,将感知信息进行反馈,也可以接收上级层次传递来的信号加以执行。(2)设备装备的远程控制。通过采用带信号传输和接受装置的自动化智能化可自我调节的凿岩、装药、铲装、运输、通风、排水设备,由控制平台经集成化高速网络传递控制信号,实现各种设备装备的集中远程控制、自我调节和管理。控制一般以综合管控平台为核心,其他层次起到信息传输与信息交互的辅助作用。(3)集成化高速网络和高效的信号传输连接设备。此部分构成了智能化建设中的信息传输路径或渠道,对于实现煤矿智能化至关重要,其信息传输质量的好坏直接关系到矿山智能化建设的效果与效率。此部分由传输光缆,基站、网关、网关模块、4 G、5 G或W I F I等网络接入和连接设备共同组成。以往采用4 G网络进行传输,受信号传输带宽限制,矿山智能化信号无法实现高清实时传输,传输信号质量较差,信号也有所延迟,工作效果和效率因此而受影响,目前采用5 G及5 G+网络进行传输后,实现了信号高清实时传输,煤矿智能化网络传输不再是智能化建设的短板。(4)调度管理智能化。通过建立数据中心和集控中心,可以根据生产实时数据进行智能分析与决策,实现生产全流程的智能化控制和管理。对于煤矿而言,调度管理智能化的内核是矿山各种场景的三维可视化和实时分析,由数字化、虚拟现实和数字孪生技术加以实现,此部分由智能化煤矿工业互联网平台实现。1.2 煤矿智能化架构的不足目前,虽然我国已经有部分煤矿建成了智能化矿山,通过对其现有的智能化架构和建设分析,发现现有架构建设存在以下问题。(1)未能充分利用现有矿山的实际条件。目前现有的煤矿智能化架构建设大多要求全新的智能装备,而我国现有煤矿仍然采用传统的人工操控的各类连采机、梭车、凿岩台车、装药台车等机械化设备,此类设备其使用功能与同类智能化设备并无多大差别,只是在操控便捷性和安全性上有所差异,而智能化架构建设要求舍弃这些传统设备,转而使用具有自我感知、路径规划、自主操控的智能化台车、智能化铲运机和无人驾驶卡车等设备,没有充分利用矿山现有装备和条件,给矿山带来了巨大的经济压力,同时也造成了巨大的浪费,不利于已开采矿山实现低成本智能化改造。451采矿技术2 0 2 3,2 3(2)(2)智能化架构建设造价高。目前的煤矿智能化架构建设需要采购大量的智能化仪器仪表和智能装备,还需要构建高速实时传输网络以及构建三维可视化操控平台和数据中心。这些都是依赖高新技术实现的,其造价高昂。仅三维可视化操控平台一项就需要人民币8 0 0万元3 0 0 0万元,而实现整个智能化更是高达5 0 0 0万元甚至上亿元的费用,如此高昂的智能化造价明显不是国内中小型和效益不佳的煤矿企业能够负担的,因此,也限制了矿山智能化在我国煤炭开采领域的推广与应用。(3)智能化架构功能过剩。目前我国的煤矿智能化架构普遍呈现大(架构建设层次复杂,内容多、系统多)而全(涵盖矿山生产的各个环节和方面)的特点,现有的智能化架构虽然确实能够实现煤矿企业的完全智能化,但是对于很多中小型、效益一般以及有特殊需要的煤矿企业而言,完全智能化并非是其刚需。比如有的煤矿,因为运输量小,仅需十几台甚至几台运输设备就能满足运输需要,调度简单,甚至无需调度。若对其调度运输系统实现智能化,实非必要。有的煤矿因为生产系统简单,传输信息较少,如对其采用传输质量高带宽大的5 G和5 G+网络,明显功能过剩。因此,智能化架构建设既要应用高新技术,又要充分考虑矿山实际,给矿山应用多些选择。(4)实际操作性受限。目前的煤矿企业智能化参考架构大多比较固定甚至僵化,对于仪器设备、网络建设及操控平台往往只提供了一种方案。而实际矿山对于智能化的需求是千差万别的,固定甚至僵化的智能矿山架构模式显然难以满足所有矿山的智能化建设需要。此外,现有的地下矿山智能化架构是一种完全的智能化,要求矿山的各个环节和各个方面均做到百分百智能化。但如前所述,完全的智能化对于很多矿山而言,既花了高昂代价却并不比传统方式具有更好的效果,并非必要的。故对很多煤矿而言,部分工艺和生产环节的智能化即不完全的智能化结构是可以接受的,甚至比完全的智能化架构性价比更高。(5)未对矿山的全环节做到真正覆盖。由现有的煤矿智能化架构可以看出,地下矿山智能化架构涵盖了采矿的爆破、装药、铲、装、运以及选矿(如存在选矿环节)的破碎、筛分、磨矿、选矿环节,但是对采矿上游的地质储量和品位动态监控管理和选矿下游的矸石堆场监测与管理一般均很少涉及。此外,对于煤矿生产的尾端环节,如固废产出与处理等也很少关注,但这些内容其实对于煤矿企业而言都至关重要,影响着矿山企业的效益甚至生存。这些都是现有的煤矿智能化架构亟待改进之处。此外,我国煤矿智能化架构还存在着企业管理模式未与之匹配等问题,这些都成为地下煤矿智能化架构的短板,成为智能矿山在煤矿企业进一步发展与应用的障碍。2 煤矿智能化架构创新2.1 煤矿矩阵式模块化智能化架构针对以上现有煤矿智能化架构的各种不足,并结合煤矿本身的固有特性,有针对性地进行分析并加以改进,设计出符合煤矿实际的智能化矿山架构。现有的煤矿智能矿山架构不足突出体现在功能过剩、不能适应各种矿山的不同需求、未涵盖矿山开采上游和末端治理环节、未能充分考虑现有矿山实际条件等方面。结合以上,特提出矩阵式模块化煤矿智能矿山架构设计,如图2所示。该智能矿山架构由下而上,由感知应用层、传输存储层及分析决策层构成,涵盖地质管理、采矿管理、选矿管理、尾矿管理及辅助管理等多个模块,是典型的矩阵式模块化智能矿山架构。对该煤矿智能化架构的各结构层分述如下。(1)感知应用层。感知应用层是煤矿智能化架构的最底层,也是基础层。本层有两层含义,一个是感知方面,感知方面主要是从下往上,向传输存储层传输信号,反馈环境中的信息和参数,包括各种传感器、监测装置和检测装置;另一个是应用方面,应用方面主要是各种执行设备,如智能无人凿岩台车、无人驾驶铲运机、智能洗选设备等,这些智能装备主要接受上层传输来的信号,执行指令,但是无论是感知方面还是应用方面,均直接面对煤矿生产的一线,是煤矿各种情况的被动感知者或主动创造者,与煤矿情况密切关联,因此归为一层。本层包括地质管理、采矿管理、洗选管理、煤矸石管理和辅助管理(除地质、采矿、选矿和尾矿管理外的均可归入辅助管理),是煤矿智能化架构最庞大最全面的一层。(2)传输存储层。传输存储层是煤矿智能化架构的中间层,起承上启下的纽带作用。其传输质量的高低直接影响到煤矿智能化建设成效。该层实际上也包含两个相对独立的方面,一个是传输方面,主要包括少部分有传输特殊需要而采用的工业专用网551胡涛:矩阵式模块化煤矿智能矿山架构研究图2 矩阵式模块化煤矿智能矿山架构络和普遍采用的无线高速传输网络。无线高速传输网络推荐采用高清无延时大带宽的5 G及5 G+网络。另一个是存储历史经验数据并为智能分析决策提供依据的数据库,为体现出煤矿智能化架构的特点与优势,智能化架构未按照数据的物理性质如视频、音频等进行分类,而是按照煤矿生产的地质、采矿、选矿、尾矿及辅助等环节和内容进行分类存储。(3)分析决策层。分析决策层是煤矿矿山智能化架构的最高层,是整个煤矿智能化架构的大脑所在。该层的核心在于创建了一个智能分析决策平台,含有三维建模、动态模拟、实时可视、大数据分析决策以及远程智能控制等模块。这些模块对矿山智能化的实现是十分重要的,是智能化最直接最直观的体现。为了体现煤矿智能化架构的特点与优势,将远程控制模块按照矿山生产环节的地质、采矿、选矿、尾矿及辅助管理进行分类,分别经传输存储层向下传输信号,最终远程操控感知应用层的智能化终端。2.2 矩阵式模块化煤矿智能矿山架构特点由智能化的矩阵式架构及其内容,可以看出矩阵式模块化架构相对于常见的地下矿山智能化架构有如下特点。(1)结构简单。传统的煤矿智能矿山架构一般都有3 5层,而且虽然有些结构是3层,但是其中分了若干子层,如将最基础层(对应于图2的感知应用层)分为仪器仪表及智能装备两层,或将中间传输层(对应于图2的传输存储层)分为传输层、监测监控层和数据运维层多层。对于一个智能矿山架构而言,当层次增加一层之后,协调控制管理难度将指数级增加,因此,智能矿山架构层次越少,结构就越简单,协调管理和控制难度就越小。图2的智能矿山架构仅有实现智能化必需的3层,而且每一层及其内容都是实现智能化必不可少的。实现了智能化架构非必要冗余层次部分的完全去除,层次结构简单,协调管理难度较小。(2)意义明确。传统的煤矿智能矿山架构不仅内容多、层次复杂,而且架构里面的内容内涵不是很清晰。对煤矿企业进行智能化建设的指导意义不强。而图2的智能矿山架构的每层内容都可以具体到现实的物象,内容指向明确具体,且不会产生歧义,便于智能化架构的实现,为智能矿山建设提供直651采矿技术2 0 2 3,2 3(2)接而准确的指导。(3)提供多种替代方案。传统的煤矿智能矿山架构较为固定僵化,架构中的内容在确定后就变为固定模式,但实际上对于广大地下矿山而言,其情况是千差万别的,不可能有“放之四海而皆准”的通用模式。尤其是对于我国已经建成的广大矿山而言,其设备、装置都已经采购完毕,而且使用多年,如果按照固定模式推倒重来,将会花费巨大代价,且是对现有资源的巨大浪费。矩阵式模块化煤矿智能矿山架构并非追求完全的智能化,只是一定程度上的智能化也是能够被接受的,因此其架构的每一部分内容均可被常规产品替换,例如无线高速传输网络系统在满足矿山实际需要的前提下,可以由5 G及5 G+网络变为4 G网络;各种智能化装备设备也可以由各种自动化机械化设备替代。(4)矩阵式模块化架构设计可灵活选用。矩阵式模块化煤矿智能矿山架构采用了模块化设计矩阵式结构。纵向上,根据架构层次由下而上分为感知应用层、传输存储层和分析决策层;横向上,根据矿山作业环节由左往右分为地质智能模块、采矿智能模块、洗选智能模块、煤矸石管理智能模块、辅助智能模块,且只有传输网络、实时数据收发平台、智能分析决策平台是必不可少、不可分割的,其他的都被矩阵式结构分成了分布在3层5个模块中的1 5个小模块。在煤矿智能化建设时,各个模块均可以灵活选用,如当原煤品位较高、品质较好无需洗选时,选矿模块就可以完全去掉,剩下的架构也是完整可以实现的。如此,实现了煤矿智能化架构的灵活机动,更加适合不同矿山的不同需求。综上所述,本煤矿智能化架构为矩阵式模块化结构,具有结构简单、含义明确、方案可替代、可灵活选用的特点。众所周知,由于煤矿自身特点(基建工程量大、危险的作业环境以及产品附加值低),中小型企业经济效益一直相对不佳,作业人员的危险性也大。而智能化的高效率、无人操作的优势,可以很好地弥补煤矿的这种缺陷:高效率带来了低成本和高效益,其经济效益必然得到改善;而智能化可以实现很多危险区域的无人操作,对作业人员的危害将减轻甚至避免,从而保证煤矿的安全作业。除此之外,矩阵式模块化煤矿智能矿山架构的矩阵式模块化结构、结构简单、含义明确、方案可替代的特点,也为煤矿低成本应用智能化提供了可能,广大在建或已建成的煤矿可以根据自身条件,对智能化的层次和模块灵活选取确定,实现部分程度或完全程度的智能化,最终不仅能提高经济效益、保证生产安全,也实现了经济与现有资源的节约。3 结论针对现有煤矿智能化架构的种种不足,设计了符合煤矿特点的矩阵式模块化的智能矿山架构,该架构具有结构简单、含义明确、方案可替代、可灵活选用的特点,可以实现不同程度的地下矿山智能化,并可以与不同矿山实际紧密贴合,为矿山智能化在包括地下矿山在内的煤矿大规模应用提供了可借鉴的途径。在后续的煤矿智能矿山架构及建设的相关研究中,相关学者可以充分借鉴矩阵式模块化煤矿智能矿山架构的内容和思想,设计出更多贴合不同矿山生产实际、造价低、便于操作、可供不同矿山灵活选用的智能化架构,为我国煤矿早日实现大规模智能化,早日开创煤矿智能化时代提供助力。参考文献:1 刘子强,周先,陈功,等.浅谈柿竹园智能矿山建设进程及发展J.采矿技术,2 0 2 2,2 2(2):1 1 4-1 1 7.2王怀远,王润,陈冲,等.露天矿智能采装功能模块设计J.采矿技术,2 0 2 1,2 1(6):1 4 7-1 4 9.3滕玲.矿山运行智能化已是全球大势所趋J.地球,2 0 1 9(2):6 0-6 3.4张元生,战凯,马朝阳,等.智能矿山技术架构与建设思路J.有色金属(矿山部分),2 0 2 0,7 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