淺談數(shù)字化礦山建設(shè)

　　長期以來煤炭工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的龍頭產(chǎn)業(yè)，但與發(fā)達(dá)國家相比，我國的煤炭產(chǎn)業(yè)還存在以下幾方面的不足：一是煤礦設(shè)施落后，裝備技術(shù)化水平低，許多地方還是要靠人力，先進(jìn)技術(shù)支持力度不夠;二是安全事故多，每百萬噸的死亡率是2.04，發(fā)達(dá)國家為0.5左右，而僅次于我國的第二大產(chǎn)煤國美國每百萬噸的死亡率為0.033。究其根本原因，是對礦井作業(yè)過程和環(huán)境狀況缺乏一套系統(tǒng)、科學(xué)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測分析以及實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控技術(shù)。信息化時(shí)代的到來，為煤炭行業(yè)這一傳統(tǒng)工業(yè)的改革指明了方向。

　　數(shù)字礦山是建立在數(shù)字化、信息化、虛擬化、智能化、集成化基礎(chǔ)上的，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理的管控一體化系統(tǒng)，它綜合考慮生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、環(huán)境、資源、安全和效益等各種因素，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，在保障企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提下，達(dá)到提高其整體效益、市場競爭力和適應(yīng)能力的目的。數(shù)字礦山的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山的綜合自動(dòng)化。

　　目前煤礦井下各種監(jiān)控系統(tǒng)繁多且相互獨(dú)立，信息不能互通難成體系，整體可靠性差，現(xiàn)有的礦級網(wǎng)絡(luò)大多僅支持辦公自動(dòng)化，實(shí)時(shí)性、可靠性和抗惡劣環(huán)境的能力還不能滿足煤礦安全、生產(chǎn)、調(diào)度系統(tǒng)的需要。信息不能綜合利用，難以從系統(tǒng)工程的整體角度來對礦山進(jìn)行統(tǒng)一的自動(dòng)化調(diào)度管理。這就需要開發(fā)數(shù)字化礦山，全面運(yùn)用電子技術(shù)，形成高效的自動(dòng)化安全生產(chǎn)技術(shù)，提升企業(yè)生產(chǎn)裝備的綜合自動(dòng)化水平，使生產(chǎn)流程和安全控制程序化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的可用性，確保生產(chǎn)安全和高產(chǎn)效。

　　數(shù)字礦山自下而上可分為以下七個(gè)主層次：

　　(1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層。即數(shù)據(jù)獲取與存儲(chǔ)層。數(shù)據(jù)獲取包括利用各種技術(shù)手段獲取各種形式的數(shù)據(jù)及其預(yù)處理;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括各類數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)文件、圖形文件庫等。該層為后續(xù)各層提供部分或全部輸入數(shù)據(jù)。

　　(2) 模型層。即表述層。如空間和礦物屬性的三維和二維塊狀模型、礦區(qū)地質(zhì)模型、采場模型、地理信息系統(tǒng)模型、虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)化模型等。該層不僅將數(shù)據(jù)加工為直觀、形象的表述形式，而且為優(yōu)化、模擬與設(shè)計(jì)提供輸入。

　　(3) 模擬與優(yōu)化層。如工藝流程模擬、參數(shù)優(yōu)化、設(shè)計(jì)與計(jì)劃方案優(yōu)化等。

　　(4) 設(shè)計(jì)層。即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)層。該層為把優(yōu)化解轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行方案或直接進(jìn)行方案設(shè)計(jì)提供手段。

　　(5) 執(zhí)行與控制層。如自動(dòng)調(diào)度、流程參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測與控制、遠(yuǎn)程操作等。該層是生產(chǎn)方案的執(zhí)行者。

　　(6) 管理層。包括MIS與辦公自動(dòng)化。

　　(7) 決策支持層。依據(jù)各種信息和以上各層提供的數(shù)據(jù)加工成果，進(jìn)行相關(guān)分析與預(yù)測，為決策者提供各個(gè)層次的決策支持。

　　按功能劃分，數(shù)字礦山包括六大類系統(tǒng)：數(shù)據(jù)獲取與管理系統(tǒng)、數(shù)字開采系統(tǒng)、礦區(qū)地理信息系統(tǒng)、選礦數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)。其中數(shù)字開采系統(tǒng)是核心系統(tǒng)，也是效率和效益的主要?jiǎng)?chuàng)造者。

　　以漳村煤礦為例，該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)倉庫(DataWarehouse)技術(shù)為基礎(chǔ)，以聯(lián)機(jī)分析處理(OLAP)和數(shù)據(jù)采掘(DataMining)工具為手段，并通過計(jì)算機(jī)技術(shù)及建立的關(guān)系與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了三維虛擬數(shù)字化礦井信息管理平臺(tái)。該平臺(tái)以礦井安全生產(chǎn)綜合管理三維可視化信息系統(tǒng)為主體，主要圍繞礦井的生產(chǎn)過程(采、掘工作面的推進(jìn))引起生產(chǎn)環(huán)境(地質(zhì)條件、生產(chǎn)系統(tǒng))變化的特點(diǎn)，針對靜態(tài)平面圖形和數(shù)據(jù)圖表難以反映礦井地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件、工作場所在時(shí)間、空間上變化而造成生產(chǎn)動(dòng)態(tài)信息反饋嚴(yán)重滯后的問題，采用了先進(jìn)的三維可視化技術(shù)，開發(fā)和集成了三維動(dòng)畫、多媒體、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示等系統(tǒng)功能，將礦井復(fù)雜的井巷工程、生產(chǎn)與安全系統(tǒng)、地質(zhì)地測等綜合動(dòng)態(tài)信息通過三維立體圖逼真地表現(xiàn)出來，使礦井各級生產(chǎn)部門、監(jiān)察部門能直觀、快速、全面地了解礦井生產(chǎn)狀況和相關(guān)信息，為礦井生產(chǎn)管理、生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)察部門的監(jiān)督檢查提供決策依據(jù)。礦井安全生產(chǎn)綜合管理三維可視化信息系統(tǒng)是漳村礦綜合自動(dòng)化建設(shè)的一大亮點(diǎn)，該系統(tǒng)的投入，使漳村礦進(jìn)入“數(shù)字化礦井”邁出了關(guān)鍵一步。

　　漳村煤礦數(shù)字化礦山建設(shè)針對安全高效現(xiàn)代化礦井建設(shè)的需求，研究了綜合自動(dòng)化數(shù)字礦山建設(shè)的結(jié)構(gòu)體系及其支撐關(guān)鍵技術(shù)，包括煤礦企業(yè)PCS過程數(shù)據(jù)檢測技術(shù)、煤礦企業(yè)PCS生產(chǎn)過程建模技術(shù)、基于MES技術(shù)及原理的煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)、基于可靠性的設(shè)備維護(hù)及連續(xù)生產(chǎn)保證系統(tǒng)技術(shù)、煤礦企業(yè)ERP/MIS管理技術(shù)、綜合自動(dòng)化低成本集成技術(shù)以及礦井安全生產(chǎn)三維可視化平臺(tái)建設(shè)相關(guān)技術(shù)等。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了煤礦綜合自動(dòng)化PCS , MES及ERP/MIS一體化解決方案，實(shí)現(xiàn)了煤礦的生產(chǎn)過程監(jiān)控及實(shí)時(shí)管理自動(dòng)化目標(biāo)。

　　漳村礦數(shù)字化礦山建設(shè)的創(chuàng)新特色主要具有：①通過自主開發(fā)和集成創(chuàng)新，系統(tǒng)地建立了實(shí)用的煤礦企業(yè)綜合自動(dòng)化與信息管理數(shù)字化礦山體系結(jié)構(gòu);②在煤礦企業(yè)MES中引人RCM系統(tǒng)，結(jié)合PCS的故障診斷與異常檢測，開發(fā)出漳村煤礦連續(xù)生產(chǎn)保證子系統(tǒng);③將三維虛擬技術(shù)與煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)(MES )結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化系統(tǒng)與礦井安全生產(chǎn)三維可視化信息平臺(tái)集成;④在煤礦綜合自動(dòng)化工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及應(yīng)用中，引入ProfiNet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了“數(shù)據(jù)、視頻、語音”三網(wǎng)合一;⑤在國產(chǎn)采煤機(jī)開發(fā)應(yīng)用了自動(dòng)調(diào)整滾筒高度記憶割煤智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面采煤機(jī)仿形割煤智能控制。

　　數(shù)字礦山建設(shè)涵蓋內(nèi)容很多，而且在國內(nèi)剛剛起步，發(fā)展前景廣闊，對國家和企業(yè)都是十分重要的，數(shù)字礦山于2008年末被列為國家“863計(jì)劃”。數(shù)字礦山是以計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)為手段，把礦山的所有空間和有用屬性數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲(chǔ)、傳輸、表述和深加工，應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策之中，以達(dá)到生產(chǎn)方案優(yōu)化、管理高效和決策科學(xué)化的目的。

　　數(shù)字礦山是國家戰(zhàn)略資源安全保障體系的重要組成部分，是評價(jià)礦山資源生態(tài)環(huán)境的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)字礦山建設(shè)是資源可持續(xù)發(fā)展的重要基石，是化解高危行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的根本途徑。綠色礦山是發(fā)展的趨勢目標(biāo)。