宁煤公司煤矿智能化建设顶层规划研究
时间：2023-08-28 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技引领 ★
宁煤公司煤矿智能化建设顶层规划研究
0 引言
煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，代表煤炭先进生产力的发展方向[1-2]。近年来，煤矿智能化理论与技术得到长足发展，国内学者对煤矿智能化顶层设计进行了大量研究，许多煤矿都开展了智能化建设。
王国法等研究人员[3]系统分析了目前煤矿智能化主要特点及存在的不足，提出了煤矿智能化技术发展方向与建设路径；谷保泽等研究人员[4]提出了矿山透明地质保障系统构建方法，并在乌海矿区进行了应用；康红普等研究人员[5]总结了煤矿巷道掘进工艺与装备，研究了不同围岩地质条件下煤矿智能快速掘进模式；高有进等研究人员[6]论述了现阶段综采工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、供液系统等设备智能化技术的特点，提出了综采工作面智能化的发展方向；周福宝等研究人员[7]研究了矿井智能通风原理与实现路径；孙继平等研究人员[8-9]分析了矿用5G技术及适用范围，提出了基于灵活以太网的煤矿信息承载网；胡青松、钱建生等研究人员[10]基于人工智能3.0提出了ACKADa(应用+算力+知识+算法+数据)的智能矿山建设思路；李首滨等研究人员[11]从工业互联网的角度研究了智能矿山技术体系与业务架构，提出了基于工业互联网的智能矿山建设路径；吴群英等研究人员[12-13]研究了陕北矿业公司智慧矿区建设规划，提出了智慧矿区“1543”建设模式，研究了智慧矿山的顶层设计架构、业务逻辑架构、技术架构、数据架构等内容，提出了智慧矿区的建设展望；王国法等研究人员[14-15]针对煤矿复杂巨系统特性，提出了多源异构数据处理方法、基于“ABCD”(人工智能、区块链、云计算、大数据)的系统耦合技术，并在张家峁等煤矿进行成功应用。
通过以上文献研究发现，当前学者主要针对单个矿井或者单个矿井系统进行智能化建设研究，针对煤业公司级或矿区级智能化建设顶层规划研究较少。宁煤公司积极推进智能矿山建设，实现统一数据、统一模型、统一平台、统一方案，避免重复建设及无效建设。笔者结合宁煤公司及所属矿井、选煤厂现状，遵循前瞻性、先进性、可靠性、开放性、实用性、易维护等原则，对宁煤公司智能化建设进行了整体部署和顶层规划。
1 宁煤公司基本现状
(1)宁煤公司基本情况。宁煤公司主营业务为煤炭和煤制油化工，经营范围涉及煤炭深加工及综合利用、机械加工制造与维修、能源工程建设等。宁煤公司共有14座生产煤矿，分别为麦垛山煤矿、红柳煤矿、石槽村煤矿、梅花井煤矿、清水营煤矿、羊场湾煤矿(包括一、二号井)、灵新矿煤矿、枣泉煤矿、金凤煤矿、双马煤矿、金家渠煤矿、任家庄煤矿、红石湾煤矿、白芨沟煤矿，分别位于鸳鸯湖矿区、马家滩矿区、碎石井矿区、横城矿区和汝箕沟矿区，煤炭设计生产能力合计为6 500万t/a，目前实际生产能力5 900万t/a。
宁煤公司共有1个选煤中心和13个选煤厂，13个选煤厂分别为梅花井选煤厂、枣泉选煤厂、红柳选煤厂、石槽村选煤厂、羊场湾选煤厂、羊场湾二分区选煤厂、双马选煤厂、灵新选煤厂、金凤选煤厂、清水营选煤厂、太西选煤厂、任家庄选煤厂(停产)、红石湾选煤厂(停产)。选煤中心目前管理11座选煤厂(除红石湾选煤厂与任家庄选煤厂)。红石湾选煤厂归所在矿井管理，且处于停产状态，暂不考虑进行智能化升级改造。任家庄选煤厂归所在矿井管理，虽然没有选煤，但该矿主煤流运输系统全部经过选煤厂，因此针对运输系统进行智能化规划。
(2)信息化建设现状。宁煤公司已经建成了“一网三中心一平台”的信息化基础传输网络与应用系统平台，目前主要存在以下不足：一是信息化、智能化项目分步建设，缺少统一规划，数据标准尚未完全统一，存在信息孤岛；二是大数据分析仍停留在统计阶段，缺少综合分析能力，无法为高层决策提供精准支撑；三是缺少信息化技术人员，系统未能有效发挥作用；四是网络安全防护范围、深度、等级不够，公司现有的网络安全防御体系无法满足日益严峻的安全问题；五是缺乏统一的综合集成信息平台，用户访问系统需多系统多次登录，便捷性和用户体验不理想。
(3)矿井智能化建设现状。宁煤公司所属煤矿至今累计完成20个智能化综采工作面，目前矿井掘进工作面智能化程度较低，掘锚一体化工作面在枣泉煤矿、梅花井煤矿等矿井进行了试点应用，主运、供电、排水等固定岗位还不能实现无人值守，通风系统智能化程度较低，未建设矿井综合管控平台。
2 智能矿山建设顶层设计
2.1 顶层设计思路
以国家能源集团智能化总体应用架构、技术架构为基础，结合宁煤公司智能矿山建设的现状和需求，采用“顶层设计引领、重点需求突破、试点建设先行、开放协同创新”基本思路进行本次规划研究。
(1)顶层设计引领。统筹分析宁煤公司所属煤矿基础条件、生产现状、管理水平和智能化建设基础，科学合理地制定建设规划目标和实施路径，根据煤层赋存条件、资源储量、井型规模、煤矿基础条件、装备水平等情况，分类分级制定实施方案。
(2)重点需求突破。结合宁煤公司下属煤矿安全生产需求，深入分析制约生产效率、安全水平的重点需求，围绕重大需求开展方案设计与工程建设实施，开展卡脖子的关键核心技术研究与应用，实现智能矿山建设与科技创新融合突破。
(3)试点建设先行。综合考虑宁煤公司不同煤矿特点和生产经营情况，分析不同技术应用条件和示范效果，遴选不同条件煤矿开展专项试点建设，试点建设方案具备横向扩展和移植应用条件，以点带面实现宁煤公司智能矿山建设综合示范。
(4)开放协同创新。充分发挥国家能源集团和煤矿智能化协同创新中心生态创新力量，基于宁煤公司信息化、智能化基础技术条件，形成宁煤公司智能化矿山建设工作“一体化、一盘棋”有序推进。
2.2 顶层规划蓝图
参考工业互联网架构模式，从算力、网络、存储及平台的角度出发，以“一云多边、一网多专、三平台、五中心、N个智能应用场景”为总体规划纲要，打造宁煤特色的智能矿山建设蓝图。宁煤公司智能矿山顶层规划架构如图1所示。
图1 宁煤公司智能矿山顶层规划架构
(1)“一云多边”。面向宁煤公司及下属14座煤矿、13个选煤厂对智能化共性需求，建设宁煤公司智能矿山应用“一朵云、多个边”部署体系。采用工业互联网架构，建设智能矿山赋能云基础设施，搭建矿山大数据、煤矿AI引擎、GIS引擎、统一认证等智能开发能力。基于国家能源集团“基石”平台服务能力，采用微服务框架集成，将企业经营管理、供应链、财务管理、客户关系管理、人力资源管理等国家能源集团统建系统，与煤质管理、煤炭运销、生产调度等宁煤公司统建系统进行整合，并搭建“宁煤公司智能矿山一体化管控平台”进行一体化集成，形成“一套开发框架、多边应用场景定制”开发部署模式，满足宁煤公司及下属厂矿多级智能化应用。
(2)“一网多专”。建设宁煤公司“一张网”融合基础设施，根据业务管控要求，采用网络切片、软件定义网络(SDN-WAN)等技术划分多个专网，满足智能矿山建设不同应用对网络的需求，根据不同煤矿特点划分为工控专网、信息专网等。
(3)“三平台”。构建“云边协同”的宁煤公司智能矿山一体化管控平台，具备多级、多矿分布式部署能力，并实现应用下发和数据协同功能，与煤矿端“智能煤矿综合管控应用平台”和选煤厂端“智能选煤综合管控应用平台”形成一体化研发、部署、运维模式，实现“集中研发、多级部署”模式，大大降低研发投入和运维成本。三平台建设如图2所示。
图2 三平台建设
(4)“五中心”。根据宁煤公司管控需求，建设“智能生产监管中心”“安全态势预警中心”“运营管理中心”“决策指挥中心”“IT设施管控中心”，实现“统一平台支撑、多业务管控协同”模式。煤矿、选煤厂根据集中管控要求，建设与宁煤公司对应的业务管控中心，并建立组织机构、明确权责。
(5)“N个智能应用场景”。智能应用场景是智能煤矿、智能选煤厂建设的重点，基于统一“云、网、边、端”信息化基础设施，搭建面向宁煤公司下属14座煤矿和13座选煤厂多类工业现场智能应用，并根据智能化需求，对工业现场设备、系统进行智能化升级改造。煤矿工业智能场景包括智能回采、智能掘进、智能运输、智能通风、灾害预警、安全监测等；选煤厂工业智能场景包括自动控制、智能控制、辅助自动化、安全监测等。
3 规划建设内容
依据顶层规划设计蓝图，划分为集团级、公司级、煤矿、选煤厂和精益管理与保障措施这5个部分建设内容，集团级建设内容由国家能源集团集中部署、统一建设，公司级建设内容由宁煤公司自主建设，厂矿级建设内容为国家能源集团统一标准，各厂矿自主建设。宁煤公司智能矿山建设规划内容架构如图3所示。
图3 宁煤公司智能矿山建设规划内容架构
3.1 集团级建设
集团级建设内容主要有决策支持系统、风险管控系统、绩效管理系统和供应链管控系统等，为国家能源集团决策支持层建设内容，通过国家能源集团“基石”平台提供的煤矿云计算中心和大数据平台服务能力，对煤矿全样本数据采集、存储、分析、计算与深度挖掘利用，基于机器学习及专业应用模型等实现数据赋能，为煤矿的安全生产、经营管理、风险管控等进行预测预警并提供全方位的决策支持服务。本部分内容为国家能源集团统建部分。
3.2 公司级建设
构建宁煤公司智能矿山“一朵云”，整合国家能源集团统建系统、宁煤公司自建系统，对基础网络实现升级改造，实现宁煤公司统一网络管理；对银川数据中心进行冗余建设，具备数据容灾功能；基于微服务架构、大数据、AI、融合通信、统一认证等基础平台支撑服务，建立“宁煤公司智能矿山一体化管控平台”；搭建包含生产信息、经营信息、公司信息及宣传视频等相关内容的大屏显示系统，实现生产管理及安全预警等方面的智能决策分析；通过人力资源提升、企业精益标准定额、和谐矿区建设等工程，实现宁煤公司的管理精细化提升，支撑宁煤公司智能矿山建设，实现宁煤公司数字化转型。
3.3 智能煤矿建设
通过结合宁煤公司下属矿井当前智能化建设实际，分步建设和完善智能煤矿综合管控应用平台、智能回采、智能掘进、智能主运输、智能保障、智能通风、安全预警等内容，IT基础设施与公司形成云边协同运营模式，逐步提升矿井智能化水平。
规划本着“分步实施，两个阶段，需求精准，一矿一策，示范先行，逐步推进”的原则，2022年前，红柳煤矿率先完成智能综采移动管理系统，综采工作面进行5G应用试点；枣泉煤矿以中级建设目标为准进行智能矿山建设，进行煤矿机器人试点应用；金凤煤矿、红柳煤矿依托地理信息系统率先建设透明工作面建模，并开展采煤机与“三机”(刮板输送机、转载机、破碎机)自适应调速控制研究；麦垛山煤矿建设了灾害预警与智能通风系统。以上煤矿在试点完成后再逐步推广到其他煤矿，力争在2025年完成试点项目的推广工作。
3.4 智能选煤厂建设
选煤厂建设内容主要包括智能选煤综合管控平台、智能决策系统、智能管理系统、智能控制系统、数据采集与传输系统和自动控制系统等方面。宁煤公司下属选煤厂已基本达到初级智能化水平，结合选煤厂建设现状，完善选煤厂信息基础设施建设，实现生产监控全过程一体化、精细化、可视化、数字化的管理。
3.5 精益管理与保障措施
智能化矿山建设对企业提出新的管控模式要求，宁煤公司已具备一定管理基础，但还亟需针对智能矿山建设模式，构建与之匹配的精细化管控体系，提出打造“智慧宁煤、价值创造”管理提升目标，构建“愿景驱动、以人为本、标准精益、智能管理、和谐共赢”的发展模式，开展“人力资源提升、精益标准定额、和谐矿区建设”重点工程，全面提升宁煤公司数字化、精细化管控水平。
智能化矿山建设是煤炭工业的重大技术变革，是行业转型升级、实现高质量发展的重点内容与方向，但目前距离真正的智能化生产经营管理还任重道远，应在管理理念、投入力度、团队建设等多方面下大工夫，全力做好各项提升工作。管理提升目标的实现必须在思想认识、组织领导、经费投入和考核机制等方面予以保障。
4 公司级建设内容
根据国家能源集团要求，并结合宁煤公司实际情况，公司级建设内容要从实际出发，在现有成果基础上升级改造与新建双管齐下，分阶段逐步实现智能化的发展目标。公司级建设内容主要包含网络规划、数据池及灾备、智能煤矿云、大屏显示系统和智能决策支持建设5个部分。
4.1 网络规划
改造升级宁煤公司现有线路基础网络，实现光传输网络全面升级为新一代OTN网络。为了保障整个网络基础网络的稳定性及兼容性，新购10万MB核心光纤交换机、防火墙、宽带接入交换机AC上网行为管理等核心层网络设备应由宁煤公司统一标准型号、分级部署采购，同时对宁煤公司开放远程访问端口以实现统一管理。宁煤公司基础网络示意如图4所示。
图4 宁煤公司基础网络示意
在更换网络设备的同时，通过更新现有线缆实现光纤传输链路的扩容，为方便后期网络设备升级及线路安全，主干环网到各个厂矿点到点之间敷设至少1根电信级室外单模48芯光缆，实现光传输网络带宽扩容、统一管理、统一调度、统一监控、分级巡检的目标。网络规划内容包括基础网络改造、工控专网建设、网络安全建设3个部分，从功能上可分为经营管理专区、安全生产专区和办公网专区。
4.2 数据池及灾备
宁煤公司现建设有私有云装备，根据智能化矿山需求对现有设备进行升级改造，将银川数据中心进行冗余建设，具备数据容灾功能。部署方式为：计算机网络核心交换机及关键节点升级实现双机热备，消灭重要节点单点隐患，保证网络稳定。关键节点核心层汇聚交换机部署2台以上，核心设备具备冗余、核心板件热备份。服务器、存储、核心交换机等设备电源及通讯模块冗余，提升抗灾抗风险能力。
4.3 煤矿智能云
围绕宁煤公司建设目标，基于云服务架构，以大数据平台、融合通信平台、AI平台及统一身份认证为底座，搭建宁煤公司智能一体化管控平台，设立智能生产监管中心、安全态势预警中心、运营管理中心、决策指挥中心及IT设施管控中心，实现生产、安全、经营、决策及信息化管理的多业务协同和一体化管控，确保宁煤公司上下级及横向部门间信息畅通和业务联动。
(1)云边协同。基于云边协同架构，选用成套解决方案建设公司统一的云数据中心，与厂矿数据中心构成云边协同体系。宁煤公司矿山生产云承载宁煤公司经营管理层与生产控制层这2类业务，汇聚所有厂矿的生产、安全等业务数据，并赋予大数据分析、统一运营运维等专业能力；煤矿与选煤厂边缘计算节点部署矿级边缘计算资源池，为各项业务提供计算和存储资源，承载一体化综合管控平台及宁煤公司、国家能源集团后续提供的AI、大数据平台能力。云边协同体系如图5所示。
图5 云边协同体系
(2)大数据平台。通过数据汇聚、数据存储、数据计算、数据治理、数据分析以及数据服务，为用户提供数据的采、存、管、算、用端到端的能力，面向各业务应用统一提供数据支撑，并深度挖掘数据价值，持续提升数据质量，助力智能矿山建设。
(3)融合通信平台。基于视频会商决策平台的可视应急指挥系统，具备监控、语音、会议、集群及数据的多业务融合指挥通信的能力，可实现全视频融合及可视化调度，全局可视，统一显控。
(4)AI平台。通过人工智能探放水管理、人工智能瓦斯抽采管理、人工智能带式输送机监控、人工智能井下巡检、人工智能三维监测等，构建多维度作业场景数据模型，对煤矿生产、运输过程中的不安全行为和状态进行实时监测和预警，满足煤矿安全生产要求。
(5)统一身份认证。提供用户身份认证、权限分配、访问控制等功能，授予用户管理账号下资源的特定访问权限，通过安全策略实现资源的有限共享，降低企业敏感信息安全风险。
(6)智能一体化管控平台。以微服务架构和大数据平台、AI平台、融合通信等为基础，综合数据挖掘算法、层次分析算法和模糊数学等相关方法，开展生产、安全、经营、决策等业务分析，实现智能管控。
(7)业务中心。基于智能一体化管控平台，设立智能生产监管中心、安全态势预警中心、运营管理中心、决策指挥中心及IT设施管控中心，开展生产、安全、经营等相关活动，打破信息孤岛，多场景多业务联动。
4.4 大屏显示系统
宁煤公司大屏可视化展示的具体建设内容按照《集团基石项目工作任务单(第00245号)宁煤》的要求进行建设，包括大屏页面内容开发以及大屏显示硬件升级。公司级大屏展示内容见表1。
表1 公司级大屏展示内容
序号展示要素更新频率维护内容1宣传视频低展示本单位风采的高清视频2单位分布图低通过地图标识宁煤公司及各下属单位的地理位置,并作为各下属单位页面的导航入口,点击地图中下属单位名称可跳转到相应单位页面3公司简介低本单位的概况及产业特色介绍4一体化低宁煤公司关于一体化建设方面的概况介绍5生产信息-煤炭板块每日生产指标为14家下属厂矿单位的综合值,包括原煤量、掘进量、外购量、销售量,每项指标包括计划、完成、超欠、完成率4个分项数据,时间维度为年、月、日6生产信息-煤化工板块每日生产指标按4家煤化工分公司的不同产品独立统计,每种产品包括生产量、销售量2项生产指标,每项指标包括计划、完成、超欠、完成率4个分项数据,时间维度为年、月、日7经营信息-煤炭板块每月经营指标为14家下属厂矿单位的综合值,包括收入、利润、净利润、利税、吨煤成本、工效,时间维度为年、月8经营信息-煤化工板块每月经营指标按分公司独立统计,包括收入、利润、净利润、利税、综合单位成本为时间维度,年、月9值班/天气信息每日值班信息包括值班领导和值班人员信息,天气信息包括今明两天的天气预报信息10人员信息实时人员信息包括井下人数、井下领导人数、井下车辆数,公司级页面仅显示总数,明细数据可通过厂矿级页面展示11安全环保低包括安全环保指标和安全环保工作介绍2个部分,安全环保指标包括百万吨死亡率、职业病发病率、工业废水综合利用率、工业固体废物合规处置率、矿井水达标排放率、锅炉烟气达标排放率、塌陷土地治理率;安全环保工作介绍展示本单位安全环保工作的成绩和亮点12生态治理低展示本单位生态治理工作的成绩和亮点13报警信息实时包含单位名称、报警类型、报警开始时间、处理情况14重大隐患每日隐患信息包含隐患名称、责任人、时间、进度15工业视频实时选择3个监控画面展示
4.5 智能决策支持
依托智能一体化管控平台及云计算数据中心，采集各业务中心的生产、安全与经营数据，开展煤炭产业数据建模，归纳总结并形成方法论，为煤炭安全、生产、运营管理和风险管控提供决策支持。
5 预期效益分析
5.1 经济效益
基于宁煤公司煤矿智能化建设顶层规划的智能化建设预期能够创造可观的经济效益，包括劳动力节约效益、提效效益和维修维护成本投入效益。14对矿井平均预期优化减员40人，按照平均人工费用15万元/a 计算，则可节约的人工费用为14×40×15万元/a =8 400万元/a。根据经验估计，每生产1 t 煤炭提效效益节约为3元，按照宁煤公司煤炭产能5 900万t/a计算，则提效效益为5 900万t/a×3元/t=17 700万元/a。根据经验估计，每生产1 t 煤炭维修维护成本多投入为0.5元，按照宁煤公司生产煤炭5 900万t/a计算，则提高效益为5 900万t/a ×0.5元/t=2 950万元/a。本项目实施后节支效益(减员)为8 400万元/a，提效效益为17 700万元/a，维修维护成本投入为2 950万元/a，合计可节约23 150万元/a。
5.2 社会效益
基于宁煤公司煤矿智能化建设顶层规划的智能化建设预期能够创造较好的社会效益，能够大幅降低工人劳动强度、提升矿井运营效率、节约能源消耗，并提高矿井生产效率。
5.3 管理效益
基于宁煤公司煤矿智能化建设顶层规划的智能化建设预期能够创造较好的管理效益，宁煤公司与下属煤矿和选煤厂之间具备实时、准确的数据传输通道，各业务子系统间数据实时交互，基于大数据平台和人工智能算法分析，宁煤公司管理层能够及时掌握业务实际情况，从而做出合理、科学的决策。
6 结语
针对宁煤公司智能化建设现状，从工业互联网的角度，以“一云多边、一网多专、三平台、五中心、N个智能应用场景”为总体规划纲要绘制了顶层设计蓝图，从整体架构、网络规划、平台架构、应用架构的角度进行了顶层规划。按照统一规划、分级部署的原则对国家能源集团、宁煤公司、各煤矿及选煤厂的建设内容进行规划建设，按照“统一方案、统一数据、统一模型、统一平台”的原则，整体规划，统一标准，顶层设计，形成适应宁煤公司及下属煤矿、选煤厂的智能化建设标准。
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