露天煤矿智能综合管控平台应用研究
时间：2023-03-06 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技引领 ★
露天煤矿智能综合管控平台应用研究
0 引言
2021年12月，国家能源局印发了《智能化示范煤矿验收管理办法(试行)》(以下简称“验收办法”)，为我国煤矿智能化建设指明了方向。其中，验收办法中综合管控平台的建设是露天煤矿智能化建设的重要组成部分(该部分为4分)。验收办法一是要求实现全环节、全周期、全过程实时数据进行统一采集、存储、管理、分析；二是要求具有完善的安全风险分级管控和隐患排查双重预防机制，能够实现边坡、水害等多种灾害监测预警与应急救援指挥调度；三是要求智能综合管控平台能支持大屏显示、PC端显示和移动端显示。
我国科研人员对露天煤矿智能化总体建设框架和研究内容进行了规划，张瑞新等研究人员[1]提出了智慧露天煤矿建设基本框架及体系设计；付恩三等研究人员[2-5]对智慧露天煤矿总体框架及关键技术进行了研究；王忠鑫等研究人员[6]提出了智能露天煤矿的总体设计，但对露天煤矿智能综合管控平台建设的研究较少。
宝日希勒露天煤矿是我国国内单坑最早实现生产能力达到35 Mt/a的露天煤矿。该矿立足新发展阶段、贯彻新发展理念，为促进企业高质量发展，在现有智能化建设的基础上，联合应急管理部信息研究院，开发建设了露天煤矿智能综合管控平台，实现了矿山多维数据“一张图”融合展示，建立了生产数据信息采集、传输、统计、决策机制，为宝日希勒露天煤矿智能化建设提供了有力支撑。
1 智能综合管控平台总体架构
智能综合管控平台的主要功能是实现数据采得到、数据用得好、数据看得见以及数据可决策的4个维度[7-11]。针对智能综合管控平台的建设内容，采用“云-边-端”的总体建设思路，具体建设采用“五层两体系”的架构模式，涵盖端部的感知设备层、边侧的传输层、云上的平台层、应用层和展示层，以及贯穿始终的安全运维体系和标准规范体系[12-16]。智能综合管控平台总体架构如图1所示。
图1 智能综合管控平台总体架构
(1)感知设备层。该层依托数据采集标准规范体系，采集露天煤矿各类系统数据，如：边坡、设备(采掘、运输、钻爆、排土)、供电、疏干、人员、产量、视频、气象等实时数据和系统运行数据，实现对露天煤矿可采集系统数据的全量采集，为综合管控平台提供数据底座支撑。
(2)传输层。目前宝日希勒露天煤矿已经建立内部5G环网，为无人驾驶提供网络传输通道，同时实现了数据的高速传输。该层在边缘侧提供边缘计算、智能分析、资源管理和监控运维能力，部署了多台智能采集服务器，经过对数据进行的边缘侧处理，实现了端侧数据与平台数据的互联互通和双向交互[17-19]。
(3)平台层。该层包括物联平台、采集平台、边缘计算平台。其中，物联平台具备设备接入、规则引擎等功能；采集平台由设备集成、消息集成、数据集成以及API接口集成组成；边缘平台具备算法推送和边缘节点管理功能。物联平台、采集平台、边缘计算平台均由云平台提供整体支撑。
(4)应用层。该层具备露天煤矿风险预警平台、三维视频平台、综合“一张图”安全管控、二三维协同平台、车铲智能匹配、数据智能查询和系统管理等功能。
(5)展示层。该层要求完全符合国家智能化验收标准，并支持大屏显示、PC端显示和移动端显示。利用三维建模、GIS“一张图”方式呈现露天煤矿的全貌数据。同时，智能综合管控平台的用户需要涵盖集团用户、二级单位以及煤矿用户3个层次，根据不同用户的不同关注点，呈现不同用户的定制化需求。
2 智能综合管控平台关键技术
2.1 数据采集与存储
根据露天煤矿数据类型，按照不同主题集进行划分，每一类数据集对应多个采集器，每个主题集对应不同的采集器。此外，每一类数据实现一个采集器，同时每个采集器又能够根据数据量的大小进行横向扩展，提升采集性能[16]。露天煤矿数据采集数据流如图2所示。
图2 露天煤矿数据采集数据流
露天煤矿的实时运营会产生大量实时数据，时序采集平台需要7×24 h实时采集，采集工具(ETL)支持直接从时序库数据源中进行抽取，实现消息接受、消息解析、数据存储以及数据应用，最后为业务系统应用。在数据存储方面，关系库存储基础数据、元数据、主数据、字典数据等；时序库存储字典类、基础类、实时最新断面数据，并实时最新统计计算结果数据；分析库存储经过加工、处理、计算后的数据，主要以分析数据为主。
2.2 二三维一体化技术
在统一的时空框架下，基于一套数据一个平台，采用OpenGL和GDI混合渲染技术可实现对露天煤矿各类对象的二三维综合一体化展示，并能实现二三维实时联动。二三维一体化技术具体表现在二三维数据一体化、二三维显示一体化、地上坑内显示一体化。
(1)模型轻量化技术。轻量化从理论上包括绝对轻量化和相对轻量化两大类。为了便于从低端移动设备到高性能图形工作站上查看和传递三维模型，需要将原始模型进行轻量化操作，去除原始模型中为了进行参数化设计而保存的大量冗余数据。
(2)模型压缩。模型压缩主要针对技术数据进行压缩，几何数据主要由法线数据、顶点数据、索引数据、纹理坐标数据、纹理贴图等组成。
(3)模型简化。三维模型分为两大类，一类为基本体，包括常见的圆柱体、球体、锥体、回转体、拉伸体等，这些基本体在发布以后保存为矢量数据，仅需要存储基本体的几何参数，就可以大大降低存储空间；另一类是曲面，需要在保证外形边界的前提下，合并共面三角形、法向量相近边以及顶点等。本平台使用经典的二次误差度量网格简化算法，从而进一步轻量化三维模型。
(4)LOD技术。在三维模型的加载和可视化过程中，为了更方便用户体验，既要求加载速度又要求显示精度，LOD(Levels of Detail)算法是一种有效的图形生成加速方法，有助于提高复杂场景的可视化速度和交互的实时性。通过LOD算法一是能够有效提高海量数据的三维漫游速度，二是提高三维模型可视化的真实感和美感，三是解决用户的定位处理问题。
2.3 风险监测预警技术
根据露天煤矿接入系统的数据，构建露天煤矿综合风险评价指标体系和预警模型，可对露天煤矿综合风险进行评价。评价指标体系涵盖人、机、环、管4个方面。利用熵权法、证据理论等模型对露天煤矿进行综合评价，同时针对边坡等系统的实时数据进行位移、速度、水位等数据的实时预测，为露天煤矿灾害风险提供技术支撑。同时根据风险研判结果，进行红、橙、黄、蓝4级预警。
2.4 灾害风险处置流程
通过构建的风险研判指标体系和预警模型，能根据露天煤矿各类灾害风险的研判结果制定露天煤矿灾害风险处置流程。同时，该模型可根据不同级别的预警进行不同级别的处置。
3 应用情况
2021年11月，宝日希勒露天煤矿开始智能综合管控平台建设，并于2022年5月进行了试运行，运行以来取得了较好的应用效果。
(1)智能综合管控平台的GIS“一张图”功能能够展示宝日希勒露天煤矿各类系统接入的实时数据，涵盖报警数据、车辆实时位置数据、实时产量及剥采比数据。“一张图”可以进行图层切换和量测工具应用，进行长度、面积、体积量测。GIS“一张图”可将全矿500多个钻孔进行三维展示，叠加无人机影像数据和CAD采矿线框数据为露天煤矿综合生产提供支撑。可查阅矿坑内车辆运行数据、司机与车辆关联数据以及历史轨迹回放数据。同时，通过图层控制的方式，可以实现对边坡、车辆、疏干水、视频监控、电子围栏等系统数据的显隐展示。GIS“一张图”实现了多系统数据的融合展示，打破了数据壁垒和系统壁垒，提升了数据融合展示效果。GIS“一张图”综合展示界面如图3所示。
图3 GIS“一张图”综合展示界面
(2)智能综合管控平台能够提供露天煤矿三维钻孔的实时查阅、任意位置剖面的快速剖切、道路纵断面剖切以及矿山生产回溯等功能。矿山生产回溯通过上传当年各月的实际剥采总量图纸信息，利用3D Tile发布方式，通过图层控制可实现对宝日希勒露天煤矿历史采剥状态的实时还原与回放。同时，也可实现对生产计划图纸数据的模拟推演。
(3)智能综合管控平台能够提供露天煤矿各类生产数据的实时查询，涵盖生产采剥量的月度和年度查询、车辆实时数据的查询、边坡数据查询以及实现对车铲的实时匹配分析。平台通过分析车辆实时运距和铲挖量来对车铲的欠铲、欠车情况进行实时计算。当通过发现某处存在欠车情况时，通过平台进行实时测算，精确计算出需要的车辆。通过GIS“一张图”可精准调度车辆来实现剥采计划的高效执行，提升露天煤矿的生产效率，通过智能综合管控平台进行车辆调度，提升车铲效率5%左右，大大降低了生产成本。
(4)智能综合管控平台通过构建风险评价指标体系和模型，可对宝日希勒露天煤矿综合风险进行评价，并能查看宝日希勒露天煤矿整体安全态势以及各类危险点的问题和原因，实现对各类风险及报警的闭环处置。智能综合管控平台自2022年5月试运行以来，各类报警数据呈现下降趋势，以5月份数据为例，5月份卡车报警累计6万余次，主要由于司机驾驶不规范，违规接打电话、超速等行为导致。通过建立闭环处置与管理机制，报警数量下降至8月的200余条，且治理效果明显，提升了宝日希勒露天煤矿的整体安全水平。
(5)智能综合管控平台能够实现对无人机影像数据、CAD计划图纸数据等底图的统一维护与编辑、上传、下载等功能，实现底图数据变化的实时更新。
4 结语
露天煤矿智能综合管控平台的建设涉及数据采集与存储、二三维一体化技术、风险监测预警技术以及灾害风险处置流程，整体功能涵盖GIS“一张图”、采矿计划、数据查询、风险预警以及底图管理。该平台上线运行后，实现了露天煤矿各类系统数据的“一数一源”集中融合展示和多维数据实时查询，提升了数据的准确性和统一性。通过构建风险评价指标和闭环管理流程机制，露天煤矿各系统的各类报警数据下降明显。与此同时，通过对卡车和电铲的实时匹配分析，降低了车铲等待时间，提升车铲效率5%以上，大大降低了生产成本。宝日希勒露天煤矿智能综合管控平台的建设为我国其他露天煤矿智能综合管控平台的建设提供了参考和借鉴。
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Research on the application of intelligent integrated management and control platform in open-pit coal mine
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