数字化矿山建设中存在问题分析及对策

我国煤矿自“十五”规划以来，为实现煤矿高产高效、确保安全生产，绝大多数高瓦斯矿井建立了矿井安全监控系统，并陆续装备了矿压监控系统、井下人员定位系统、各类生产控制与辅助生产控制系统、工业电视及选煤厂集中控制系统等，这些系统的使用显著提高了煤矿生产、安全管理水平［１］。
    近年来，为了进一步提高煤矿整体安全预警水平和生产效率，实现对煤矿各作业场所的安全状况进行集中监测和对关键生产环节进行远程控制，最终达到矿井本质安全和减人提效的目的，国内大中型煤矿相继装备了矿井综合自动化系统，建立了井下到地面的主干高速传输网络、各类服务器及存储设备、数据集成平台和展示平台，以消除信息孤岛，实现各类安全生产数据的集中共享，并通过可视化软件实现数字化矿山［２］。但从目前国内各大中型煤矿数字化矿山平台的运行效果来看，基本上只是实现了安全生产数据的共网传输和集中监测以及部分矿井的三维可视化，距离最初的目标规划还有很大差距，尤其是在流程优化控制、灾害预测预报、数据挖掘和决策支持等方面还有很多工作要做。

本文针对数字化矿山建设现状及存在问题进行分析，为最终建立完整的可预测、预控、辅助矿方科学决策的可视化矿山平台，实现减人提效、人本安全提供参考。
１数字化矿山建设现状
    随着国家及煤炭行业对信息化要求的不断提高，数字化建设工作已变成煤炭企业整体发展战略的重要环节，国内大型煤炭企业已经着手在两化深度融合方面进行探索和实施。主要表现如下：
    （１）大部分煤炭企业成立了数字化矿山专门领导小组及管理部门，并在安全、生产等方面投入了大量资金，建立了高速的主干数据传输网络，如ＧＥＰＯＮ或千兆工业以太网，为数据传送提供通道；建立了调度指挥中心，配备了先进的大屏幕显示系统和高级网络服务器存储设备，为数据存储及展示提供平台；安装了大量的信息化管理软件，包括综合自动化软件和三维可视化软件，为数据采集和处理提供了手段；在安全生产环节装备了大量的传感器和执行机构，为数字化建设鉴定了良好的基础。
    （２）数字化矿山平台在煤矿企业安全生产中起到了一定作用，促进了安全生产管理工作由分散、单一的信息化建设向全面、集成化方向发展，有效实现了矿井安全、生产环节的全面监测监控，并能够实现局部远程控制，有些矿井还实现了矿井三维模拟展示［３］。
    （３）数字化矿山平台在大多数煤矿企业的作用更多是一个门面，在日常安全生产中的实质性作用还没有充分发挥。主要表现：①调度人员平时不关注数字化矿山平台信息，而相关信息监测及远程控制主要由各专业工程师站进行管理；②所有控制还是通过工程师站来进行单环节操作或现场就地控制，没有将相关的控制通过流程进行优化，进而提高生产效率；③没有充分发挥大数据的作用，大多数数字化平台上的数据没有进行挖掘分析，没有为精细化管理提供参考信息，而只是简单的数据堆积；④在灾害预测预报和报警联动方面所做工作较少，在节能降耗管理和故障跟踪定位等方面未见相关应用，没有达到节能降耗、减人提效的目的。
２存在问题分析
    数字化矿山建设目标总体来说主要集中在安全、生产、管理３个方面，要最终实现矿山资源和开采环境数字化、生产过程可视化和自动化、管理决策科学化，并能为不同专业、不同级别管理人员提供所需信息，进而提升矿井安全预测预报预控能力和生产效率。但从数字化矿山平台当前的应用状况来看，距离目标还有很大差距，还有很多的课题需要研究解决。具体分析如下：
    （1）目前煤矿企业虽然装备了数字化矿山平台，但由于领导重视度不够，没有对平台的业务应用进行责任划分，同时由于系统本身比较复杂、庞大，查找信息不方便，导致平台只是一个门面，无法真正应用，各业务部门还是按照自己原来的模式进行作业，专业技术人员还是通过原有的单机监控平台来进行实时监测和远程控制，没有充分发挥平台应有作用。
    （2）由于井下作业现场传感器本身智能化程度不高、抗干扰能力低下，在变频设备大量应用于煤矿井下的情况下，数据经常出现异常，同时执行器和保护装置的不可靠导致调度人员对远程控制不放心，远程控制只是在试验时使用，正常生产时生产现场还需要有人值守。目前从事矿井数字化建设的厂家很多，由于专业领域不同，缺乏对数字化矿山目标的整体把握，因此，建设的数字化矿山平台侧重点不同，同时由于煤矿井下环境复杂，不确定因素较多，生产工艺复杂，没有厂家能够对矿井各生产环节的衔接工艺进行全面深入研究，因此，所有的控制还是
通过工程师站来进行单环节操作或现场就地操作，没有实现流程优化控制。
    （3）由于所有厂家在做数字化矿山建设时首先考虑的是实现数据集成与展示，而根本没有考虑如何利用数据以及如何发挥这些数据对煤矿精细化管理的作用，同时也没有深入研究煤矿的管理业务，在数字化与安全生产业务管理方面融合度不高，无法为管理人员提供决策支持，导致平台对煤矿管理人员来说用途不明显。

（4）目前虽然实现了数据的集成，但与矿井安全相关的信息还是比较分散，需要人工查找且报警方式简单单一。另外，由于完整的安全预警模型需要比较全面的数据参数作支撑，而作为基础数据提供者，目前大部分安全生产子系统只是配备了主要的监测设备，而相当部分参数还需要人工进行录入，这就间接导致安全预警预测结果不能真实反映实际情况。同时由于井下环境恶劣，传统的通信方式无法延伸到信息采集末端，部分需要采集的数据和视频无法传输，很难做到人本安全。
３主要对策
    随着煤矿效益的下降，煤矿用户越来越认识到精细化管理的重要性，需要彻底改变原来粗放的管理模式，向精细化管理转变，向管理要安全和效益，因此，很多煤矿企业开始对原来建设的数字化矿山平台进行重新评估。虽然目前的数字化矿山平台没有达到预期的建设目标，但由于高速网络传输通道、各类服务器装置、数据库平台、大屏幕显示器、各类自动化子系统等基础装备已经建设完毕，已具备一定的基础，如何规范煤矿日常管理、重复利用现有基础设施、完善相关环节装置、提高设备智能化、优化流程控制及数据利用率显得尤为重要。针对数字化矿山建设中存在的问题，本文提出以下对策。

3.1转换管理方式和优化平台
    首先，需要煤矿企业领导重视数字化平台的推广应用，能够切实对业务应用进行责任划分，推动各部门使用数字化矿山平台，改变目前数字化矿山平台建成后无人维护、无人使用的现状。

其次，需要对信息进行分类，能够根据各业务管理部门的信息关注需求从大数据中心提取数据，将其所关注的信息集中显示在一个界面，不要放到多个界面由管理人员去查找，从而简化管理人员的操作，保证只要使用者登录到系统，所关注的信息就能展示出来。

再者，应该把数字化矿山平台做成类似组态软件的可重组信息页面的方式，保证用户后期可根据实际管理需求重新定制信息页面，而不需要再通过厂家来实现，从而实现人性化管理。

3.2建立专业级控制中心

矿井生产环节除工作面外已基本上实现远程控制，主要由各自动化子系统来完成或就地完成，且分属不同的操作人员来操作。为了提高生产效率，节约能耗，需要改变目前这种单机控制模式，对整个生产作业流程工艺进行研究，切实建立关联系统的流程控制模型，按照专业不同建立相应的控制中心，如生产业务流程控制中心、通风业务流程控制中心、排水业务流程控制中心、供电业务流程控制中心。

生产业务流程控制中心主要面向生产部门，实现从采煤工作面到工作面巷道胶带，再到主运输和主提升整个生产过程的一键式启停控制；通风业务流程控制中心面向通风管理部门，实现通风网络的集中监控和通风机的集中优化控制；排水业务流程控制中心面向机电管理部门，主要实现从小水窝收集水到中转水仓，再到中央泵房的集中控制；供电业务流程控制中心面向供电管理部门，主要实现地面、井下各变电所供电网络的集中监测和故障跟踪定位。在每个流程控制过程中，需要衔接好每个环节的逻辑并解决好闭锁控制问题，通过专业控制中心的建立，使各业务部门能够高效、便捷地管理好相关生产及辅助生产环节。

为了实现可靠控制，需要从抗干扰级别、智能化程度、是否支持远程管理方面对现场传感器、控制执行装置、本安电源作出规范要求，同时对不符合规范的设备进行改造或更换，有效提高现场设备的可靠性［４］。
3.3实现大数据应用和管理
    目前，大部分煤矿企业已经建立了数据中心，实现了大数据的统一存储管理，如何实现大数据的进一步挖掘分析，将日常领导关心的可实现精细化节能降耗及提效管理的信息进行归纳显得非常重要。如煤矿数据中心已经存储了各区队生产计划和实际生产状况、生产环节的实际运行及故障记录情况、水电气等能源消耗情况、主要材料的消耗情况等信息，只要将这些信息进行提取并作相应的关联分析就能够为领导提供各生产环节及全矿的负荷率、故障停机率、能效比等参考信息，也可将兄弟单位的相关信息作为对标进行对比，从而为进一步提高生产效率、节能降耗、节约成本提供依据。
3.4完善信息采集和展示方式
    数字化矿山平台的另一个最大目的就是通过全矿井的数据分析实现对矿山各类危险源的有效评价和整体安全预警预报，并通过设备运行完好性动静态检测实现煤矿大型机电设备的科学化、规范化、系统化管理［５－６］。近年来，已经有很多专家学者为此研究建立了不同的数学模型，但在现场应用中由于采集的数据提供不够全面，效果不佳。

经过多年的信息化建设，目前大部分煤矿已经建设了高速骨干传输网络，能够实现大部分现场监测数据的采集，而要保证数据采集的完整性，需要实现井下恶劣环境中的最后一千米传输网络，从而保证井下网络的全面覆盖。经过研究分析，目前成熟且适宜应用的技术有ＷｉＦｉ，ＺｉｇＢｅｅ及有线ＤＳＬ等技术，这些技术能够克服现有传输电缆和光缆施工、移动不方便的问题，同时也能够保证传输带宽，可作为井下网络的延伸。

在生产环节异常和作业环境安全监测方面，视频图像一直以直观监视深受欢迎，但由于井下现场摄像头比较多，而调度室的监视设备较少，无法保证有异常时及时查看，因此，需要解决高粉尘、低照度、有灯光影子等条件下的井下图像智能识别，保证作业现场有异常时能够及时将视频图像切换到前端显示，同时将视频图像与现场传感设备进行关联，当有生产环节故障或作业环境危险时能够将视频图像画面联动显示，提高监视效率。
４结语
分析了目前我国数字化矿山建设的现状、存在问题，并提出相应对策，下一步还要对标国外先进采煤国家的数字化技术，深入研究相关关键技术，解决影响数字化矿山平台正常运行的核心问题，并建立示范应用，真正实现减人提效、人本安全。

 
参考文献：
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［2］吕鹏飞，郭军．我国煤矿数字化矿山发展现状及关键技术探讨［Ｊ］．工矿自动化，２００９，３５（９）：１６－２０．
［3］申晋鹏．我国数字化矿山发展现状及存在问题研究［Ｊ］．中国煤炭工业，２０１２（１２）：５４－５５．
［4］梁小爱．煤矿安全监测监控系统可靠性运行分析［Ｊ］．煤，２０１２，２１（９）：６０－６１．
［5］贺耀宜．煤矿本质安全支撑体系平台研究［Ｊ］．工矿自动化，２０１２，３８（１１）：５－８．
［6］许满贵．煤矿重大危险源评价研究［Ｊ］．矿业安全与环保，２００５，３２（５）：８０－８１．
［7］郭军．基于３ＤＧＩＳ技术的数字矿山基础信息平台及其应用［Ｊ］．工矿自动化，２０１０，３６（１）：１－５．
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