于 濤，漆 濤，陳建強

(1.西安科技大學能源學院，陜西西安710054;2.神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊830027)

0 引言

1999年，首屆“國際數(shù)字地球”大會上提出“數(shù)字礦山”(Digital Mine，DM)概念［1］以來，DM 的思想已開始深入人心，DM科學研究與技術(shù)攻關(guān)已悄然興起。進入信息主導的21世紀，“數(shù)字化生存”已成為知識經(jīng)濟的標志。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，給中外采礦業(yè)帶來了巨大沖擊。采礦業(yè)是以礦產(chǎn)資源為生產(chǎn)對象的古老產(chǎn)業(yè)，絕大多數(shù)礦山企業(yè)還處在勞動密集性階段，信息化改造勢在必行。發(fā)達采礦國家在礦山信息化改造已邁出了堅實的步伐，有的已制定了長遠發(fā)展規(guī)劃［2－4］，加拿大已制訂出一項擬在2050年實現(xiàn)的遠景規(guī)劃，即將加拿大北部邊遠地區(qū)的一個礦山實現(xiàn)為無人礦井，從薩得伯里通過衛(wèi)星操縱礦山的所有設(shè)備實現(xiàn)機械自動破碎和自動切割采礦。芬蘭采礦工業(yè)也于1992年宣布了自己的智能采礦技術(shù)方案，涉及采礦實時過程控制、資源實時管理、礦山信息網(wǎng)建設(shè)、新機械應用和自動控制等28個專題。瑞典也制定了向礦山自動化進軍的“Grountecnik 2000”戰(zhàn)略計劃。

中國采礦業(yè)總體信息化水平還不夠高。近年，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和國家宏觀調(diào)控，中國礦山企業(yè)的經(jīng)濟形式和運行狀態(tài)正在發(fā)生喜人的變化，信息化建設(shè)逐漸升溫［5－10］。2010 年，神華集團公司著手進行數(shù)字礦山(DM)全面建設(shè)［11］，在充分了解數(shù)字礦山的內(nèi)涵、特征、意義、目標的基礎(chǔ)上，以面向礦山業(yè)務為依托，以數(shù)據(jù)互聯(lián)互通為原則，以信息的整合、利用為核心，以礦山生產(chǎn)過程自動化為基礎(chǔ)，以統(tǒng)一的傳輸網(wǎng)絡平臺為框架，以統(tǒng)一的軟件平臺為手段，以綠色開采技術(shù)、裝備技術(shù)、信息技術(shù)為支撐，以標準體系為保障，其建設(shè)目標為“安全、綠色、智能、高效”［12－14］。

在數(shù)字礦山建設(shè)方面，中國煤炭產(chǎn)銷量最大的神華神東公司所屬礦區(qū)近水平煤層(地下開采時傾角8°以下的煤層;露天開采時傾角5°以下的煤層)居多，優(yōu)于神華集團煤礦板塊各單位且較易建設(shè)，神東公司從本單位信息化建設(shè)現(xiàn)狀出發(fā)，從煤炭企業(yè)高階業(yè)務的流程，詳細分析了煤炭企業(yè)的業(yè)務框架和信息化框架［15］。與神東礦區(qū)優(yōu)越的資源賦存條件不同，隸屬于神華新疆能源有限責任公司(簡稱“神新能源公司”)的有新疆烏魯木齊礦區(qū)的急傾斜(45°～87°)特厚煤層(群)［16－18］，還有少數(shù)緩傾斜煤層礦區(qū);從瓦斯等級劃分有高瓦斯、低瓦斯礦井;公司所屬的個別礦井還有沖擊地壓災害;開采方式涉及到綜采、綜放，且急傾斜特厚煤層礦井的采放比較大;從井型上看，既有井工礦也有露天礦?？梢哉f神新能源公司下屬的礦井幾乎涉及到了各類煤層的賦存形式、開采方式和災害類別。因此，相對于神東公司來說，神新能源公司數(shù)字化礦山建設(shè)的難度較大，特別是在急傾斜特厚煤層礦井建設(shè)數(shù)字化礦山獨樹一幟。多年來，通過逐步對多類型礦井進行的大規(guī)模擴建改造，大幅提高了煤炭生產(chǎn)能力和采、掘、運輸機械化水平及安全水平，尤其在信息化建設(shè)方面取得明顯進步。但是與神華集團內(nèi)外先進企業(yè)相比，神新能源公司整體的信息化應用能力和管理水平還有待提高。文中通過對神新能源公司業(yè)務和信息化現(xiàn)狀的梳理，構(gòu)建公司整體的數(shù)字礦山技術(shù)架構(gòu)與實施藍圖，為公司建設(shè)成為“安全、高效、綠色、智能”的世界一流礦山企業(yè)提供科學有效的指導。

1 神新能源公司數(shù)字化礦山建設(shè)思路

1.1 總體思路

通過現(xiàn)狀調(diào)研了解公司的業(yè)務總體情況、應用系統(tǒng)功能及使用現(xiàn)狀、數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀、基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境和信息安全舉措及自動化水平等，結(jié)合神華集團信息化建設(shè)要求和行業(yè)先進實踐，對公司業(yè)務和信息化的需求進行全面梳理和分析，形成神新能源數(shù)字礦山建設(shè)體系。神新能源公司數(shù)字礦山規(guī)劃設(shè)計采用企業(yè)架構(gòu)(Enterprise Architecture，EA)框架模型和方法，包括建設(shè)目標確定、業(yè)務架構(gòu)設(shè)計、技術(shù)架構(gòu)設(shè)計和數(shù)字礦山實施藍圖設(shè)計等，總體規(guī)劃思路如圖1所示。

1.2 總體設(shè)計

包括數(shù)字礦山建設(shè)目標、總體業(yè)務架構(gòu)設(shè)計和總體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計等。

1 )結(jié)合國內(nèi)外先進礦山企業(yè)的數(shù)字礦山建設(shè)經(jīng)驗，進行公司數(shù)字礦山專題研討，確定公司數(shù)字礦山建設(shè)方向和建設(shè)目標;

2 )業(yè)務架構(gòu)設(shè)計:充分利用前期相關(guān)材料和調(diào)研成果，考慮數(shù)字礦山建設(shè)對業(yè)務的優(yōu)化和促進，形成企業(yè)核心業(yè)務架構(gòu);

3 )應用架構(gòu)設(shè)計:根據(jù)公司業(yè)務架構(gòu)、企業(yè)信息化需求，結(jié)合集團信息化總體規(guī)劃和行業(yè)標桿，依據(jù)公司數(shù)字礦山的建設(shè)方向和主要特征，構(gòu)建企業(yè)應用架構(gòu)總圖，規(guī)劃設(shè)備層、控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、經(jīng)營管理層和決策支持層5個層次的應用及系統(tǒng)，進行系統(tǒng)功能設(shè)計和主要應用系統(tǒng)外部接口設(shè)計;

圖1 數(shù)字礦山規(guī)劃設(shè)計方法論Fig.1 Digital mine planning and design methodology

4 )數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計:在充分分析業(yè)務和應用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，制定公司數(shù)字礦山數(shù)據(jù)分類和總體數(shù)據(jù)架構(gòu)，并完成數(shù)據(jù)管控體系規(guī)劃工作;

5 )IT基礎(chǔ)設(shè)施與安全架構(gòu)設(shè)計:為保障公司各類應用的安全、穩(wěn)定、高效地運行，進行企業(yè)數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡、主機和存儲等基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)設(shè)計，構(gòu)建信息安全體系架構(gòu);

6 )IT管控體系設(shè)計，根據(jù)集團的信息化管控體系框架，結(jié)合公司的信息化管理實際，設(shè)計公司的IT管控組織架構(gòu)和管控能力，明確數(shù)字礦山建設(shè)、運行和管理過程中公司各部門、各二級單位的職責。

1.3 實施藍圖設(shè)計

對公司數(shù)字礦山實施策略和實施計劃及投資估算進行設(shè)計。

1 )數(shù)字礦山總體實施路線設(shè)計:在完成數(shù)字礦山總體架構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，形成具體的數(shù)字礦山實施項目，對每一個項目從業(yè)務需求緊迫度、項目實施難易程度、項目實施依賴性等維度進行總體評估，確定各項目實施的優(yōu)先順序，制定公司數(shù)字礦山未來3－5年的總體實施路線。

2 )數(shù)字礦山總體投資估算編制:參照國內(nèi)主流產(chǎn)品價格和業(yè)界參考數(shù)據(jù)，編制項目投資估算。

2 應用系統(tǒng)層面設(shè)計

通過分析神新能源公司發(fā)展戰(zhàn)略、組織和業(yè)務現(xiàn)狀，構(gòu)建企業(yè)整體業(yè)務架構(gòu)，結(jié)合神華集團信息化管理要求和建設(shè)成果，充分考慮公司總部和下屬煤礦的信息化、自動化建設(shè)現(xiàn)狀，應用系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)總體架構(gòu)分為橫向5個層面。

1 )L1設(shè)備層:部署在煤炭生產(chǎn)現(xiàn)場，實現(xiàn)現(xiàn)場信息的采集、控制指令的接收和執(zhí)行;

2 )L2控制層:包括監(jiān)控和監(jiān)測2方面子系統(tǒng)，一個生產(chǎn)綜合監(jiān)控平臺，公司各煤礦的建設(shè)內(nèi)容根據(jù)自身具體情況而定。系統(tǒng)通常部署在礦級，實現(xiàn)煤炭安全生產(chǎn)的實時監(jiān)測與控制。部分系統(tǒng)(安全監(jiān)測、人員跟蹤定位和工業(yè)電視系統(tǒng)等)需要多級部署，以實現(xiàn)現(xiàn)場關(guān)鍵信息的實時共享，提高公司和神華集團總部的安全生產(chǎn)指揮和調(diào)度管理能力。為進一步提升煤炭安全生產(chǎn)管控水平，提高生產(chǎn)效率，可進行臨近區(qū)域多個礦井控制層系統(tǒng)的集中部署，實現(xiàn)區(qū)域調(diào)度控制。

3 )L3生產(chǎn)執(zhí)行層:位于經(jīng)營管理層與自動化層之間，起著承上啟下的作用，包含1個生產(chǎn)執(zhí)行平臺和10個子系統(tǒng)。系統(tǒng)部署在公司總部，實現(xiàn)公司、礦級兩級使用，并能與L2，L4和L5層應用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的交換與共享。

圖2 企業(yè)應用系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of enterprise application system

4 )L4經(jīng)營管理層:通過運營管理過程的信息化，實現(xiàn)公司管理規(guī)范化和精細化。L4層系統(tǒng)主要由神華集團統(tǒng)一建設(shè)和集中部署，集團各子分公司根據(jù)實際需要授權(quán)使用。

5 )L5決策支持層:在企業(yè)數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)的分析和挖掘，為企業(yè)的經(jīng)營管理提供決策支持和業(yè)務控制能力。

為實現(xiàn)各層間信息的集成和共享，需要構(gòu)建縱向基礎(chǔ)支撐應用平臺，包括企業(yè)門戶和網(wǎng)站、企業(yè)應用集成平臺、主數(shù)據(jù)管理平臺和一個統(tǒng)一身份認證平臺等。

3 IT基礎(chǔ)設(shè)施總體設(shè)計

IT基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計是為企業(yè)各種業(yè)務解決方案、應用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)提供一個良好的運行環(huán)境，確保信息系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和高效運行，并能夠隨著業(yè)務的發(fā)展提供擴展支持和快速定制能力。

按照整體規(guī)劃、分步實施、先進實用的原則，對公司中心機房、行政辦公網(wǎng)絡、生產(chǎn)綜合監(jiān)控工業(yè)環(huán)網(wǎng)、行政通信、調(diào)度通信、無線調(diào)度通信、視頻會議系統(tǒng)、調(diào)度大屏幕顯示系統(tǒng)、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、應急廣播系統(tǒng)等IT基礎(chǔ)設(shè)施的應用現(xiàn)狀進行了全面的梳理和分析，并在此基礎(chǔ)上進行合理化設(shè)計。

1 )數(shù)據(jù)中心:構(gòu)建滿足公司、煤礦信息化和自動化業(yè)務應用的數(shù)據(jù)中心，包括機房工程、主機、存儲、虛擬化、備份與容災、基礎(chǔ)軟件等。

2 )網(wǎng)絡:建立行政辦公網(wǎng)絡、生產(chǎn)綜合監(jiān)控工業(yè)環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡平臺，包括綜合布線系統(tǒng)、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣域網(wǎng)、無線網(wǎng)、VPN和工業(yè)場地通信線網(wǎng)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、安全監(jiān)控監(jiān)測網(wǎng)、有線調(diào)度通信網(wǎng)、無線調(diào)度通信網(wǎng)等。

3 )IT基礎(chǔ)設(shè)施應用:包括視頻會議、工業(yè)電視視頻監(jiān)控、調(diào)度顯示系統(tǒng)、行政通信、調(diào)度通信系統(tǒng)、無線調(diào)度通信系統(tǒng)、應急廣播系統(tǒng)等。

4 )信息安全:構(gòu)建神新能源公司的信息安全框架，包括安全管理、物理安全、系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡安全和應用安全5個方面。

(5)IT服務管理:按照ISO 20000國際標準，建立IT服務管理體系和流程。

煤礦生產(chǎn)綜合監(jiān)控網(wǎng)絡平臺是數(shù)字礦山建設(shè)的基礎(chǔ)和支撐，井工煤礦規(guī)劃采用千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)，包括地面環(huán)網(wǎng)和井下環(huán)網(wǎng)，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 井工煤礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.3 Ethernet ring network topology for coal mine industry

平臺采用光纖作為物理傳輸介質(zhì)，井上、下采用交換機作為傳輸設(shè)備，煤礦各相關(guān)子系統(tǒng)在建設(shè)時僅需考慮設(shè)備層和軟件層，而不必再建設(shè)傳輸通道，只需就近接入，利用千兆網(wǎng)絡傳輸平臺進行數(shù)據(jù)通信，從而做到一次投資，長期受益，有效提升信息化投資效率。通過借助生產(chǎn)綜合監(jiān)控網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)煤礦自動化、信息化各系統(tǒng)之間的安全、可靠、高速的數(shù)據(jù)傳輸和共享。

4 結(jié)論

神新能源公司數(shù)字礦山的規(guī)劃設(shè)計首先通過公司業(yè)務、信息化現(xiàn)狀的調(diào)研和分析，在參考國內(nèi)外數(shù)字礦山建設(shè)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，充分考慮礦井類型及災害的復雜性，結(jié)合國內(nèi)外數(shù)字礦山先進建設(shè)經(jīng)驗及神華集團信息化總體要求和公司的具體實際情況，設(shè)計企業(yè)總體EA架構(gòu)，并由此構(gòu)建公司未來3－5年的信息化、自動化建設(shè)藍圖，這將為公司即將展開的數(shù)字礦山建設(shè)提供全面、有效的指導。

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