呂景濤 魏秀標(biāo)

兗州煤業(yè)股份有限公司石拉烏素煤礦，中國·內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000

在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，中國逐漸進(jìn)入了智能化開采階段，并在技術(shù)、理論和裝備上有了很大的提高，為中國的煤礦開采事業(yè)提供了重要保障。目前，中國的智能化開采技術(shù)還需要進(jìn)行深入的研究和優(yōu)化，論文針對大數(shù)據(jù)時(shí)代下的開采智能化技術(shù)進(jìn)行研究。

大數(shù)據(jù)時(shí)代；礦山開采；智能化技術(shù)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和中國經(jīng)濟(jì)的提升，礦山開采事業(yè)越來越需要智能化技術(shù)的支持。為了滿足中國發(fā)展的各項(xiàng)資源需求，需要加大煤礦生產(chǎn)，保證生產(chǎn)過程的安全。此外，還要對大數(shù)據(jù)時(shí)代下礦山開采的智能化技術(shù)進(jìn)行研究分析，確保采礦事業(yè)的順利進(jìn)行。

2 礦山開采智能化概述和現(xiàn)狀

2.1 智能化礦山的定義

在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，各項(xiàng)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用下，礦山開采智能化系統(tǒng)能對礦山中的情況進(jìn)行全面的感知，并從獲取到的相應(yīng)數(shù)據(jù)中進(jìn)行分析和決策，使得在礦山開采作用中可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互管理，將開采水平提升一定的檔次，甚至在未來5G 時(shí)代的深入發(fā)展下，礦山開采工作可以做到現(xiàn)場無人和全程終端調(diào)控[1]。

2.2 智能化礦山的現(xiàn)狀

因?yàn)槟壳半m然進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，但是網(wǎng)絡(luò)數(shù)依然還有一定的限制，并且因?yàn)榈V山的情況十分復(fù)雜多樣，工作的環(huán)境條件不好，各種設(shè)備無法得到更好的協(xié)調(diào)使用，且因?yàn)榈刭|(zhì)、人員操作等原因?qū)е铝似洳环€(wěn)定因素較多，所以許多工作還無法利用智能化技術(shù)，必須要依賴?yán)蠁T工們的經(jīng)驗(yàn)和熟練地操作?；谏鲜銮闆r，目前的礦山智能化就是通過人員經(jīng)驗(yàn)和智慧分層次架構(gòu)在自動化設(shè)備和智能化技術(shù)上，使得設(shè)備之間能連通，人和人、人和設(shè)備之間能有效地建立聯(lián)系，確保智能化設(shè)備的安全運(yùn)行。基于大數(shù)據(jù)時(shí)代下各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的調(diào)控作用，當(dāng)前礦山智能化工作階段目標(biāo)在于將挖掘、銷售、安全、應(yīng)急四個(gè)方面的工作全面智能化。

2.3 智能化礦山的要求

第一是需要做到時(shí)空一體，就是說能將BIM 信息與GIS信息有效整合，達(dá)到對礦山工作的一種可視化和量化管理，使得管理人員能在安全的環(huán)境下獲得第一手礦山信息，推動安全生產(chǎn)工作。其次是要完善物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是目前大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展趨勢，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來連接所有的人、設(shè)備、工作環(huán)節(jié)、管理過程，使得人與人、人與物、物與物之間能有信息流通橋梁。第二是數(shù)據(jù)的融合與全息感知，就是說要求礦山工作中的所有工作異常信息、礦井多層面信息、應(yīng)急情況變化信息等數(shù)據(jù)通過感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系從多維度進(jìn)行融合分析，并且能將所有信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的關(guān)聯(lián)與分析，保證在管理的過程中可以對工作人員、設(shè)備、環(huán)境等信息進(jìn)行分析和全息感知[2]。

3 礦山開采智能化和總體架構(gòu)建設(shè)

3.1 充分利用新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

要利用好智能化技術(shù)，架構(gòu)起智能礦山，就必須要能充分地利用好大數(shù)據(jù)時(shí)代的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能將大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備、人工智能等技術(shù)統(tǒng)籌規(guī)劃在礦山工作中，并相互融合，打造一個(gè)全新的智能化礦山應(yīng)用生態(tài)鏈，使得在智能聯(lián)系的過程中能實(shí)現(xiàn)煤礦的信息采集、信息分析、信息關(guān)聯(lián)、決策四項(xiàng)工作。需要注意的是，要實(shí)現(xiàn)以上工作需要有較高的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，目前出現(xiàn)的5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則是一個(gè)非常好的載體，也是目前的發(fā)展趨勢[3]。

3.2 GIM 數(shù)字化構(gòu)建

如果要深化智能化發(fā)展工作，則必須要展開GIM 的數(shù)字化構(gòu)建，GIM 分為GIS 和BIM 兩種系統(tǒng)。GIS 系統(tǒng)又稱為地理信息系統(tǒng)，就是一種能將工程與環(huán)境信息可視化表達(dá)的一種系統(tǒng)，常用于煤礦工程項(xiàng)目中統(tǒng)籌規(guī)劃與運(yùn)營。在礦山中一般都是用于表達(dá)礦井的地質(zhì)、地表、地下三層面的地理信息，建立地理空間模型。BIM 系統(tǒng)又稱為建筑信息化模型。當(dāng)然，在礦井工作中，BIM 的功能就是將礦山三維信息進(jìn)行表達(dá)，使得礦井工程中的各項(xiàng)建筑和相應(yīng)管道、給排水等一系列的系統(tǒng)能有效規(guī)劃。BIM 中獲得的各種參數(shù)一般都會在GIS 中進(jìn)行表達(dá)，實(shí)現(xiàn)礦山中各方面的數(shù)據(jù)化，更有利于工作人員進(jìn)行管理，這也是GIM 數(shù)字化構(gòu)建的核心內(nèi)容。一般來說，GIM能安全的監(jiān)控礦山工作和生產(chǎn)過程，并有利于管理層開展應(yīng)急演練工作的模擬，更有利于財(cái)務(wù)部門進(jìn)行礦山作業(yè)成本的管理，在后續(xù)的業(yè)務(wù)運(yùn)營和銷售過程中能提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)，使得礦山項(xiàng)目能實(shí)現(xiàn)全面的三維立體模型和二維數(shù)據(jù)模型的建立，更方便后續(xù)管理層查閱數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和分析決策[4]。

3.3 混合云技術(shù)的統(tǒng)一管理

混合云技術(shù)就是指公有云和私有云兩個(gè)層面的協(xié)調(diào)運(yùn)作與信息共享，而針對混合云技術(shù)的統(tǒng)一管理就是指針對于私有云技術(shù)的安全能力進(jìn)行保障，并加強(qiáng)公有云的計(jì)算能力與靈活性。在礦山工作中，因?yàn)楸O(jiān)控、運(yùn)輸、控制、守備、歷史遺留等系統(tǒng)的工作環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)可以做到實(shí)時(shí)上傳，并能確保其可靠性與安全性，所以常常采用私有云作為載體來進(jìn)行統(tǒng)一管理部署，而一些企業(yè)門戶、自動化辦公、客戶關(guān)系管理、企業(yè)資源計(jì)劃等一系列的信息都會利用公有云作為載體來統(tǒng)一管理部署。針對于基于智能化技術(shù)的管理平臺與調(diào)度平臺則可以通過專門的網(wǎng)絡(luò)通道來訪問混合云之中的數(shù)據(jù)，比如說VPN。另外，需要建立起統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)，方便決策人員和管理層能在后臺對礦山工作情況進(jìn)行全面的排查和分析，作出智能化決策和管理措施[5]。

3.4 開采過程云端一體化管理

邊緣計(jì)算和云端一體化的平臺已經(jīng)越來越成熟，而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，目前只需要在無線網(wǎng)絡(luò)邊緣就可以有效地處理礦山工作中的數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分流和分析等一系列功能，并且具有很小的網(wǎng)絡(luò)延遲性，提高其安全與可靠性。而在礦山工作中，為了能搭建礦山智能化系統(tǒng)，可以利用邊緣計(jì)算來獲得監(jiān)控、管理、操控等一系列需要實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的工作數(shù)據(jù)，這樣就能更加高效地進(jìn)行工作。而利用人工智能預(yù)警分析模型進(jìn)行應(yīng)急訓(xùn)練將可以利用云端處理技術(shù)，因?yàn)檫@種數(shù)據(jù)不需要較高的實(shí)時(shí)性，而是更加需要大量的計(jì)算，云端處理就可以很好地解決這一點(diǎn)。需要注意的是，邊緣計(jì)算是基于5G 技術(shù)應(yīng)用的，這也是未來礦山智能化的重要發(fā)展趨勢，也是云計(jì)算結(jié)構(gòu)去中心化的重要體現(xiàn)，建立起云邊端一體化將能將各項(xiàng)工作的處理分布在一條通道上，極大的解決了傳統(tǒng)云計(jì)算架構(gòu)中計(jì)算延遲和分析不足的問題。

3.5 智能化采掘設(shè)備

在進(jìn)行上述智能化系統(tǒng)的建設(shè)后，就需要針對于采掘設(shè)備進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。

3.5.1 采煤機(jī)

采煤機(jī)是專門在采煤工作中完成割煤破煤等一系列任務(wù)的大型設(shè)備，而其搖臂高度是通過對煤層厚度和傾角變化進(jìn)行研究而進(jìn)行控制的，這樣能有效地對煤層進(jìn)行精準(zhǔn)的切割。目前在采煤工作中一般都使用記憶截割式，根據(jù)上述中所說到的搖臂高度來調(diào)整油缸上的傳感器，并將搖臂高度的信息記錄下來，并通過在行走路線上安裝的位置傳感器來獲得相應(yīng)的位置坐標(biāo)，繪制截割曲線。但是這種方法因?yàn)橹荒苁怯糜谝恍┹^為穩(wěn)定的礦中，而為了能識別煤和巖石的分界面，并能計(jì)算出理想搖臂高度與當(dāng)前搖臂高度的對比值，可以通過上述所提到的GIM 系統(tǒng)，通過對地質(zhì)信息的三維測量和采動應(yīng)力場、截割參數(shù)動態(tài)分析等方法來提高采煤機(jī)的工作效率，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)高控制策略[6]。

3.5.2 液壓支架群組

在進(jìn)行煤礦開采工作時(shí)，需要進(jìn)行圍巖支護(hù)，而液壓支架群組則是圍巖支護(hù)的重要設(shè)備之一，其工作性能將直接影響著開采工作面的安全性與穩(wěn)定性。在技術(shù)的發(fā)展過程中，工作人員已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)了液壓支架群組的自動化操作，在工作中可以自動對液壓支架進(jìn)行調(diào)整，并且能配合采煤機(jī)來協(xié)調(diào)工作，保障了圍巖支護(hù)。但是在實(shí)際工作中，液壓支架群組還是需要人力去操縱支護(hù)狀態(tài)，為了能自動去檢測支護(hù)狀態(tài)和調(diào)整支護(hù)狀態(tài)，可以通過添加相應(yīng)的智能技術(shù)。

4 結(jié)語

煤炭是國家發(fā)展的命脈所在，而煤礦開采工作也隨著時(shí)代的推進(jìn)而更加高效。目前，在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起，礦山開采事業(yè)中越來越多地用到了智能化技術(shù)。論文結(jié)合大數(shù)據(jù)時(shí)代的多項(xiàng)技術(shù)提出了礦山開采管理和控制系統(tǒng)的框架，對開礦設(shè)備提出了優(yōu)化措施，希望能為相關(guān)行業(yè)人員提供參考。