封面文章 | 王坡煤矿王磊高工：煤科云智能一体化管控平台在天地王坡煤矿的设计与应用

文章来源：《智能矿山》2023年第12期“智能采掘”专栏

作者简介：王磊，硕士，高级工程师，从事矿山机电和煤矿智能化建设工作，现任山西天地王坡煤业有限公司总经理助理兼机电部经理。

作者单位：山西天地王坡煤业有限公司；煤炭科学研究总院有限公司；煤炭科学技术研究院有限公司

引用格式：王磊，苌延辉，苏上海，等.煤科云智能一体化管控平台在天地王坡 煤矿的设计与应用[J].智能矿山，2023，4（11）：8-16.

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智能一体化管控平台是基于煤科云技术体系建设的。煤科云是煤科总院遵循中国煤炭科工集团有限公司“四个统一”的原则（统一数据、统一模型、统一平台、统一架构），面向煤炭行业数字化、网络化、智能化需求，自主研发的基于工业互联网体系架构的煤炭行业专有工业互联网产品，融入云计算、大数据、人工智能、物联网等技术，结合煤炭行业知识、经验，旨在构建矿用设备泛在互联、海量煤矿数据采集和分析、资源弹性供给、煤炭行业经验复用的新兴煤矿行业云平台，服务于煤炭行业数字化、智能化转型。

智能一体化管控平台聚焦煤矿生产、安全、经营管理，通过融合井上、井下综采、综掘、机电、运输、通风等主要生产环节各个设备、子系统，实现煤炭企业各业务系统的全面感知、数据的互联互通，并通过对获取的煤炭行业数据进行融合分析、算法建模，形成生产集中管控、安全集中监测、管理辅助决策的综合智能管控系统，助力煤矿智能化建设。智能一体化管控平台主界面如图1所示。

图 1　智能一体化管控平台主界面

智能一体化管控平台从下到上包含4个层次：边缘层、IaaS层（基础设施即服务）、PaaS层（平台即服务）和应用层（即SaaS层，软件即服务）。智能一体化管控平台可以适配不同的IaaS层设备和软件环境，利用已有的IT基础设施建设IaaS。这些层次相互协作，以实现该平台的高效、稳定、可靠运行。智能一体化管控平台总体架构如图2所示。

图 2　智能一体化管控平台总体架构

（1）边缘层是智能一体化管控平台中靠近设备和下位机的部分，主要负责煤矿各类智能设备的管理和数据采集。在这一层中，该平台建立了一套完整的设备采集管理系统，包括设备注册、协议解析、数据采集、数据缓存、数据转发等功能，确保井下设备数据的实时采集。此外，边缘层还需要为边缘设备数据采集提供安全保障，具备设备认证、数据加密、数据隔离等功能，有效防止数据泄露和攻击，保证了井下设备数据的安全性和完整性，为煤矿智能化管控提供可靠的数据支持。

（2）IaaS层指的是基础设施层，主要通过虚拟化、分布式、负载调度等技术，实现煤矿机房中网络、计算、存储等资源的池化管理和使用。该层根据智能一体化管控平台需求，进行网络、计算和存储资源的弹性分配，确保资源使用的合理性、安全性与隔离性。

（3）PaaS层基于煤科云大数据平台，汇聚边缘层采集到的煤矿海量数据，不仅为上层应用提供数据服务，也通过一套数据治理和安全管理的机制（包括数据质量检查、数据脱敏和权限控制等功能），来确保数据的准确性、一致性和安全性。同时，PaaS层提供一系列的煤矿应用支撑组件，包括统一认证、应用开发和报表工具及统一的API接口等，以便开发人员快速地构建应用和集成其他系统。

（4）应用层在煤科云的基础上提供一套完整的煤矿智能化应用系统，包括煤矿生产集中监控专项应用、安全集中监测专项应用、智能化综合应用等。这些应用支持多种终端设备，包括PC和移动设备等，以便用户在任何地方、任何时间都能够方便地访问智能一体化管控平台。

智能一体化管控平台通过研发统一的EtherNet/IP（简称EIP）数据对象模型、大数据融合存储及共享、煤矿PaaS技术等核心技术，构建主煤流智能联动控制、区域安全综合评估等智能化应用，可解决煤矿系统相互独立、数据难以共享、系统间缺乏联动等问题，面向煤矿生产执行、安全监测、经营管理、分析决策等场景，通过矿井各业务系统的数据融合、共享与智能协同管控，实现煤矿安全、高效生产。

针对天地王坡煤矿缺乏统一数据模型的问题，智能一体化管控平台基于EIP工业协议及数据对象模型技术，采用统一的煤矿数据采集协议和煤矿数据对象建模方法，使不同厂家的煤矿设备和数据可以实现互联互通，统一数据共享标准接口，实现对煤矿生产过程的实时监测、数据采集和实时控制。

在CIP通用规范定义的对象库和设备行规的基础上，定义煤矿扩展对象库和煤矿扩展设备行规，其中对象库定义了设备对象的属性、服务、连接和行为，设备行规提供同类设备对象之间一致性功能的设备相关信息的集合。煤矿扩展对象库和扩展设备行规覆盖了采煤机、液压支架、馈电开关、移动变电站、泵站、运输“三机”、照明综保、磁力启动器、组合开关等煤矿常用设备。EIP协议标准如图3所示。

图3 EIP协议标准

通过EIP数据对象建模技术，将煤矿生产过程中的各种数据进行标准化和统一化处理，从而实现对煤矿生产过程的全面监控。此外，可以通过EIP协议，实现对煤矿生产设备的远程控制和管理，提高煤矿生产设备的运行效率和安全性。EIP采用类、实例、属性的方式构造数据对象模型，具体实现过程如下：

（1）按照EIP标准定义煤矿数据对象模型，将煤矿设备、系统中的各种数据抽象为对象，并定义对象之间的行为和属性。对象模型可以根据具体应用场景进行定制，包括对象的名称、属性、方法和事件等。

（2）根据EIP对象模型，遵循EIP协议的标准设计具体的通信协议，包括数据格式、通信协议和消息格式等。

（3）根据通信协议和数据对象模型的定义实现通信接口，包括数据编码、解码、传输和接收等。通信接口需要支持以太网通信协议，包括TCP协议和UDP协议等。

将EIP通信接口集成到设备中，可实现设备之间的数据交换和高效控制；通过管理系统，可实现对设备的监控、配置和管理；在实际应用中，还需要考虑安全性、可靠性和可扩展性等因素，以满足煤矿设备之间的信息交换和控制需求。

面对天地王坡煤矿多源异构数据融合的需求，智能一体化管控平台采用大数据融合存储及共享技术（图4）。该技术可以接入各个生产执行系统的实时和离线数据，以及采集设备、自动化系统、安全监测系统的实时监控、监测数据，并且提供数据安全保障服务。

图4　大数据融合存储及共享技术

（1）统一的数据采集。设计OT和IT采集的统一框架、插件式封装煤矿采集需要的自动控制协议库和互联网协议库，协议库包括EIP、Modbus、OPCUA、S7、RESTfulAPI等，以便支持多种现场矿用设备和子系统的数据采集；通过应用统一的EIP数据对象模型标准，保证在采集流程中涉及到的所有测点都拥有统一的标识符，从而有效避免不必要的数据冗余和错误，并按此标准实现数据持久化至数据湖；不同子系统的数据遵从相同的标准，各子系统具备相同的存储结构，保证跨系统的一致性，实现数据链路的标准化。

（2）统一数据存储。按照数据属性和应用场景，数据分发模块自动将数据分发到不同的存储引擎，包括实时数据库、时序数据库、时空数据库、音视频数据库等存储引擎，满足煤矿多源异构数据的统一存储的要求。

（3）煤矿数据仓库。在EIP标准对象模型的基础上，通过实体和关系抽取技术，构建多传感器和多系统的实体链接；引入冲突处理技术，进行消歧和相同实体合并；使用流式处理技术，如Flink、Spark等将数据融合形成煤炭行业数据仓库，并根据业务需求形成各种主题库和专题库，如煤矿能效分析主题、矿井设备主题等。

（4）数据交换共享。交换共享模块采用ServiceMesh云原生微服务架构，由数据访问层、业务逻辑层和表现层组成，对外提供标准化RESTfulAPI和WebSocket接口，方便上层应用系统使用。

煤科云PaaS技术为智能一体化管控平台提供数字底座，PaaS是一站式应用平台，面向煤炭行业应用开发人员，以应用为中心，提供云原生开发体验和煤炭行业专用组件。基于容器化技术、容器编排技术，结合天地王坡煤矿数据中心和各生产及安全子系统应用现状，在煤科云技术基础上定制化开发天地王坡煤矿专属PaaS平台，为智能一体化管控平台提供资源的统一管理、云端和边缘端（简称云边端）协同服务等基础支撑，同时，也为煤矿应用程序提供开发、测试、部署和管理环境。煤科云PaaS整体架构如图5所示。

图 5　煤科云PaaS整体架构

首先，煤科云PaaS技术将煤矿各类应用程序打包成为容器，并使用容器编排技术将这些容器组合部署到云边端运行环境。在这一过程中，煤科云PaaS技术根据天地王坡煤矿应用程序的不同特点和性能要求，将应用程序部署到合适的数据中心服务器节点上。

其次，煤科云PaaS使用分布式计算技术实现云边端的数据收集、处理和分析。这一过程中，煤科云PaaS技术根据天地王坡煤矿的实际情况和需求，选择合适的数据处理算法和模型，并将其部署到云边端的容器环境中。

最后，煤科云PaaS可实现云边端的协同工作。利用容器编排技术，将云边端组合成一个整体的应用服务平台，通过分布式计算技术实现数据共享和协同处理。据此，煤科云PaaS技术可以实现智能一体化管控平台云边端一体化的架构，实现云边端的有效协同。

主煤流智能联动控制主要是通过对天地王坡煤矿采、掘、运等生产过程的智能联动控制，实现煤矿生产过程的优化和生产效率的提高。主煤流智能联动控制界面如图6所示。

图 6　主煤流智能联动控制界面

实现过程如下：

（1）通过对采煤工艺进行分析和优化，建立采煤生产工艺的智能化控制模型，该模型可以根据不同的采煤条件和煤层特点，自动调整采煤机的工作参数，以达到最佳的采煤效果。

（2）对于煤矿掘进过程，建立掘进机智能控制模型，实时监测掘进工作面的煤层情况，调整掘进机的工作参数，保证掘进过程的顺利进行。

（3）对于煤矿运输过程，建立智能化运输控制模型，通过对煤矿各个环节的实时监测和数据分析，调整运输设备的工作参数，保证煤炭运输的安全和高效。

主煤流智能联动控制是智能一体化管控平台的重要组成部分，通过将传感技术、数据处理技术、网络通信技术、控制算法等多种手段结合，实现对煤矿生产过程的优化和智能化控制，可以大幅提高煤矿生产效率和安全性，为煤矿的可持续发展提供支持。

基于人工智能和大数据技术，从人−机−环−管4个方面对井上、井下每个区域的安全情况进行综合动态评估建模。区域安全综合评估界面如图7所示。

图 7　区域安全综合评估界面

（1）通过数据采集系统，收集多种影响煤矿各区域安全的数据，包括来源于传感器、监控设备、井下工作面人工巡检等数据。针对不同的影响煤矿安全因素，选择不同传感器或监测设备的实时数据。比如，借助来自温度传感器、火焰传感器、瓦斯浓度监测仪等设备的数据来评估火灾和瓦斯爆炸的风险；用倾斜度传感器、位移传感器等设备来监测顶板的稳定性；使用PM2.5传感器、粉尘浓度监测仪等设备来监测粉尘危害等。然后，对数据进行预处理和特征提取。

（2）使用机器学习算法对数据进行训练和建模，从大量的数据中发现隐含的模式和规律，辅助确定不同因素的关联性和对安全的影响程度。根据已有的数据建立模型，并对新数据使用支持向量机（SVM）算法来对不同区域的安全等级进行分类。

（3）使用训练好的模型对新数据进行预测和评估，并应用可视化界面（如基于Web的GIS系统）将评估结果以地图的形式展现，让用户可以直观地了解不同区域的安全情况。

同时，区域安全综合评估还可以实现报警和预警功能。当某个区域的安全等级发生变化或达到危险程度时，该系统会自动发送警报信息给用户，以便煤矿工作人员可以及时采取应对措施。

智能一体化管控平台是国内首个基于工业互联网平台架构的煤矿智能化综合管控平台，实现了全矿生产、安全和经营管理系统的数据接入，涉及2万个测点、20余个子系统、50多个设备，通过智能化生产集中监控、智能化安全集中监测和智能化综合应用，达到降低成本、提高效率、保障安全的目标（图8）。

图8　智能一体化管控平台研发与调试

目前，智能一体化管控平台已经累计采集250亿条数据，改造并接入了13个生产控制类子系统（包括综采、综掘、主煤流集控等）、6个安全监测类子系统（包括安全监测、人员定位等）和5个智能化综合应用系统（包括GIS一张图、主煤流协同经济运行等），开发煤矿管理层以及生产部、机电部、调度中心、安监部、通风部、信息中心等部门核心的生产、经营、安全类综合性指标130个，实现数据和业务的跨系统融合（图9）。

图9　智能一体化管控平台研发成果展示

智能一体化管控平台的综采、综掘、机电、运输、通风等智能化系统成功应用，为天地王坡煤矿累计减少井下工作人员100人左右，取得了少人则安的效果；智能综放系统提升了回采效率，减少了煤中带矸的现象，保证了煤质；智能掘进系统提升了掘进效率，降低工人劳动强度；智能供电、排水和主运输变频驱动实现了节能降耗。此外，智能一体化管控平台通过对采集的各子系统数据进行深度挖掘和关联分析，实现以主煤流智能联动系统和区域安全综合评估系统为典型的多系统综合场景智能化应用。

天地王坡煤矿采用煤炭科学研究总院有限公司煤科云平台和技术体系，结合大数据、人工智能等技术，针对该煤矿智能化建设业务特点，形成了智能一体化管控平台；通过数据融合，打破数据孤岛，实现了天地王坡煤矿各子系统之间的数据共享和智能联动，更好地支撑上层业务应用和智能化分析服务，为煤矿智能化建设提供基础服务，保障了煤矿的安全和生产效率。

智能一体化管控平台通过应用统一EIP协议及对象建模、煤科云PaaS、煤科云大数据融合存储及共享等关键技术，有效解决了天地王坡煤矿在智能化建设中缺乏统一的数据标准、生产系统没有完全互联互通、生产过程能耗高、运行效率低等问题，并为煤矿数字化转型提供了新思路和新方法。该平台的成功应用促进了煤炭生产的纵向联动和横向协同，推进了矿井的安全、高效生产和精细化运营，实现了降本增效的目标。

智能一体化管控平台助力天地王坡煤矿通过了国家首批智能化示范煤矿建设验收。未来，天地王坡煤矿将继续深入探索应用工业互联网技术，不断完善智能一体化管控平台的功能，为煤矿智能化建设赋能。