多元災害耦合環(huán)境下“5G+智慧礦區(qū)”
陜西陜煤彬長小莊礦業(yè)公司隸屬于陜煤集團，是集團“5G+智慧礦區(qū)”試點單位，設計能力600萬噸/年。小莊礦業(yè)立足中標的2020年工業(yè)和信息化部工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新發(fā)展工程，通過安全風險分級分類和分析預警、井下危險區(qū)域實時監(jiān)測、生產設備全生命周期管理和故障識別、礦井人員追蹤管理等落地驗證。提供了可靠的面向國家礦山能源多元災害環(huán)境的工業(yè)互聯(lián)網+安全生產解決方案。11月15日人民日報對陜煤彬長礦區(qū)安全生產成績做了報道。
項目
概況
陜煤集團彬長小莊煤礦屬于侏羅紀煤層，儲煤環(huán)境復雜，地質條件不穩(wěn)定，是全國水、火、瓦斯、煤塵、頂板、地熱和礦壓等災害最嚴重礦區(qū)，被國家礦山安全監(jiān)察局認定為全國5300所生產礦井中的“七毒俱全”礦井。
作為全國三大煤礦集團之一的陜煤集團的“5G+智慧礦區(qū)”試點礦井，小莊礦業(yè)立足于區(qū)域一體化工業(yè)互聯(lián)網公共服務平臺項目（2020年）《面向西部能源化工聚集區(qū)工業(yè)互聯(lián)網公共服務平臺》項目，旨在打造面向全國同類型復雜地質環(huán)境下工業(yè)互聯(lián)網+安全生產解決方案，解決困擾國家煤炭智能化發(fā)展瓶頸。
1. 項目背景
國家八部委在2020年2月份發(fā)布了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》的通知，發(fā)改能源〔2020〕283號文件，吹響了煤炭行業(yè)結構化調整的號角，伴隨著煤礦開采規(guī)模的擴大以及安全生產要求的提高，礦井采掘生產、機電設備、主輔運輸、人員定位、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)視頻、自動化控制、避險救災和應急管理等系統(tǒng)的普及，催生了煤炭行業(yè)“智慧礦區(qū)”和“智能礦井”強大的需求。
2. 項目簡介
作為2020年陜西省“5G+智慧礦山”試點示范項目，通過智慧礦山建設不僅可以促進企業(yè)內部生產關系的轉型升級，完成與“互聯(lián)網+”社會生產力的和諧對接，還能進一步釋放企業(yè)員工的創(chuàng)新創(chuàng)效活力，為企業(yè)提供可持續(xù)發(fā)展的源動力。通過智慧礦山建設，全面提升煤礦生產、經營、管理的智能化水平。
3. 項目目標
通過智慧礦山建設，達到國家要求的智能化礦井目標：
2022年建成國家級智能化示范煤礦，基本實現掘進工作面的減人提效、綜采工作面內少人或無人操作、井下或露天煤礦固定崗位的無人值守與遠程監(jiān)控。
2025年煤礦基本實現智能化，形成技術規(guī)范與標準體系，實現主要系統(tǒng)的智能化決策和自動化協(xié)同運行，實現智能連續(xù)作業(yè)和無人化運輸。
2035年煤礦實現智能化，多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系。
項目實施概況
彬長小莊礦業(yè)積極遵循國家“十四五”規(guī)劃中關于煤炭行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，“推進煤炭安全智能綠色開發(fā)利用、筑牢安全生產底線。”的指導方向，積極建設“5G+智慧礦區(qū)”示范礦井，形成“1中+4全”的小莊模式。
項目總體架構和主要內容
迄今小莊礦已建成井下千兆工業(yè)環(huán)網、萬兆視頻環(huán)網、4G無線通信系統(tǒng)、UWB定位系統(tǒng)、標準化中心機房等信息化基礎設施，實施了水文監(jiān)測、瓦斯監(jiān)測、頂板壓力監(jiān)測、主運輸集控、主通風集控等系統(tǒng)，為本項目的實施奠定了相應的軟硬件基礎。
序號 | 分類 | 方案名稱 | 數量 | 單位 |
安全事件分析預警
| 安全監(jiān)測泛在感知物聯(lián)網應用 | 1 | 套 | |
40205綜放工作面智能化系統(tǒng)功能升級 | 1 | 套 | ||
智能輔助運輸系統(tǒng) | 1 | 套 | ||
智能通風系統(tǒng) | 1 | 套 | ||
智能綜合防塵系統(tǒng) | 1 | 套 | ||
智能風險管控系統(tǒng)及“千眼”工程 | 1 | 套 | ||
多元災害協(xié)同防治系統(tǒng) | 1 | 套 | ||
綜合管控平臺 | 1 | 套 | ||
危險區(qū)域監(jiān)測
| 井下變電所火災變量監(jiān)測系統(tǒng) | 1 | 套 | |
綜合地質信息數據庫 | 1 | 套 | ||
智慧水務 | 1 | 套 | ||
頂板災害監(jiān)測系統(tǒng) | 1 | 套 | ||
生產設備故障識別
| 5G數字孿生工作面生產系統(tǒng)應用 | 1 | 套 | |
井下高清視頻圖像5G傳輸應用 | 1 | 套 | ||
護盾式快速掘進裝備 | 1 | 套 | ||
“千眼”工程—智能主運輸系統(tǒng) | 1 | 套 | ||
選煤廠智能化改造 | 1 | 套 | ||
智慧礦區(qū)基礎設施
| 應急管理與應急救援系統(tǒng) | 1 | 套 | |
5G+智慧礦區(qū)基礎設施 | 1 | 套 | ||
智慧園區(qū) | 1 | 套 |
安全事件分析預警
綜合管控平臺
建設綜合管控平臺，進行多部門、多專業(yè)、多管理層面的數據集中應用、交互共享和決策支持，實現煤礦地質勘探、巷道掘進、煤炭開采、主輔運輸、通風排水、供液供電、安全防控等業(yè)務系統(tǒng)的數據融合、分析決策與智能聯(lián)動控制，井上下各系統(tǒng)實現“監(jiān)測、控制、管理”一體化及智能聯(lián)動控制。
安全監(jiān)測泛在感知物聯(lián)網應用
利用無線通信網絡技術，研發(fā)基于5G網絡、5G-IoT等無線通信技術的礦井環(huán)境下氧氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氫、溫度、濕度、壓差等信息的多參數一體化無線傳感器，建設環(huán)境安全多參數無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過在地面應用層融合安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、礦用分布式光纖測溫系統(tǒng)、礦用激光多氣體束管監(jiān)測系統(tǒng)、微震監(jiān)測系統(tǒng)、煤礦頂板與沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)等監(jiān)測子系統(tǒng)，構建礦井安全監(jiān)測泛在感知物聯(lián)網應用系統(tǒng)，實現復雜信息采樣密度下傳感器的實時分布式存儲和數據安全智能分析，解決當前上述系統(tǒng)孤立、信息隔絕、無法協(xié)同分析生產環(huán)境、地質條件和水位信息背后的潛在安全風險和隱患。
40205綜放工作面智能化系統(tǒng)功能升級
實現直線度檢測、防碰撞檢測控制功能；采煤機實現人員接近自動停機功能；與工作面地質保障系統(tǒng)聯(lián)動，實現采煤機自適應割煤功能；刮板輸送機實現鏈條自動張緊功能；膠帶輸送機實現異物檢測和帶速智能調節(jié)功能；工作面實現基于煤塵監(jiān)測的智能噴霧降塵功能。
智能輔助運輸系統(tǒng)
輔助運輸系統(tǒng)重要運輸交叉路口及運輸區(qū)域實現闖紅燈、超速等違章行為自動抓拍功能。
智能通風系統(tǒng)
建立智能通風模塊，具備通風網絡動態(tài)解算功能，對用風點的需風量進行預測；對通風系統(tǒng)進行故障診斷與預測、預警。
智能綜合防塵系統(tǒng)
建設智能綜合防塵系統(tǒng)，實現對井下粉塵濃度的實時監(jiān)測、數據分析、上傳及超限自動報警，在礦井粉塵易超限區(qū)域建設呼吸性粉塵及總塵監(jiān)測設備、智能噴霧裝置及智能降塵裝置，實現粉塵濃度智能監(jiān)測及遠程降塵控制。
智能風險管控系統(tǒng)及“千眼”工程
利用人工智能（AI）算法、NOSA安健環(huán)管理體系，建設“千眼”規(guī)范操作視頻監(jiān)控系統(tǒng)工程，結合精確定位技術，實現采煤工作面、掘進工作面等場景作業(yè)違章視頻智能識別以及人員進入危險區(qū)域監(jiān)測報警（電子圍欄）功能，并與刮板機、運輸機、掘進機等設備聯(lián)動閉鎖。
多元災害協(xié)同防治系統(tǒng)
建立智能災害綜合防治系統(tǒng)，將各災害監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行數據融合分析，實現災害感知預警和災害智能聯(lián)合防治功能，具備事故風險智能模擬、應急救援輔助指揮功能，并具有對整體和主要采、掘、機、運、通系統(tǒng)安全狀態(tài)進行實時評估的功能。
綜合管控平臺
包含在綜合管控平臺內。實現人財物、成本管理、產運銷管理、內部市場化管理功能。
危險區(qū)域監(jiān)測
井下火災變量監(jiān)測系統(tǒng)
建立井下可燃性氣體監(jiān)測系統(tǒng)和火災預警系統(tǒng)。
綜合地質信息數據庫
以地質、物探、鉆探、采掘、測量和水文監(jiān)測等數字化信息為支撐，建設綜合地質信息數據庫，支持C/S、B/S架構的空間信息可視化，具備空間數據、屬性數據以及時態(tài)數據的存儲、轉換、管理、查詢、分析和可視化等功能，實現煤礦生產過程地質信息的高效管理和數據共享。
智慧水務
對整個礦區(qū)每個計量監(jiān)測點位的自動采集終端配備無線遠傳設備，實現全礦水量數據的自動采集、存儲及傳輸，構建礦區(qū)水平衡測試與計算分析模型，管網漏損定位與預警模型，工業(yè)用水考核指標分析模型，搭建小莊煤礦“智慧水務”平臺，同時開發(fā)移動端應用APP。
頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)
建設頂板災害防治系統(tǒng)，實現頂板離層儀、錨桿測力計等裝置監(jiān)測數據自動上傳、分析。
生產設備故障識別
5G數字孿生工作面生產系統(tǒng)應用
通過建設基于5G無線技術采集、數字孿生技術融合，形成物理體數據、虛擬體數據和能量信息間的動態(tài)交互，實時反映采掘工作面及設備的實時運行狀況、實時性能、環(huán)境參數、突發(fā)擾動等的動態(tài)過程數據，形成物理模型相關數據，數字模型的驅動因素、環(huán)境擾動、運行機制等行為模型相關評估、分析、預測等數據和模型，最終建立工作面生產、設備、安全知識和管理數據。
井下高清視頻圖像5G傳輸應用
構建基于井下云-邊-端的基于5G礦用本安可見光高清攝像儀與紅外熱成像攝像儀等的多場景無線視頻網絡系統(tǒng)。通過視頻圖像采集與AI智能識別技術，構建小莊煤礦智能化監(jiān)控系統(tǒng)，實現對設備安全、區(qū)域安全管理等的圖像數據采集與智能分析。通過對關鍵部位架設可見光攝像儀、紅外攝像儀等設備，實時監(jiān)測并上傳圖像數據，并利用AI視頻圖像識別技術，進行綜合分析與預/報警管理。
護盾式快速掘進裝備
護盾式快速掘進裝備，實現智能化快速掘進要求的功能。具有自主定位、定向功能，具有自主感知位置、姿態(tài)、方向功能，實現自動糾偏等功能；掘進設備具備自動截割功能，實現遠程遙控截割與行走；配備巷道臨時支護設備，滿足臨時支護機械化作業(yè)；具備掘進工作面超前探測信息三維建模功能，能基于巷道掘進過程揭露信息進行模型自動更新；建設井下掘進系統(tǒng)集控中心或地面集控中心，實現掘、支、錨、運、破的集中控制。
“千眼”工程—智能主運輸系統(tǒng)
實現基于AI技術的皮帶空載、跑偏、大塊煤、堆煤、異物、人員違規(guī)穿越皮帶等監(jiān)測功能，可以智能識別人員違規(guī)作業(yè)；實現主煤流運輸系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測預警功能（煙霧、粉塵、明火等）。
選煤廠智能化改造
按照《智能化煤礦驗收辦法—選煤廠智能化驗收辦法》中智能選煤系統(tǒng)考核評分表中的項目內容對原有選煤系統(tǒng)進行智能化改造，包括基礎平臺（網絡平臺、云平臺、數據中心、專家知識庫、系統(tǒng)安全、交互平臺）建設、基礎自動化（設備及儀表監(jiān)測與保護、工藝生產環(huán)境自動化、輔助環(huán)節(jié)自動化）升級、生產過程智能控制（智能分選、智能濃縮、智能壓濾）、智能集控、智能視頻、智能管理決策、三維可視化等功能。
智慧礦區(qū)基礎設施
應急管理與應急救援系統(tǒng)
建設應急管理與應急救援系統(tǒng)，建立實景三維應急管理平臺，融合井下安全監(jiān)測、調度通信、應急廣播、人員定位、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現生產事故應急預案管理、災害預警、信息發(fā)布、應急響應一體化、應急救援指揮可視化、應急資源共享，輔助實現礦井事故應急演練等功能。
5G+智慧礦區(qū)基礎設施
模塊化數據機房為各類IT設備提供高質量的供電、溫度和濕度環(huán)境保障，負載類型以IT服務器、交換機和磁盤陣列為主，承擔機房核心的網絡業(yè)務。包括供配電、溫濕度控制、機柜及通道、監(jiān)控管理四大核心子系統(tǒng)。
數據中心機房建設的目標是：適應企業(yè)信息化發(fā)展需要，滿足數據中心對運行環(huán)境的高可靠性要求，有效降低機房運行維護成本，提高防災減災能力，為信息系統(tǒng)提供安全、穩(wěn)定的運行支撐環(huán)境。
智慧園區(qū)
建設智能園區(qū)管控系統(tǒng)，實現智能安防、智能車輛管理、智能訪客管理、智能信息發(fā)布管理功能，形成全面感知、實時互聯(lián)、動態(tài)預測、協(xié)同控制的智能園區(qū)管控系統(tǒng)。
3. 網絡、平臺或安全互聯(lián)架構（一個或多個均可）
對礦井數據中心及5G網絡場景下的工業(yè)控制系統(tǒng)進行網絡安全防護，從安全區(qū)域邊界、安全通信網絡及安全計算環(huán)境出發(fā)，結合智能礦井生產場景，利用“白名單”、“工控設備無損掃描”等技術實現區(qū)域隔離、網絡攻擊檢測、業(yè)務行為模型建立、主機運行環(huán)境鎖定、日志審計分析、未知漏洞挖掘、已知漏洞檢測等，最終實現安全態(tài)勢分析，保障數據中心及5G場景下的智能礦井生產業(yè)務正常運轉。
4. 具體應用場景和應用模式
彬長小莊礦業(yè)地處水、火、瓦斯、煤塵、頂板、地熱和礦壓等災害嚴重的多元災害耦合疊加的黃隴彬長礦區(qū)，面對儲煤環(huán)境復雜，地質條件不穩(wěn)定，CO、CO2、CH4、H2S、SO2、NO2、C2H2等災害氣體種類多、組分復雜的關中礦區(qū)開展災害風險分時、分地、分級、分類預警，基于風險預警后的隱患排查機制和失察應對機制研究，項目的實施和推廣將解決制約礦山智能化發(fā)展和礦區(qū)安全生產的瓶頸。
彬長小莊礦業(yè)作為集團智能化試點礦井，擁有智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網軟件平臺設計開發(fā)能力，國家級重點實驗室/工程中心的科研轉化能力，智慧礦區(qū)和工業(yè)互聯(lián)網落地驗證項目（安全管理和災害監(jiān)測類），國際、國家和行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網和安全標準制定能力，在地質災害治理和安全生產技術研究方面于2017-2019年獲得國家科學技術進步獎、中國煤炭工業(yè)科學技術獎等三項大獎。
11月4日，小莊礦業(yè)“5G+智慧礦區(qū)”項目作為重點案例，由國家產業(yè)互聯(lián)網專家委員會主任、應急管理部礦山智能化專家委員會專家，“國家千人計劃”專家范濟安教授書面匯報礦山安監(jiān)局安全基礎司、工業(yè)和信息化部通信管理局。接下來，項目將在陜西煤業(yè)化工集團37對生產礦井復制，進而在全國同類型礦井約1300對復制。根據國家礦山安全檢查局的建議，項目還可在地面礦山和能源行業(yè)復制。
5. 其他亮點
生產環(huán)境中的采掘系統(tǒng)、“三機”系統(tǒng)、主通風系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等的基于數字孿生的信息采集、圖像感知；
安全環(huán)境中氧氣、粉塵、一氧化碳、甲烷、硫化氫、二氧化碳等信息無線采集的全方位實時監(jiān)測及預控。
完善5G 數字孿生工作面生產系統(tǒng)應用。
利用“數字化”、“網絡化”和“智能化”的智慧礦山實施路徑，形成“1+1+1+1+N”模式，即1個基礎、1朵云（混合云）、1個信息共享綜合管控平臺、1個生產一體化協(xié)同平臺和N個應用（智能綜合管控的生產執(zhí)行系統(tǒng)、經營管理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、遠程監(jiān)控及維護系統(tǒng)、統(tǒng)計分析與預測系統(tǒng)、移動智能終端APP）的智能礦井，實現生產智能監(jiān)控、設備智能管理與監(jiān)控、安全智能監(jiān)控、應急智能指揮、風險分級預警與隱患排查、綜合集團駕駛艙、報表統(tǒng)計、數字孿生與仿真等。
小莊礦業(yè)通過安全風險分級分類和分析預警、井下危險區(qū)域實時監(jiān)測、生產設備全生命周期管理和故障識別、礦井人員追蹤管理等落地驗證。提供了可靠的面向國家礦山能源多元災害環(huán)境的工業(yè)互聯(lián)網+安全生產解決方案。11月15日人民日報對陜煤彬長礦區(qū)安全生產成績做了報道。
項目創(chuàng)新點和實施效果
項目先進性及創(chuàng)新點
項目實現了監(jiān)測實時化、控制自動化、安全本質化、管理信息化、業(yè)務協(xié)同化、專業(yè)模塊化、決策智能化等“七大功能”；并完成“通過智能化建設安全水平大提升”、“通過智能化礦井建設全員工效大提升”，“通過智能化建設企業(yè)效益大提升”三個目的。項目成果在國際和國內首次實現了以下幾點突破：
序號 | 項目成果 |
1 | 首次傳感器、攝像頭，5G模組，算力服務器/GPU服務器全部中國芯 |
2 | 國內首次實現5G 獨立組網（SA）通信技術的高清視頻采集 |
3 | 采掘工作面生產環(huán)境的高清視頻多場景AI圖像識別 |
4 | 采掘工作面5G物聯(lián)網安全監(jiān)控傳感器聯(lián)合應用 |
5 | 綜放工作面的生產數字孿生 |
6 | 采掘設備全生命周期動態(tài)管理 |
7 | 基于崗位職責的多礦井角色虛擬巡檢（值班礦長和維修、操作、安全人員） |
8 | 多元災害耦合協(xié)同治理的礦井安全監(jiān)控的風險分級分類預警 |
9 | 安全隱患溯因與對策、隱患智能識別 |
實施效果
項目的實施可有效降低煤炭生產成本，提升噸煤生產效率，全面打造煤炭智能化系統(tǒng)，最大程度地提升煤炭企業(yè)的綜合效率和管理水平。
項目經濟效益預測
陜西煤業(yè)化工集團2020年煤炭產量1.95億噸基數計算，新增1.3%效益新增253.5萬噸,按照中國煤炭運銷協(xié)會通知2022年煤炭中長期合同的基準價為每噸1550元為參考基數，可實現銷售額增加39.29億元。
項目社會效益預測
本項目建設完成后預期目標是實現“兩解放”、“兩提高”和“一保障”。即將煤炭工人從艱苦危險的環(huán)境和高強度體力勞動崗位解放出來；提高企業(yè)的科技裝備水平和煤礦職工的社會地位；實現煤礦井下作業(yè)“少人則安，無人則安”。
生態(tài)效益指標
本項目建設完成后預期可減少二氧化碳排放量297.2萬立方米/年，粉塵排放量1593.19噸/年。
項目所獲榮譽
該項目榮獲工信部2021年“工業(yè)互聯(lián)網試點示范項目”工業(yè)互聯(lián)網+安全生產解決方案示范。
聲明
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