大型煤炭集团数据采集治理及智能管控的研究与应用
国能神东煤炭集团有限责任公司
摘要
神东煤炭集团积极响应国家能源局等八部委下发的煤矿智能化发展指导意见和国家能源集团制定的煤矿智能化建设指南，以煤矿智能管控平台建设为载体，深入研究煤炭生产系统特点，对生产数据进行归类整合，构建了神东生产数据标准化管理规范体系，搭建了企业万亿级生产数据仓库，构建了煤矿智能一体化管控平台应用架构，应用国产软件100%，围绕工业控制系统向网络化、智能化“工业 4.0”转型重大需求，瞄准矿井生产安全预警管控难点，构建了基于国产软件的煤矿智能管控平台，助力神东14个矿井智能矿山建设。
【关键词】：数据采集、管控平台、煤矿、智能化、国产软件、设计研发
一、建设背景
1.国家政策要求
煤炭作为我国一次能源的重要来源，其智能化建设直接关系我国国民经济和社会智能化的进程，是煤炭行业生产方式革命的新方向。2020年，国家发改委、国家能源局等八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中提出，到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系，到2035年各类煤矿基本实现智能化。2021年12月国家能源集团下发了《国家能源集团煤矿智能化建设指南（2022版）》，明确了煤矿智能化建设的方向、标准和路径，对于推动煤炭行业高质量发展、保障能源安全具有重要意义，要求构建适应行业发展趋势、满足技术迭代要求的煤矿智能化标准体系。
2.企业发展的要求
为加快推进矿山智能化建设，围绕八部委指导意见和国家能源煤矿智能化建设指南要求，迫切需要建立智能管控平台实现自动化系统接入、数据集中存储管理、移动巡检、远程故障诊断、系统间有机融合和联动控制，解决企业各监控系统孤岛林立、数据分散缺失、无标准化存储管理、智能化工作开展缓慢的问题，数据与业务深度融合，挖掘数据要素价值，依靠数据驱动企业新发展模式，提升企业核心竞争力，实现煤炭行业转型升级。
二、管理方案
煤矿智能管控平台设计方案在系统层面上对生产数据进行了规范化管理，达到生产、机电、安全数据互联互通，实现自主生产数据管控，形成大数据资产。基于标准化、规模化的数据底座，实现井工煤矿设备集中监控、集成展示、优化排程、智能感知、关联分析，充分发挥生产数据价值，实现故障远程分析诊断，构建井工煤矿数据智能分析体系，为井工煤矿生产系统装上“智慧大脑”，助推煤炭生产高质量发展。
三、技术方案
1.构建基于对象化、模型化、积木式生产设备数据标准化化技术体系，建成国内首个万亿级煤矿生产数据仓库。
将矿井生产工艺和设备按层次化、模型化、对象化的思路，通过梳理、归类和整合，对煤矿生产数据进行基于区域和设备的分解，抽象出具有特定属性的对象。建立具有面向对象特性的“区域+队伍+设备+部件+测点”数据管理模型，模型相当于积木块，可以单独存在，也可以与其他模型组合，实现了煤矿多专业属性的并存与关联，通过接口规范和交互规则将它们组合在一起，形成生产设备数据标准化技术体系。采用分布采集、数据镜像、即时压缩等技术，建成煤炭行业首个万亿级生产数据仓库。
2.研发融合“内存消息队列、WEBGL图像渲染、基于国密算法的数据安全访问控制”等技术的一次开发、三端同步在线更新的一体化监控软件。
针对煤矿搬家倒面、设备频繁移动的特性，依据点位变更、预测报警、存储共享、计算脚本、组态部署即时生效的现实需求，融合“内存消息队列、WEBGL图像渲染、基于国密算法的数据安全访问控制”等技术，成功研发出一次开发、三端同步在线更新的一体化监控软件。工程数据由开发动态同步到运行，即修改即生效，使用场景得到大幅拓展，方便随时随地进行生产监控。
3.打通大型煤炭生产基地从数据规模化采集存储到计算应用分析的新型技术链。
从操作系统兼容、数据资源共享、计算处理提速、软件安全融合等方面，对软硬件性能、功能深度总结和分析了1389条采集、存储、分析、展示的技术问题，通过定制和二次开发，打破煤矿工业软件之间数据格式、接口标准难以协同的壁垒，打造了不同软件间的数据互通协作的新链路。
4.打造智能协同运维体系
在系统建设的过程中，培养一批矿井智能运维人员，着力于矿井自动控制、智能设备整体的运行维护。结合系统的开发运维场景，举办矿井智能运维培训，让智能运维人员掌握各类设备数据采集存储、组态开发、简单数据分析等相关技术。（例如组织开展神东5期249人智能化开发基础培训，7期210人数据运维培训，3期120人监测监控开发培训，1期55人网络培训，1期15人EIP协议集中培训，强化智能化基础知识，提升运维技能水平，打造公司智能化运维团队。）
5.全方位应用国产软件在工业控制
通过调研、考察、试用等手段充分评估国产软硬件产品的应用可行性。服务器硬件和操作系统国产化方便未来迁移到云平台；统一管理的数据采集软件替代原有RSLinx、Kepserver等多种分散采集的国外软件；实时数据库和关系数据库国产化实现了矿区多矿井分布式存储。
四、关键时间点
根据公司实际情况，项目建设按“整体规划，分步实施”的原则完成：
第一阶段（201811—201909）：进行数据协议、数据采集、数据存储、数据计算等关键技术研究。完成了架构设计和数据模型设计，构建了生产数据标准化管理规范体系，形成了数据标准模型。
第二阶段（201910—202003）：以中心区域五矿六井的生产数据采集为试点，验证了神东生产数据仓库的设计架构。建设生产数据仓库，实现现场标准、非标准和业务型生产数据采集、存储和规范管理。解决了生产数据散落、未长期存储、统一管理的问题。
第三阶段（202004—202102）：结合神东生产业务情况，构建集生产数据采集、存储、传输、统计、分析、应用、展示、发布于一体的生产管控平台，并在13个矿井推广应用，实现移动APP监测。
第四阶段（202103—202204）：在布尔台煤矿、寸草塔煤矿、寸草塔二矿、乌兰木伦煤矿、柳塔煤矿、保德煤矿、榆家梁煤矿等7个矿井和补连塔选煤厂实施矿端智能一体化管控平台，实现了设备远程控制、集成展示、关联分析等功能，打造了区队级控制指挥体系。
第五阶段（202205—202305）：在中心区五个矿和其他十个洗选厂进行矿端智能一体化管控平台推广应用，凝心聚力打造矿井和洗选系统一体化管控平台，完善区队级控制指挥体系。
第六阶段（202406—202512）：构建覆盖生产，安全，经营多业务多系统的数字孪生中台，围绕“人、机、环、管”创建一体化、可视化高度融合的生产指挥模式，让煤矿生产、管理透明可视、资源调度快速有序、生产安全高效协同，实现井下无人少人的目标。
五、成果与效益
煤矿智能管控平台在公司14个矿井和11个选煤厂推广应用，采集设备4.6万台套，接入设备监测点位124.2万。平台日活跃用户5800人，其中生产单位用户占比89%，日均访问量2.79万人次。90个计算服务提供62项决策服务。通过数字化、智能化的手段，平台有效降低一线工人工作量，实现了主运输系统、供配电、供排水系统无人值守、综采工作面三岗合一，员工在地面就能上岗。有效促进公司生产工作方式改革，由原来的三八工作制转变成“777、678、687”等工作制，提升了员工工作效率。平台系统运行以来，成功预警多起安全隐患，有助于实现清洁低碳生产，机电设备有效生产时间分析将13个煤矿的机电设备有效开机时间平均提升3%、综采工作面智能化率评价的指引下实现工作面整体干预率降低30%，自动化率提升10.06%。主运输胶带机变频调速分析及优化实现92条变频胶带机，每年节省56万多公里运输里程。该成果深入研究煤炭生产系统特点，实现生产数据自主可控、生产数据资产化和服务化。该成果成功应用于神东矿区十余座矿井，自该智能管控平台平稳运行以来，新增煤炭产量达679.81万吨、新增销售额23.83亿元、新增利润10.83亿元、新增税收10.25亿元。
六、迭代或优化方案
力争五年内实现数据自动接入、直接使用，特别是在搬家倒面等场景下，实现即插即用，软件定义硬件；扩大神东生产管控平台的监控范围，二年内覆盖全公司10万台套生产设备；深入开展生产现场设备专业数据的采集存储，全面推进远程故障诊断工作；升级生产数据仓库，实现海量实时数据和历史数据的高效可控共享。国能神东煤炭集团将进一步优化煤矿智能化建设顶层架构，充分挖掘煤矿生产数据在煤炭安全生产、管理、经营等方面的价值，着力建设“智能感知平台、专家决策平台、主动执行平台”三个平台，利用技术手段解放和发展煤矿生产力。
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