智能感知综合自动化平台在煤矿中的研究与应用.docx

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智能感知综合自动化平台在煤矿中的研究与应用

第一章绪论

1.1现状及存在的问题

目前，砚北煤矿自动化系统有矿井电力控制系统、130101采煤自动化系统、主排水自动化系统等，在线监测监控系统已有束管监测、主扇风机监测、主煤流监测、水文监测、矿压监测（地音、微震、顶板）、安全监测、人员定位、工业视频监控、通讯联络、产量监控、灰分在线监测等;在经营管理层已建立了许多面向不同业务的应用软件系统，有办公自动化、班组核算管理、人力资源信息管理、物资仓库管理、财务管理等。

这些系统对于企业的生产与管理都起了很大的作用。

但是，由于缺少统一的规划，现有的各种自动化系统、监测监控和经营管理系统都独立运行，大部分系统多为部门级或专业性应用，系统之间无法实现在一个平台上自动控制、信息数据无法共享、业务流程与管理流程不连贯，最终导致了自动化孤岛、信息孤岛和应用孤岛，从而使自动化系统、信息业务系统无法实现一个真正全面共享、应用连贯的有机体，这将阻碍砚北煤矿自动化建设的进程，也无法很好地与集团公司整体、协调一致地发展。

1.2目的和意义

煤矿井下生产任何事故都不是完全偶然的，是生产过程中人、机、环境中潜在危险因素逐步显现和诱发所致。

因此，加强对生产过程控制就可以有效避免事故的发生或降低事故发生时所带来的危害程度。

强化安全生产过程控制，就是通过追求企业生产过程中人、机、物、环、制度等诸要素的安全可靠和和谐统一，使各种危害因素始终处于受控制状态，依靠内部系统和组织保证，通过思想无懈怠、管理无空档、作业无失误，设备无隐患、系统无阻塞，从而实现管理“零缺陷”、事故“零容忍”、生产“零伤亡”的目标。

为了迎合企业的高速发展及企业日常管理的需要，并结合煤炭行业独有模式，以企业的现有资源为基准点，就需要从各个方面对企业的自动化应用和专业化管理进行梳理和提升，已达到企业持续改进的目的，从而不断的完成提高企业的自动化应用程度，结合矿井综合自动化系统已采集的数据，把每时每刻矿井动态的细微变化信息通过有线、无线的网络系统上传至煤矿智能感知自动化综合平台中，以隐患和存在的问题作为触点激发一个追诉的闭环流程，使各种危害因素始终处于受控状态，达到煤矿生产全过程、全要素的和谐统一，这些数据的长期积累形成了一个智能专家库系统，对今后的矿井生产指出建设性、可行性的指导，最终实现矿井的“自动化”、“管控一体化”、“经营决策智能化”、“生产过程可视化”、“办公信息化”安全高效智能化矿井，做到整个煤矿安全生产的全面掌控，打造国内乃至世界的先进管理模式，优化企业内的各种信息资源，保持煤矿安全生产的领先地位。

所以有必要依据上述要求在砚北煤矿建设一个可靠、高效的煤矿智能感知自动化综合平台。

第二章系统设计思想

2.1总体架构

根据矿井设计能力、开采技术条件、机械化装备水平等因素和现行《煤矿安全规程》、《煤炭工业矿井设计规范》等的要求，以及砚北煤矿在自动化的快速搭建、快速集成、快速互通的自动化建设要求，综合考虑目前自动化先进技术在煤矿的使用，以“云计算”架构和“智能化”思想的“管─控一体化”建设架构，将成为我矿信息化发展的趋势。

要构建一个统一的、标准的、安全的自动化框架，该框架以前端应用感知层，实现对可感知的信息进行感知和监测；通过网络传输层，实现感知数据的传输以及中间控制层数据的控制指令传输，在中间控制层之上，是应用集成层，主要将ERP、KW、MES、PCS等生产控制过程管理的应用系统进行总体管理，数据汇聚层实现数据集中汇总和分析，为顶层的企业管理者、内部员工、外部供应商提供相应的数据门户。

在系统建设过程中，要综合考虑系统是否包含所有层次，以及系统后期建设的数据共享和交互，基于SOA架构平台，系统建设将以模块化建设，同时模块内部由感知、控制、应用、汇聚、门户等几部分组成，实现信息系统上下一体、左右相连的建设方式。

系统以“先进性、安全性、可靠性、开放性”为设计指导思想。

着眼于国际、国内先进水平，将现代成熟、先进的自动化技术引进煤矿生产中，并参考国内的成功经验，根据“管控一体化”思想，运用现代控制技术及网络技术，选用先进的工业控制产品，构建起高度集成的现代化全方位网络体系。

系统实现了数据采集离散化，设备控制分布式、智能化，调度操作集中化，生产管理自动化，实现了从生产第一线、调度、管理科室和领导办公室的层层联网及信息共享，各系统之间通过标准的通讯协议进行相互的访问。

2.1技术路线

2.1.1技术架构实现

智能感知自动化综合平台是基于J2EE构架上开发的，采用当前业界最新的主流标准搭建，多层架构MVC的设计模式，使用JAVA语言开发，使用中间件技术，应用系统符合J2EE工业标准，遵循XML数据格式。

2.1.2开发模式

系统开发分B/S与C/S混合模式：

系统前台展现部分使用目前主流J2EE平台，Java语言开发的B/S模式，分多级架构对业务进行处理，保证了系统的跨平台、免安装的特性及易用性；系统数据采集与数据传输部分采用C/S模式，最大可能了保证其稳定性与数据传输的可靠性；系统使用了成熟的商业智能化报表工具，支持数据仓库，支持数据挖掘，保证了功能强大、表现形式丰富的业务分析功能与报表功能。

2.1.3运行环境

数据库服务器操作系统：

Win2008Server以上版本/UNIX/LINUX（根据用户采购数据库定）

数据库系统：

Oracle11g

应用服务器操作系统：

Win2008Server以上版本

应用服务器：

JBoss3.2.6

客户端操作系统：

Windows2000/WinXP或以上版本

客户端IE：

InternetExplorer6.0或以上版本

2.1.4构建基于Web的三层应用

数据发布层采用B/S模式，其构架由三层构成，即表示层、应用逻辑层和数据层，系统逻辑结构图如图所示。

2.2系统接口方式

数据库接口方式（DB方式）

程序代码方式（CODE方式）

动态链接库方式（DLL方式）

独立程序方式（EXE方式）

文本方式（TXT方式）

2.3主要系统指标

2.3.1页面反应时间

系统功能页面响应时间分别为：

普通数据查询,页面响应时间为1－2秒；大数据量的复杂查询和各种统计分析功能,页面响应时间时间为3－5秒。

数据交互相应速度，满足日常业务处理需求；视频图像集成流畅；

2.3.2数据接口交换定义

《智能感知自动化综合平台》对数据有着严格的使用要求，这就需要系统在设计时对实时数据的响应时间做明确说明和定义，以达到数据的最优化使用。

2.3.3并发用户数

系统的并发用户数为300－500人。

2.4关键技术点与实现难点

2.4.1系统实施方面

智能感知自动化综合平台实施内容涵盖企业安全、生产、经营及生产工艺子系统等企业的各个业务，这样大面积的实施工作给项目协调增加了困难，无疑增加了项目的实施难度，这就需要企业管理阶层加大管理力度，明确项目要求，首先从管理上规范项目的实施要求，降低项目的实施风险。

2.4.2数据集成方面

因为本次项目要企业的安全生产为主线，企业环境的不安全因素、设备的不安全状态以及人的不安全行为前提，结合企业日常经营的各个专业管理，从而保证生产设备的可靠性及人员作业的规范行为，减少生产过程的安全隐患，所以需要从各个业务专业进行业务数据采集，进而保证数据业务的一致性，因为不同业务信息系统的数据模式不统一，就会给数据集成很大的困难，根据我们以往数据集成的实施经验，实现企业的数据集成要求，首先需要制定统一的接口协议标准以及对应业务系统的技术规范，并根据不同需求，定义不同的接口模式，以保证数据集成的有效实施。

2.4.3数据存储方面

本次项目的实施涉及的数据涵盖业务管理数据比较多，所以涉及数据量非常庞大，如集中存储造成对核心服务器要求较高，同时带来很大的数据安全问题；所以在系统设计时就要充分考虑系统数据量以及数据库构架，以保证系统的整体性能。

系统采用分布式存储方式，并采用异构方式进行存储以解决服务器压力。

第三章主要技术创新性、先进性

3.1系统技术创新点

1.井下人员作业管理模式创新

在商业智能分析、智能手机（PDA）终端技术、条形码、RFID（RadioFrequencyIDentification）和动态图形技术支持下，将煤矿井下作业过程中的生产作业、检维修作业、特殊工种（安监员、瓦检员、胶轮车司机等各个专业）工作过程中的全过程、全要素、全标准化管理，并通过无线终端实现井下隐患与干部走动时管理的即时交互，减少井下作业人员安全事故的发生。

2.多业务数据模型、采集及展示方式创新

以HSE和TPM管理体系为理论基础，参考煤矿安全风险预控管理体系为建设标准，采用贝尔实验室故障树分析方法，依照英国BP的RAP系统为参考原型。

系统打破传统单子系统采集模式、以井下工作区域为基础，结合点、线、面的工作场景，将区域内所有关联安全、生产的信息统一集成分析，以人、机、物、环、管为要素，已相关指标异常波动为触发条件，对各种信息进行对比分析，提升设备预知维修水平改善设备的不安全状态，形成对环境的不安全因素的趋势分析，并以全新的现实方式进行展示，提高管理人员对现场的全过程管控。

3.机电设备全生命期应用管理创新

系统关联以设备状态分析为基础，从系统的运行环境、网络、现场视频、人员作业情况、电力监控等方面进行分析，并结合3G无线网络即时将系统运行过程中存在的异常信息发送的手机中断，从而提高系统运行的可靠性。

4.智能手机无线应用管理创新

使用PDA无线终端或智能手机通过3G/2G（GPRS）网络,与煤炭企业互联网发布的服务端的Web服务进行数据交互和业务办理。

通过直观、易操作的界面，实现用户手机审批、业务信息查询（如部门工单、电子工票、隐患管理、设备检修、生产过程分析、销售、安全、设备、采购、财务、办公等专业）、矿井生产环境、生产设备远程监测等功能，提高企业信息利用率和响应速度，为企业领导及相关业务人员提供快速可靠的信息依据，丰富企业信息化手段。

5.机电设备故障树模型分析技术创新

以矿井安全生产管理指标异常波动为触发条件，采用贝尔实验室故障树分析方法，依照英国BP的RAP系统为参考原型，依据采集的生产要素数据，系统自动智能分析从而实现以管理指标为出发点，提升设备预知维修水平改善设备的不安全状态，形成对环境的不安全因素的趋势分析，进而真正达到管控一体化。

6.矿全息化过程管理模式创新

系统以井下人员作业图、重点设备状态图、井下环境工矿图为基础，集成全矿相关的业务信息数据，使管理人员通过三图即可知道井下当前生产工矿，提高管理人员对现场的即时透明化管理。

3.2先进性

应用计算机技术、网络和自动控制技术实现在矿井调度指挥中心监测井下环境参数，利用先进的技术和合理的方案，使系统具有良好的性价比。

集中控制井上下机电设备，达到减人增效和提高矿井安全水平的目的。

采用最先进的技术和设备，将3G技术、手机智能应用技术、井下人员定位技术、生产系统在线监测技术（含工艺参数监测及单机自动化功能）、电子信息显示子系统、终端查询技术、系统多屏显示技术、工业电视子系统等有机地融为一体，可提高系统整体性能、降低系统综合造价、提高生产调度指挥效率，适用性、可操作性及可维护性方面均可达到国内先进水平。

井下作业人员行为管控，以作业工单为基础，进行作业过程、作业内容以及规范措施的全过程、全要素跟踪管理，降低人员安全隐患事故的发生。

打破系统及业务部门的壁垒，实现井下数据全员化共享，提高现场作业的工作效率。

持续完善矿井知识库，为矿井安全生产的持续应用及智能管理提高规范、标准、全面的专家库。

实现生产现场的网络和矿井管理信息网的连接，使得管理人员可以在授权的情况下通过联网的个人计算机经网页浏览器进入到系统的实时网页，去提取和分析生产系统的动态数据。

3.3技术前景分析

主要依据煤矿的工业化和自动化建设为基础，管理为手段，实现安全生产过程的规范化、标准化管理，降低人的不安全行为、设备的不安全状态、环境的不安全因素，从而实现煤矿设备检维修模式的改变，应用无线网络技术结合手机智能终端应用，实现矿井现场作业的及时有效反馈，有效避免事故的发生或降低事故发生时所带来的危害程度，不断持续改进、完善和创新企业规范化、标准化管理，实现企业安全生产过程的透明化、可控化、可视化管理。

砚北煤矿目前拥有的设备已经为煤矿智能感知自动化综合平台的应用创造了良好的条件，因而完全有能力完成此项目。

第四章经济效益及社会效益

4.1经济效益分析

1.设备购置费用低：

平台设备购置费用（含软件平台）为49.8万元，同类型的管理信息化平台购置费用在大概在300万元以上，本系统的购置费用为同类型产品的45%，可节约最少55%的投资；

2.系统运行费用低：

在砚北煤矿采用了综合信息化平台后，减少了各区队各类信息的统计人员1人，减少生产过程岗位工1人，人力资源的各类数据统计1人，全矿节省岗位工最少10人，按公司年均工资8万计算，每年可节约开支80万元，同时设备的不必要的损耗，减少设备运行故障的发生，并减少安全事故的发生，同事每年可节约设备运维费及备件费58万元；

3.使用人员作业行为系统之后，大大提高了区队对现场人员作业过程的管控，减少班中串岗、离岗等现象的发生，提高区队工作效率，并减少安全事故的发生；

4.监控跟踪设备的开停情况以及设备运行情况、降低设备运行能耗、从而最大限度地帮助企业有效使用现有生产资源

5.提高生产安全性。

通过大量使用工业控制设备与系统，可以减少人工差错与干预，依靠技术手段提高安全性。

6.精细化管理，降低企业生产过程成本。

通过各种信息技术的使用，减少人工需求，降低人员成本。

另外，应用系统为管理者提供良好的工具，来改进和优化管理，降低成本消耗。

4.2社会效益分析

1.本系统投资小、科技含量高、产业带动力强的特点，有利于促进结构升级并形成新的优势。

2.本项目产品使用先进的图形技术、数据采集技术、视频技术、完善的班组建设规范以及各种标准规范，有利于该技术在煤矿行业的发展。

3.使用系统之后，从整体上提高了煤矿整体自动化和信息化水平，并为煤矿培养了一大批专业人才，从事系统的运维工作，同比外包系统售后服务费近百万元；

4.本项目使用国内外先进的管理理念，全面地设备故障分析方法，全新的设计思路来完成系统，完成后可以在行业内推广，推动我国煤矿自动化、信息化、数字化系统的发展。

5.该项目完成后可以作为“智慧矿山”和“数字矿山”的重要组成部分。

第五章结论

5.1论文小结

1.应用计算机技术、网络技术、通信技术、信息技术、控制技术、智能技术和矿山生产工艺技术，实现已建自动化系统、监测监控系统、企业管理系统的有机集成，用数据集成和数据交互共享技术，实现信息的共享、交互、同步。

2.应用计算机技术、网络和自动控制技术实现在调度指挥中心监测井下环境参数，集中控制机电设备，减少作业人数，部分子系统无人值守，达到减人增效和提高企业生产安全水平的目的。

3.完成企业管理信息系统建设，实现砚北煤矿内部安全管理工作，从事后管理向事前转变；实现安全管理工作向信息化、标准化转变；实现机电设备管理从人工管理向信息化管理转变；绩效考核从粗放考核向精细化考核转变。

4.采用最先进的技术和设备，将3G技术、手机智能应用技术、井下人员定位技术、生产系统在线监测技术（含工艺参数监测及单机自动化功能）、电子信息显示子系统、终端查询技术、系统多屏显示技术、工业电视子系统等有机地融为一体，可提高系统整体性能、降低系统综合造价、提高生产调度指挥效率。

5.井下作业人员行为管控，以作业工单为基础，进行作业过程、作业内容以及规范措施的全过程、全要素跟踪管理，降低人员安全隐患事故的发生。

打破系统及业务部门的壁垒，实现井下数据全员化共享，提高现场作业的工作效率。

6.实现生产现场的网络和矿井管理信息网的连接，使得管理人员可以在授权的情况下通过联网的个人计算机经浏览器单点登录进入到系统的实时网页，去提取和分析生产系统的动态数据。

7.应用无线网络技术结合手机智能终端应用，实现矿井现场作业的及时有效反馈，有效避免事故的发生或降低事故发生时所带来的危害程度；

9.降低了人的不安全行为、设备的不安全状态、环境的不安全因素。

5.2建议

不断持续改进、完善和创新企业规范化、标准化管理，实现企业安全生产过程的透明化、可控化、可视化管理，最终做到整个煤矿安全生产的全面掌控、全面自动化，打造国内乃至世界的先进管理模式，优化企业内的各种信息资源，保持煤矿安全生产的领先地位。

致谢

自2003年大专毕业后，由于对自动化技术产生了的浓厚兴趣，平时闲暇时多找与自动化专业方面的有关书籍刻苦学习。

在工作期间，发现所学的不能能用于实践中，我深感自身理论基础薄弱，真有那种“书到用时方恨少”的感觉。

因此来到西安电子科技大学网络学院选修电气工程及其自动化专业。

感谢西安电子科技大学网络学院为我提供了一个良好的学习环境，感谢学院的领导和老师们！

他们无微不至的关怀、精心的培养使我到了很多的知识，终生受益！

参考文献

[1]钱建生，马姗姗，孙彦景.基于物联网的煤矿综合自动化系统设计.《煤炭科学技术》,2011,39（02）:

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[3]王利娟，方岸滨，柴士彬.煤矿综合自动化信息化系统集成软件平台的设计.《煤炭工程》,2010,第7期（7）:

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[4]赵洪建.基于三维可视化平台的煤矿综合自动化系统设计.《工矿自动化》,2012,38（10）:

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