智慧矿山的研究与应用

智慧矿山的研究与应用

项目申请报告

项 目 名 称：智慧矿山的研究与应用

项目申报单位：重庆金鑫智慧科技公司(盖章)

申 报 日 期：2013年 11 月11 日

目 录

一、重庆金鑫智慧科技有限公司简介 ................................................ 3

二、项目概要、背景、目的和意义 .................................................. 4

三、项目前期开发情况及所具备的基础 .............................................. 5

四、项目实施方案 ................................................................ 6

1.项目目标 .................................................................... 6

2.主要内容 .................................................................... 7

3.系统总体结构及功能说明 ...................................................... 8

矿山信息服务平台 ............................................................ 8

地理信息系统 ............................................................... 10

安全监测监控系统 ........................................................... 11

矿压监测系统 ............................................................... 13

人员定位系统 ............................................................... 13

系统主要功能包括： ......................................................... 14

矿井综合信息引导系统 ....................................................... 16

洗煤自动控制系统 ........................................................... 17

轨道运输智能调度系统 ....................................................... 19

架空人车监控系统 ........................................................... 20

矿灯通信及管理系统 ......................................................... 22

煤矿胶带运输机监控系统 ..................................................... 25

矿井调度通讯系统 ........................................................... 27

矿井主排水控制系统 ......................................................... 29

矿井供电监控系统 ........................................................... 30

系统主要功能： ............................................................. 31

大屏幕显示系统 ............................................................. 32

系统主要功能： ............................................................. 32

工业视频监视系统 ........................................................... 35

系统主要功能： ............................................................. 36

矿井IP数字广播系统 ........................................................ 38

系统主要功能： ............................................................. 39

视频会议系统 ............................................................... 40

4.平台系统运行模式 ........................................................... 42

5.技术路线 ................................................................... 42

五、项目资金预算及费用计划安排 ................................................. 43

六、技术经济和社会经济效益分析 ................................................. 43

一、重庆金鑫智慧科技有限公司简介

重庆金鑫智慧科技有限公司的前身是重庆南桐矿业有限责任公司金鑫电脑分公司，金鑫电脑分公司通过改制成为重庆南桐矿业有限责任公司属下的全资子公司，更名为重庆金鑫智慧科技有限公司，金鑫电脑分公司成立于1999年12月，前期主要从事电脑销售、办公服务、网络工程等业务，从2002年开始逐步进行软件系统、智能产品的研发，形成以传统IT销售业务养高投入研发的循环发展模式。

公司在深圳西乡、成都高新区、重庆万盛经开区都设有研究院，拥有专业的研发团队、设计团队、营销团队和施工团队。

公司现有员工215人，其中从事研发的员工120人，占全公司员工数的50%以上，其中包括来自国内外著名IT企业（IBM、华为、中兴、伟创力、长虹、中国移动）的技术核心骨干、海外留学人员20余人，中高级项目经理10人。

2011年，公司营业收入近1亿，营业利润200万元。

2012年，公司具有代表性的物联网产品 背景音乐系统涉及的电子产品已通过欧盟CE认证；具有世界先进水平的大型系统级软件 金鑫云平台系统Ver2.0已成型，完全可以进行商业应用；

基于物联网、云平台的研发技术已经实现突破并已产品化，主要表现在以下几个方面：

1）超高频和微波RFID芯片设计、产品的技术研发；

2）无线传感器网络自组网技术研发；

3）物联网传输中间件技术研发；

4）面向行业应用海量数据挖掘技术研发；

5）面向视频智能分析和识别技术研发，并已形成相关系统或产品，比如：RFID卡、视频分析器、智能控制器、专用功放、........。

公司主要从事嵌入式、射频通讯、网络通讯、ZIGBEE、高清解码、IOS、Android、语音识别、视频识别等应用技术的研发，并整合全球资源提出了智慧家居、智慧楼宇、智慧社区、智慧矿山、智慧旅游、智慧校园等解决方案。

“为全人类信息社会服务“是我们的使命，金鑫智慧依靠自身雄厚的技术资源、丰富的计算机及系统集成实践经验和较强的技术研发能力，致力于建立和谐企业，服务和谐社会。

二、项目概要、背景、目的和意义

近十年来计算机技术的迅猛发展给煤矿企业带来历史性变革，使煤矿

安全和生产技术跨越式飞跃。

智慧矿山是“数字化地球”概念在煤矿的延伸和具体体现，其主要包

含以下含义：一是将煤矿中的固有信息（即与空间位置直接有关的相对固定的信息，如矿井原始数据和煤层、围岩等地质信息）数字化，按三维坐标组织起一个智慧矿山，全面详尽地展示矿山及矿体；二是在此基础上嵌入所有相关信息(包括采掘、通风、运输、供电、给排水等生产系统网络及其装备信息，生产过程中产生的设备状态、环境、人员信息，专业分析辅助决策信息，生产经营管理信息等)组成一个意义更加广泛的多元的智慧矿山。 智慧矿山解决方案的特点为基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理

控制一体化、决策处理集成化。

智慧矿山是当今采矿科学、信息科学、人工智能、计算机技术和3S（地

理信息、定位、遥感）技术发展与高度结合的产物,它将深刻改变传统的采矿生产活动和人们的生活方式。

目前我国在资源开采自动化控制、评价、管理、矿业专用软件方面发

展速度较慢，且质量普遍不高，严重影响了资源评价、储量监管、生产自动控制的水平、效率和可信度，降低了矿山设计和计划编制的效率与可靠性，制约了矿山信息化的进程。因此，针对我国矿产资源的特点和矿山企业对智慧矿山建设的实际需求，重庆能源集团通过自主研发结合产学研联合攻关、与第三方软件无缝接口等方式，开发出了具有自主知识产权的一套功能先进的智慧矿山系统，为建立矿井自动化产业体系奠定了良好的基础。

三、项目前期开发情况及所具备的基础

智慧矿山系统由安全监测监控、地理信息、人员定位、矿井通讯、数字矿灯等众多子系统组成，通过云计算集中管理平台，将各子系统有机的结合在一起，形成一个综合的智慧矿山管理系统。该项目从2011年开始研发，目前综合管理平台系统开发已接近尾声。作为关键子系统的数字矿灯系统，目前已完成前端设备的开发，并形成工程样品，其数据传输系统处于实际环境测试阶段。智慧矿山系统的全面集成使用有望在2016年实现。

相关子系统的研发完成时间如下：

视频会议系统 2011年3月

工业电视系统 2011年4月

矿井广播系统 2011年10月

大屏显示系统 2012年1月

数字矿灯通信及管理系统 2012年8月

金鑫云平台2.0 2013年7月

吊挂人车智能控制系统 2014年5月

主排水系统 2014年9月

矿业监测系统 2014年11月

地面生产控制系统 2014年11月

胶带运输控制系统 2014年12月

电力管理系统 2015年3月

人员定位系统 2015年5月

水泵监测系统 2015年10月

安全监测系统 2015年11月

地理信息系统 2016年4月

矿井引导系统 2016年8月

智慧矿山综合管理系统 2016年6月

四、项目实施方案

1.项目目标

在国家实施高技术产业化的背景下，在我集团以“新四化”为十二五后两年的工作目标背景下，智慧矿山系统目标主要有两个：一是发展高技术，形成新兴产业，培育新的增长点；二是利用先进技术改造和优化传统产业，提高经济增长的质量。

传统矿山管理系统的井下工作环境（各种自然灾害：瓦斯、水害、顶板压力等）监测取得了长足的进步，但事故仍时有发生，其原因就是这些工作缺乏智能性，让这些问题、灾害尽可能在无人操作的状态下自动发现、自动记录、自动跟踪、自动解决就是此智慧矿山方案的目标。

2.主要内容

1）信息集成。利用云平台对矿井原已建设和即将建设的新系统，通过信息集成总线进行数据交互，由负载均衡控制信息交互实现计算分摊、数据共享。

2）联动预警。系统将矿井的环境安全监测、人员定位、电力监控、机车调度、皮带运输等主要环节自动化控制信息进行集成、进行综合分析利用，实现矿井生产设备的优化运行控制和瓦斯等灾害的检测、预警及联动控制。

3）冗余。网络传输平台、设备配置都作冗余处理，在链路和设备出现故障时也能保障系统正常、稳定的工作。

4）精准调度。系统建成后，可在地面集中控制室实现对矿井主要生产环节（如：煤流、供电、排水、机车（包括矿车的分布）等）进行远程监测并控制，有效提高矿井生产效率；将环境监测、工业电视、调度通信等系统进行统一的数据管理、存档、检索。集团、矿井调度人员及相关管理人员也能同步掌握生产设备运行状态、产量及井下安全情况，便于快速做出反应，实现精准调度。

5）数据共享。系统将通过计算机网络系统统一出口，与上级数据中心完成无缝对接，实现集矿井生产信息、安全信息和管理信息的实时交换，远程显示、查看相关数据。

6）标准接口。基于工业以太环网+现场总线技术的全集团综合自动化系统，信息汇接能力强大，留有充分的扩展端口以适应系统今后扩容发展的需要。

7）立体显示。能够在集团、局、矿调度指挥中心实时直观显示各矿井上下各生产环节的设备运行状况和井下环境状况。

8）自动检测和自我保护。实现对环境参数、闸阀位置、水量、电量、

设备运行状态等的检测，并用图形软件在屏幕上显示出动态画面；实现对所有设备保护信号的检测，并通过系统的自动分析和系统的自动调正实现对系统本身或设备的自动保护或修复。

9）自动控制。实现设备控制方式和工艺流程选择、启车预告、系统单起/程序启停、系统运行的闭锁、过程参数的实时监测。

10）自动诊断。系统能快速正确地识别模块配置错误、模拟量超程、线路断线等故障，自动报告总线通讯错误及网络错误。

11）移动监测。系统利用工业以太环网和新建无线自组网实现对煤矿开采工作面等原有固定点视频监控系统所无法监控的死角进行有效的视频监控，提高对煤矿安全生产的实时监测。

12）实时语音通话。系统以工业以太环网和新建无线自组网为传输平台，实现煤矿井下每个矿工之间、调度中心与井下矿工之间的即时语音通话功能；充分提高了煤矿工人的工作效率。

13）精确定位。系统定位分为井下煤矿工人定位和煤矿生产物资定位；系统采用RFID射频技术实现井下人员的精确定位；定位精确度与所布射频识别卡的密度密切相关。

3.系统总体结构及功能说明

智慧矿山系统包含众多子系统，各子系统通过云计算集中管理平台，

有机的结合在一起，形成一个综合的智慧矿山管理系统。各子系统也可独立安装，单独运行，以适应不同矿井的实际需求。

矿山信息服务平台

矿山信息服务平台系统为用户构建起多层次的业务集成框架，为其提

供多层次、多角度的业务集成功能。主要包括：

1. 统一的系统应用接口平台

2. 企业数据交换平台

3. 主数据管理平台

4. 跨多系统的端到端业务流程管理平台

5. 统一的用户交互空间

平台架构目标主要包括两点：

1、统一的集成平台

2、统一的工作平台

统一的集成平台

应用该平台同时涉及到人-人、人-机器、机器-机器之间的交互，因此，在此项目中，对于数据和应用系统的集成，要求采用SOA架构思想，采用松耦合的方式将不同系统接入到集成平台上，同时在技术上保证不同系统的接口都是规范化的。针对不同类型的系统，采用不同改造的方式对其接口进行封装，对于ERP等成熟系统而言，集成平台应提供专用的适配器或连接器。

数据集成的另一个关键之处在于数据交换的性能，特别是在大数据量

交换的情况下，必须要保证系统仍具备良好的性能和吞吐量。同时，对于未来系统应用范围的扩大，系统应该具有线性升级的能力。

统一的工作平台

该平台要求一个界面友好的统一的用户交互层。使得用户可以在单一

页面上可以参与不同的业务流程、审批、查看流程状态、监控业务活动等。

主要实现功能：

1. 与现有业务系统实现单点登录。

2. 提供统一的用户任务列表、待办事宜管理、审批情况查询等功能，并提供各种消息通知，包括新闻、公告、论坛评论、文档、知识等信息，同时支持手机短信和邮件通知功能。

3. 根据用户权限和个性化需求，显示各种可定制的业务需求。

提供各种管理统计信息，例如用户访问量统计，流程统计，点击排行

等。

地理信息系统

地理信息系统是针对矿山井下各个管道、各种设施/设备、各个巷道的位置和状态都有明显显示。

系统主要功能：

井下通道分布情况，各巷道分布情况，以及各个地点现有人员情况的显

示；

井下管道部署情况以及状态显示；

井下设备部署情况以及状态显示

井下机车位置显示以及状态显示；

展现方式整体以二维模式为主，在重点区域用三维展示方式；

在发生意外情况下，与其他子系统联动起来，综合显示井下实时情况，

并及时通知相关人员，降低意外危害。

安全监测监控系统

安全监测监控系统主要是监测矿井以及巷道内的空气质量（如：瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等）和风速等参数，根据这些空气质量参数来控制矿井内的换气系统运行。

系统主要功能：

井下空气质量（如：瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等）实时监测并回传主

系统；

井下空气质量超标及时告警，通知相关人员以及相关部门；

井下空气质量超标自动打开管道，根据超标情况调节换气大小； 井下空气质量超标时自动切断相关范围内的电源；

时时在线显示超标点位的井下位置并闪烁、声光报警提醒。

矿压监测系统

针对矿井内的顶板压力、岩层应力，支护阻力以及各种敏感区域的压力监测系统，一旦发现压力超标及时报警并与地理信息系统联动，通知相关部门及人员，根据压力情况即时采取对应措施，确保人员和设备的安全。

系统主要功能：

矿井内压力监测发现压力超标进行实时记录并报警；

对矿井区域压力经常超标的区域，提示增加安全设施并经常维护支架； 对矿井压力超标报警后，与其它子系统联动，实时报告矿井各个区域的

压力情况；

时时显示压力分布图，压力超标点位特别显示

人员定位系统

以现代无线电编码通讯技术为基础，应用现代无线电通讯技术中的信令技术及无线发射接收技术，结合目前流行的数据通讯、数据处理及图形展示软件等技术。系统能够及时、准确地将井下各个区域人员和移动设备

情况动态反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员和移动设备的总数及分布状况；系统能够跟踪干部跟班下井情况、每个井下作业人员入井、出井时间及运动轨迹，以便于企业进行更加合理的调度和管理。

系统主要功能包括：

构建网络信息发布平台及支撑平台；

作业人员的自动考勤及超时报警；

作业人员入井身份唯一性核实；

作业人员动态分布及定位监控；

实现地面调度中心既可以呼叫井下某人或全部人员升井或撤离，又可响

应人员求救的双向信号呼叫功能；通过定点检查功能，准确了解各岗位人员下井巡检路线及到位情况；

作业人员靠近危险区域报警及事后跟踪管理；

车辆的实时定位和调度管理；

系统扩展功能：增加信号灯；

建立车辆智能交通控制系统；

在采集控制器中增加无线语音模块；

实现井上井下语音双向通讯；

车辆安装特定识别卡，形成车辆定位，并且可以防止车辆与人员碰撞； 智能应急逃生引导系统。

矿井综合信息引导系统

针对矿井灾害救援时通信不畅的问题，提出了一种新型的煤矿避灾引导指挥系统方案,包含系统硬件组成和软件设计。该系统采用井下本安LED信号牌、语音通信信号装置以及具备汉字短信功能的精确定位无线编码收发器，在紧急状况下，通过红绿灯联动指引、文字显示提示、实时语音播报以及精确定位短信报警功能，实现了对井下人员安全、快速、有效撤离的引导。有效提高了井上井下救援通信的可靠性，大幅提高矿井救灾指挥的水平。

系统主要功能包括：

紧急情况发生时与地理信息、人员定位系统联动，通知在危险区域的人

员进行疏散；

制定逃生路线，在通道已经封死的情况下，引导井下人员进入相对安全

区域；

把井下人员环境情况回传给指挥中心，及时制定营救方案；

洗煤自动控制系统

该系统实现对洗煤厂的生产过程进行集中监测和控制。实现对各工艺过程生产工艺参数，包括入料量、流量、悬浮液比重、粘度、灰分、仓位、液位、皮带保护、电机电流、电机电压等进行快速自动检测、自动指示和记录。具备多种工艺设备操作方式，即就地起动、远程单机起动和远程起动、就地禁起工艺设备等功能。

系统主要功能包括：

1) 集控系统

系统采用行业高端PLC产品。

系统具备以太网通讯模块，实现PLC与上位机之间的通讯连接（通讯用工业级交换机）。设计提供I/O总量的15%做备用，备用点全部引线到端子。所有开关量的I/O模件具有隔离装置。

系统能在电气噪声，无线电波干扰、强电场、强磁场和振动环境下连续运行。

2) 上位监控系统

集控系统能通过上位监控系统完成系统监控操作，监控系统通过以太网从PLC读取现场设备的状态、信息显示在操作员工作站上，操作员根据显示的信息输入相应的集控指令，再经以太网发往PLC站，PLC站在接到指令后，按照事先编制好的控制逻辑，控制PLC的输出模块，实现系统的集控。

监控系统除完成集控外还能实现：

数据管理：

实时监测和记录集控系统中的各类数据，对检测值、计算数据、统计表进行自动存储、显示和打印，并可进行历史数据查询。

图型监视：

图型监视由设备流程图、分系统图、煤位、水位棒状图、故障表等组成，设备流程图以不同颜色表示设备的运行、停止和故障状态，重要的操作可弹出对话框提示操作人员注意。

上位监控系统设置操作员站、操作台、打印机、UPS等设备组成。系统通过以太网接入集团综合自动化系统实现数据共享。

3) 数据通讯

数据通讯将CPU处理单元、输入/输出模块及人机接口和系统外设联接起来，以保证可靠和高效的系统通讯。

若连接到数据通讯系统上的任一系统或设备发生故障，采用冗余的方式，不会导致通讯系统瘫痪或影响其他联网系统和设备的工作。

挂在数据通讯总线上的所有PLC站，都能接受数据通讯总线上的数据，并可向数据总线发送数据。

4）顺序控制

按照工艺要求按先后顺序启停设备。该系统可分为“集中手动”及“集中自动”两种。“集中手动”方式通过计算机键盘或鼠标，结合显示器实现对单台设备的起停控制。“集中自动”方式即通过选择适合的工艺流程，实

现选定的流程内工艺设备的自动起、停（逆煤流启系统、顺煤流停系统），设备之间启停间隔时间可灵活设定。

5）过程控制

对某一工艺参数通过传感器的测量与给定值相比较，从而对执行机构进行调节以将工艺参数稳定在某一范围内（以重介选煤厂为例，如压力、介质密度、煤泥含量、液位等）。

6) 自动控制

根据工艺要求，根据启停条件，实现无人值守。

轨道运输智能调度系统

为改变煤炭行业运输系统存在的技术含量低，管理薄弱或无法管理的问题，采用“信集闭”方式(即:信号、集中、闭塞连锁）对运输系统进行管理，其主要作用是准确定位矿车、合理调度机车、提高运输效率、确保行车安全、实现运输现代化、智能化。

系统主要特点及功能：

1) 符合《煤矿安全规程》、《井下机车运输信号系统技术装备标准》、《煤

矿井下机车运输信号设计规范》等行业及国家标准。

2) 技术先进、经济实用、简单可靠，便于维护，元件通用性强。

3) 各采区轨道运输大巷及车场采用控制分站的集散式控制方式，两者互相兼容，构成一套完整的矿井机车运输监控系统。

4) 矿井机车的运行状态、矿车位置及道叉的方向均通过时时画面显示在中央控制室或调度室大屏幕上，实现对矿车的定位、机车的定位和远程搬道。

5) 通过对闲置矿车的定位搜索，减少浪费，增强矿车的使用效率。

6) 通过对机车的运行轨迹、运行速度的监测、声光报警提醒，结合人员定位系统确保机车的运行安全，减少机车与井下人员的相关事故。

7) 现场检测、执行设备（包括电动转辙机、收/发讯机、轨道计轴器、信号机、弯道报警器）均按相关矿用标准设计。

8) 矿井机车运输监控系统满足人工、自动、半自动、检修、就地五种操作方式，有故障报警显示、记忆及自动诊断功能。

架空人车监控系统

监控系统通过工业以太网连接，在调度室可以监控到架空乘人装置的运行状态、运行数据、保护开关状态、PLC状态、运行速度、自动关机剩余时间等，并自动记录保护开关动作及运行记录以方便查阅和检修。

信息层在急控调度室组成100M局域网，监控主机通过环网平台与PLC主机连接数据交换，实现集中控制室对架空人车系统相应设备的集中监控。同时可以通过以太网接入全集团网络，提供数据。

设备层各监测设备通过信号电缆与本地I/O模块连接实现各离散信号的监控。该系统通过三层网络结构完成整个系统设备的集中监测。

上位机配置组态软件选购用知名品牌组态软件，实现图形监控、动态

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