某铁矿自动化生产信息平台的设计与应用

许丹

（河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿）

河北省石人沟铁矿第3 期开采工程建成并投入生产运营，同时设计安装了安全监控系统、视频监控系统、井下人员定位系统、网络通信系统，各系统从软件到硬件均互相独立运行，由于都需要通讯和数据传输，因此存在大量的重复建设，而各系统所建网络所采用的技术、产品选型和规格等都各不相同，所选设备和具体的建设施工上与井下环境不相符，导致了数据通信链路的性能低，制约了更多应用的扩展和集成。另一方面由于各系统未进行必要的整合，未实现数据共享和互联互通，限制了各个系统功能的发挥，从而不能为生产提供高价值的数据分析结果和工作指导，使得现有各个系统完全相互独立，不能实现功能互补，从而不能发挥出最大的效能［1-5］。

存在上述问题的原因是欠缺综合集成化的统一平台，对监测监控、井下人员定位、视频监控以及联络通信4 个子系统进行协同管理调度。依据工信部《原材料工业两化深度融合推进计划（2015-2018年）》的指导要求，矿井采用物联网、云计算（IaaS）及大数据分析等技术，将石人沟铁矿各个独立系统进行融合，建立混合型智能生产物联网，应用数据协调、数值模拟和二维码识别等技术，搭建具备人员、设备、工艺、物料、能源等要素的自动识别、信息共享、自发协作、集约调度的网络系统，来实现井下采矿作业过程动态可调可控，增强企业的安全生产管理能力［6-15］。

1.1 讯联络系统

在地表总控制室增加1 套统一通信网关和1 套保安配线设备，用于承载全矿通信与上游运营商的对接和地表办公区域的有线电话。在第3 期副井井口机房、斜坡道配电室、动力作业区和南山联通局端机房设置4 套IAD 设备及相关配套设备（包括配线柜和UPS），其中副井口和斜坡道口2 套IAD 用于井下通信双回路和采矿、提升、充填等区域通信；
动力作业区IAD 负责本作业区、选矿、碎矿、地勘、销售等单位的通信；
南山局端IAD负责南山区域的通信。无线通信可使用人员定位终端，通过已经覆盖的WiFi 链路与机房统一通信网关互联，从而实现无线通信与有线通信的无缝衔接。机房设置的统一通信网关与运营商的T1 中继线路对接，从而实现自动总机和内部电话与公网电话的互通。

1.2 人员定位系统

1.2.1 定位系统机房扩容

通过增加网络管理服务器，便于对扩容后的现场设备设施（AP、交换机、统一通信网关）进行管理；
增加虚拟化管理服务器，用于增加计算资源，为扩容后的人员定位系统和监测监控系统提供计算能力；
增加存储服务器，对机房现有和新增的计算资源存储容量实现统一管理。

将GIS 地理信息系统技术和iBeacon 蓝牙通信技术相结合，使用iBeacon 蓝牙信标代替原有RFID射频进行定位，应用于井下人员定位系统，实现井下人员实时准确定位（图1）。当定位标签脱网后，利用手持搜索仪的定位模块和APP 软件完成定位，再通过WIFI 无线信号，接入工业以太网向地面系统传输数据。

1.2.2 基于RSSI的人员定位算法设计

定位系统采用RSSI 测距方法，利用定位基站天线接收到信号强弱来计算测定信号点与接收点的距离。通过将“测距离”变更为“定比例”，在井下复杂环境中，定位需求得到较好应用。

软件设计流程如图2 所示，通过定位标签向iBeacon 基站定时发送代表工作人员身份的UUID 码和地址信息，iBeacon 基站接收到定位标签的无线信号后，开始计算来自同一定位标签的RSSI 均值，通过RSSI 算法将无线信号换算成距离值，从而来确定定位标签粗略位置；
与较近距离的多个基站采集的节点信息进行组合分析，通过一次三边定位算法算出定位标签的位置，将定位标签的位置信息进行集合，计算出平均值，采用差分修正法进行修正，确定定位标签所处的准确位置。

iBeacon 基站采用“之”字形摆放方式布置，以确保在任意位置周围至少可以检测到3 个iBeacon 基站的信号，保证定位标签无线信号的接收和定位算法的精度。

1.2.3 系统设计

系统采用B/S 架构的主通信方式，由最基层的定位标签、iBeacon基站、千兆以太环网、上位机服务器、远程数据端等组成。专用搜索仪计算井下人员位置信息，蓝牙无线信号将数据发送给iBeacon基站，基站连接进入井下千兆级的工业以太网，将数据实时传送至地面服务器，由融合程序界面显示定位信息，并将数据存储在服务器数据库中。在经过广域网，远端的终端设备上也可随时随地访问本系统，即时查看人员位置信息及相关数据，以达到人员实时定位的目的。

该系统及时准确地将井下作业人员实时动态信息传输到井上调度控制室，调度管理人员直接掌握井下人员及设备的分布情况，作业人员的运动轨迹及作业时长，从而实现合理调度指挥作业。

2.1 监测监控系统

监测监控系统主要设备由系统服务器、监控主机、监控分站、交换机、直流稳压电源、断电控制器以及各类传感器（包括温度、风速、差压、甲烷、二氧化碳、二氧化氮、一氧化碳、硫化氢、氧气、风向风速、机电设备开停、风门位置等）组成。监测系统软件基于win10 环境平台开发，采用My SQL 数据库存储方式，具有Web 联网功能，便于随时调取实时运行数据。原监测监控系统使用独立专门的软硬件解决方案，虽然能提供联网查询功能，但监测系统与电控系统独立运行，不能真实、全面地反映通风系统的运行状况。因此，集控系统与Web 服务器之间需要有一套通信协议或接口，本次系统改造使用IBM 开发的MQTT 即时通讯协议，将集控系统运行数据上传至代理系统服务器，并通过二次开发的Web 服务器将采集到的数据进行数据可视化，数据的各个属性值以多维数据的形式进行显示，实现从不同维度对数据分析研判，从而对井下实时数据进行更深入广阔的分析。

2.2 视频监控系统

在调度室和动力作业区中控室设置视频监控终端，井下水泵房、配电室、通风机站、避灾硐室、运输皮带、主要巷道岔口和工作面设置视频监控摄像仪。将井下主要场所的摄像仪的通信信号通过光纤接入千兆以太环网中，电源由独立开关电源提供，视频实时显示画面由地面监控室大屏进行分割显示，远程终端计算机也可以通过互联网进行分享，可实现重要设备运行状态和重点现场环境的视频信息的记录和实时查看。电子封条系统可实现对重要位置的实时情况进行异常报警及突发状况的预报，可以及时对异常状况制定应对措施。

数据库系统将各系统进行汇聚，基础数据和业务数据共享后通过各基础系统的变成接口或数据组合实现系统集成，项目功能实现方法如下：

（1）实时定位（导航）。智能终端已实现定位功能，与基础GIS 系统组合，即可构建出井下导航的APP。

（2）通信服务。终端设备自身与VoIP 服务器组合即可实现通信功能及设备自身定位功能。

（3）爆破预警。当井下有爆破作业时，通过GIS系统和交互系统的数据交叉组合，可以检索出爆破安全警戒线内的作业人员，并通过VoIP 系统直接联系滞留人员撤离及交互系统控制作业人员的手持终端声光报警。

（4）实时环境监测。在巷道内密集部署物联网监测分站，实时监测巷道内的气压、风速、温度、湿度等数据，并将数据与GIS 系统结合，能够直观地反映井下各巷道实时的环境情况。

（5）重要设备运行数据实时监测。通过安装在移动设备上的终端，可以将重要的生产设备纳入监测系统当中，对生产或运输设备的运行数据（如位置、油压、气压、电流、电压、速度等）进行实时采集和预警。

（6）数据挖掘。通过云计算平台部署的Hadhoop系统，使用大数据技术实现数据的自动挖掘和分析，为生产决策提供有力的支持。

4.1 直接经济效益

井下“四网合一”集成系统建设运行后，年累计减少电能消耗32 万kW·h，按0.78 元/（kW·h）计节约电力成本24.9 万元；
通过监测数据的分析实现设备故障的预判，延长维修及使用周期，升级改造传感器延长监测传感器的寿命，年可降低备品、备件消耗资金5万元，每年综合创效133万元，2018—2020 3年共创效399万元。

4.2 间接经济效益

减损产出量（B1）即矿井下“四网合一”集成系统建设实施后减少因人身伤亡损失，职业病损失，事故财产损失及危害事件的经济消耗损失。该矿近3 a各种损失情况与2017年损失进行对比，见表1。减损产出量计算公式为

式中，Ji代表各种损失的减少量，包括人身伤亡损失、职业病损失、事故财产损失、危害事件等；
Ki代表各种损失的间直比。

由表1 可以看出，自2018 年以后因各类安全事故造成的损失明显下降。通过经验取值K1=1.75，K2=1.34，K3=1.57，K4=1.66，K5=1.76，通过公式计算得出B1=248万元。

通过建立的千兆工业以太网环网平台，基于国际先进的开源技术（大数据、物联网、GIS 等）的系统二次开发，合理地将已投产运行多年的安全监控系统、人员定位系统、联络通信系统以及视频监控系统进行关联，实现统一的矿用综合信息化平台，为未来应用开发提供所需的云服务平台和开发接口，为进一步实现智慧矿山的目标提供更多的技术保障。