數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
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馮占科
（神華和利時信息技術(shù)有限公司，北京市東城區(qū)，100011）
摘 要 介紹了數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的提出背景，分析了該系統(tǒng)的主要功能，闡述了該系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，說明了分析主題和分析模型的具體應(yīng)用。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)ΦV井生產(chǎn)和進度情況進行科學(xué)地分析，很好地為煤礦領(lǐng)導(dǎo)、礦井各業(yè)務(wù)科室以及相關(guān)的管理人員提供決策數(shù)據(jù)支持。
關(guān)鍵詞 數(shù)字礦山 生產(chǎn)執(zhí)行層 綜合分析系統(tǒng)輔助決策中圖分類號 TD-9
1 數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的提出背景
神華集團為促進生產(chǎn)集約化和管理精益化，實現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化和生產(chǎn)運營流程最優(yōu)化，充分支撐管理變革、業(yè)務(wù)能力提升以及引領(lǐng)煤炭行業(yè)發(fā)展，特提出啟動“數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(c MES)”項目的研發(fā)與建設(shè)。c MES是在煤炭行業(yè)歷史轉(zhuǎn)折的背景下、在國家政策的推動和神華集團戰(zhàn)略需求下應(yīng)運而生。c MES是國家863計劃項目“數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用研究”課題中的一個子課題，同時也是神華集團推動信息化和煤炭工業(yè)化深度融合，促進工業(yè)化和信息化同步發(fā)展的一項重要建設(shè)工程，c MES處在數(shù)字礦山設(shè)備層、控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、經(jīng)營管理層、決策支持層中的第三層，cMES涵蓋煤礦的采、掘、機、運、通、安全等專業(yè)，具體分為生產(chǎn)管理、調(diào)度管理、機電管理、一通三防、環(huán)保管理、煤質(zhì)管理、安全管理和綜合分析八大業(yè)務(wù)系統(tǒng)，本文著重介紹c MES中綜合分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)過程。
2數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的主要功能
數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)能夠?qū)⒐芾碚叩臎Q策依據(jù)、管理思想和煤炭指標(biāo)進行系統(tǒng)固化，緊緊圍繞決策的有效性，將煤礦管理和決策分析提升到一個新的高度，具體功能如下：
(1)為煤礦領(lǐng)導(dǎo)、各業(yè)務(wù)科室及相關(guān)的管理人員決策提供數(shù)據(jù)支持；
(2)為子（分）公司領(lǐng)導(dǎo)、各業(yè)務(wù)管理部門及相關(guān)管理人員決策提供數(shù)據(jù)支持；
(3)為集團領(lǐng)導(dǎo)、相關(guān)部門實時掌握生產(chǎn)動態(tài)和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)提供數(shù)據(jù)支持；
(4)通過詳盡的生產(chǎn)指標(biāo)，反映礦山的運行狀態(tài)，并可以對異常關(guān)鍵指標(biāo)預(yù)警和挖掘分析；
(5)通過儀表盤、進度柱、預(yù)警雷達、比例圖等各種常見的圖表形象地表示礦山運行的關(guān)鍵指標(biāo)( KPI)，直觀地監(jiān)測礦山的運營情況，從而指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。
3數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計
數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)將200多項指標(biāo)按相同業(yè)務(wù)分成多個主題，按業(yè)務(wù)主題建立預(yù)警模型庫，并對指標(biāo)設(shè)置預(yù)警等級。系統(tǒng)自動定期根據(jù)指標(biāo)設(shè)置及實際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測指標(biāo)是否正常，若指標(biāo)異常則發(fā)出預(yù)警信息。分析主題和預(yù)警信息將輔助領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)業(yè)務(wù)人員對生產(chǎn)進行指導(dǎo)，生產(chǎn)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)又會回到系統(tǒng)，系統(tǒng)再次對指標(biāo)進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)閉環(huán)管理。數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。
3.1 分析主題
數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)共設(shè)計生產(chǎn)分析、采掘分析、防治水分析、回采率分析、跳閘分析、采掘平衡、離層儀分析、礦壓分析、煤質(zhì)分析、督辦分析、通風(fēng)分析、局扇分析、儀器儀表、防瓦斯分析、煤與瓦斯突出分析、防火分析、防塵分析、鉆孔溫度分析、生產(chǎn)指標(biāo)以及礦井創(chuàng)紀錄等20多個業(yè)務(wù)主題，各個業(yè)務(wù)主題中有獨立預(yù)警指標(biāo)體系及每個指標(biāo)的預(yù)警周期，達到預(yù)警級別時自動發(fā)出預(yù)警信息。若判斷預(yù)警等級為正常，則不顯示預(yù)警信息，否則將該分析主題及相應(yīng)的指標(biāo)的預(yù)警信息自動插入預(yù)警信息庫中。
3.2指標(biāo)體系
數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)要想達到“實用、實際、實效”的決策支持目的，必須要建立一套“實用、實際、實效”的煤炭企業(yè)決策指標(biāo)體系，因此系統(tǒng)指標(biāo)體系在建立的過程中要嚴格按照全面性、科學(xué)性、簡明性、動態(tài)性和可操作性5個原則進行設(shè)計。
(1)全面性原則。為了反映煤礦企業(yè)決策指標(biāo)體系的全面性，全面篩選生產(chǎn)指標(biāo)、管理指標(biāo)以及效益指標(biāo)等指標(biāo)。
(2)科學(xué)性原則。要科學(xué)地選擇決策指標(biāo)，而且指標(biāo)定義需要明確且目的清晰，指標(biāo)來源符合國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)章制度，指標(biāo)模型要有科學(xué)的計算方法。
(3)簡明性原則。煤炭企業(yè)指標(biāo)眾多，從眾多指標(biāo)中選擇簡明的指標(biāo)，不能選擇指標(biāo)與指標(biāo)重疊、相關(guān)性太強以及相互矛盾的現(xiàn)象，這樣會給分析決策帶來錯誤。
(4)可操作性原則。在煤礦實際業(yè)務(wù)中，要選擇那些可以容易獲取和人為定量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標(biāo)，否則指標(biāo)不具備操作性。
(5)動態(tài)性原則。煤炭開采過程由于煤層賦存條件、地質(zhì)條件以及瓦斯條件的變化，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)實際情況動態(tài)變化。
3.3數(shù)據(jù)獲取
數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)是真實、及時和有效的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取的實現(xiàn)原理比較簡單，但實現(xiàn)的具體操作非常復(fù)雜，實施的工作量也非常大。ETL技術(shù)是指將煤炭企業(yè)不同的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)抽取出來，將來自多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進行清洗、轉(zhuǎn)換和整合，得出標(biāo)準(zhǔn)一致的數(shù)據(jù)，最后加載到數(shù)據(jù)倉庫中的一種技術(shù)。綜合分析系統(tǒng)為了更好地獲取數(shù)據(jù)，特在設(shè)計、開發(fā)與實施維護過程中開發(fā)了適合數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)的ETL工具(c ETL)。數(shù)據(jù)獲取時數(shù)據(jù)質(zhì)量非常重要，常出現(xiàn)不完整、不正確、不一致、不完備、不可獲取和不及時的問題。數(shù)據(jù)獲取是綜合分析系統(tǒng)建設(shè)過程中至關(guān)重要的一關(guān)．?dāng)?shù)據(jù)獲取在綜合分析系統(tǒng)和各個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間搭建通道，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確地加載至綜合分析系統(tǒng)；通過c ETL將垃圾數(shù)據(jù)進行清洗，變成綜合分析系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。綜合分析系統(tǒng)通過c ETL從執(zhí)行層其他系統(tǒng)如生產(chǎn)管理、調(diào)度管理、機電管理、一通三防、環(huán)保管理、煤質(zhì)管理、安全管理等系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)一的。但從外部系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)時沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，有時只能依靠人工比對建立對應(yīng)關(guān)系后進行分析，所以煤炭企業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)也是決策分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
4分析主題具體功能設(shè)計
(1)生產(chǎn)分析。該模塊反映煤礦生產(chǎn)情況是否正常，主要對原煤、商品煤、裝車和進尺等關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)進行自動統(tǒng)計和可視化分析，包括實際量、計劃量、日超欠率、月超欠率、年超欠率、月剩余日均、年剩余日均、各礦實際值、各隊實際值、各礦計劃值、各隊計劃值等分析和報表。
(2)防治水分析。煤礦涌水量變化是發(fā)生水害事故的前期征兆，該模塊的主要功能就是監(jiān)測礦井某區(qū)域以及礦井總水量的變化，預(yù)防發(fā)生水害事故。包括全礦井和各水泵房排水分析的水量變化預(yù)警、日趨勢、月趨勢、噸煤出水量、同比、環(huán)比、本月、本季、本年、地面水文鉆孔分析。
(3)回采率分析�；夭陕史治鍪菫榱撕侠黹_發(fā)和保護煤炭資源，提高煤炭資源回采�；夭陕史治霭ǖV井回采率、采區(qū)回采率、工作面回采率的當(dāng)月和累計值。系統(tǒng)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)研究了回采率分析模型，根據(jù)盤區(qū)和回采面煤層厚度確定屬于哪種煤層，根據(jù)不同煤層回采率采用不同的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，不符合要求的回采率以紅色顯示。
(4)煤質(zhì)分析。該模塊對水分、發(fā)熱量、硫份和灰份等煤質(zhì)指標(biāo)進行統(tǒng)計分析，包括計劃值、實際值、加權(quán)平均值、預(yù)警信息、均方差以及趨勢等分析。
(5)礦壓分析。該模塊對工作面支架的循環(huán)末阻力、工作面周期來壓、來壓步距、正常壓力期間工作面推進長度、來壓強度、壓力平均值、壓力最大值、壓力趨勢圖進行分析。礦壓分析模型按天或8h抽取液壓支架實時數(shù)據(jù)和進尺數(shù)據(jù)，通過取前20個最大值求平均值，將壓力值分成不同的區(qū)段進行不同顏色標(biāo)示，通過顏色能反映來壓步距及壓力變化規(guī)律。
(6)采空區(qū)防火分析。該模塊通過分析采空區(qū)密閉內(nèi)的氣樣數(shù)據(jù)，按煤層自燃發(fā)火理論進行特征氣體分析O2、CO、CH4、C2 H2、C2 H4、C2 H6、CO2和H2的限定，對采空區(qū)所處的發(fā)火階段進行煤炭自燃異常點預(yù)警和趨勢分析。
(7)采掘平衡分析。采掘平衡是采掘行業(yè)保持生產(chǎn)均衡穩(wěn)定的一項基本方針，其原則是采掘并舉和掘進先行。該模塊對礦井儲量、三量可采期、萬噸掘進率以及采掘比等指標(biāo)進行統(tǒng)計分析，確保煤礦采掘平衡和均衡生產(chǎn)。
(8)實時裝車分析。煤炭企業(yè)裝車外運情況直接反映商品煤銷售情況，該模塊對裝車和列車信息進行分析，包括計劃列數(shù)、裝車列數(shù)、到站列數(shù)、作業(yè)列數(shù)、完成列數(shù)、超時列數(shù)、車次信息、開始裝車時間、結(jié)束裝車時間、裝車耗時、噸位等分析。
(9)跳閘分析。集成控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)對變電所和高壓柜的跳閘時間和跳閘原因進行分析，包括時間、空間、原因及趨勢等分析。該模塊對礦井下所有的變電所和高壓柜的調(diào)查記錄分析，自動采集跳閘記錄并對記錄進行從時間序列、空間序列以及原因序列上進行了分析。該模塊設(shè)計了按月時間序列進行分析反應(yīng)跳閘與季節(jié)的關(guān)系，并將本年與去年的數(shù)據(jù)進行對比，對本年有一定的指導(dǎo)意義；該模塊對變電所和高壓柜進行數(shù)量的對比分析，找出主要發(fā)生地點，確定空間上的防控重點；該模塊對各種跳閘原因按比例進行分析，找出主要原因，確定
原因上的防控重點。
(10)局部通風(fēng)機分析。該模塊對百米漏風(fēng)率、風(fēng)筒長度、風(fēng)機切換和無計劃停風(fēng)等進行分析，通過設(shè)備啟停數(shù)據(jù)和測風(fēng)數(shù)據(jù)建立模型算法，實現(xiàn)對局部通風(fēng)機的分析。
(11)抽采達標(biāo)分析。按抽采難易程度劃分容易抽放、可以抽放以及較難抽放的噸煤鉆孔量，抽采工程主要針對工程地點的管路安裝計劃與實際進行對比，分析礦井瓦斯抽采率、回采瓦斯抽采率、瓦斯抽采量和利用量分析瓦斯的利用情況。
(12)通風(fēng)分析。該模塊對礦井通風(fēng)信息、測風(fēng)站風(fēng)量異常預(yù)警、測風(fēng)站風(fēng)速異常預(yù)警、回風(fēng)井、切換次數(shù)、風(fēng)壓預(yù)警、外部漏風(fēng)率、有效風(fēng)量率、等積孔、當(dāng)月通風(fēng)設(shè)施完成情況、通風(fēng)最大流程等進行分析，并實現(xiàn)各礦橫向?qū)Ρ确治觥Ｔ撃K對礦井有效風(fēng)量率、回風(fēng)井外部漏風(fēng)率、等積孔和負壓進行預(yù)警分析，對通風(fēng)設(shè)施完成情況進行統(tǒng)計分析，對礦井通風(fēng)最大流程進行顯示。
5結(jié)語
2015年1月1日，數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行層綜合分析系統(tǒng)在神華集團神東煤炭集團有限責(zé)任公司正式上線，通過實際使用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)γ旱V生產(chǎn)和進度情況進行科學(xué)分析，為煤礦領(lǐng)導(dǎo)、各個業(yè)務(wù)科室以及相關(guān)的管理人員提供數(shù)據(jù)支持，具體應(yīng)用效果如下：
(1)建立了指標(biāo)體系，將管理人員和專家的管理思想固化到指標(biāo)體系，滿足煤礦的管理要求，為公司領(lǐng)導(dǎo)、各業(yè)務(wù)管理部門及相關(guān)管理人員提供決策數(shù)據(jù)支持。
(2)用戶使用覆蓋范圍廣，包括公司、各礦和各選煤廠，實現(xiàn)了公司管理的橫向協(xié)同和縱向貫通。
(3)人工錄入工作量減輕，原生產(chǎn)相關(guān)報表有8000多項數(shù)據(jù)需手工錄入，現(xiàn)14010項報表數(shù)據(jù)全部為自動統(tǒng)計。
(4)工作效率大幅度提升，原早調(diào)會所需的生產(chǎn)報表需要2個人約4h共同完成填報工作，現(xiàn)在只需1個人約30 min即可完成。
(5)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度提高，目前全部報表為系統(tǒng)自動統(tǒng)計和分析，無需人工錄入，避免了人為錯誤，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。
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