数字矿山生产执行层综合分析系统的研究与实现

 冯占科

 （神华和利时信息技术有限公司，北京市东城区，100011）

摘  要  介绍了数字矿山生产执行层综合分析系统的提出背景，分析了该系统的主要功能，阐述了该系统的架构设计，说明了分析主题和分析模型的具体应用。实际应用表明，该系统能够对矿井生产和进度情况进行科学地分析，很好地为煤矿领导、矿井各业务科室以及相关的管理人员提供决策数据支持。

关键词  数字矿山  生产执行层  综合分析系统辅助决策中图分类号  TD-9  

1  数字矿山生产执行层综合分析系统的提出背景

 神华集团为促进生产集约化和管理精益化，实现生产效率最大化和生产运营流程最优化，充分支撑管理变革、业务能力提升以及引领煤炭行业发展，特提出启动“数字矿山生产执行系统(c MES)”项目的研发与建设。c MES是在煤炭行业历史转折的背景下、在国家政策的推动和神华集团战略需求下应运而生。c MES是国家863计划项目“数字矿山关键技术研究及应用研究”课题中的一个子课题，同时也是神华集团推动信息化和煤炭工业化深度融合，促进工业化和信息化同步发展的一项重要建设工程，c MES处在数字矿山设备层、控制层、生产执行层、经营管理层、决策支持层中的第三层，cMES涵盖煤矿的采、掘、机、运、通、安全等专业，具体分为生产管理、调度管理、机电管理、一通三防、环保管理、煤质管理、安全管理和综合分析八大业务系统，本文着重介绍c MES中综合分析系统的研究与实现过程。

2数字矿山生产执行层综合分析系统的主要功能

 数字矿山生产执行层综合分析系统能够将管理者的决策依据、管理思想和煤炭指标进行系统固化，紧紧围绕决策的有效性，将煤矿管理和决策分析提升到一个新的高度，具体功能如下：

 (1)为煤矿领导、各业务科室及相关的管理人员决策提供数据支持；

 (2)为子（分）公司领导、各业务管理部门及相关管理人员决策提供数据支持；

 (3)为集团领导、相关部门实时掌握生产动态和统筹协调提供数据支持；

 (4)通过详尽的生产指标，反映矿山的运行状态，并可以对异常关键指标预警和挖掘分析；

 (5)通过仪表盘、进度柱、预警雷达、比例图等各种常见的图表形象地表示矿山运行的关键指标( KPI)，直观地监测矿山的运营情况，从而指导矿山生产。

3数字矿山生产执行层综合分析系统的架构设计

 数字矿山生产执行层综合分析系统将200多项指标按相同业务分成多个主题，按业务主题建立预警模型库，并对指标设置预警等级。系统自动定期根据指标设置及实际业务数据监测指标是否正常，若指标异常则发出预警信息。分析主题和预警信息将辅助领导及相关业务人员对生产进行指导，生产的基础业务数据又会回到系统，系统再次对指标进行监测，从而实现闭环管理。数字矿山生产执行层综合分析系统架构图如图1所示。

3.1  分析主题

 数字矿山生产执行层综合分析系统共设计生产分析、采掘分析、防治水分析、回采率分析、跳闸分析、采掘平衡、离层仪分析、矿压分析、煤质分析、督办分析、通风分析、局扇分析、仪器仪表、防瓦斯分析、煤与瓦斯突出分析、防火分析、防尘分析、钻孔温度分析、生产指标以及矿井创纪录等20多个业务主题，各个业务主题中有独立预警指标体系及每个指标的预警周期，达到预警级别时自动发出预警信息。若判断预警等级为正常，则不显示预警信息，否则将该分析主题及相应的指标的预警信息自动插入预警信息库中。

3.2指标体系

 数字矿山生产执行层综合分析系统要想达到“实用、实际、实效”的决策支持目的，必须要建立一套“实用、实际、实效”的煤炭企业决策指标体系，因此系统指标体系在建立的过程中要严格按照全面性、科学性、简明性、动态性和可操作性5个原则进行设计。

 (1)全面性原则。为了反映煤矿企业决策指标体系的全面性，全面筛选生产指标、管理指标以及效益指标等指标。

 (2)科学性原则。要科学地选择决策指标，而且指标定义需要明确且目的清晰，指标来源符合国家标准、行业标准、企业标准以及规章制度，指标模型要有科学的计算方法。

 (3)简明性原则。煤炭企业指标众多，从众多指标中选择简明的指标，不能选择指标与指标重叠、相关性太强以及相互矛盾的现象，这样会给分析决策带来错误。

 (4)可操作性原则。在煤矿实际业务中，要选择那些可以容易获取和人为定量的基础数据指标，否则指标不具备操作性。

 (5)动态性原则。煤炭开采过程由于煤层赋存条件、地质条件以及瓦斯条件的变化，指标标准要根据实际情况动态变化。

3.3数据获取

 数字矿山生产执行层综合分析系统的基础是真实、及时和有效的数据，数据获取的实现原理比较简单，但实现的具体操作非常复杂，实施的工作量也非常大。ETL技术是指将煤炭企业不同的各业务系统中的数据抽取出来，将来自多个数据源的数据进行清洗、转换和整合，得出标准一致的数据，最后加载到数据仓库中的一种技术。综合分析系统为了更好地获取数据，特在设计、开发与实施维护过程中开发了适合数字矿山生产执行层综合分析系统的ETL工具(c ETL)。数据获取时数据质量非常重要，常出现不完整、不正确、不一致、不完备、不可获取和不及时的问题。数据获取是综合分析系统建设过程中至关重要的一关．数据获取在综合分析系统和各个业务数据之间搭建通道，确保业务数据及时、准确地加载至综合分析系统；通过c ETL将垃圾数据进行清洗，变成综合分析系统统一的数据结构。综合分析系统通过c ETL从执行层其他系统如生产管理、调度管理、机电管理、一通三防、环保管理、煤质管理、安全管理等系统获取数据，数据模型和数据标准是统一的。但从外部系统获取数据时没有统一的数据标准，有时只能依靠人工比对建立对应关系后进行分析，所以煤炭企业数据标准也是决策分析的数据基础。

4分析主题具体功能设计

 (1)生产分析。该模块反映煤矿生产情况是否正常，主要对原煤、商品煤、装车和进尺等关键生产指标进行自动统计和可视化分析，包括实际量、计划量、日超欠率、月超欠率、年超欠率、月剩余日均、年剩余日均、各矿实际值、各队实际值、各矿计划值、各队计划值等分析和报表。

 (2)防治水分析。煤矿涌水量变化是发生水害事故的前期征兆，该模块的主要功能就是监测矿井某区域以及矿井总水量的变化，预防发生水害事故。包括全矿井和各水泵房排水分析的水量变化预警、日趋势、月趋势、吨煤出水量、同比、环比、本月、本季、本年、地面水文钻孔分析。

 (3)回采率分析。回采率分析是为了合理开发和保护煤炭资源，提高煤炭资源回采。回采率分析包括矿井回采率、采区回采率、工作面回采率的当月和累计值。系统根据国家标准研究了回采率分析模型，根据盘区和回采面煤层厚度确定属于哪种煤层，根据不同煤层回采率采用不同的规定标准，不符合要求的回采率以红色显示。

 (4)煤质分析。该模块对水分、发热量、硫份和灰份等煤质指标进行统计分析，包括计划值、实际值、加权平均值、预警信息、均方差以及趋势等分析。

 (5)矿压分析。该模块对工作面支架的循环末阻力、工作面周期来压、来压步距、正常压力期间工作面推进长度、来压强度、压力平均值、压力最大值、压力趋势图进行分析。矿压分析模型按天或8h抽取液压支架实时数据和进尺数据，通过取前20个最大值求平均值，将压力值分成不同的区段进行不同颜色标示，通过颜色能反映来压步距及压力变化规律。

 (6)采空区防火分析。该模块通过分析采空区密闭内的气样数据，按煤层自燃发火理论进行特征气体分析O2、CO、CH4、C2 H2、C2 H4、C2 H6、CO2和H2的限定，对采空区所处的发火阶段进行煤炭自燃异常点预警和趋势分析。

 (7)采掘平衡分析。采掘平衡是采掘行业保持生产均衡稳定的一项基本方针，其原则是采掘并举和掘进先行。该模块对矿井储量、三量可采期、万吨掘进率以及采掘比等指标进行统计分析，确保煤矿采掘平衡和均衡生产。

 (8)实时装车分析。煤炭企业装车外运情况直接反映商品煤销售情况，该模块对装车和列车信息进行分析，包括计划列数、装车列数、到站列数、作业列数、完成列数、超时列数、车次信息、开始装车时间、结束装车时间、装车耗时、吨位等分析。

 (9)跳闸分析。集成控制系统数据对变电所和高压柜的跳闸时间和跳闸原因进行分析，包括时间、空间、原因及趋势等分析。该模块对矿井下所有的变电所和高压柜的调查记录分析，自动采集跳闸记录并对记录进行从时间序列、空间序列以及原因序列上进行了分析。该模块设计了按月时间序列进行分析反应跳闸与季节的关系，并将本年与去年的数据进行对比，对本年有一定的指导意义；该模块对变电所和高压柜进行数量的对比分析，找出主要发生地点，确定空间上的防控重点；该模块对各种跳闸原因按比例进行分析，找出主要原因，确定

原因上的防控重点。

 (10)局部通风机分析。该模块对百米漏风率、风筒长度、风机切换和无计划停风等进行分析，通过设备启停数据和测风数据建立模型算法，实现对局部通风机的分析。

 (11)抽采达标分析。按抽采难易程度划分容易抽放、可以抽放以及较难抽放的吨煤钻孔量，抽采工程主要针对工程地点的管路安装计划与实际进行对比，分析矿井瓦斯抽采率、回采瓦斯抽采率、瓦斯抽采量和利用量分析瓦斯的利用情况。

 (12)通风分析。该模块对矿井通风信息、测风站风量异常预警、测风站风速异常预警、回风井、切换次数、风压预警、外部漏风率、有效风量率、等积孔、当月通风设施完成情况、通风最大流程等进行分析，并实现各矿横向对比分析。该模块对矿井有效风量率、回风井外部漏风率、等积孔和负压进行预警分析，对通风设施完成情况进行统计分析，对矿井通风最大流程进行显示。

5结语

 2015年1月1日，数字矿山生产执行层综合分析系统在神华集团神东煤炭集团有限责任公司正式上线，通过实际使用表明，该系统能够对煤矿生产和进度情况进行科学分析，为煤矿领导、各个业务科室以及相关的管理人员提供数据支持，具体应用效果如下：

 (1)建立了指标体系，将管理人员和专家的管理思想固化到指标体系，满足煤矿的管理要求，为公司领导、各业务管理部门及相关管理人员提供决策数据支持。

 (2)用户使用覆盖范围广，包括公司、各矿和各选煤厂，实现了公司管理的横向协同和纵向贯通。

 (3)人工录入工作量减轻，原生产相关报表有8000多项数据需手工录入，现14010项报表数据全部为自动统计。

 (4)工作效率大幅度提升，原早调会所需的生产报表需要2个人约4h共同完成填报工作，现在只需1个人约30 min即可完成。

 (5)数据准确度提高，目前全部报表为系统自动统计和分析，无需人工录入，避免了人为错误，提高了数据的准确度。