CN116415816B - 一种m-cps智能矿山管理平台及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种M‑CPS智能矿山管理平台及系统，属于智能矿山技术领域；解决了现有智能矿山缺乏统一的标准、无法实现矿山安全的整体管理的问题；智能矿山管理平台遵循一套标准规范，即统一平台、统一模型、统一架构、统一数据四个标准，包含了全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、智能控制。融合信息流与控制流，构建了物理世界和信息实现互联互通的M‑CPS模型。平台的接口与实体设备相连接，以大数据技术作为平台支撑，将矿山的业务与功能集成在整个平台上，覆盖矿山生产的各个方面，实现各个工作面子系统的融合；本发明应用于智能矿山。

Description

一种M-CPS智能矿山管理平台及系统

技术领域

本发明提供了一种M-CPS智能矿山管理平台及系统，属于智能矿山技术领域。

背景技术

随着现代工业技术不断进步与发展，矿山的智能化也有待提升，实现矿山的物理空间和信息空间融合，将矿山的生产、经营、管理、控制等实现一体化，实现各个系统工作面的协同优化，现有的基于CPS的智能矿山系统或方法，例如申请号202210983420.0公开的一种CPS智能矿山建模系统及管理方法，虽然采用CPS架构实现了对矿山的全面管理，但是其没有基于统一的标准进行构建，且其没有实现对矿山安全的整体管理以及智能决策。

发明内容

本发明为了解决现有智能矿山缺乏统一的标准、无法实现矿山安全的整体管理的问题，提出了一种M-CPS智能矿山管理平台及系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种M-CPS智能矿山管理平台，所述智能矿山管理平台遵循一套标准规范，即统一平台、统一模型、统一架构、统一数据四个标准，具体包括：

平台安全部分：所述平台安全部分包括业务安全、设备安全、人员安全、信息安全和生产安全；

平台业务部分：所述平台业务部分包括生产控制、安全管理、设备运维、订单管理和监督门户；

平台功能部分：包括时空全息一张图、生产执行管理系统、综合自动化平台、智能调度平台、综合决策分析平台、能源（耗）管理平台、三维矿山、灾害综合防治和地质保障平台九个功能模块；

平台支撑部分：采用多源数据融合、人工智能、数字孪生和大数据分析技术；

平台接口部分：所述平台接口部分包括矿山系列智能生产设备接口、M-CPS控制子系统接口、传感器与监控设备接口、人员设备接口和广播中心与广播设备接口。

所述智能矿山管理平台的层级结构如下：

自底向上依次为设备层、感知层、边缘层、传输层、决策层、应用层、服务门户，其中智能矿山管理平台通过标准化接口与经营管理中心相连接，所述经营管理中心包括经营调度模块、生产调度模块、安全调度模块和监督门户；

智能矿山管理平台通过传输层与安全域部分相连，所述安全域部分包括安全管理模块、业务安全模块、生产安全模块、物理安全模块和信息安全模块。

所述边缘层通过部署在这一层的多个边缘计算节点对感知层的传感器以及监控摄像头设备感知到的实时性高、处理周期短的数据进行分布式边缘计算和处理，使安全隐患或者灾难信息能够在边缘端及时得到处理并准确判断后给出处理结果，同时还能够从云服务端下载与更新计算模型以适应不同工作面场景下的不同需求。

所述边缘层包括：

业务边缘移植：所述业务边缘移植将云计算中心的模型文件、操作系统、操作环境作为镜像文件存放在边缘端；

边缘业务容器：包括独立运行的识别任务、应用程序、业务资源、业务隔离；

边缘计算引擎：包括多个边缘计算节点；

视频边缘AI：包括人员行为识别、机器运行状态识别、环境隐患识别共三个AI模型；

边缘控制器、边缘网关、边缘网络和边缘服务器。

所述决策层是整个平台的“大脑”和指挥中心，通过大数据治理平台、人工智能算法库、综合智能决策库的支持，对感知层获取的信息数据进行实时分析，并能够进行自主学习从而不断演化模型，还具备动态决策、预警决策、协同控制。

所述决策层的煤矿大脑包括数据中心、模型中心和运营中心；

其中，数据中心基于大数据技术，为海量的矿山数据流和整个智能矿山的信息物理系统的数据流动和不同类型的数据融合提供支撑，包括数据发布、数据检索、数据流动；

模型中心基于云平台的PaaS框架，依托云计算、云存储虚拟化技术，包括算法模型、模型训练和模型测试；

运营中心采用人工智能技术对矿山各种工作面中的语音数据、监控画面及感知层提供的传感器数据进行实时监控与分析，实现矿山设备启停状态、人员位置与操作安全、工作面采掘进度、环境数据监测各种系统的数字化和智能化，包括健康诊断、实时预警和智能决策。

所述应用层包括生产管理部分和智能控制部分，其中生产管理部分包括设备管理、人员管理、环境管理、定位管理和煤质管理，所述智能控制部分包括智能综采、智能掘进、智能供电、智能通风、智能运输和智能排水，所述应用层的具体实现的功能模块为平台功能部分的九个功能模块。

所述时空全息一张为在平台上能够实时察看煤矿井上与井下的平面图，通过放大进入井下采掘工程平面图，用于看图和用图，其中进行看图时，自定义选择某张图来操作与察看，同时能够根据不同专业的不同业务需求选择不同的图纸；用图方面，根据不同环节和专业需求，分为地测、生产、机电、应急和监控图，具体包括以下几部分“一张图”：

综合一张图：综合一张图使用不同颜色标注不同区域，能够详细察看这些区域通过感知层传感器接收到的监控数据，将井下所有传感器数据进行了一个集成；

地测一张图：地测一张图主要用于地测用的钻孔、断层、积水区、突水点的实时定位；

生产一张图：生产一张图用于将具体生产作业过程中的综采情况、掘进情况、煤流线路进行实时展示；

机电一张图：机电一张图用于对各类大型机电设备进行管理，包括对机电设备的详细定位、全生命周期的管理以及机电设备的全部详细信息的实时监控及机电设备的能耗监控；

安全一张图：安全一张图用于为安全生产提供保障，通过分层、分级管理风险和隐患；

应急一张图：应急一张图用于在发生紧急情况时进行预警，当紧急状况发生时，操作和管理人员能够实时的在平台上得到预警，能够选择具体的事物发生位置、得知状况类型，平台也会实时给出相应的应急管理流程以及实时查询周边人员、周边测点、周边的实时视频，并能够通过安全生产平台及时发送出警报广播以使得工作以及应急人员及时知晓以便于采取应急措施。

所述能源（耗）管理平台是对能源的生产、分配、转换和消耗的各个环节进行规划、检查以及监督和控制的工作平台，以工作面的业务流程分析为基础，描述能耗的具体信息以及对其分类进行划分，包括油耗、电耗、煤耗、水耗以及除此之外的其他能耗；

能源（耗）管理平台能够实现对能耗的实时监控，当能耗超过标准时进行预警，定期对能耗数据进行报表以及对之后的能耗进行预测。

一种M-CPS智能矿山管理系统，包括M-CPS智能矿山管理平台。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明旨在构建智能矿山M-CPS平台，在矿山各子系统单元级M-CPS架构的基础上构建系统级M-CPS管理平台，实现矿级范围的数据流通，从而使矿山中各子系统之间能够互联互通互操作，解决信息孤岛问题，并给出矿级各子系统协同工作的拓扑结构，进一步提高以矿山为单位的生产资源优化配置的广度、深度和精度，最终实现全矿井安全生产管控。同时，智能矿山系统级M-CPS管理平台以安全生产平台为核心，通过对平台架构搭建和功能设计，实现矿山安全生产信息感知、计算、控制、执行的一体化管控，能够管理运行各智能生产系统与设备，实现矿山生产无人值守、系统联动、数据融合和调度管理。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明提供的一种M-CPS智能矿山管理平台的平台构成示意图。

图2是本发明提供的一种M-CPS智能矿山管理平台的平台层级架构示意图。

图3是本发明提供的一种M-CPS智能矿山管理平台的平台数据流动示意图。

具体实施方式

本发明提出的M-CPS智能矿山管理平台是整个M-CPS管理系统的核心，是煤矿安全生产的“大脑”，数据流、控制流、信息流都要流入“一个平台”后，经过平台的计算、融合、调度并最终再次流出到智能生产设备、广播中心等等。整个平台遵循一套标准规范，即：统一平台、统一模型、统一架构、统一数据四个标准。所有的安全生产问题都在平台上解决，因此平台是M-CPS管理系统建设的关键所在。平台的构成如图1所示，主要有：平台业务、平台功能、平台支撑、平台接口，而平台的安全则贯穿整个平台的运行周期。

1.平台接口，由于平台与整个煤矿生产作业的过程息息相关，所以平台要通过平台的统一标准化接口与井下的各个M-CPS单元级子系统进行连接，如连接智能生产设备、智能传感器、监控设备等，可以确保这些数据以及信息采集装置能够及时并且准确的将生产过程中采集到隐性信息收集到平台中。在经过平台的处理之后，平台将决策与控制信息分发给各个M-CPS生产子系统以及广播中，因此要连接生产控制子系统以及广播与人员设备等。

2.平台支撑，平台要实现各类数据的采集与分析，要对各个不同类型、不同工作面的不同功能的设备采集到的数据进行融合，因此要用到多源信息融合技术；在平台的决策控制中，需要使用大数据分析技术来帮助系统进行决策分析，智能匹配模型；将数据以可视化的形式展现给操作人员以实现人机交互的便捷与直观性，需要采用数字孪生技术；最终整个M-CPS管理系统在不断的优化中，采用人工智能技术，完成自主学习，更新数据库与模型库，螺旋上升。

3.平台功能，平台主要有以下9个功能模块：时空全息一张图、生产执行管理系统、综合自动化平台、智能调度平台、综合决策分析平台、能源（耗）管理平台、三维矿山、灾害综合防治、地质保障平台。

4.平台业务，平台业务主要从生产、安全、设备、经营、监管五个方面建设。生产是整个平台的基础任务，整个煤矿系统以生产为目标进行业务上的推进，从生产的控制、调度等方方面面都要有平台的监控与管理；安全管理是整个煤矿系统的基础，煤矿能否正常如期的进行作业，离不开安全管理，平台的安全管理业务是贯彻整个平台乃至整个系统的重要组成部分，支撑整个煤矿系统的安全生产；设备是煤矿能否顺利出矿以及出矿量的重点部分，因此设备的运维业务必不可少，设备的监控以及及时的故障预警、维修等都是能否达到如期出矿量的必要业务；经营业务上主要是对生产出的煤矿进行订单管理、出口管理等；监管业务主要是集团以及政府机关部门对煤矿生产的监督与排查，设立监督门户以便于上级无需具体对接平台每个模块而便捷的完成对煤矿的监管。

5.平台安全，平台安全主要用来确保平台的正常运作，避免灾害以及重大事故的发生以及在灾害发生后的合理处理从而将损失降到最小。平台安全主要包括生产安全、设备安全、人员安全、信息安全、业务安全。

生产安全：从生产的每个环节、每个生产工作面进行安全管理，确保每个工作面在预先期望下进行协同作业，对生产中可能产生的问题进行及时的预警以便于处理。

设备安全：平台通过对设备的运作情况以及设备的基本参数进行监测，从而能及时判断出设备可能出现的故障以及设备在运行中出现了故障时及时的故障监测以及故障隔离，从而避免故障的扩散以及损失的影响全局。

人员安全：平台通过每个井下工作人员佩戴的智能设备进行实时的监管，并在每次工人作业之前都会进行酒精监测以及身体基础参数的实时监测，人员定位以及人员的实时交流等，以确保平台可以通过广播或者通信对人员的安全进行保障。

信息安全：平台通过技术保护，保障信息采集、传输、交互、分析和使用安全。

业务安全：平台对煤矿的业务进行详细的记录、监管，对发现的问题进行及时的处理，以及各种数据的安全存储、流动、计算。

平台的层级结构如图2所示，主要包括

设备层：设备层主要包含了支撑煤矿智能一体化的基础设备，包括采煤机、液压支架、运输机、摄像头、人员定位设备等等。

感知层：感知层对于煤矿整个系统的安全运行、实时监测、智能决策等业务需求提供了数据来源，从而保障系统能够正常运行，包括各类传感器、视频监控设备、移动设备等，负责源源不断的从环境中获取隐性数据进而转换成统一标准的显性数据以供存储和使用。

边缘层：边缘层通过部署在这一层的多个边缘计算节点对感知层的传感器以及监控摄像头等设备感知到的实时性高、处理周期短的数据进行分布式边缘计算和处理，确保一些安全隐患或者灾难信息能够在边缘端及时得到处理并准确判断后给出处理结果，同时还可以从云服务端下载与更新计算模型以适应不同工作面场景下的不同需求。其中业务边缘移植主要包括了将云计算中心的模型文件、操作系统、操作环境等作为镜像文件存放在边缘端，简化了模型的部署以及运行，提高了模型的可移植性以及便于管理；边缘业务容器则通过将业务的容器化独立运行，保证了业务的独立性和安全性。

传输层：传输层为整个煤矿系统提供了一个可靠的多源异构融合网络，包括工业以太环网、5G通信、无线传感网络等，数据的流动与各个层级信息的传输均依靠传输层的网络。

决策层：决策层是整个平台的“大脑”和指挥中心，通过大数据治理平台、人工智能算法库、综合智能决策库的支持，对感知层获取的信息数据进行实时分析，并可以进行自主学习从而不断演化模型，此外还具备动态决策、预警决策、协同控制等。其中煤矿大脑作为决策层的重要一环，主要有数据中心、模型中心和运营中心。其数据流如图3所示，其中，数据中心基于大数据技术，为海量的矿山数据流，例如温度、湿度、电压、电流、瓦斯和二氧化碳等气体浓度等等，和整个智能矿山的信息物理系统的数据流动和不同类型的数据融合提供支撑；模型中心基于云平台的PaaS框架，依托云计算、云存储等虚拟化技术，可以使得矿山的应用开发和部署更加的便捷化和智能化，更精确的服务煤矿的各个层级与系统；运营中心主要依靠人工智能技术，对矿山各种工作面中的语音数据、监控画面及感知层提供的传感器数据进行实时监控与分析，实现矿山设备启停状态、人员位置与操作安全、工作面采掘进度、环境数据监测等各种系统的数字化和智能化。

应用层：应用层是平台的核心服务层，主要分为管理和控制两部分，在基于感知层获取到的数据经过决策层的算法模型分析过后，将处理的结果呈现出来，并且根据不同科室、不同专业人员的需求提供通用化或者定制化的服务，以便于操作人员获得直观的感受，清晰把握生产运行状态，了解发展趋势等。平台功能模块包括：时空全息一张图、生产管理执行系统、综合自动化平台、智能调度平台、综合决策分析平台、能源（耗）管理平台、三维矿山、灾害综合防治、地质保障平台。

服务门户：为了满足不同部门的工作需求，设置Web、PC、移动APP三种应用门户，分别设置不同的访问权限，逐层细化用户权限，在保证系统功能与信息安全的情况下满足不同设备以及不同身份的访问者使用该平台。

安全域主要包括：

1）安全管理：制定安全标准、安全事故与风险预测的平台管理模块；

2）业务安全：对整个煤矿生产经营的正常运作、安全业务进行监管控制，确保从出矿到洗煤到出口最终完成订单的过程符合安全经营管理标准；

3）生产安全：监测和控制整个煤矿的每个生产工作面的正常和安全运行；

4）物理安全：主要包括人员和设备的安全，即人员生命安全以及设备正常使用以及财产的安全；

5）信息安全：主要包括网络安全、数据安全，在涉及到煤矿一些较为机密敏感的信息上实现安全不外泄。

平台接口：平台通过标准化接口与生产经营中心相连接，实现煤矿的智能一体化建设，从生产执行到生产控制安全集中检测到经营管理全流程一体化，经营管理中心主要包括：业务调度、生产调度、安全调度、监督门户等。

本发明平台功能的详细作用如下：

1.时空全息一张图，平台可以实时察看煤矿井上与井下的平面图，可通过放大进入井下采掘工程平面图，可以通过操作人员的需求进行自定义修改。主要包括了两个方面：看图和用图。首先进行看图时，自定义进行选择某张图来操作与察看，同时可以根据不同专业的不同业务需求可以选择不同的图纸；用图方面，根据不同环节和专业需求；分为地测、生产、机电、应急、监控等类型。具体分为以下几部分“一张图”。

综合一张图：综合一张图使用不同颜色标注不同区域，如灰色表示采矿区、粉色表示积水区、黄色表示在采工作面和掘进工作面等等；可以详细察看这些区域通过感知层传感器接收到的监控数据，如井下实时的人员定位信息、一氧化碳浓度、瓦斯浓度等；可以查看传感器信息以及相关应急保护调度电话，将井下所有传感器数据进行了一个集成。

地测一张图：地测一张图主要是对地测用的一些钻孔、断层、积水区、突水点等可以实时定位。

生产一张图：生产一张图主要涉及到具体生产作业过程中的综采情况、掘进情况、煤流线路等，将其进行实时展现。

机电一张图：机电一张图主要体现各类大型机电设备的管理，如机电设备的详细定位、全生命周期的管理以及机电设备的全部详细信息如基本信息、详细固件的管理，以及对机电设备的实时监控以及能耗监控等。

安全一张图：安全一张图主要为安全生产提供保障，通过分层、分级管理风险和隐患来提高整个煤矿作业的安全可靠性，如对作业面进行颜色标注，颜色越深则代表发生状况的风险越大，同时生成隐患三维图像。

应急一张图：应急一张图主要体现在发生紧急情况时的应对作用，当紧急状况发生时，操作和管理人员可以实时的在安全生产平台上得到预警，可以选择具体的事物发生位置、得知状况类型，平台也会实时给出相应的应急管理流程以及可以实时查询周边人员、周边测点、周边的实时视频，并可以通过安全生产平台及时发送出警报广播以使得工作以及应急人员及时知晓以便于采取应急措施，提高效率。

2.生产执行管理系统

生产执行管理系统主要承担了办公为主的功能。

地测防治水：主要包括地质管理、测量管理、水文管理以及储量管理，详细记录了各个分类的图纸以及可以进行数据录入等。

采掘管理：主要包括基础信息如矿井信息、煤层信息、采煤队与掘进队情况等、生产计划、采掘接替，同时对生产的图纸和生产数据进行实时操作与管理。

生产调度：主要包括调度填报、调度管理以及调度汇总，详细记录了每天的生产情况，调度情况以及形成的各个环节的工作日志等。

洗选情况：主要包括煤质管理、运销管理、洗选汇总，这个平台功能主要是对洗煤环节进行管理并与洗煤厂的数据对接，管理洗煤计划等。

安全管理：主要包括生产标准化、安全风险分级管控、三违管理、责任追究管理、应急救援、事故排查治理以及安全综合治理，这一模块主要针对安全以及事故，从安全事故的预防以及事故的分类、责任、排查等都进行了详细的汇总，当事故发生时可以做到事故数据详细，事故救援清晰以及事故责任明确。

一通三防：主要包括了通风管理、防瓦斯管理、防灭火管理、瓦斯抽放以及基础管理。

机电设备：主要包括了机电设备管理、设备检修、设备润滑、设备巡检、辅助运输、备品备件管理、用电管理、电缆管理、图纸资料以及技术资料。这一模块是对机电设备的运维以及设备的供电进行详细分类以及管理。

综合管理：主要包括采购管理、班组管理、智能化物料管理、教培管理、人员装备管理、工单处理、协同办公。是主要面向日常办公的一个模块。

3.综合自动化平台

综合自动化接入了井下的自动化系统，主要包括污水处理、风井制氮、洗煤车间、风井余热、储装集运输、地面装车站、巡检机器人、电力监控、智能通风几个模块。将原有系统与平台进行数据接入，以可视化的形式展现出来如数据查询、曲线查询。将所有可以与平台接入的系统进行了综合。

4.智能调度平台

主要是连接智能音箱后无须人为操控可以进行许多操作，如可以以语音的方式便捷的询问井下的详细情况如井下人员情况，某个工作面的监控，亦或者某个煤流系统的具体信息，都可以使用语音来交互。该平台集成了自动化系统、监控检测系统等所有煤矿系统以方便调度室来使用。主要包括的模块有安全检测、人员定位、视频监控、人员广播、语音电话、车辆系统、水文监测、双防系统、通风系统、主煤流系统、中央水泵房、智能矿灯。

5.综合决策分析平台

主要是对井下的安全决策、生产决策、设备诊断、预警报警。

安全决策：主要是针对隐患的报警。主要包括隐患情况、隐患趋势、隐患整改、高风险类型、隐患报警、风险情况、百人违章率、专业三维、高风险区域、安全状况统计、安全生产标准化评分。

生产决策：主要侧重于生产的管理。主要包括生产状态、产量状态、掘进状态、万吨掘进率、洗煤状态。对于生产的情况会实时做出相应的决策并提示给平台操作人员建议。

设备预警：主要针对整个煤矿生产系统中的大型设备，记录每个大型设备详细信息的同时会对每个大型设备进行一个详细的诊断并且拥有自己的打分机制，会根据设备的情况以及相应的比重给出一个分值，这样会更加直观的提醒设备管理以及相关检修人员及时维护设备。

预警报警：主要分为系统的预警报警和管理的预警报警。某个系统出现问题如新旧系统更替时，预警报警系统会实时的提交断线预警，同时会提示给平台操作人员处理措施以及相关联系人信息；管理的预警报警则主要针对设备的检修情况，在设备需要检修之前会及时给出预警和详细的诊断情况。

6.能源（耗）管理平台

能源（耗）管理平台是对能源的生产、分配、转换和消耗的各个环节进行规划、检查以及监督和控制的工作平台，主要以工作面的业务流程分析为基础，描述能耗的具体信息以及对其分类进行划分，例如：油耗、电耗、煤耗、水耗以及其他能耗等，其中油耗重点在于原煤运输系统中的柴油功耗，可以通过对运输距离的缩短，改造巷道运煤系统来减少油耗，从而提升柴油类能源的利用率，减少污染气体的排放，改善矿区环境，达到节能减排环保的目标；电耗主要来自于智能矿山系统中的工作设备，其中以采掘、排水、通风等系统的耗电为主，这些工作面的节能潜力也较大，对高耗电量设备进行控制及改造是电耗平台的首要任务；煤的消耗主要与供电系统相关联，对燃煤电厂的燃放量以及供电量进行预测与监控从而对煤耗进行实时的管理，减少煤电成本；最后对水耗的管理主要依据国家对工业污水、废水的排放相关制度或准则，对工作面项目的用水进行合理分析后给出预测，在实际水耗超标时及时预警，并分析可行性的节能方法。总之，能源（耗）管理平台是对能耗的管理包括对能耗的实时监控，对能耗超过标准时会出现预警，定期对能耗数据进行报表以及对之后的能耗进行预测从而达到对各个部门的能耗的优化能耗工作，提升矿山的生产效率，实现节能减排，降本增益，提高效益。

能源（耗）管理平台功能主要有：能源（耗）数据采集，能源（耗）情况监测，能源（耗）信息分析，能源（耗）平台授权。

能源（耗）数据采集：平台通过传感器自动对各类能源的消耗数据进行采集并且实现精确的计量，同时产生的数据可以与上一周期的能源消耗数据进行可视化的对比，如可设置日、周、月、季、年等为一个周期，并且每个周期的能耗的走势图也会以可视化的形式呈现出来。

能源（耗）情况监控：平台通过对采集到的能耗数据进行实时监控，在监测到能耗异常时，会以及给予相关人员反馈以及在M-CPS平台上进行提示，如遇不可控的安全状况时，将通过反馈给M-CPS平台的异常信息从而让M-CPS平台对工作面进行及时的预警。

能源（耗）信息分析：对能源的具体信息进行分析是能源（耗）管理平台的关键，通过对已知数据信息的重点进行标注，同时可以根据工作面的需求自定义选择生成柱状图、饼图、走势图等供工作人员决策以及供检查人员视察的图表，平台也会根据信息进行合理化的分析，提出可以实施与改进的节能方案或者模式。

能源（耗）平台授权：可以根据企业集团的层级，工作人员性质以及管理等级进行授权，不同的授权等级代表的不同的视察内容，同时可以相应授权报表以及报表的打印功能等。

能源（耗）管理平台的优势主要体现在管理一体化和高效与可靠性。管理一体化代表着能源（耗）管理平台通过将不同系统能源（耗）的数据采集、监测、分析、控制、优化以及预测等集成在一个平台上，改变了传统模式中每个工作面单独对某一项能源（耗）进行管理，使得管理更加集中化，同时信息流更具有共享性，强化了中央平台对各个工作面的能源（耗）的监督和管控，在整体的安全生产与指导上有更加重要的作用，同时对企业的节能意识以及企业的能源（耗）精细化管理更加精准直观；高效和可靠性意味着能源（耗）管理平台通过将信息空间与物理空间相融合，达到信息流控制流的融合，提高了整个矿山系统的基础管理工作的效率，解决了以往传统人工模式容易造成的计量准确性差、监控范围有限的问题，同时对企业中人工系统模式的能源（耗）系统工作效率低、能耗严重、能源利用率低、优化性差的问题进行了改进，改善能源（耗）系统的结构和方式，使用信息化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操作提升效率，系统综合能力增强，为企业的生产和经营以及安全方面提供更加综合和科学的决策。

7.三维矿山

基于矿山的数据制作成透明矿山的三维动画系统，可以俯瞰矿井全貌以及实时刷新接入的数据，可以更加直观的了解井下的生产情况以及生产流程，可以以三维动画的形式察看办公楼、调度室、胶轮车库、污水处理厂等等，可以实时察看井下的运输车辆情况，以及人员的酒精检测、虹膜检测，并且在通过检测之后乘坐无轨胶轮车的状态也可以通过三维矿山系统实时查收。实时察看井下供电设备情况、传感器采集到的环境温度；水泵房中可以实时察看开停状态以及水泵信息；智能掘进工作面实时察看掘进进度以及可以5G远程操控。总之通过三维的方式可以对井下的生产方式有一个更直观的了解。

8.灾害综合防治

灾害综合防治主要实现井下的水灾、火灾、瓦斯、粉尘以及顶板的预警报警与分析，可以从该平台察看到井下的工作面、掘进号、瓦斯情况等，通过预先设定好的指标库会给出相应的评分。主要提供人工分析以及自动分析，自动分析的同时加入人工分析的模块可以防止自动分析出现的误差而导致误判，人工分析会根据数据进行人工判断，其中数据包括图纸、柱状图、曲线、相关因素以及分析结果。此外还可以对井下情况进行模拟如水流情况，以便于发生灾害后模拟出水流流速以及水流流向，以及计算出水流到达预定位置的时间。同理可以模拟火灾情况等，模拟的同时会给出井下灾害的预警、分析以起到灾害的防范、治理，及时给出应急流程和应急预案。

9.地质保障

主要用于地测科使用，可以展现出矿井的矿井概览、矿井地层、地质构造、标志层、可采煤层，主要用于分析地理情况，提前判断出矿压、水温等地质情况，同时可以在工作面开采时判断前方情况以便于开采工作的进行，具体包括距离检测、积水区分析、地层开凿、钻孔分析。

M-CPS管理系统中的“一个平台”可以实现多源数据接入，实时数据处理与决策，从数据的采集、存储、共享、决策再到发布，保障多源数据的融合的同时保障数据的安全，提升数据服务，从而打破煤矿各个M-CPS子系统之间的信息孤岛。数据的流入主要有各个M-CPS子系统的监测和控制系统中数据采集装置采集到的数据以及通过数据录入设备，平台操作人员录入的GIS数据、平台管理数据以及其他手工方式录入的数据等；最终这些数据都将存储到平台的数据库中；进而在数据汇总后可以在数据共享平台进行数据同步、数据订阅、数据监测、流量控制功能；在数据决策中心中则主要通过大数据决策分析对流入的数据进行实时分析与决策并与其中的人工智能算法库进行比较，匹配适合的智能决策模型；决策中心也会在不断的迭代中进行优化，不断调整和升级智能模型，实现自主学习；最终决策中心会将产生的数据输出平台，如输出到M-CPS子系统的生产执行系统以及广播系统，进而转化为控制流对整个M-CPS的安全生产进行优化。

本发明提供的M-CPS智能矿山管理平台包含了全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、智能控制。融合信息流与控制流，构建了物理世界和信息实现互联互通的M-CPS模型。平台的接口与实体设备相连接，以大数据技术作为平台支撑，将矿山的业务与功能集成在整个平台上，覆盖矿山生产的各个方面，实现各个工作面子系统的融合。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种M-CPS智能矿山管理平台，其特征在于：在矿山各子系统级、单元级M-CPS架构的基础上构建矿级M-CPS管理平台，实现矿级范围的数据流通，所述智能矿山管理平台遵循一套标准规范，即统一平台、统一模型、统一架构、统一数据四个标准，具体包括：

平台安全部分：所述平台安全部分包括业务安全、设备安全、人员安全、信息安全和生产安全；

平台业务部分：所述平台业务部分包括生产控制、安全管理、设备运维、订单管理和监督门户；

平台功能部分：包括时空全息一张图、生产执行管理系统、综合自动化平台、智能调度平台、综合决策分析平台、能源/耗管理平台、三维矿山、灾害综合防治和地质保障平台九个功能模块；

平台支撑部分：采用多源数据融合、人工智能、数字孪生和大数据分析技术，将数据以可视化的形式展现以实现人机交互的便捷与直观性；

平台接口部分：通过平台的统一标准化接口与井下的各个M-CPS单元进行连接，所述平台接口部分包括矿山系列智能生产设备接口、M-CPS控制子系统接口、传感器与监控设备接口、人员设备接口和广播中心与广播设备接口；

所述智能矿山管理平台的层级结构如下：

自底向上依次为设备层、感知层、边缘层、传输层、决策层、应用层、服务门户，其中智能矿山管理平台通过标准化接口与经营管理中心相连接，所述经营管理中心包括经营调度模块、生产调度模块、安全调度模块和监督门户；

智能矿山管理平台通过传输层与安全域部分相连，所述安全域部分包括安全管理模块、业务安全模块、生产安全模块、物理安全模块和信息安全模块；

安全管理：制定安全标准、安全事故与风险预测的平台管理模块；

业务安全：对整个煤矿生产经营的正常运作、安全业务进行监管控制，确保从出矿到洗煤到出口最终完成订单的过程符合安全经营管理标准；

生产安全：监测和控制整个煤矿的每个生产工作面的正常和安全运行；

物理安全：包括人员和设备的安全，即人员生命安全以及设备正常使用以及财产的安全；

信息安全：包括网络安全、数据安全，在涉及到煤矿一些较为机密敏感的信息上实现安全不外泄；

所述边缘层通过部署在这一层的多个边缘计算节点对感知层的传感器以及监控摄像头设备感知到的实时性高、处理周期短的数据进行分布式边缘计算和处理，使安全隐患或者灾难信息能够在边缘端及时得到处理并准确判断后给出处理结果，同时还能够从云服务端下载与更新计算模型以适应不同工作面场景下的不同需求；

所述边缘层包括：

业务边缘移植：所述业务边缘移植将云计算中心的模型文件、操作系统、操作环境作为镜像文件存放在边缘端；

边缘业务容器：包括独立运行的识别任务、应用程序、业务资源、业务隔离；

边缘计算引擎：包括多个边缘计算节点；

视频边缘AI：包括人员行为识别、机器运行状态识别、环境隐患识别共三个AI模型；

边缘控制器、边缘网关、边缘网络和边缘服务器；

所述决策层是整个平台的“大脑”和指挥中心，通过大数据治理平台、人工智能算法库、综合智能决策库的支持，对感知层获取的多源信息数据进行融合与实时分析，并能够进行自主学习从而不断演化模型，还具备动态决策、预警决策、协同控制；

所述决策层的煤矿大脑包括数据中心、模型中心和运营中心；

其中，数据中心基于大数据技术，为海量的矿山数据流和整个智能矿山的信息物理系统的数据流动和不同类型的数据融合提供支撑，包括数据存储、发布、数据检索、数据流动；

模型中心基于云平台的PaaS框架，依托云计算、云存储虚拟化技术，包括算法模型、模型训练和模型测试；

运营中心采用人工智能技术对矿山各种工作面中的语音数据、监控画面及感知层提供的传感器数据进行实时监控与分析，实现矿山设备启停状态、人员位置与操作安全、工作面采掘进度、环境数据监测各种系统的数字化和智能化，包括健康诊断、实时预警和智能决策；

所述时空全息一张图为在平台上能够实时察看煤矿井上与井下的平面图，通过放大进入井下采掘环境，用于看图和用图，其中进行看图时，自定义选择某张图来操作与察看，同时能够根据不同专业的不同业务需求选择不同的图纸；用图方面，根据不同环节和专业需求，分为地测、生产、机电、应急和监控图，具体包括以下几部分“一张图”：

综合一张图：综合一张图使用不同颜色标注不同区域，能够详细察看这些区域通过感知层传感器接收到的监控数据，将井下所有传感器数据进行了一个集成；

地测一张图：地测一张图用于地测用的钻孔、断层、积水区、突水点的实时定位；

生产一张图：生产一张图用于将具体生产作业过程中的综采情况、掘进情况、煤流线路进行实时展示；

机电一张图：机电一张图用于对各类大型机电设备进行管理，包括对机电设备的详细定位、全生命周期的管理以及机电设备的全部详细信息的实时监控及机电设备的能耗监控；

安全一张图：安全一张图用于为安全生产提供保障，通过分层、分级管理风险和隐患；

应急一张图：应急一张图用于在发生紧急情况时进行预警，当紧急状况发生时，操作和管理人员能够实时的在平台上得到预警，能够选择具体的事物发生位置、得知状况类型，平台也会实时给出相应的应急管理流程以及实时查询周边人员、周边测点、周边的实时视频，并能够通过安全生产平台及时发送出警报广播以使得工作以及应急人员及时知晓以便于采取应急措施；

所述能源/耗管理平台是对能源的生产、分配、转换和消耗的各个环节进行规划、检查以及监督和控制的工作平台，以工作面的业务流程分析为基础，描述能耗的具体信息以及对其分类进行划分，包括油耗、电耗、煤耗、水耗以及除上述油耗、电耗、煤耗、水耗的别的能耗；

能源/耗管理平台能够实现对能耗的实时监控，当能耗超过标准时进行预警，定期对能耗数据进行报表以及对之后的能耗进行预测；

能源/耗管理平台功能有：能源/耗数据采集，能源/耗情况监测，能源/耗信息分析，能源/耗平台授权；

能源/耗数据采集：平台通过传感器自动对各类能源的消耗数据进行采集并且实现精确的计量，同时产生的数据可以与上一周期的能源消耗数据进行可视化的对比；

能源/耗情况监控：平台通过对采集到的能耗数据进行实时监控，在监测到能耗异常时，会以及给予相关人员反馈以及在M-CPS平台上进行提示，如遇不可控的安全状况时，将通过反馈给M-CPS平台的异常信息从而让M-CPS平台对工作面进行及时的预警；

能源/耗信息分析：对能源的具体信息进行分析是能源/耗管理平台的关键，通过对已知数据信息的重点进行标注，同时可以根据工作面的需求自定义选择生成柱状图、饼图、走势图等供工作人员决策以及供检查人员视察的图表，平台也会根据信息进行合理化的分析，提出可以实施与改进的节能方案或者模式；

能源/耗平台授权：根据企业集团的层级，工作人员性质以及管理等级进行授权，不同的授权等级代表的不同的视察内容，同时可以相应授权报表以及报表的打印功能。

2.根据权利要求1所述的一种M-CPS智能矿山管理平台，其特征在于：所述应用层包括生产管理部分和智能控制部分，其中生产管理部分包括设备管理、人员管理、环境管理、定位管理和煤质管理，所述智能控制部分包括智能综采、智能掘进、智能供电、智能通风、智能运输和智能排水，所述应用层的具体实现的功能模块为平台功能部分的九个功能模块。

3.一种M-CPS智能矿山管理系统，其特征在于：包括如权利要求1或2所述的M-CPS智能矿山管理平台。