0 引言
《“十三五”资源领域科技创新专项规划》提出为全面提升我国矿山行业的生产技术水平，推动传统行业的转型升级，要充分利用现代通信、传感、信息技术，实现矿山生产过程的自动检测、智能监测、智能控制和智慧调度，提高矿产资源采出率、劳动生产率及经济效益。智慧矿山是煤炭版的“工业4.0”，是煤炭行业的“中国制造2025”，是智能工业物联网技术在矿山领域的全面应用[1-3]。建设智慧矿山符合国家战略，是煤炭工业发展的必然选择[4]。
谭章禄等[5]结合智慧矿山发展现状和标准体系建设情况，分析了我国智慧矿山标准的发展路径；王国法等[6]结合煤矿生产系统智慧化特征及要求，给出了智慧矿山概念及内涵，提出了智慧煤矿2025情景目标和发展路径；李梅等[7]从创新技术角度提出了智慧矿山的技术框架，研究了智慧矿山建设中的关键技术；陈晓晶等[8]针对矿山信息化建设缺乏信息化标准、存在“信息孤岛”等问题，研究了智慧矿山建设的架构体系及其关键技术；陈越超等[9]借助中国移动提供的物联网平台——OneNet平台，建立了一套智慧矿山监测系统。然而，我国智慧露天矿山建设处于起步阶段，针对智慧露天矿山底层平台构建的研究较少。本文提出了基于工业物联网云操作系统的智慧露天矿山底层平台，以期为智慧露天矿山建设提供新的思路和方向。
1 智慧露天矿山建设现状
目前露天矿山生产系统主要包括边坡远程监测系统、卡车调度系统、卡车防碰撞系统、办公自动化系统、财务管理信息系统、视频监控系统、采矿计划系统、地测辅助设计系统等子系统，各子系统初步完成了各自业务领域范围内的数据采集、分析等功能，但存在以下问题。
(1) 系统独立。现有子系统多数是独立建设，建设前缺少整体规划或统一集成的设计，各子系统之间相互独立，信息处于孤岛状态[10-11]。例如某些露天矿山现有的采矿计划系统、卡车调度系统、卡车防碰撞系统等均没有统一接入环网，各子系统以单机或工作站版本为主，矿山调度中心运行的子系统或单机版软件众多，主机或显示器均密集地布置在调度中心的办公平台上。
(2) 人工管控为主。各子系统的控制是一种局部或有限的控制，多数操作或控制需要人为参与或干预。例如多数露天矿山均安装了卡车调度系统，但在实际生产过程中，调度中心与车辆之间仍采取对讲机方式进行通信调度指挥；穿爆、运输等环节仍以人工管控为主导，设备采购、巡检、保养、运行状态等数据还不能形成完整的数据链，未实现设备全生命周期管理。
(3) 灾害监测被动执行。露天矿山灾害以边坡滑坡灾害为主，边坡滑坡监测主要采用边坡雷达监测系统、测量机器人系统、三维激光扫描技术等，但边坡滑坡监测以事后响应模式为主，对灾害的判断处于被动状态，不能主动实时地对边坡滑坡进行预警。
(4) 缺乏智能分析。目前露天矿山生产系统的结果分析多数依靠经验判断，而且是单点判断，缺少各子系统间的数据共享与关联，未形成智能分析结果。
2 智慧露天矿山内涵
智慧露天矿山与智慧社会、智慧城市、智慧交通等具有类似的科学内涵，是指露天矿山生产系统实现智能化，将物联网、云存储、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人等与现代露天矿山开发技术相整合，开发露天矿山感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的完整智能系统，建设露天矿山爆破、采装、运输及排土、环境监控、机电设备管理、通信调度等全过程智能化运行的智慧露天矿山，创建露天矿山完整智慧系统、全面智能运行、科学绿色开发的全方位产业链运行新模式，达到露天矿山的少人化或无人化目标，实现露天矿山生产的绿色、安全、高效[12-13]。智慧露天矿山应包括以下3个方面。
(1) 万物互联。智慧露天矿山生产过程是一个人、机、环协同合作的有机整体，利用物联网技术，全面感知井下人、机、环的位置和状态，并可以对设备进行控制。
(2) 平台融合。智慧露天矿山生产及管理过程涉及多平台(如露天矿山设备及生产工艺平台、露天矿山生产计划与工程管理平台、露天矿山综合管理平台等)，平台之间相互联系、信息共享，且同处于一个顶层框架之下，平台与平台之间融合为一体。
(3) 智慧驱动。基于矿山海量数据，构建露天矿山开采过程中人、机、物、环及信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的智慧系统，并快速迭代、动态优化，达到少人或无人的智慧驱动模式。
3 智慧露天矿山底层平台
3.1 平台架构
以工业物联网云操作系统MixIOT为基础，构建智慧露天矿山底层平台，如图1所示。该平台由数据采集层、数据处理层和数据应用层构成。
图1 智慧露天矿山底层平台架构
Fig.1 Underlying platform architecture of intelligent open-pit mine
(1) 数据采集层。主要功能是实现露天矿山相关数据的实时采集，并以规范化的格式进行存储，相关数据可实现分类共享，消除各生产系统之间的信息孤岛。数据采集对象：露天矿山地质测量、采矿设计、环境监测、边坡监测等数据；露天矿山穿爆、采装、运输、排土等环节工程设备数据；露天矿山生产任务指令和各监测监控终端实时数据；露天矿山安全、生产、运营各方面综合管理数据。数据采集方式：实时数据可由APRUS(Advanced Programmable Remote Utility Server，高级可编程适配器)通过Modbus/OPC/PPI/MPI等工业协议获得；离线数据可按现场工作需要进行手工录入；接入露天矿山企业现有ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源计划)或MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)，实现外部数据无缝连接。
(2) 数据处理层。以工业物联网云操作系统MixIOT为平台，按照数据不同来源，建立栅格数据库、离线数据库、统计数据库、报表数据库等，实现露天矿山各类数据路由、交换、存储。同时通过INDASS(Industrial Data Analysis Service System，工业数据分析服务系统)对露天矿山生产设备运行进行映像图分析、指数分析、稳定性分析、趋势分析、风险分析等。
(3) 数据应用层。FIDIS(Flexible Information Data Integrate System，柔性信息与数据集成系统)以PC端应用、大屏监控及手机端应用等多种形式的展示，实现露天矿山生产设备实时监控、故障预测、告警通知、工单管理等功能。同时通过INDASS支持下的边缘计算及大数据分析，实现露天矿山生产工艺优化、设备节能减排、设备运行数据分析等应用。
3.2 关键技术
智慧露天矿山底层平台实现的关键技术包括数据获取技术、数据分析服务技术、应用展示技术。
(1) 数据获取技术。APRUS作为适配型可编程工业数据采集终端，可与露天矿山已有系统实现快速对接，也可通过传感器获取露天矿山设备的信息。APRUS的核心板模块提供了丰富的工业接口，如RS485，RS232，CAN，IIC，SPI等常用设备接口，便于集成到工业设备PLC、控制器中或接入传感器；集成了LUA开发环境，方便用户进行二次开发。
(2) 数据分析服务技术。INDASS是对工业设备或系统数据更加深入的应用，其目的是通过对数据的深入计算和分析，找出数据的变化规律，从而分析设备或系统运行规律。INDASS可对单台设备或系统当前的运行状态做出客观评估，并对单台设备或系统在未来一段时间的运行情况进行预测。
(3) 应用展示技术。FIDIS承担着与工业物联网云操作系统MixIOT进行数据交互的职能，并提供前端界面给终端用户进行交互操作。FIDIS是一个开放的底层应用开发平台，可根据智慧露天矿山用户业务需求进行二次开发，配置成各个应用模块。
4 结语
智慧露天矿山是一个以矿山数据数字化、生产自动化、管理信息化为基础，结合先进传感技术、5G通信技术、空间信息技术及人工智能技术，以实现露天矿山生产及管理的智能感知、辨识、记忆、分析、计算等功能，达到整个露天矿山的无人化或少人化，实现露天矿山安全生产为目的的大系统。基于工业物联网云操作系统的智慧露天矿山底层平台不仅能兼容露天矿山已有的生产系统或操作平台，而且对未来要建设的系统或平台也能扩展兼容，是建设智慧露天矿山的基础。
[1] 郭金刚.基于物联网技术的“智慧矿山”建设探讨[J].世界有色金属,2018(12):194-195.
GUO Jingang.Discussion on the construction of intelligent mine based on Internet of things technology[J].World Nonferrous Metals,2018(12):194-195.
[2] 何敏.智慧矿山定义探讨[J].工矿自动化,2017,43(9):12-16.
HE Min.Discussion on definition of wisdom mine[J].Industry and Mine Automation,2017,43(9):12-16.
[3] 吕鹏飞,何敏,陈晓晶,等.智慧矿山发展与展望[J].工矿自动化,2018,44(9):84-88.
LYU Pengfei,HE Min,CHEN Xiaojing,et al.Development and prospect of wisdom mine[J].Industry and Mine Automation,2018,44(9):84-88.
[4] 王国法,赵国瑞,任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J].煤炭学报,2019,44(1):34-41.
WANG Guofa,ZHAO Guorui,REN Huaiwei.Analysis on key technologies of intelligent coal mine and intelligent mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(1):34-41.
[5] 谭章禄,马营营,郝旭光,等.智慧矿山标准发展现状及路径分析[J].煤炭科学技术,2019,47(3):27-34.
TAN Zhanglu,MA Yingying,HAO Xuguang,et al.Development status and path analysis of smart mine standards[J].Coal Science and Technology,2019,47(3):27-34.
[6] 王国法,王虹,任怀伟,等.智慧煤矿2025情景目标和发展路径[J].煤炭学报,2018,43(2):295-305.
WANG Guofa,WANG Hong,REN Huaiwei,et al.2025 scenarios and development path of intelligent coal mine[J].Journal of China Coal Society,2018,43(2):295-305.
[7] 李梅,杨帅伟,孙振明,等.智慧矿山框架与发展前景研究[J].煤炭科学技术,2017,45(1):121-128.
LI Mei,YANG Shuaiwei,SUN Zhenming,et al.Study on framework and development prospects of intelligent mine[J].Coal Science and Technology,2017,45(1):121-128.
[8] 陈晓晶,何敏.智慧矿山建设架构体系及其关键技术[J].煤炭科学技术,2018,46(2):208-212.
CHEN Xiaojing,HE Min.Framework system and key technology of intelligent mine construction[J].Coal Science and Technology,2018,46(2):208-212.
[9] 陈越超,王晓丹,程志伟,等.基于OneNet平台的智慧矿山监测系统设计[J].长春师范大学学报,2019,38(2):38-42.
CHEN Yuechao,WANG Xiaodan,CHENG Zhiwei,et al.Design of intelligent mine monitoring system based on OneNet platform[J].Journal of Changchun Normal University,2019,38(2):38-42.
[10] 张瑞新,赵红泽.中国露天矿山信息化现状及发展趋势[J].露天采矿技术,2014,29(9):1-4.
ZHANG Ruixin,ZHAO Hongze.Current situation and development trend of open-pit mines informatization in China[J].Opencast Mining Technology,2014,29(9):1-4.
[11] 孙效玉,冯建宏,杨宏贤,等.我国数字露天煤矿的实施对策与总体技术方案[J].露天采矿技术,2005,20(3):31-35.
SUN Xiaoyu,FENG Jianhong,YANG Hongxian,et al.Implemented countermeasures and total technique project of digital open-pit coal mine in China[J].Opencast Coal Mining Technology,2005,20(3):31-35.
[12] 杨志勇,刘福明,佟德君.露天煤矿智慧矿山创新设计理念[J].露天采矿技术,2019,34(2):6-9.
YANG Zhiyong,LIU Fuming,TONG Dejun.Innovative design idea of intelligent mine in open-pit coal mine[J].Opencast Mining Technology,2019,34(2):6-9.
[13] 王忠鑫,孙鑫,王金金,等.基于BIM的智慧露天矿协同工作平台架构与关键技术[J].煤炭科学技术,2019,47(10):36-42.
WANG Zhongxin,SUN Xin,WANG Jinjin,et al.Collaborative work platform architecture and key technologies of intelligent open pit mine based on BIM[J].Coal Science and Technology,2019,47(10):36-42.