楊 真 郭昌放 王靜宜 熊 偉 張建平

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.華夏天信智能物聯(lián)股份有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100102)

1 引言

目前，礦山開(kāi)采工程作為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，面臨著復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和多變的邊界條件，而且隨著礦山企業(yè)機(jī)械化水平的提高以及信息化產(chǎn)品的大量鋪設(shè)，采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)等生產(chǎn)管理體系將變得更加龐大復(fù)雜，這給礦山智能化建設(shè)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)[1]。其中，礦山信息孤島、標(biāo)準(zhǔn)缺乏、系統(tǒng)封閉等問(wèn)題依然普遍存在，而且企業(yè)每天產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)往往能夠體現(xiàn)出礦山生產(chǎn)的安全狀況，但目前只是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)和查看，對(duì)不同數(shù)據(jù)的價(jià)值并未進(jìn)行深入的挖掘分析，數(shù)據(jù)的價(jià)值得不到體現(xiàn)。信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展正在給工業(yè)帶來(lái)新一輪的產(chǎn)業(yè)革命，“互聯(lián)網(wǎng)+”思維、“工業(yè)4.0”理念[2]以及大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的快速進(jìn)步給礦山工業(yè)信息化和智能化發(fā)展提供了借鑒和啟示。

2008年11月，IBM提出“智慧地球”的概念，即“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球”；2009年8月，其發(fā)布的《智慧地球贏在中國(guó)》計(jì)劃書(shū)，拉開(kāi)了“智慧地球”序幕?！爸腔鄣厍颉钡睦砟钛苌龈兄V山、智能礦山、智能采礦、智慧礦山等概念。2004年，古德生院士提出礦山智能化主要是指智能采礦。2010年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心成立，指出了感知礦山建設(shè)的核心內(nèi)容以及感知礦山的概念[3-4]。盧新明等[5]研究人員2010年提出的智慧礦山是一個(gè)數(shù)字化智慧體，能夠?qū)γ旱V企業(yè)井上井下的一切信息進(jìn)行實(shí)時(shí)而又準(zhǔn)確地采集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和數(shù)據(jù)集成，從而實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)以及可視化展現(xiàn)。張旭平等[6]研究人員2012年提出智慧礦山是借助于多網(wǎng)融合技術(shù)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，通過(guò)對(duì)采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦企業(yè)的人員、信息、設(shè)備等的自動(dòng)化管理與控制。徐靜等[7]研究人員2014年指出智慧礦山是物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、光纖網(wǎng)絡(luò)、3G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與礦山工程，以及先進(jìn)的管理方法、管理理念、科學(xué)技術(shù)等緊密結(jié)合的產(chǎn)物。譚章祿等[8]研究人員2014年指出智慧礦山是以安全、高效和綠色開(kāi)采為目標(biāo)，建設(shè)自動(dòng)化、人性化和高度智能化的礦山，以創(chuàng)建無(wú)人開(kāi)采生產(chǎn)模式為最終目標(biāo)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和發(fā)展，其架構(gòu)目前尚未定義出一個(gè)規(guī)范化的體系。但其框架被學(xué)者及研究人員公認(rèn)分為三大層次[9-10]：最下層是感知層，用于感知各種數(shù)據(jù)；中間層是網(wǎng)絡(luò)傳輸層，用于傳輸各種數(shù)據(jù)；最上層是應(yīng)用層，用于提供應(yīng)用服務(wù)。由于所有關(guān)于智慧礦山體系架構(gòu)都基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)框架，是在其基礎(chǔ)上搭建而成的，至今智慧礦山的體系架構(gòu)尚未有一個(gè)明確標(biāo)準(zhǔn)的體系，研究者也多利用物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)體系，設(shè)計(jì)感知礦山的三層架構(gòu)圖，分別為與物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)對(duì)應(yīng)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層。在智慧礦山體系架構(gòu)的研究中，也有少數(shù)學(xué)者因目的和角度的差異將其架構(gòu)分為不同層面。典型的有：張旭平等[6]研究人員構(gòu)建了由物聯(lián)網(wǎng)層、互聯(lián)網(wǎng)層和智慧層組成的智慧礦山體系結(jié)構(gòu)；宋震等研究人員構(gòu)建了由三大模塊組成的總體結(jié)構(gòu)，分別是智能信息獲取、智能生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)以及智能管理決策。

智慧礦山是借助于多種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理過(guò)程中對(duì)人、設(shè)備、信息、物資等的智能化管理和控制。很多專(zhuān)家、學(xué)者在對(duì)智慧礦山概念和體系研究的同時(shí)，都會(huì)對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。張旭平[6]認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSN)、抗干擾技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、多網(wǎng)融合技術(shù)以及應(yīng)急救援和災(zāi)后重建技術(shù)等都是智慧礦山不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)；王莉等[11]研究人員從空間信息技術(shù)視角提出了智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)：三維模擬與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、空間信息技術(shù)、云網(wǎng)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、智能采礦與服務(wù)技術(shù)、礦山技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)等；徐靜[7]等研究人員認(rèn)為物聯(lián)化、互聯(lián)化以及智能化是實(shí)現(xiàn)智慧礦山的關(guān)鍵，并從這“三化”出發(fā)研究了其涉及的關(guān)鍵技術(shù)：包括數(shù)據(jù)捕獲與控制技術(shù)、數(shù)據(jù)建模與集成技術(shù)、流程整合技術(shù)以及業(yè)務(wù)流程服務(wù)技術(shù)等；張琛等[9]研究人員建議采用SOA體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行智慧礦山信息化建設(shè)，提出了基于SOA的組件化架構(gòu)、J2EE技術(shù)體系、中間件技術(shù)、業(yè)務(wù)協(xié)同管理技術(shù)、GIS技術(shù)等是建設(shè)智慧礦山的關(guān)鍵技術(shù)；徐國(guó)萍認(rèn)為智慧礦山的建設(shè)技術(shù)應(yīng)包括：智慧礦山框架體系與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)、GIS技術(shù)、虛擬礦井平臺(tái)技術(shù)、空間分析技術(shù)、決策支持技術(shù)、安全管理技術(shù)、系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)技術(shù)等。

礦業(yè)信息化為智慧礦山的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)際上很多礦業(yè)大國(guó)在礦山信息化相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的研發(fā)成果[12]，研制了一些礦山信息管理系統(tǒng)：包括加拿大的TMMS系統(tǒng)、英國(guó)的MINOS系統(tǒng)和澳大利亞的MIS系統(tǒng)等等。20世紀(jì)90年代，信息化系統(tǒng)在礦山領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著信息化系統(tǒng)在礦山領(lǐng)域的不斷推廣，許多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始關(guān)注信息化系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及信息化對(duì)礦山經(jīng)營(yíng)管理方面的研究[13-16]，此后人們開(kāi)始將集成技術(shù)應(yīng)用在礦山信息領(lǐng)域。

目前，許多國(guó)外公司已經(jīng)研制開(kāi)發(fā)了較多商業(yè)的礦山軟件系統(tǒng)，并得到了廣泛的應(yīng)用。這些軟件的功能不盡相同，涉及地質(zhì)信息處理、礦山設(shè)計(jì)、礦山生產(chǎn)管理、三維可視化以及地測(cè)和通風(fēng)系統(tǒng)等礦山安全生產(chǎn)的方方面面。

我國(guó)礦山信息化的研究與應(yīng)用比國(guó)外較晚，20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的科研院校和礦山開(kāi)始進(jìn)行礦山信息化方面的探索。90年代開(kāi)始，我國(guó)礦山信息化進(jìn)程加快，一些礦山陸續(xù)引進(jìn)國(guó)外的信息化系統(tǒng)或獨(dú)立開(kāi)發(fā)了相應(yīng)信息化系統(tǒng)。由于引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)沒(méi)有考慮信息共享問(wèn)題，造成各個(gè)系統(tǒng)之間形成了信息孤島。為了解決信息孤島現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)信息的集中和共享，開(kāi)始研究涵蓋整個(gè)礦山的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)家越來(lái)越重視安全生產(chǎn)，加強(qiáng)了監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)方面的投入，礦山信息化平臺(tái)受到越來(lái)越多的重視[17-19]。

2 礦山智能化建設(shè)存在的問(wèn)題與發(fā)展方向

在“兩化”深度融合的大形勢(shì)下，工業(yè)領(lǐng)域正在迎來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大變革[20]。目前，礦山安全高效礦井系統(tǒng)的機(jī)械化程度達(dá)到90%以上，單機(jī)自動(dòng)化也日趨完善，建成了一批千萬(wàn)噸級(jí)礦井群，并開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等。國(guó)家能源局規(guī)劃：2020年將建成100個(gè)智能工作面，2025年將建成1000個(gè)智能工作面。而目前，我國(guó)礦山智能化的建設(shè)仍存在以下問(wèn)題有待解決。

2.1 數(shù)據(jù)孤島與各子系統(tǒng)之間融合困難

建設(shè)生產(chǎn)安全大數(shù)據(jù)集成分析平臺(tái)，需要對(duì)煤礦企業(yè)中的安全、生產(chǎn)、設(shè)備及管理等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面感知，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛采集、科學(xué)存儲(chǔ)和有效分析，最終能夠通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的深入挖掘自動(dòng)產(chǎn)生決策建議，處理人腦無(wú)法分析的繁雜海量數(shù)據(jù)以及使用人腦無(wú)法計(jì)算的分析優(yōu)化方法，提出科學(xué)合理的決策建議，并能夠通過(guò)不斷地吸收新的數(shù)據(jù)對(duì)決策模型進(jìn)行自學(xué)習(xí)自迭代。

然而，在當(dāng)前的礦方與煤礦設(shè)備、產(chǎn)品提供廠商的合作模式下，不同廠商提供的設(shè)備、產(chǎn)品所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)千差萬(wàn)別，各廠商研發(fā)的軟件系統(tǒng)所使用的技術(shù)棧差異巨大，通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各子系統(tǒng)相互之間無(wú)法方便地實(shí)現(xiàn)互通。各種軟硬件產(chǎn)品廠家多、型號(hào)繁雜，市場(chǎng)上尚無(wú)公認(rèn)的數(shù)據(jù)接入標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)廠商進(jìn)行數(shù)據(jù)接入時(shí)，必須分別與先前系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方對(duì)接數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)點(diǎn)表。在實(shí)際操作過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)表信息不明確、有偏差的情況，數(shù)據(jù)接口存在數(shù)據(jù)不穩(wěn)定以及格式不統(tǒng)一的情況。這些問(wèn)題給系統(tǒng)接入工作帶來(lái)很大阻礙。因此，統(tǒng)一接入、融合聯(lián)動(dòng)以及數(shù)據(jù)分析是大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)亟待解決的問(wèn)題，是造成大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的三大阻礙。智慧礦山建設(shè)亟待解決的主要問(wèn)題如圖1所示。

圖1 智慧礦山建設(shè)亟待解決的主要問(wèn)題

(1)統(tǒng)一接入：即如何將設(shè)備、智能設(shè)備、子系統(tǒng)所產(chǎn)生的紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接入進(jìn)行統(tǒng)一管理，目前存在解決設(shè)備和傳感器無(wú)法連入、數(shù)據(jù)采集過(guò)少、數(shù)據(jù)缺乏自說(shuō)明、數(shù)據(jù)混亂的現(xiàn)狀。

(2)融合聯(lián)動(dòng)：即如何讓各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流動(dòng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)老系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)的融合、關(guān)聯(lián)。目前存在各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)孤立、數(shù)據(jù)孤島、無(wú)法進(jìn)行跨維度關(guān)聯(lián)及分析的問(wèn)題。

(3)數(shù)據(jù)分析：即如何讓礦山企業(yè)具備可以分析的數(shù)據(jù)以及進(jìn)一步讓數(shù)據(jù)輔助生產(chǎn)、讓數(shù)據(jù)支持決策的能力。目前存在數(shù)據(jù)只積累不分析、無(wú)法使用數(shù)據(jù)來(lái)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的現(xiàn)狀。

因此，需要一個(gè)能夠向下連接并統(tǒng)一接入各泛在感知設(shè)備、子系統(tǒng)、智能設(shè)備，具備云設(shè)施、傳輸控制、邊緣計(jì)算功能，能夠支持實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)展示及報(bào)警功能，向上能夠支撐大數(shù)據(jù)分析與AI應(yīng)用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，以解決上述難題。

2.2 軟件體系缺乏系統(tǒng)性的研發(fā)

隨著兩化融合的深入發(fā)展，對(duì)于礦山設(shè)備生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，上位軟件平臺(tái)已經(jīng)是必不可少的一環(huán)。然而對(duì)于智能硬件設(shè)備生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)，軟件開(kāi)發(fā)依然是依賴各類(lèi)C/S端組態(tài)軟件，從用戶友好、功能完善程度、軟硬件技術(shù)架構(gòu)等諸多方面都無(wú)法滿足礦山需求。因此，軟件體系開(kāi)發(fā)需要重點(diǎn)考慮以下問(wèn)題：

(1)需要兼容多種平臺(tái)，方便用戶“即裝即用”，有流暢的用戶交互體驗(yàn)。傳統(tǒng)的單機(jī)C/S架構(gòu)或依賴插件的B/S架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法支撐此需求；

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方案需要滿足多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合、海量數(shù)據(jù)的快速查詢快速響應(yīng)、大數(shù)據(jù)分析等需求；

(3)要保證系統(tǒng)的高可靠性、高可用性、高安全性。

2.3 數(shù)據(jù)資源無(wú)法進(jìn)行有效利用與工具匱乏問(wèn)題

礦山行業(yè)每時(shí)每刻都在積累著大量的數(shù)據(jù)資源，基于礦山業(yè)務(wù)知識(shí)的大數(shù)據(jù)分析和人工智能系統(tǒng)需要大量的模型和算法支撐。各高?？蒲性核哂写罅扛咚剿惴ǖ慕?zhuān)家，但是數(shù)據(jù)匱乏和缺乏實(shí)際試驗(yàn)場(chǎng)景是這些專(zhuān)家學(xué)者面臨的首要問(wèn)題。建模、算法實(shí)驗(yàn)都需要大量真實(shí)數(shù)據(jù)樣本，模型修正、驗(yàn)證也需要真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。因此，建立一個(gè)開(kāi)放、安全、數(shù)據(jù)易于獲取和處理的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)是解決該問(wèn)題的基礎(chǔ)。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸主要存在的問(wèn)題如下：

(1)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較差，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)發(fā)后，每次轉(zhuǎn)發(fā)滯后幾秒甚至幾十秒，降低了數(shù)據(jù)的時(shí)效性；

(2)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，第三方廠商多且環(huán)節(jié)多，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏報(bào)情況；

(3)數(shù)據(jù)可靠性較低，數(shù)據(jù)生成或報(bào)送程序由各自廠商開(kāi)發(fā)，報(bào)送數(shù)據(jù)經(jīng)多次轉(zhuǎn)送后，其真實(shí)性無(wú)法得到保證；

(4)數(shù)據(jù)使用效能較低，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確造成數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度和使用率不高，制約了數(shù)據(jù)的使用效能，無(wú)法進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

針對(duì)以上問(wèn)題，建設(shè)一個(gè)向下能夠?qū)崿F(xiàn)各種感知數(shù)據(jù)的接入和設(shè)備的控制，向上為煤礦手機(jī)APP開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)綜合服務(wù)、時(shí)空服務(wù)、可視化服務(wù)、協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)、業(yè)務(wù)流程服務(wù)和大數(shù)據(jù)分析服務(wù)等服務(wù)和工具的智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)尤為必要。

為了解決上述存在的問(wèn)題，加快礦山行業(yè)智能化建設(shè)的步伐，礦山行業(yè)需要通過(guò)“云(云計(jì)算+大數(shù)據(jù)+AI)、管(萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)+5G下井)、端(智能終端)”，打通“人(目標(biāo)定位)、機(jī)(生產(chǎn)設(shè)備)、環(huán)(環(huán)境監(jiān)測(cè))”之間的障礙，建立能夠在不同層面上通過(guò)對(duì)“人、機(jī)、環(huán)”的各子系統(tǒng)的綜合集成、縱向貫通、橫向關(guān)聯(lián)、融合創(chuàng)新，形成礦山企業(yè)的安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理的綜合性管控平臺(tái)，平臺(tái)可整體運(yùn)行，子系統(tǒng)也可獨(dú)立運(yùn)行，平臺(tái)與子系統(tǒng)在運(yùn)行上互不影響，但在數(shù)據(jù)上能夠在同一坐標(biāo)空間下進(jìn)行監(jiān)管，這不僅有利于礦山企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行協(xié)同工作，同時(shí)管理者也可以實(shí)時(shí)全面掌握井下一線生產(chǎn)信息，對(duì)于緊急情況下的快速反應(yīng)具有重要意義。

3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智慧礦山建設(shè)目標(biāo)與框架設(shè)計(jì)

3.1 智慧礦山建設(shè)目標(biāo)

智慧礦山是智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及軟件定義技術(shù)在礦山領(lǐng)域的全面應(yīng)用，通過(guò)集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建礦山物理世界與信息世界中人、機(jī)、環(huán)、管等安全和生產(chǎn)要素的相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)。其中，智慧礦山建設(shè)的主要目標(biāo)如下所述。

(1)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。全面感知井上和井下人、機(jī)、環(huán)等的狀態(tài)，并可以隨時(shí)隨地對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

(2)時(shí)空服務(wù)。為智慧礦山應(yīng)用提供二三維一體化的位置服務(wù)，為礦山工程及設(shè)備的全生命周期管理等提供服務(wù)和工具，實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字孿生。

(3)平臺(tái)融合、控制聯(lián)動(dòng)。通過(guò)軟件定義，實(shí)現(xiàn)井上和井下人、機(jī)、環(huán)、管信息的強(qiáng)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)、融合與智能聯(lián)動(dòng)。

(4)智慧決策。利用大數(shù)據(jù)與人工智能AI等技術(shù)，迭代升級(jí)礦山安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)的智能分析、自我學(xué)習(xí)與輔助決策。

3.2 智慧礦山框架設(shè)計(jì)

智慧礦山的建設(shè)必須基于智慧化開(kāi)放共享平臺(tái)，形成集成應(yīng)用“一張圖”的系統(tǒng)管理方式，以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)為工具，對(duì)礦山信息化、自動(dòng)化深度融合，能夠完成礦山企業(yè)所有數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集、高可靠網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成融合、可視化展現(xiàn)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、安全監(jiān)控?cái)?shù)字化、數(shù)據(jù)應(yīng)用模型化、生產(chǎn)管理可視化、過(guò)程管控智能化，并對(duì)人—機(jī)—環(huán)的隱患、故障以及危險(xiǎn)源提前預(yù)知、預(yù)防和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)處置，使整個(gè)礦山具有自學(xué)習(xí)、自分析和自決策的能力。智慧礦山應(yīng)用技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧礦山應(yīng)用技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層是將前端感知的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)自動(dòng)化等各類(lèi)感知傳感的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)分站、多功能分站、移動(dòng)設(shè)備等進(jìn)行集中采集。

(2)傳輸層。傳輸層是利用井下現(xiàn)有的工業(yè)環(huán)網(wǎng)、視頻環(huán)網(wǎng)、4G/5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等將分站、移動(dòng)設(shè)備等采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行傳輸。

(3)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層統(tǒng)一對(duì)數(shù)據(jù)感知層的各類(lèi)數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)。

(4)平臺(tái)支撐層。平臺(tái)支撐層是基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)需求，提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)分析等，提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐服務(wù)、數(shù)據(jù)管理支撐服務(wù)、數(shù)據(jù)共享與交換服務(wù)以及應(yīng)用與分析支撐服務(wù)。

(5)應(yīng)用層。應(yīng)用層是面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的服務(wù)，主要基于大數(shù)據(jù)“一張圖”管理平臺(tái)：包括時(shí)空GIS“一張圖”的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、時(shí)空GIS“一張圖”的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)以及綜合決策大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。并通過(guò)調(diào)度大屏、PC應(yīng)用端、門(mén)戶網(wǎng)站、移動(dòng)APP等多種方式進(jìn)行體現(xiàn)和展示，PC端、門(mén)戶和移動(dòng)APP均可以基于權(quán)限控制實(shí)現(xiàn)企業(yè)不同用戶需求。其中，平臺(tái)的人機(jī)交互需要具備的特點(diǎn)為：一是從傳統(tǒng)的單一工作，升級(jí)為協(xié)同工作；二是從傳統(tǒng)的手工錄入，升級(jí)為自動(dòng)生成；三是從傳統(tǒng)的菜單式提取界面，升級(jí)為立體化展示界面；四是從傳統(tǒng)的事中報(bào)警，升級(jí)為事先預(yù)控，智能報(bào)警；五是從傳統(tǒng)的被動(dòng)查詢，升級(jí)為主動(dòng)提醒；六是從傳統(tǒng)的指令逐級(jí)流轉(zhuǎn)，升級(jí)為高效扁平交互；七是系統(tǒng)具備完整的容錯(cuò)設(shè)計(jì)功能。

4 智慧礦山業(yè)務(wù)應(yīng)用

4.1 智慧生產(chǎn)應(yīng)用

智慧生產(chǎn)以高效生產(chǎn)為目標(biāo)，以采煤與掘進(jìn)為主線。在各生產(chǎn)及輔助生產(chǎn)控制子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)、融合與分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI等分析算法，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、生產(chǎn)效率與效益等進(jìn)行深度關(guān)聯(lián)分析，形成礦井更加安全、節(jié)能、高效的具體可執(zhí)行方法，實(shí)現(xiàn)礦井“生產(chǎn)過(guò)程協(xié)作、安全高效協(xié)同”的科學(xué)化、準(zhǔn)確化、精細(xì)化和智慧化管理。具體包括：生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同控制、設(shè)備安全和生產(chǎn)安全的動(dòng)態(tài)診斷、產(chǎn)出效能分析的生產(chǎn)效能動(dòng)態(tài)診斷。

以礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)為例，能夠利用現(xiàn)代通信技術(shù)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)及自動(dòng)化控制技術(shù)，進(jìn)行礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)施方案的優(yōu)化以及風(fēng)量和風(fēng)速的智能實(shí)時(shí)控制。通過(guò)通風(fēng)參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，感知井下不同區(qū)域通風(fēng)狀態(tài)，依據(jù)在線風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果及安全規(guī)程要求，進(jìn)行通風(fēng)設(shè)施的智能調(diào)控。

4.2 智慧安全應(yīng)用—自定位瓦斯巡更系統(tǒng)

自定位瓦斯巡更系統(tǒng)與井下人員定位系統(tǒng)、礦井GIS系統(tǒng)以及煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，做到瓦斯巡檢工作的定人、定點(diǎn)、定時(shí)，可減少及避免人為因素對(duì)數(shù)據(jù)真實(shí)性的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的融合，開(kāi)啟井下設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。該系統(tǒng)采用高精度、免標(biāo)校的TDLAS激光氣體檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線自組網(wǎng)多跳技術(shù)、精確定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下瓦斯巡更管理。主干網(wǎng)采用1000 M以上工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，由KJJ368環(huán)網(wǎng)交換機(jī)搭建，無(wú)線激光甲烷便攜儀將信息數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線基站上傳到工業(yè)環(huán)網(wǎng)，最終數(shù)據(jù)匯總到中心站軟件。

4.3 智能管控

4.3.1 智慧礦山生產(chǎn)指揮系統(tǒng)

智慧礦山生產(chǎn)指揮系統(tǒng)利用時(shí)空“一張圖”對(duì)礦井空間對(duì)象數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)以及安全、生產(chǎn)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合集成、數(shù)據(jù)融合和展示，提供人員管理、安全監(jiān)控、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等位置化聯(lián)動(dòng)服務(wù)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)二維以及三維地理空間下礦井場(chǎng)景的瀏覽以及生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)和智能分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)信息與采掘工程、地質(zhì)環(huán)境、采掘狀態(tài)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)、綜合化管理、自動(dòng)化管理與智慧化管理，直接服務(wù)于礦山安全生產(chǎn)指揮與決策。礦井智能管控運(yùn)行界面如圖3所示。

4.3.2 綜合分析智能決策系統(tǒng)

綜合分析智能決策是利用時(shí)空“一張圖”平臺(tái)和礦山大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，通過(guò)對(duì)全礦井空間數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的全面集成、有機(jī)融合和綜合分析，為安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理提供綜合分析和智能診斷，為企業(yè)安全生產(chǎn)、降本提效、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)營(yíng)決策提供科學(xué)依據(jù)和保障措施。

4.3.3 智能移動(dòng)APP系統(tǒng)

智能移動(dòng)APP系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)上主要以數(shù)據(jù)展示和信息的快速錄入為主，包括首頁(yè)、系統(tǒng)和設(shè)置。首頁(yè)中以全礦井組態(tài)圖展示生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，包括主要設(shè)備的運(yùn)行、生產(chǎn)參數(shù)、安全情況等。系統(tǒng)中按照智慧安監(jiān)、智慧生產(chǎn)、生產(chǎn)執(zhí)行、經(jīng)營(yíng)管理、智慧決策將安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、決策等子系統(tǒng)模塊進(jìn)行分類(lèi)，并通過(guò)智慧決策將各系統(tǒng)融合分析結(jié)果進(jìn)行展示。

圖3 礦井智能管控運(yùn)行界面

5 結(jié)語(yǔ)

智慧礦山的建設(shè)和發(fā)展必須以數(shù)據(jù)為支撐，通過(guò)對(duì)人、設(shè)備、環(huán)境等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的全面感知、統(tǒng)一規(guī)范、交叉融合顯示，打破數(shù)據(jù)之間的物理障礙，實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的實(shí)時(shí)信息融合。在此基礎(chǔ)上，借助互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等工具激活礦業(yè)工程數(shù)據(jù)的價(jià)值，為礦山企業(yè)的生產(chǎn)管理和決策提供支持，徹底打破傳統(tǒng)礦山行業(yè)粗放的生產(chǎn)管理模式，實(shí)現(xiàn)采礦生產(chǎn)過(guò)程中的優(yōu)化配置，通過(guò)打造礦山企業(yè)“智能大腦”，讓礦山生產(chǎn)“看得見(jiàn)、管得了、控得住”，引領(lǐng)礦山行業(yè)新一輪的“工作方式的革命”。