数据驱动的智能化矿井建设技术路径分析

赵安新，史新国，刘 柯，任 晨

（1.西安科技大学 通信学院，陕西 西安 710054；2.山东能源淄博矿业集团信息中心，山东 淄博 255299；3.内蒙古双欣矿业有限公司信息中心，内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 引言

煤炭在我国能源领域具有重要地位，煤炭开采长期以来属于劳动密集型产业，尤其是井工煤矿，随着国家开发战略向西部转移，以及“碳达峰、碳中和”双碳控制的要求被提出，亟需进行数字化转型与智能化赋能［1］。煤矿智能化技术是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，在国家新基建战略和八部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的引导下，工业互联网、人工智能、大数据技术等开始与现代煤矿开采技术进行深度融合［2］，逐步形成具有全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制等功能的智能系统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行［3-4］，对于

提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义［5］。

然而，煤矿行业在应用新技术及智能化发展道路上仍面临诸多挑战［6-7］，主要包括4 个方面：①在经营管理理念方面，煤矿组织生产大多采用传统的劳动密集型管理方式，长期以来关注提升产量、保障安全生产水平，尤其是井工煤矿生产环境比较复杂，因而造成重硬件、轻软件，重建设、轻运营，其精细化管理水平需要提升［8］；②在生产设备管理方面，随着开采深度的增加及开采复杂性的提升，矿井采掘等生产系统的自动化、智能化程度越来越高，设备复杂度及管理难度也随之增大，如何保障设备安全、可靠地运行，提升设备利用率，减少设备的故障停机检修时间，实现预防性维修，成为煤矿管理的难点之一［9］；③在井下安全生产方面，如何通过数字化、信息化手段，将“人、机、物、环”等不安全因素进行统一的信息化管理，使风险隐患有据可查，实现闭环跟踪，从而提升煤矿企业的整体安全生产水平成为关注的焦点［10］；④在人才培养与技术传承方面，因生产矿井通常地处偏远，大中专学生不愿意长期在这些地方工作，导致经验丰富的现场技术人员的专家知识很难得到传承，同时相关工作人员的实践经验有待进一步提升。因此，如何通过智能化手段实现减员增效，将一线技术能手、技术专家知识通过数字化手段进行传承也成为急需突破的难点［11］。

1 相关研究

文献［1］、［2］结合数字矿山技术发展现状以及生产系统智慧化特征及要求，提出将物联网、云计算、大数据、人工智能等技术与现代矿山开发技术相融合，形成矿山感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的完整智能系统的智慧矿山概念及内涵，探讨了涉及的空间信息技术、智慧采煤技术、真三维地质模型与集成应用技术、矿用传感器技术等智慧矿山建设关键技术；文献［3］、［4］分析了我国煤矿智能化发展存在的认识与理念不统一、智能化发展不平衡、5G 应用场景不成熟、“透明地质”技术保障支撑能力不足、采掘失衡与掘支失衡、对复杂条件适应性差等10方面问题，从理论创新、技术创新、装备创新、管理模式创新、人才体系创新等方面指出我国煤矿智能化建设需要开展的科技攻关方向；文献［7］、［8］、［11］、［15］分析智慧矿山、智能化矿井的评价指标研究现状，提出智慧矿山、智能化矿井的分级评价方法。本文通过深入分析目前智能化矿井面临的问题与挑战，结合当前市场化的主流技术架构与技术实现思路，结合课题组长期在智能化矿井方面的实施经验，设计了智能化矿井建设应用架构体系与协同信息架构，并在此基础上，结合生产矿井实际提出基于数据驱动的智能化矿井建设技术框架体系及其实施路线图，构建统一、融合、智能、高效的智能化矿井基础底座以及数据基础支撑体系，助力建设具有主动感知、自动分析、深度学习、智能决策、科学指挥能力的智能化矿井。

2 智能化矿井建设技术框架分析

2.1 建设目标

智能化矿井建设是指以矿山采、掘、机、运、通等矿井采掘活动完整过程及具体生产管理业务需求为基础，以地理信息系统空间为数字空间参考坐标体系，以矿山自动控制技术、在线监测技术、计算机信息网络技术、有线无线通讯技术及采矿技术为支撑，构建系列化、系统化的集数据采集、传输、处理、分析、应用与上层决策支持为一体的大平台，实现采矿全过程的数字化管理、智能化运行与智慧化管控，实现全矿井人、财、物、产、供、运、销整个信息链的信息融通，并着力加强矿井安全生产管控。按照中国煤炭学会2020 年10 月份颁布的《智能化煤矿（井工）分类、分级技术条件与评价》（T/CCS01-2020）的分级分类条件与评价标准［12-13］，建设达到I类矿井的高级智能化煤矿具体目标如下：

（1）到2021 年末，在当前煤矿进行信息化、数字化与智能化开采技术应用的基础上，初步构建智能化矿井系统整体架构，实现采、掘、机、运、通等主要生产环节单个系统、单项技术的自动化运行与智能化决策服务，并初步实现采、掘等生产一线工作面内无人操作、有人常规巡视及远程监控的自动化生产模式。

（2）到2025 年末，矿井采煤工作面实现智能化生产；煤（岩）巷道工程应用掘进、支护、运输等自动化技术装备，掘进工作面实现掘进机割煤远程自动化控制；矿井井下、地面等固定场所实现无人值守与自动化远程监控；矿井生产安全与生产经营综合信息平台能够在全矿实现应用；完善矿井数据中心基础平台建设；开展矿井智能化建设关键技术创新与应用工作，初步实现矿山智能化感知、智能化决策与自动化协同运行的智能化体系。

（3）到2030 年，结合矿井智能化技术发展情况与实际厂商实践经验等，全面建成智能化煤矿及选煤厂，在采煤、掘进、机电、运输、通风等生产环节中，实现设备智能化、系统自动化、岗位值守无人化、设备监控可视化、关键危险岗位机器人化、信息传输集成化、诊断预警动态化、决策分析智能化的目标，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化技术闭环体系。

2.2 建设原则

（1）业务驱动、标准先行原则。建设智能化矿井要以矿井实际业务需求为导向，结合实际管理模式及运行架构，以解决安全生产、经营管理的瓶颈问题为切入点，不追求华而不实的高端装备、开发数据大屏等，而是以国家智能化矿井建设标准、验收管理办法等为依据，首先进行顶层设计，制定矿井智能化建设标准架构及体系。要在统一的建设标准指导下进行，充分整合现有的自动化监测监控系统、信息化软件等信息资源与数据资源，实现生产、经营、监测监控系统之间的数据集成与业务集成，达到信息共享的目的。其次，规范矿井智能化建设过程，逐步提升矿井信息化的应用效益。

（2）实用性与先进性相统筹的原则。系统建设需要以满足现有矿井的自动化、信息化与智能化业务需求为基础，在合理的投资预算范围内，充分考虑业务发展需要来确定系统建设规模。在系统功能方面，为确保系统的有效性与实用性，需要选择合适的技术和产品，并通过优化整合，使整个系统达到最优的性价比。在满足系统平台整体性与完整性的前提下，保证其整体技术水平处于国内领先水平，在5～10 年内不落后或不被淘汰。

通过小测试提升学生对课程内容持续关注度，测试可以采用线上线下两种方式进行。在职教云平台上发布小测试、提问及头脑风暴等互动活动，评价采用分组互评、学生互评、教师参评等方式进行。这个环节着重对学生自主学习能力进行培养。由于课堂教学时间的限制，可以采用签到功能逐步引导学生进行持续学习。

（3）整体性与可扩展性原则。智能化矿井建设不是单个自动化子系统或某一专业系统的建设，而是对各个相关智能化软硬件系统的整体集成与应用扩展，要求必须有稳定、可靠、安全的系统基础平台作为支撑。系统基础支撑平台既要满足矿井日常安全与生产管理的需要，也要满足应急突发状态下生产管理、应急救援等的需要。作为系统基础支撑平台，尤其是在矿井领域，因生产环节多、生产工艺复杂、生产环境具有危险性等因素，其扩展功能可反映其能否具有长久的生命力。因此，根据矿井业务发展、生产工艺的需要，平台需具备不断接入并融合新的软硬件子系统的能力，从而不断加以完善。

（4）安全性原则。智能化矿井建设包括采掘等一线生产过程的信息化、自动化与智能化改造，涉及工业控制网络、管理信息网络、信息系统等，一旦黑客入侵或遭受病毒攻击，将对矿井的安全生产、经营管理造成重大损失。因此，智能化矿井需采用网络层上的综合立体安全信息防护手段，以防止非授权用户访问以及操作人员的越权、越界操作，确保工业控制网络数据的正常传输及控制指令的准确到达，同时实现工业控制网络数据的充分共享。井下相关智能化设备必须符合煤矿安全规程的要求，达到本质安全或防爆安全的要求。针对通用型网络与软件，必须采取完善的安全保密措施，以保证系统安全、稳定运行。

2.3 架构设计

智能化矿井建设架构设计是把整个矿井的安全生产、调度指挥、经营管理等业务看作一个有机整体，在单个系统立项、设计与实施之前，需要进行架构设计与分析，使各个分系统能够遵循统一标准。各个分系统能够与其它系统进行数据共享、业务集成，从而有效解决跨部门、跨系统的数据融合与业务协同等问题［14-15］。智能化矿井作为一个以矿井安全生产、经营管理等业务为中心的系统，应当构建“看得见、管得了、控得住”的智能化矿井业务体系，从而实现各部门间的横向数据整合与业务协同，以及各级管理部门间的纵向数据贯通等。整个平台的技术基础架构以GIS 地理信息（或透明化矿山平台，二维三维相结合）与实时可视化组态软件平台为核心，以云计算、大数据、深度学习、动态决策支持和远程专家诊断技术为支撑，实现集矿井生产单元—区域总部—集团总部安全生产协同管理及综合展示等功能于一体的智能化矿井云管理服务一体化综合管控平台。因此，基于该理念，智能化矿井的综合应用架构设计自下而上可划分为：设备感知层、过程控制与数据采集层、数据整合与执行层、经营管理层、智能决策层，共5 层，每一层实现相关基础功能，同时整层作为一个有机整体，如图1 所示。

智能化矿井是基于空间与时间四维地理信息、云计算、大数据、计算机软件及各种网络，集成应用各类传感感知、数据通信、自动控制、智能决策等技术，对矿山信息化、工业自动化技术进行深度融合，能够实现矿山企业所有信息的精准实时采集、高可靠网络化传输、规范化信息集成、实时可视化展现及生产环节自动化运行，能为各类决策提供智能化服务的数字化智能体，并可针对“人、机、环”的风险、隐患、故障及危险源进行提前预知与防治，从而使整个矿山具有自我学习、分析与决策的能力。智能化矿井信息协同架构如图2 所示。

Fig.1 Application architecture图1 应用架构体系

Fig.2 Intelligent mine information collaboration architecture图2 智能化矿井信息协同架构

智能化矿井系统在基础网络平台提供的高速、可靠的物联通道上，实现现场层、生产层、存储层、控制层、应用层与展现层的业务透明化管理，以及各层对应的技术状态演化、信息感知、快速交换、主动服务、智能决策与对外交流的协同运行，体现了从基础到高级应用的依赖关系，也展现了其建设施工顺序、各阶段的标志成果及里程碑。智能化矿井建设的整体技术特征建立在矿井数字化基础上，应用现代智能化理念完成矿山信息的精准实时采集、网络化传输、自动化运行与智能化服务等。其基本技术内涵是将现代信息及控制技术与传统采矿技术相融合，在纷繁复杂的资源开采信息背后，通过智能化系统自动找出最高效、安全、环保的生产路径，对矿井生产管理系统进行最佳的协同运行控制，并根据地质构造环境特征以及生产工序、生产计划的要求，自动创造全新的矿井安全生产与经营管理控制流程。

3 数据驱动的智能化矿井建设技术路径探索

3.1 数据架构

智能化矿井数据架构是以矿井安全生产、经营管理等业务流程分析为基础，描述智能化矿井整体涵盖的信息资源及其设计规划分类目标体系，建立智能化矿井的概念数据模型与元数据管理规则。智能化矿井的数据架构是整个平台应用与管理的基础，其根据业务功能架构进行设计，根据技术架构进行开发与实现。

通过科学、有效地构建信息资源整合服务支撑层，结合信息资源相关标准，为数据整合与信息汇聚提供基础支撑性服务，进而实现数据信息的聚合，将智能化矿井数据资源聚合为五大信息库：生产业务信息库、安全监测监控信息库、安全生产辅助决策信息库、基础地理信息库、数据交换与共享信息库，从而为各业务管理部门、各板块业务公司管理层、各板块业务人员等用户提供信息资源的目录服务、存储服务、交换服务、日志服务与检索服务。

3.2 实施路线

根据《智能煤矿信息系统通用技术规范》GB/T 34679-2017、《煤炭工业智能化矿井设计标准》GB/T51272-2018 的要求，按照智能化矿井“总体规划、分步实施、因地制宜、效益优先”的总体原则，全面实施基于物联网的基础网络平台、矿山数据仓库、工业自动化系统、安全监测监控系统、地理信息系统与可视化平台、安全保障系统、生产技术管理系统、矿山ERP 系统以及基于生产环境、生产设备、生产人员互连互通的四维综合指挥调度系统。

（1）为夯实智能基础工程、优化系统、简化生产环节、减员增效，大力推进矿井安全基础建设，实现矿井生产系统格局优化，努力打造集约、安全、高效的现代化矿井，并在信息化、数字化和智能化开采技术成果基础上，初步构建智能化矿井系统框架，实现采掘运主要环节中单个系统、单项技术的智能化决策与自动化运行，以及工作面内无人操作、有人巡视、远程监控的自动化生产。

Fig.3 Intelligent mine application architecture图3 智能化矿井应用架构

（2）将现有的生产系统、安全避险“六大系统”、监测监控系统等接入智能化矿井信息平台，在完善信息系统架构、构建传感感知系统与工业自动化系统的基础上进行多系统、多功能、多数据集成与融合，通过矿山数据仓库和各种服务软件实现深度集成与互连互通，对各类数据进行抽取、清洗、聚集、汇总及压缩定制，为各系统的深层应用提供服务。

（3）根据矿井实际情况对调度信息平台的网络基础进行完善，通过升级工业环网以达到核心为全万兆、主干传输为万兆、接入为千兆与百兆的要求，配置5G+无线通信系统实现井下、地面的无线视频通信，建立矿山数据仓库以满足智能化矿井建设对信息存储、处理、应用的要求。

（4）根据智能化矿井建设要求，所有感知与监测子系统应提供远程通讯开放接口，并自动按照实时数据交换方式向矿井数据仓库的实时数据库提交数据。因此，需对现有功能无法满足智能化矿井建设要求的系统进行软件升级与功能扩充，或开发建设新系统，并对智能化矿井传感感知体系进行建设。同时，在已建成或即将建成的工业自动化子系统的协议、数据等基础上，继续推进其它工业自动化子系统建设。详细实施路线如图4 所示。

Fig.4 Implementation roadmap of intelligent mine图4 智能化矿井实施路线

4 结语

在国家大力推进智能化矿井建设之际，全国71 处矿井被列为首批国家智能化建设示范矿井，在建设过程中基本都根据矿井自身特色，结合技术演进路径进行智能化矿井整体设计，包括技术架构设计、系统演进之路，以及建设完成后达到的效果。本文深入剖析当前智能化矿井建设过程中矿井单位在管理理念、技术架构、数据流向、人才培养等方面面临的挑战与机遇，结合中国煤炭学会《智能化煤矿（井工）分类、分级技术条件与评价》（T/CCS01-2020）的分级分类条件与评价标准，列出建设达到I 类高级智能化煤矿的具体目标、建设原则及步骤，并给出应用架构体系与协同信息架构体系，最后结合数据驱动的业务模式，提出智能化矿井建设技术框架体系及其实施路线图。当前智能化矿井建设仍处于探索阶段，本文提出的部分框架已在井下逐步实施，但数据驱动的基于工业互联网体系架构的智能化矿井尚没有一个成熟、标准化的模式。因此，本文提出的智能化矿井可为当前矿井的智能化建设提供参考，后续还将逐步进行完善。