矿山工业4.0与“互联网+矿业”：内涵、架构与关键问题

王 安，杨 真，张 农，武 祥，姚文理

(1. 中国国际工程咨询公司，北京 100048；2. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

矿山工业4.0与“互联网+矿业”：内涵、架构与关键问题

王 安1，杨 真2,3，张 农2,3，武 祥2,3，姚文理2,3

(1. 中国国际工程咨询公司，北京 100048；2. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

21世纪以来，虽然全球工业生产都逐渐放慢了脚步，但一个新的发展理念，亦即“互联网+”和“工业4.0”初露端倪并引导着全球工业新秩序的形成。对矿山工业来说，以矿山工业高度网络化、大数据化、协同工作、分布式服务为特征的“互联网+矿业”和“矿山工业4.0” 是矿山工业实现安全、高效、绿色、可持续发展的必由之路，也是矿山工业发展的具有未来确定性的新方向。其战略框架与具体部署模型为“一个最终目标、一个战略主题、四项支撑技术和四个具体表现”；其关键问题要解决管理模式的转变与创新、建立矿山工业信息化标准体系、发展信息化支撑技术、建设矿业协同大数据平台等；其实现过程是矿山工业从生产技术、企业管理到产业链组合、行业部署的全方位的转型和升级，是以“互联网+”和“工业4.0”为引擎的矿山工业的产业革命。最终实现矿山工业4.0描述的矿山工业生产智能化、矿山工业管理高效化、矿山产业互联化和矿山工业决策数据化。

信息化；互联网+矿业；矿山工业4.0；矿业大数据

进入21世纪以来，虽然全球工业生产都逐渐放慢了脚步，但一个新的发展模式初露端倪并引导着全球工业新秩序的形成。2013年4月，德国提出“工业4.0”理念，旨在利用CPS网络(信息物理系统网络)使工业转型为网络化、数据化、集成化、智能化的新型工业模式，保持德国工业的全球竞争力[1]。2015年3月，李克强总理在政府工作报告中提出“互联网+”行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业融合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场[2-3]。就其本质而言，互联网+工业与工业4.0是一致的，其核心是工业化与信息化的深度融合。作为支撑国民经济的基础行业，矿山工业信息化的发展具有重大意义。我国矿山工业信息化研究自20世纪80年代开始，迄今已在很多方面取得了突破和进展。“十一五”期间，我国矿山工业信息化在远程监控监测技术、工业以太网、矿山通信技术、矿山信息管理系统等方面取得了显著进展。但矿山工业是一项复杂的系统工程，矿产资源的开采面临复杂的地质环境和多变的边界条件，矿山工业信息化仍有很多难题需要解决[4]。矿山信息孤岛、标准缺乏、系统封闭等问题依然普遍存在。信息网络技术的发展正在给工业带来新一轮的产业革命，“互联网+”思维及“工业4.0”理念给矿山工业发展提供了借鉴和启示。

基于大数据、云计算技术，建立矿业大数据中心，以大数据支撑产业布局和决策，从而合理引导行业的产能调控；利用信息网络技术和矿业工程专业技术，建立从生产技术到决策管理的高效化、智能化的矿山工业新生态，最终实现以高度网络化、大数据化、协同并行工作、分布式服务为特征的矿山工业4.0模式。这是实现矿山工业安全、高效、绿色、可持续发展[5-7]的必然道路，也是矿山工业未来的发展方向。

一、 矿山工业信息化现状及存在问题

(一) 矿山工业信息化现状

自20世纪90年代开始，国际上很多矿业大国在矿山信息化相关技术领域取得了显著的研发成果[8-10]。1992年，芬兰发明了融合采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题的智能采矿技术[11]；加拿大开发出通过中央集控的多矿山无人化采矿、掘进、运输的矿山开采方案；瑞典制定了以矿山自动化为目标的“Groun teeknik2000”战略计划[12]。

我国矿山信息化建设自20世纪80年代开始，迄今已取得了多项技术成果并在矿山行业得到了应用[13-17]。“十一五”期间，成功研制出基于“WIFI”的矿井移动通信技术，为井下人员的及时通讯提供了可靠保障；成功研制并推广应用了井下无人值守远程监控技术，神东矿区实现了工作面有人巡视条件下的顺槽遥控技术[18]；近几年来，随着计算机技术和信息技术的发展，各类矿山安全生产管理系统得到了迅速发展，如主运输系统、排水系统、通风系统等生产自动化控制系统，人力资源、财务、物资、项目管理等办公自动化系统逐步在矿山企业得到了应用。

我国矿山工业信息化建设经历了二十多年的发展历程，从无到有，取得了丰硕的成果，但也存在不少问题。矿山工业信息化建设长期以来缺乏系统规划，信息化人才匮乏，矿山数据丰富但知识匮乏，专业研发各自为政等问题严重制约了矿山工业信息化的建设发展。

(二) 存在的问题

我国矿山工业信息化建设还有很长一段路要走，与发达国家和其他行业信息化水平相比，仍然存在着差距。具体表现为：

1. 部门协同不足，信息孤岛问题严重。传统矿山企业生产有着高度分工和专业化的特点，采矿生产环境复杂，环节众多，工作场所不断移动，空间比较狭小，随着工作面的推进地质环境随之变化，这些特点使得矿山工业资源优化配置难度大，各系统协同配合复杂度高，各部门缺乏数据统一性和信息共享机制，导致矿山企业各系统相对封闭，信息孤岛问题严重。

2. 矿山数据丰富但知识贫乏。随着数据库技术的发展和应用，矿山行业中采集数据的方式、统计和录入的功能已经比较完善，但是由于缺乏一定的数据分析和挖掘能力，很难发现数据之间潜在的关系，缺乏大数据的内在审视和规律总结，存在“数据爆炸但知识贫乏”的问题。

3. 缺乏合适的软件平台及行业标准。目前，我国矿山行业安全与生产技术信息化标准体系仍未完善，具体地说就是应用平台、数据库存储结构和接口规范不统一，不同厂家传输协议和接口标准各不相同，各系统之间不能兼容和通信，存在着“信息孤岛”现象，导致了信息资源难于共享，服务于矿山行业技术及管理的各系统之间不能实现联动。

4. 缺乏现代化的管理制度和管理模式。矿山工业是传统的劳动密集型行业，随着经济发展步入新常态，人口红利逐渐消失，矿山企业传统的管理模式弊端日益显现，企业机构冗余，制约了企业的健康发展，迫切需要管理模式的变革和创新来使矿山企业提质增效。

5. 矿山信息化人才匮乏。矿山行业需要的信息化人才不仅要求熟悉采矿工程技术还需要精通信息网络化技术，是具备信息化领域与矿业工程领域知识背景的复合型专业人才。目前我国相关领域的培养和教育机制尚不完善。图1是矿业工程信息化面临的问题。

图1 矿业工程协同现存的问题

二、 矿山工业信息化的发展方向

解决矿山工业信息化发展存在的问题，实现矿山工业的安全、高效、健康发展必须实现以下转变：

(一) 多源异构数据的集成管理

矿山是一个复杂的生产系统，采矿、掘进、机电、运输、通风、水文、地质、测量、监控监测等异源数据实现集成管理、实现数据共享和协同。随着生产设备自动化和智能化程度的不断提高，多源多态数据的通信和集成管理将是实现矿山安全高效生产的重要保障，实现自动化办公平台、安全生产信息管理平台等多平台的综合化统一调度是未来矿山信息化发展的重要方向。

(二) 矿山工业的大数据分析研究

随着矿山工业信息化建设进程的推进，矿山企业从生产技术到经营管理各层面逐步重视对数据的积累和存储，矿山企业建立了各生产系统和管理系统的信息数据库。矿山企业拥有海量数据但对数据的分析和挖掘不足，缺乏对数据内在规律的审视和关联性分析研究。随着大数据技术的发展，矿山工业将关注对大数据的分析和应用，通过对矿山工业生产信息数据的规律总结，实现大数据对矿山工业的生产技术支持；通过对矿山经营管理信息数据的统计分析，实现矿山工业的产业结构优化、产能调控，为矿山工业决策提供数据支撑。

(三) 一体化系统平台的建立

矿山工业生产环境复杂、地质条件多变，矿山企业各系统之间信息共享、协同配合对于矿山安全生产具有重要意义。矿山企业信息化正在由单一系统向系统整合与业务协同转变，将生产安全监控监测、矿山人员定位、危险源预测预警、办公自动化等系统有效融合，形成高度集成的一体化系统平台，实现信息实时共享，为矿山企业生产技术及管理决策提供综合信息支持。

实现上述转变，需要在现有信息化成果基础上不断创新，提出矿山工业信息化发展的新理念、新方法，推动整个行业的转型和升级。

三、 “互联网+矿业”、矿山工业4.0的内涵与架构

(一) 互联网+矿业、矿山工业4.0的内涵

“互联网+工业”“工业4.0”二者本质内容是一致的，都指向一个核心：利用信息网络技术，实现制造领域的智能化。参照“互联网+”理念及“工业4.0”战略，结合我国矿山工业特点及信息化现状界定概念:“互联网+矿业”及“矿山工业4.0”的内涵是以云计算、大数据、物联网及矿业工程专业技术为基础，以矿山工业安全、高效、绿色、可持续发展为目标，打造矿山工业高度网络化、大数据化、协同工作、分布式服务为战略思想的矿山工业新业态，以创新思维寻求支撑技术的突破和发展，最终实现矿山工业生产智能化、矿山工业管理高效化、矿山产业互联化、矿山工业决策数据化。其实现过程是矿山工业从生产技术、企业管理到产业链组合、行业部署的全方位的转型和升级，是以“互联网+”和“工业4.0”为引擎的矿山工业的产业革命。如果成功，矿山工业将改变传统面貌，我国将从矿业大国变为矿业强国。

(二) “互联网+矿业”及“矿山工业4.0”的架构

按照“互联网+矿业”“矿山工业4.0”的内涵与具体表现，其总体框架如图2所示。

图2 “互联网+矿业”“矿山工业4.0”框架

“互联网+矿业”“矿山工业4.0”框架包含四个方面的主体内容。

1. 以矿山工业安全、高效、绿色、可持续发展目标为指引。矿山工业安全、高效、绿色、可持续发展目标是坚持“以人为本、全面协调可持续”发展理念的具体体现，是矿山工业一直以来不变的主题，也是矿山工业能够稳定、健康、良性发展的基础和前提。“互联网+矿业”“矿山工业4.0”是利用创新的思维和先进的技术推动行业变革和发展，其核心仍是“以人为本、全面协调可持续”的科学发展观，矿山工业安全、高效、绿色、可持续发展这一最终目标要始终贯穿“互联网+矿业”“矿业工业4.0”发展全过程。

2. 明确“高度网络化、大数据化、协同工作、分布式服务”的战略主题。高度网络化使矿山工业设备与设备、设备与人、人与人之间高效互联，信息广泛共享。是“信息快速传递、连接一切”这一“互联网+”主要特征与矿山工业深度融合的必然结果，是实现矿山工业高效化的基本保障。

大数据化利用大数据技术挖掘分析海量矿山数据，给矿山工业从安全生产到产业布局决策提供数据支撑。

协同工作使矿山企业采矿、掘进、机电、运输、通风、安全等部门，瓦斯、水文、矿压等监控监测系统，设备管理、危险源预测预警、生产调度等安全生产技术管理系统协同配合工作，充分利用互联网优势，达到“1+1>2”的效果。

分布式服务突破时间和空间的限制，打破传统“矿山”的界限，通过建立统一的行业设备、技术和工程服务平台，实现资源的优化配置；基于统一平台，提供分布式的专家技术服务，节省了时间和经济成本。

3. 支撑技术为底层基础。充分发展利用物联网技术，具备智能感知采掘环境、采集传输数据、自动化控制、远程监控监测和诊断的智能矿山装备甚至工业机器人[19]得以利用；统一网络传输标准，使瓦斯、通风、矿压、水文等监测系统，排水、供电、运输提升等监控系统，机电设备管理、调度通信、工业电视等安全生产技术管理系统得以有机汇接，实现信息共享；利用云计算和大数据技术，对矿山海量数据进行挖掘分析并及时响应，为矿山各管理层面决策提供数据支持；建立统一的矿业协同平台，使矿山采矿、掘进、机电、运输、通风、地测水文等部门协同工作，使矿业领域内专家远程实时介入企业生产，打破信息孤岛，实现矿山工业的协同工作和分布式技术服务，提高企业效率。

4. “互联网+矿业”“矿山工业4.0”的具体表现。“互联网+矿业”及“矿山工业4.0”是从生产技术、企业管理到产业协作、行业决策的顶层设计，表现特征如图3所示。具体体现为：(1) 矿山工业生产智能化。要求实现矿山装备智能、统一网络传输标准、可靠的远程监控监测、统一平台的数据仓库、大数据分析技术，形成数字化、可视化、智能化的生产调度指挥中心，达到安全、少人、高效的智能生产模式。(2) 矿山工业管理高效化。要求以互联网技术建立自动化办公平台，以互联网思维转变传统矿山组织结构和管理模式，实现矿山企业人力资源管理、财务管理、物资管理、项目管理等办公自动化，企业组织更加扁平，达到企业管理提质增效。(3) 矿山产业互联化。要求改变固有的思维模式，重塑矿业产业链结构，以市场为导向，以数据为支撑，信息共享，建立新型的行业生态和灵活的上下游关系。(4) 矿山行业决策数据化。决策数据化体现在两个层面，一是矿山企业的生产技术和企业管理决策，要求以信息融合技术渗透到生产、安全和管理各个层面的决策系统，完成从经验决策到数据决策的转变；二是矿山行业的宏观决策，要求以云计算和大数据技术为支撑，建立智库决策系统，以大数据引导产业布局，使资源配置最优。

图3 “互联网+矿业”“矿山工业4.0”的表现特征

四、 “互联网+矿业”“矿山工业4.0”的关键问题

(一) 管理模式的创新与转变

“互联网+矿业”“矿山工业4.0”是在信息网络技术、矿山物联网技术、云计算与大数据技术、矿业协同技术推动下的矿山工业的产业革命，是利用信息化与矿山工业的融合创造出矿业行业新的先进生产力的过程，这一过程中，旧有的管理模式势必要不断地转变与创新，研究以现代管理制度为基础的、适应新型生产和组织关系的管理模式势在必行。

(二) 矿山工业信息化标准的建立

矿山工业生产智能化、管理高效、产业互联、数据化决策要求矿山企业从数据采集、传输到数据存储、分析、发布实现信息共享和协同工作，其中各环节的标准化建设是实现上述设计的基础。基于既有的国家和行业标准规范的基础上，制定从底层应用到行业顶层设计的矿山信息化标准体系。

1. 矿山工业应用层系统标准。包含采矿、掘进、机电、运输、通风等基础应用层系统信息化标准。

2. 矿山工业传输层系统标准。包含工业以太网、IP网、矿山移动通信等，实现各系统的标准规范和接口统一，便于矿山网络的规划、建设、运行和维护。

3. 矿山工业数据存储层系统标准。包含数据元、数据库规范、数据类型分类等标准，为各系统信息交互和共享提供平台。

4. 矿山工业信息安全标准。包含应用层、传输层及存储层的系统安全标准，确保整体矿山信息系统的安全、稳定、可靠运行。

5. 矿山工业信息化建设总体规范标准。包含信息化建设各类基本概念定义、总体规范指南等，指导矿山信息化建设工作。

(三) “互联网+矿业”“矿山工业4.0”支撑技术的发展

“互联网+矿业”“矿山工业4.0”战略构想最终要依靠先进的矿山信息化技术的推动和发展。利用物联网技术研发智能化、自动化的矿山装备，实现井下的少人、无人工作模式；利用先进的地球物理技术结合大数据分析，实现对矿区地层环境的整体感知和诊断；利用高精度传感器结合信息网络技术，实现对重大危险源的预测预警；利用协同管理平台结合现代化管理制度，实现矿山的高效管理调度。

(四) 基于云的矿业协同大数据平台的建设

矿山企业的生产和管理是采矿、掘进、机电、运输、通风、安全、监控监测及调度等多专业多部门协同配合、综合处理的工作模式。各部门的生产信息不断累积且被多系统共享，因此各系统均不能孤立存在，必须基于统一的网络平台，实现协同工作。建立基于云的矿业大数据统一平台，实现矿山企业各层面、各系统的联动与协同配合，达到安全、高效生产的目的；充分利用云计算与大数据技术，优化配置行业资源，通过数据引导矿山工业产业链延伸、延展；引导产能调控，为矿山工业发展决策提供数据支撑。基于云的矿业协同大数据平台架构如图4。

图4 基于云的矿业协同大数据平台

1. 矿山安全智能运营。基于云的矿业协同大数据平台要实现矿山安全智能生产系统及管理系统的自动化和智能化，使各子系统在统一平台的标准上，信息共享，协同工作。在数据采集、传输、存储、分析标准化的基础上，实现采矿、掘进、机电、运输、通风、地测、水文、安全、监控监测等部门协同配合，保障矿山企业生产安全、高效；利用信息技术、传感器技术、故障诊断技术实现矿山装备的自动化控制和管理，打造少人甚至无人矿山，推动矿山企业由安全向本质安全转变；基于统一平台，信息共享，实现供应管理信息的集成，矿山物资计划闭环管理，使矿山物资供应库存合理、资金高效运转，企业提质增效。

2. 大数据分析中心。大数据的价值体现在针对矿山提出的专业服务、技术支持及行业决策上，如图5所示。挖掘和释放大数据资源的潜在价值，发挥数据在我国矿山行业中的战略作用，提高我国矿山信息化核心竞争力。在掌握海量数据的基础上，对数据分类管理，对企业生产技术数据进行深度的挖掘分析，实现矿区整体开采环境诊断、区域地质环境分析预警，瓦斯、矿压监测预警等。分析企业运营数据，优化企业的营销链和产业链，促进行业产业链的优化和重组。

图5 “互联网+”时代大数据价值

3. 综合调度平台。基于分布式的网络环境，搭建综合调度平台，实现技术、设备和工程服务协同，针对矿山企业在生产中遇到的问题，使行业内的专家远程无缝介入企业生产，提供技术服务。通过平台，配置矿山设备和工程服务资源，使企业以最低的成本获得最优的解决方案。

4. 智库决策。利用互联网技术，建立远程协作中心，使行业内的智力资源能够在更加广域的范围发挥作用；利用平台的数据信息资源，给矿山企业各层面技术决策提供支持；基于大数据平台，给行业宏观产能调控提供数据支撑；基于统一平台，通过不同等级的权限设计，实现从矿山企业集团公司到各级政府安监部门的切实有效的安全监管。

五、 结论

“互联网+”“工业4.0”战略给矿山工业转型和升级提供了发展思路，以矿山工业安全、高效、绿色、可持续发展为目标，利用云计算、大数据、物联网及矿业工程专业技术，打造矿山工业高度网络化、大数据化、协同工作、分布式服务的“互联网+矿业”“矿山工业4.0”模式是今后矿山工业的发展方向。“互联网+矿业”“矿山工业4.0”战略规划要求努力寻求矿山信息网络技术、矿山物联网技术、矿山云计算与大数据技术、矿业协同技术等支撑技术的突破和发展，创造与新型矿山工业相适应的网络化管理模式，建立高度集成的一体化系统平台，实现矿山企业各部门、各系统信息共享、协同工作，为矿山工业的决策提供技术支持。深入研究分析矿山工业大数据，优化资源配置，实现矿山工业产业链的优化和重组；发挥矿山工业大数据宏观作用，为国家矿山工业产能调控及行业决策提供数据支撑。预计“十三五”期间将建成一批生产智能化、管理高效化、产业互联化、决策数据化的现代化矿山企业示范工程，在未来十到十五年内，全面迎来“互联网+矿业”“矿山工业4.0”时代。

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Connotation, Framework and Critical Issues of Mine Industry 4.0 and Internet Plus Mining

WANG An1，YANG Zhen2,3，ZHANG Nong2,3，WU Xiang2,3，YAO Wenli2,3

(1. China International Engineering Consulting Corporation, Beijing 100048, China;2. School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Although global industrial production has been slow since the beginning of the twenty first century, a new idea of development named “internet plus mining industry” and “mining industry 4.0” has emerged and been guiding the formation of the new global industry order. Internet plus mining industry and mining industry 4.0 characterized by high-degree networking, large-volume digitalization, cooperative work and distributed service is the road leading to safe, efficient, green and sustainable development for mining industry, and it serves as the new direction of the mining industry development with future certainty. The strategic framework and specific deployment model encompasses one ultimate goal, one strategic theme, four supporting technologies, and four concrete representations. The key problems to be solved include changing and innovating the management mode, establishing an informatization standard system, developing information supporting technologies, and creating a cooperative big data platform for mining industry etc. The realization process is an all-round transformation and upgrade of mining industry from perspectives of manufacture technology, enterprise management to industrial chains combination and industry deployment. The mining industry revolution launched by internet plus and industry 4.0 will finally realize the described intelligent manufacture, efficient management, interconnection and big-data based decision making.

informatization; internet plus mining industry; mining industry 4.0; big data of mining

2016-09-23

国家自然科学基金面上项目(项目编号：No.51174193)；国家自然科学基金青年基金(项目编号：No.51004102)。

王 安(1958-)，男，内蒙古凉城人，中国工程院院士； 张 农(1968-)，男，安徽金赛人，教授，博士生导师； 杨 真(1978-)，男，山西大同人，教授，博士生导师。

TD801

A

1009-105X(2017)02-0054-07