大数据时代下矿山开采的智能化技术研究分析

刘瑞 厉彦凤 山东科技大学

随着物联网、云计算等新一代的信息技术逐渐的兴起，以深度感知、深度互联和智能应用为特征的智慧地球概念也诞生了。结合3S（GIS、RS、GPS）、物联网技术、云计算、大数据及互联网+的发展，本文基于智能地球的思想，研究了智能矿山的内涵、结构、关键技术和途径，旨在构建智能矿山工程的理论框架和方法体系。受全球信息发展的“智慧星球”影响，采矿业已转向自动化采矿和无人采矿。

1 矿山工程及其信息化发展历程

矿山工程是以矿产资源为基础，在矿山进行资源开采作业的过程，包括井塔、卷扬机、压风机、通风机等地面工程，以及井巷、硐室等地下工程经过几十年发展的采矿系统，已经深入采矿工程的各个领域，如矿山地质系统、矿山规划与设计系统、矿山生产工艺系统、矿山管理系统等。采矿工程作业于地下百米甚至千米，涉及范围广，作业面分散，影响因素多。矿山企业生产环境严酷，生产项目不确定和生产方式传统的短处普遍存在。因此，有必要使用信息技术。

归纳来说，矿山综合自动化、数字化是智慧矿山的基础。自动化系统通过自动化技术实现了无人采矿和遥控采矿。智能是以高度的信息、自动化、智能化和高效、安全的矿山开采为代表的。智能矿山、感知矿山、智慧矿山是数字矿山、矿山综合自动化等概念的升华。目前，随着自动化和数字化的发展，矿山信息化正迎来智能化时代。

2 智慧煤矿关键技术及发展路径

2.1 物联网、大数据及人工智能、云计算技术支撑的智慧矿山

智慧煤矿是在数字化煤矿基础上提出来的，智慧煤矿与数字化煤矿的区别就在于它应用了物联网、大数据及人工智能、云计算3项关键技术解决系统架构和互通、数据处理决策及高级计算问题。智慧煤矿在数字化煤矿的 DCS、MES 和 ERP3 层架构基础上，升级为基于云计算和物联网为核心的智慧决策支持平台。3项技术的研究及应用程度直接影响智慧煤矿的发展水平。

2.2 基于互联网+的物联网平台

基于互联网+的物联网是智慧煤矿的信息高速公路，将承担大数据的稳定、可靠传输任务，起到了精确、及时上传下达的作用，决定了智慧煤矿系统整体的稳定性和可靠性。因此，智能煤矿的物联网平台必须包含准确定位、协调一致、统一指挥和综合地理信息整合的特征。

目前的精确定位技术有 RFID 定位技术、Wifi 定位技术、蓝牙定位技术、Zig Bee 定位技术和超宽带定位技术等。每种定位技术各有优缺点，Zig Bee定位技术和超宽带定位技术以各自在定位精度和时间分辨率方面的优势将会是未来井下无线定位的发展方向。

2.3 大数据处理及人工智能技术

智慧煤矿的核心技术之一便是大数据的挖掘与知识发现。大量传感器的应用必将产生海量的数据，数据的规模效应给存储、管理及分析带来了极大的挑战。需要充分利用大数据处理技术挖掘数据背后的规律和知识，为安全、生产、管理及决策提供及时有效的依据。

人工智能是近年来发展最为迅速和最为热门的科技领域之一，它是在大数据处理的基础上研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法和技术。从原来的自动规划、语音识别到最近的谷歌人工智能 ALPHAGO、人脸识别等都属于这一范畴。深度学习是人工智能(智慧化) 的核心； 能够实现系统自主更新和升级是其显著特征。智慧矿山要成为一个数字化智慧体就必须要有深度学习能力。

2.4 机器人化智能开采系统

机器人化开采是建立在煤炭赋存条件精准感知、截割轨迹精准调控、机器人群组精准配合和矿山压力精准预警的“四精准”基础之上的。机器人化智能开采系统通过装备的拟人化完成工作面的破煤、装煤、运煤、顶板支护和采空区处理等 5 个关键环节的无人智能生产，采煤机截割轨迹和截割高度自动调整，液压支架自动调整初撑力及安全阀开启压力满足开采空间的安全维护，刮板输送机自动调直保证工作面平整，采煤机和带式输送机运输速度协调统一，实现机器人群组的智能感知、精准控制和群组协调。

3 未来智慧煤矿目标及情景描述

3.1 智慧煤矿目标

智能煤矿的发展是一个持续改进的过程。随着科学技术水平的提高，智力程度将不断提高。目前正处于从数字煤矿到智能煤矿的过渡时期。智能煤矿的发展目标可分为三个阶段：

智能开采的第一阶段：针对混合型系统的初步设计，对个体系统的智能选择，以及对一些重要部门如采矿业和交通等，达到一个系统和岗位的无人作业。目前，部分先进矿井已达到一期目标。智能煤矿第二阶段的目标：构建多系统信息融合的智能煤矿综合框架，实现工作面开采、主煤流运输等系统的区域智能决策和自动协同作业，实现采掘面的无人作业。智能煤矿三期目标：为整个煤矿和整个矿区建设一个多单元、多产业链、多系统的一体化智能煤矿系统，全面实现生产要素和管理信息的数字化、准确实时采集、实时传输和可视化。采矿、采掘、运输、通信、洗选等主要生产环节的智能决策和自动化操作，实现了“全矿井无人作业”的目标。

3.2 物联网、大数据及人工智能、云计算技术支撑的智慧矿山

如前所述，智慧煤矿是在数字化煤矿基础上提出来的，智慧煤矿与数字化煤矿的区别就在于它应用了物联网、大数据及人工智能、云计算3项关键技术解决系统架构和互通、数据处理决策及高级计算问题。智慧煤矿在数字化煤矿的 DCS、MES 和ERP 3 层架构基础上，升级为基于云计算和物联网为核心的智慧决策支持平台。3项技术的研究及应用程度直接影响智慧煤矿的发展水平。

3.3 智慧煤矿评价和技术标准体系

根据矿井煤层赋存条件、建设条件、生产目标、效益要求等，提出被评价矿井的合理智慧煤矿建设标准。基于该标准对上述评价指标体系的各评价指标值进行优先度排序，结合层次分析法确定各评价指标的权重值。采用模糊系统理论建立智慧煤矿系统的评价因素集、权重集及评价结果集，采用模糊综合评判方法对矿井的智慧程度进行综合评判，确定矿井的综合智慧程度。

4 结论

物联网、大数据及人工智能、云计算是智慧煤矿的三大支撑，在数字煤矿的 DCS、MES 和EPR 3层架构基础上升级为基于云计算和物联网为核心的人工智能决策支持平台。在此平台上开发应用智能化技术和装备，是智慧煤矿建设的要务。智慧煤矿建设要坚持科学的设计和评价方法，建立规范的指标体系和标准，实现多要素、多产业链、多信息、多系统融合，智能化决策与自动化运行的未来煤矿新模式。