基于工业互联网的智能矿山研究与设计

李首滨，刘道园

(天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013)

当前，全球矿业发展进入全新历史阶段，在生产成本、生产效率、作业安全、创新能力等方面面临多种挑战。传统煤矿产业发展存在效率低下、创新能力不足、资源配置单一、成本难以控制等问题，这些问题是建设智能矿山亟需突破的瓶颈。工业互联网的提出使智能矿山建设遇到前所未有的机遇。将工业互联网技术应用于煤矿，使其成为与煤炭行业紧密相关的一个全要素、全产业链的互联体系，将数字化全面连接煤炭生产、选煤加工、运输、销售、使用以及安全监管、企业决策、生态影响等方面；推动传统产业改造提升，推进“互联网+”，促进智能化技术与煤炭产业融合发展，加快工业互联网、人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，对推进煤炭行业转型升级、促进煤炭工业高质量发展具有重要意义。

1 我国智能矿山发展现状

从我国国情出发，目前以及未来很长一段时间内，煤炭都会是我国的重要能源。煤炭开采存在条件复杂、灾害威胁严重等问题，为了提高煤炭开采效率、减少煤炭行业从业人员的伤亡率、保证煤矿安全生产，我国一直致力于智能矿山建设，不断加大数字矿山、智能矿山建设的投入力度。但从目前来看，煤炭智能化发展还存在较多的制约性因素：一是当前井下互通、井下与地面通讯网络带宽、速率、实时性等能力建设相对滞后导致数据传输能力不足；二是缺乏统一的数据接口和标准,致使各信息系统之间数据无法关联与融合，导致数据汇聚不足,存在信息孤岛问题；三是灾害监测缺乏有效的预警机制导致应急响应被动滞后等。传统煤炭产业发展目前处在瓶颈期，主要体现在创新能力不足、资源配置单一以及成本难以控制3个方面。

2019年3月，政府工作报告提出，推动传统产业改造提升，打造工业互联网平台，拓展“智能+”以及促进新兴产业加快发展，推进“互联网+”，推动传统产业与新兴产业融合创新[1]。2020年3月，8部委联合发布《推动煤炭行业智能矿山建设指导意见》指出，到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿；到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化；到2035年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系[2]。

工业互联网是制造业数字化、网络化、智能化的重要载体，也是新一代信息通信技术与现代工业技术深度融合的产物，已经成为全球新一轮产业竞争的制高点[3]。将工业互联网与人工智能、新一代通信技术、大数据、区块链、边缘计算、精确定位与导航、虚拟现实等智能技术和信息化技术相结合，深化改造并重塑矿山各核心生产环节，实现矿山全链条的智能化与协同化，从而达到矿山经营处于高效、安全、绿色、和谐及经济效益最优的目标[4]。

2 工业互联网平台建设意义与目标

工业互联网平台其本质是在传统云平台的基础上叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术，构建更精准、实时、高效的数据采集体系，建设包括存储、集成、访问、分析、管理功能的智能平台，实现工业技术、经验和知识的模型化、软件化、复用化，以工业APP的形式为企业各类创新应用，最终形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的工业生态[5]。

建设工业互联网平台可以汇聚与重构矿山全要素全过程全产业链的数据、算法、模型、组件、技术、产品、专业解决方案等创新资源，打造煤炭工业“智慧大脑”，突破一批具有国际领先水平的煤矿智能化基础理论、关键技术和工业软件，形成一体化综合解决方案和行业智慧矿山赋能生态体系，引领煤炭工业高质量转型发展。

打造煤炭工业互联网平台，通过工业互联网技术使煤炭产业(煤矿+电厂+煤化工+选煤+现代物流)进行有机联动，实现全产业链的真正融合，最终实现基于“共生、共创、共赢”的数字生态共同体，打造矿山的“五化”：煤机智能化、“安管营”决策化、产销一体化、地企和谐化、环境绿色化，协同运转点亮矿山新型数字生态，助力整个煤炭行业经济高质量发展。

3 工业互联网平台建设具体内容

工业互联网是煤炭产业向数字化、智能化转型的重要支撑，本节结合智能矿山的最终形态对工业互联网平台的具体建设内容进行了积极探索。通过基于工业互联网定义的智能矿山的整体架构、业务架构和技术架构给出工业互联网平台建设的具体内容。

3.1 智能矿山网络体系及其架构

基于工业互联网平台的智能矿山网络体系及智能化架构如图1所示。

图1 基于工业互联网平台的智能矿山网络体系及智能化架构

基于工业互联网平台的智能矿山网络体系及智能化架构是基于“云、雾、边”三级弹性体系架构。其中，边缘端通过井下各种传感器设备实时采集井下环境和设备运行状态数据，并通过5G基站向雾端传递，未来边缘端会加入边缘算力控制器和显示屏(安装组态软件、前端识别或者判别软件)，从5G基站到前端的各种传感器构成一套自运行智能化的控制体系，可以做到有人巡检、无人值守；雾端会在采、掘、运等每一个基站加入MEC(移动边缘计算)形成雾运算中心；云端是一个整体数据计算、管理中心，包括租户管理、平台管理、云雾边管理等。打造工业互联网平台，可以形成自顶向下全面赋能、自底向上多点支撑的双向循环体系，具体建设内容如下。

(1)建设数据中台。需要对井下各设备数据实行统一接入、统一存储并进行数据建模，将数据模型服务化，形成数据中台。该数据中台将各子系统的数据进行统一分析和处理，解决传统煤矿系统容易形成的数据孤岛等问题，实现生产、安全、运营等多个系统的信息联动和自动化协同运行，具备数据采集、汇聚、融合、治理、评价的平台能力，即可以纵向打通井上、井下数据链。

(2)建设云网融合平台。一是将云平台和5G网络进行融合，对AI智能化设备、雾端、电源等统一控制，达到联动控制的目的；二是根据业务场景需要，通过开发平台开发软件应用形成一套应用超市，并对前端设备进行赋能；三是对矿山总体生产安全概况以及相关信息提供综合展示，使相关负责人员实时了解到第一手信息；四是基于接入设备形成统一融合调度。

(3)建设AI核心平台。基于云网融合平台和数据中台对各过程采集的各类数据进行融合，通过机器学习、深度学习、神经网络、人工智能等技术为单个设备赋能，提供辅助决策分析，使其具备智能化，进一步保障安全、节能降耗、绿色高效，即实现“点”的智能化。

(4)建设业务中台。基于数据中台和AI核心平台，通过BPM(企业业务流程总线)将采、掘、运联动形成业务中台。基于业务中台的众多模型，开发移动应用程序APP。搭建业务中台，可以横向打通矿山系统与系统之间联动服务，即实现“线”的智能化。

将业务中台的不同控制模型做成组件，n个组件、n个算法、数据中台、业务中台、AI核心平台、云网融合平台等形成最终的组件和算法的集合，向下接入各种智能设备、传感器、系统等，向上提供开发平台和工具，最终形成工业互联网平台，即形成“面”的智能化。

3.2 业务架构

以“9统一”“3中台”为基础，将矿山大数据技术、云计算技术、矿山机理模型、矿山智能装备、经营管控、感知网络等有机地结合在一起，形成新型的煤炭工业互联网平台。基于工业互联网平台的智能矿山业务架构如图2所示。

图2 基于工业互联网平台的智能矿山总体业务架构

其中，统一顶层设计可以提出一体化解决方案，上下游协调达成一致，避免系统间功能重复和数据不一致，避免产生新的信息孤岛；统一数据、统一接口规范可实现煤炭工业智能化系统基于“数据”层面的相互理解，系统之间能够实现无缝互连，满足应用即插即用；统一开发框架，可以实现智能化矿山APP应用在不同软硬件环境进行移植，赋能智能矿山建设全系统、全要素等。“9统一”也是工业互联网平台建设的重要内容，实现“9统一”可以使整个系统具有兼容、开放、共享、互连、协同、智能等特点，同时增加系统的灵活性和可扩展性，有效规避信息孤岛等问题，使整个煤炭开采更高效。

3.3 技术架构

以智能矿山业务架构为导向，基于工业互联网平台的智能矿山技术架构如图3所示。

图3 基于工业互联网智能矿山总体技术架构

基于工业互联网平台定义的智能矿山技术架构分为边缘层设备感知层、IaaS基础设施层、PaaS数据服务层、SaaS应用层。边缘层设备感知层通过井下系列传感器、控制器、智能终端等实时监测煤矿环境、设备运行状态、管控等数据，向上传输给laaS层；laaS基础设施层可以提供硬件平台，用户可以部署和应用任意操作系统和应用软件；PaaS数据服务层提供数据分析和应用开发框架；SaaS应用层可根据不同需求提供相应软件服务。

(1)边缘层设备感知层。该层是整体架构的最底层，承担信息采集的角色，是最基础也是最核心的部分。建设边缘层对井下设备进行改造升级，增加各种传感器，可实时获取井下生产、管控、安全环境监测等数据并进行统一存储和分析；增加控制器可实现对井下设备的远程控制；设备终端和控制器端应用5G技术，利用其低延时、大带宽等特性实现井下海量数据的实时传输，为后续工作提供有利支撑。

(2)IaaS基础设施层。该层提供所有计算需要的基础设施，包括处理CPU、内存、存储、网络和其他基本的计算资源，根据PaaS层的运算需要部署和运行相应的软件，包括操作系统软件和应用程序软件等[6]。煤炭企业使用laaS基础设施层时，可以直接部署运行相关系统和软件，不需要考虑底层的硬件等基础设施。

(3)PaaS数据服务层。该层具备多类型数据采集，大数据处理、存储、检索和交互控制，实现全矿井数据资源的统一管理、维护和调配，为SaaS应用层提供统一应用服务接口和应用支撑[7]。煤炭企业利用PaaS数据服务层对井下的生产数据、环境监测数据、管控数据等统一汇总、统一存储，各系统之间的数据融合可以有效解决信息孤岛等问题。

(4)SaaS应用层。该层可以为煤矿各个生产环节的不同需求以及各类业务提供相应软件服务。利用SaaS应用层搭建智能矿山的综合管控平台，对下层数据进行实时的分析、处理，实现安全生产闭环管理，包括安全预警、故障诊断在内智慧决策支持以及对矿山统一调度管理等功能。

4 基于工业互联网的智能矿山建设

4.1 智能矿山基本建设思路

真正意义上的智能矿山建设本质上是将数据、算力、算法赋能设备和企业推动整个智能矿山的工具革命和决策革命。工业互联网作为建设智能矿山的关键技术，推动整个煤炭产业实现有机的联动、优化资源配置效率，最终实现数字生态共同体以及产业链的真正融合。智能矿山的建设思路主要分为5步。

(1)第一步是算力及容灾体系建设。通过矿端私有云结合公有云服务，建设混合云平台，打造较全面的数据级容灾和基本的应用级容灾体系，并且向体系内相关应用提供弹性的算力支撑。每个矿一套CPS核心控制网络、一套智慧大脑。管控所有煤矿采、掘、机、运、通、给排水、供电、网络、地测、水文、储量、安全、机电、人事、生产、技术、营销。

(2)第二步是网络体系搭建。通过运用5G+工业物联网的能力，搭建矿山的工业互联网三级弹性体系架构，形成一套“云、雾、边”体系。

(3)第三步是中台搭建。搭建数据中台业务，横向打通矿山各业务应用、纵向打通数据层面，实现横到边、纵到底的贯通。构建业务中台应用，实现隐患报警处理、分析、上报，形成业务闭环，辅助监管人员、提升监管效率、减少事故的发生。数据中台战略的执行将直接对组织数字化转型升级带来更为直接的推动作用。数据中台将帮助矿山加深对“数据服务化”的深入理解，并在深度和广度上帮助矿山提升数据价值获取能力以及数据服务能力。

(4)第四步是工业互联网平台的建设。基于中台建设AI核心平台(智慧大脑)，根据生产、安全、经营管控业务场景搭建基于工业互联网的平台，实现智能矿山各要素之间的有效关联和分析，最终实现生产、安全、人员、环境四维一体智能联动效应。

(5)第五步是整体架构升级。基于工业互联网平台慢慢推动矿山应用从传统的B/S或C/S架构向SaaS架构去转型，最终实现终端应用向微触点和移动端应用的关键转型。

4.2 智能矿山建设发展阶段

基于工业互联网的智能矿山建设可分为以下4个发展阶段。

(1)第一阶段。该阶段构建初步智能矿山系统框架，实现智能综采系统、快速掘进系统、AI主煤流管控系统等单个系统或单项技术的“点”智能化决策和运行。目前我国一些先进煤炭企业已实现智能矿山建设的初级目标。

(2)第二阶段。该阶段构建多系统信息融合的智能矿山综合架构，实现智能综采系统、智能掘进系统及智能运输系统的区域智能化联动控制，通过多种智能化技术组合，形成智能化技术群。我国大部分煤矿对智能矿山的认知及建设目标正处于此阶段。

(3)第三阶段。该阶段仅有少数煤炭企业认知到的智能矿山建设高级目标，基于智能生产、智能安全、智能管控及矿山智慧大脑，形成的“人、机、环、管”四维一体的高效、安全、绿色的矿山。

(4)第四阶段。该阶段真正意义上的智能矿山，即构建整个煤矿及全矿区、多产业链、多系统集成的智能矿山体系，将煤矿、电厂、煤化工、选煤、现代物流等煤炭上下游产业通过大数据技术、5G技术、AI技术等科技创新，把产业与技术融合并有机联动。

4.3 智能矿山建设保障措施

智能化矿山建设是一个科技创新和不断进步的过程，因此在建设过程中要根据矿井条件的不同、技术水平的不同制定不同的方案。

(1)注重顶层设计、规划先行，按照“统一规划、统一建设、分步实施”的原则，首先明确智能矿山的最终形态，确定智能矿山建设的总体规划，制定智能矿山建设实施路线，注意上下游协调互通，避免系统间功能重复和数据不一致，避免产生新的信息孤岛。

(2)传承与创新并重，充分集成已有建设成果，积累数据和知识资产，以市场为导向，拉动并满足各层级、各板块用户需求，实现应用扩展、创新和构建，全面实现传统产业与新兴技术的深度融合。

(3)基础平台、局部场景智能化建设并行，在矿山原有的业务及技术平台基础上进行建设并且要注重平台与局部协调一同建设。

(4)初级矿山到智能矿山的迭代升级，建设重点以生产、安全、经营管控为核心。

(5)要注重局部与整体协调统一共同建设，注意期间步骤。

(6)注重智能化技术的应用，应以云网融合为基础，以工业互联网为核心进行跨领域、跨行业、跨专业的综合建设，跳出传统思维定式，重新梳理，强化顶层设计和统一标准，科学编制近期、中期、远期的建设规划和实施方案，最终达到以科技创新、服务创新为基础，让技术服务目标，让目标服务时代。

5 结论与展望

目前，推动煤炭产业改造升级、调整资源配置、深化改革刻不容缓，科技创新是实现煤炭高质量发展的必然途径。搭建工业互联网平台，促进新兴技术与传统行业的融合与创新，是建设智能矿山的基础，也是目前及未来发展的必要趋势。基于工业互联网，实现煤炭行业全产业链数据和应用互联，突破传统系统建设导致的信息孤岛、数据鸿沟和应用壁垒，开发满足不同应用场景的工业APP，包括数据、算法、模型、知识库等资源的无缝调用和自由流动，从而实现创新应用，助力煤矿企业高质量发展，实现矿山快速数字化、智能化转型，最终实现数字生态共同体。