智能化煤矿信息基础设施标准体系研究

张建明，曹文君，王景阳，杨 扬

(1.中国煤炭工业协会，北京市朝阳区，100013;2.中煤电气有限公司，北京市顺义区，101300)

0 引言

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[1]。2020年2月，国家发展改革委、应急管理部、国家能源局、国家煤矿安全监察局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部等八部门联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出我国煤矿智能化建设的3个阶段性目标：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；并要求强化标准引领，开展煤矿智能化标准体系建设，提升基础保障能力。

煤矿智能化建设是新一代信息技术与煤炭开发利用的深度融合。当前，煤矿智能化建设尚处于初级阶段[2]，存在建设理念不够清晰、标准规范缺失、数据烟囱林立、信息难以共享等问题。王国法院士等在详细分析煤矿智能化标准现状的基础上，构建了煤矿智能化标准体系框架，提出了煤矿智能化标准体系建设路径[3]。信息基础设施是煤矿数据采集、传输、计算、应用、管理的基础，涉及通信、网络、平台、模型等多方面内容，能够为煤矿的开采、掘进、机电、运输、通风、选煤等环节提供信息化基础支撑。为此，笔者在文献[3]提出的煤矿智能化标准体系基础上，围绕数据规范、通信接口、信息安全等重点要求，深入研究了智能化煤矿信息基础设施的标准体系，以期为煤矿智能化相关标准的制修订提供参考和指导。

1 煤矿信息基础设施

煤矿智能化是新一代ICT技术与煤炭开发利用的深度融合，煤矿信息基础设施是煤矿智能化建设的底层支撑。当前，由于缺少行业标准，现存的各个信息系统互联互通难度大，各种设备接口不统一，严重制约了数据的流通和协同。因此，非常有必要建立统一的数据规范和通讯接口，并提升智能化煤矿的信息安全性、系统灵活性和可扩展性。

《煤矿智能化建设指南(2021年版)》在煤矿智能化建设目标、总体设计、建设要求和建设内容中均提出了信息基础设施方面的要求，具体如下[4]所述。

井工煤矿应统筹建设网络系统和数据中心，打通数据传输和利用通道。其中网络基础设施包括但不限于办公区网络、生活福利区网络、工业控制网络、视频监控网络、安全监控网络、无线网络和融合调度通信系统，鼓励开展5G+矿山物联网系统建设；大数据服务中心应统一数据采集、传输、存储和访问接口标准，构建煤矿数据治理体系，并形成模型库和知识库。

露天煤矿应结合生产工艺流程，应用自动控制、智能感知技术对生产设备设施进行数字化改造，完善工业网络及信息安全建设。在智能感知方面要实现矿山环境数据、采矿装备状态信息、工况参数、移动巡检数据等的全面采集；在网络建设方面要实现主要办公区、主要采区、受控区域、装备作业区等重点区域的网络全覆盖。

2 信息基础设施标准体系框架

智能化煤矿信息基础设施标准体系包括基础标准、通信网络标准、煤矿物联标准、煤矿数据标准、信息安全标准等5个子体系。智能化煤矿信息基础设施标准体系框架结构如图1所示。

从图1可知，基础标准包括术语定义、通用要求、管理标准；通信网络标准包括有线通信、无线通信、网络系统；煤矿物联标准包括标识解析、设备互联、边缘计算；煤矿数据标准包括数据交换、数据分析、数据管理、数据服务；信息安全标准包括数据安全、网络安全。

图1 智能化煤矿信息基础设施标准体系框架结构

3 信息基础设施标准内容

目前，煤炭行业已经启动了煤矿智能化标准体系的建设工作。信息基础设施作为智能化煤矿建设的重要组成部分，相关标准立项和制定工作也已经开始[5-7]。按照智能化煤矿信息基础设施标准体系框架结构，笔者给出目前急需制定的相关标准内容。

3.1 基础标准

基础标准子体系主要是规范智能化煤矿信息基础设施的通用性要求。目前急需制定的相关基础标准内容见表1。

表1 急需制定的相关基础标准

(1)术语定义标准：主要规范信息基础设施的相关概念，此部分内容可包含在文献[3]的煤矿智能化术语定义中。

(2) 通用要求标准：主要规范信息基础设施的功能、性能、安全、可靠性等方面要求。

(3)管理标准：主要规范信息基础设施的建设、验收、运行、维护等方面的管理要求。

3.2 通信网络标准

通信网络标准子体系主要规范智能化煤矿通信和网络的要求。目前急需制定的通信网络标准内容见表2。

表2 急需制定的相关通信网络标准

续表2

(1)有线通信标准：主要规范工业以太网、F5G等有线通信的硬件接口形式、通信协议规范，带宽、速率、时延等分级指标要求，以及性能、安全等方面要求。

(2)无线通信标准：主要规范5G、WiFi6等无线通信的频谱使用规范、发射功率要求、天线指标参数、通信协议规范，带宽、速率、时延等分级指标要求，以及性能、安全等方面要求。

(3)网络系统标准：主要规范煤矿通信网络的通信方式、网络架构、通信协议、硬件接口、指标参数规范，井上、井下骨干网络的带宽、速率、时延等指标等级规范，骨干网络容灾能力，下级网络带宽、速率、时延等指标等级规范，网络传输端到端速率、时延指标要求，以及性能、安全等方面要求。

3.3 煤矿物联标准

煤矿物联标准子体系主要规范煤矿设备的互联要求。目前急需制定的煤矿物联标准内容见表3。

表3 急需制定的相关煤矿物联标准

续表3

(1)标识解析标准：主要规范煤矿生产过程中的“人、机、环”状态信息的编码与描述要求，包括时间、位置、传感数据、指标参数、状态等信息，并规范相应的采集、解析、处理和应用要求。

(2)设备互联标准：主要规范各类设备互联需要的操作系统、接口协议等方面的要求，包括多系统之间交互信息的编码标准、连接服务要求、数据接口要求以及信息交互协议要求等。

(3)边缘计算标准：主要规范煤矿设备边缘端的数据采集、数据处理、边缘设备计算能力、云边协同等方面的要求，包括边缘端针对主要子系统的计算服务范围、相关业务数据的处理能力要求与边界、边缘端的服务能力等级评价等内容。

3.4 煤矿数据标准

煤矿数据标准子体系主要规范煤炭企业数据存储、交换、分析、管理、服务等要求。目前急需制定的煤矿数据标准内容见表4。

表4 急需制定的相关煤矿数据标准

(1)存储交换标准：主要规范数据存储以及各种系统之间数据交换的互操作、性能等方面的要求，以及数据存储规模、存取速度、系统响应时间、系统接入能力、信息交互能力等评价指标。

(2)数据分析标准：主要规范数据分析流程、不同场景下数据分析方法等方面的要求，以及数据分析算法、模型、业务场景模型的能力评价指标。

(3)数据管理标准：主要规范数据的存储结构、数据字典、元数据格式、数据表结构、数据质量、生命周期管理等方面的要求。

(4)数据服务标准：主要规范提供数据服务的能力，包括数据分析服务、可视化服务等方面的要求。

3.5 信息安全标准

信息安全标准子体系主要规范信息基础设施中的数据安全、网络安全等要求。目前急需制定的信息安全标准内容见表5。

表5 急需制定的相关信息安全标准

(1)数据安全标准：主要规范数据的安全防护要求及分类分级等管理及技术要求。

(2)网络安全标准：主要规范边缘设备、现场设备、工业网络的信息安全方面的要求。

4 结语

智能化煤矿信息基础设施标准体系是煤矿智能化标准体系的重要组成部分，鼓励煤炭生产企业先行创新性探索制定企业标准，为制定行业标准奠定基础：一是制定统一的设备接入接口和协议标准；二是围绕煤矿生产、机电、安监、环保等要求，制定智能化煤矿统一数据编码；三是制定统一的工业信息化模型标准，规范设备编码、设备数据釆集、二次计算等；四是制定统一的集成规范，包括应用风格设计规范、应用移动端APP融合集成规范、用户管理规范等。