智能化矿山数据融合与应用研究

范济安，潘 睿，王竑达

(1.中国联合网络通信集团有限公司，北京市西城区，100033；2. 中国联合网络通信有限公司山东省分公司，山东省济南市，250001)

0 引言

矿山行业属于工业的一部分，遵循“自动化、信息化、数字化、智能化”发展路径。矿山智能化建设是矿山行业转型升级的重要方向。目前大中型煤矿已具备初级智能化水平，通过关键生产设备自动化，可以实现无人化作业或远程操控[1-2]。未来大型煤矿将向中级智能化矿山迅速演进，通过信息数据的融合，实现统一调度、协同化作业，并利用信息化系统助力生产运营多环节优化。2025-2035年，智能化煤矿建设预计向大、中、小煤矿全面铺开，已建成的中级智能化煤矿会向更高级的智能化目标发展。

伴随智能化矿山建设的逐步深入，数据和通信成为了发展演进的重要基础。数据可起到助力智能化决策、驱动智能化技术创新、落实矿山安全管理保障等作用；通信在横向连接生产设备及自动化控制系统以及纵向打通信息化同自动化系统壁垒方面可发挥重要的桥梁作用。当前，如何实现数据在多设备以及多系统间全面、充分、有效地融合，释放数据潜在价值，赋能生产运营等多环节应用，对智能化矿山可持续发展具有重要意义。

综合智能管控平台建设是智能化矿山数据融合的重要发展方向之一[3]。但在平台构建过程中，由于数据多源异构性和数据源通信接口标准不统一，造成数据交互共享的困难，导致“数据孤岛”“信息烟囱”等一系列问题，使得深度挖掘数据潜力存在一定困难，数据价值无法充分利用和释放[4-6]。

基于统一的数据融合规范将会成为未来综合智能管控平台建设的发展趋势，笔者阐述了数据和网络通信在矿山领域的重要作用，并基于中国联通内部的数据治理经验，就综合智能管控平台介绍中国联通对矿山行业的能力输出，同时，基于统一的数据融合规范，围绕数据和通信两大基础要素，分享了平台在金谷矿业的实践应用案例。

1 智能化的两大基础要素

1.1 数据

在智能化领域中，数据扮演着至关重要的角色。矿山行业正逐渐向更高阶段的智能化方向迈进，数据是矿山智能化应用的基础和核心驱动力，也是矿山生产、运营、安全等各环节的重要资源，对实现智能化的目标起着至关重要的作用[6-8]。

(1)数据是矿山智能化决策的基础。矿山运营涉及诸多环节，包括勘探、开采、加工、运输等。通过对终端海量数据信息的收集和分析，矿山企业可以更加全面地了解矿山的地质情况、设备状态、生产效率等信息。

(2)数据是矿山智能化技术的驱动力。当前，云计算、大数据、数字孪生、人工智能、区块链等先进技术已广泛应用在矿山智能化建设中，先进技术的演进依靠庞大的数据信息支撑，通过不断地迭代分析处理，可进一步推动自动化和信息化能力的提升，开发出两化融合类的智能应用。

(3)数据是矿山智能化安全管理的基石。矿山企业在安全管理上有着严格的要求，基于智能化技术的数据分析与研判，可对矿山环境、设备状态、作业过程等方面实现全方位的实时监测和预警，进而及时发现潜在的安全风险，采取相应的措施进行预防和控制，保障矿山领域的安全。

1.2 网络通信

网络通信在矿山智能化中扮演着重要的基础角色。网络通信的打通能够将各类生产设备、自动化系统和信息化系统有机结合，采集整合生产数据、管理数据和环境数据，保障矿山数据信息安全、准确、可靠地传输[9-10]。

(1)横向连接。网络通信通过横向连接，可实现各类生产设备及其自动控制系统之间的紧密协作。矿山生产过程中涉及到大量的设备和系统，如钻探设备、输送设备、破碎设备等。通过横向连接的通信方式，打破不同设备数据的孤立，能实现数据的传输和共享。

(2)纵向连接。网络通信通过纵向连接，将自动化系统与信息化系统紧密结合，可打通系统与不同终端设备间的数据壁垒，实现数据的实时更新和综合分析，并可深度挖掘数据信息，提供如环境检测、安全预警等多种智能化系统服务，推进智能化决策和管理。

2 《智能化矿山数据融合共享规范》解读

2.1 《规范》制定背景

当前，在矿山智能化道路演进过程中，由于缺少整体统一的数据融合规范体系约束，数据和网络通信在共享应用等方面遇到了不少的阻碍和挑战[11]。一是数据源接口标准不统一，不同设备、系统和厂商之间的数据通信接口标准存在差异，导致数据交换和数据兼容等方面存在困难；二是数据格式不统一，矿山中包括视频、文本等多类型数据，在格式、结构和编码方式上千差万别，限制了数据的共享交互；三是数据的存储缺乏统一的存储规则、存储格式要求，在存储功能需求、容灾备份和运维方面缺少整体规范；四是矿山通信的服务类型、对外通信服务的功能接口及交互操作标准缺少统一规定。

为解决上述问题，2023年6月，国家矿山安全监察局对外发布《规范》编制成果，该《规范》旨在解决矿山、装备和通信企业所面临的多个突出问题，如数据编码不统一、通信接口不兼容、传输协议不开放、系统集成难度大、智能化建设成本高等问题。通过打破数据孤岛和信息烟囱的现象，促进智能化矿山各类数据的互联互通和集中集成，为迈向高水平矿山智能化奠定坚实基础。

2.2 《规范》体系架构

《规范》从基础、支撑和应用3个维度，对数据的编码、采集、治理、安全和应用等方面加以规范，其中，数据编码规范制定了一定的分类体系、编码体系和代码元素集合，使得数据按照一定原则和方法区分、归类和编码；数据采集规范是对矿山智能化设备感知数据的采集、传输和共享等方面规范，覆盖了通信接口、服务、发现、链接、报文、配置、安全和管理等多部分；数据治理规范主要对智能化矿山数据存储、整合、分析和呈现等部分进行规范，是深度挖掘数据潜力来实现数据潜在价值的重要环节；数据安全规范规定了数据的基本安全要求、安全风险评估要求、安全管理要求、安全技术要求以及安全运营要求，对数据生命周期各阶段安全和能力等方面加以规范；数据应用规范面向AI大规模训练、机电设备检测、安控机器人、车辆管理等矿山数据共享应用需求，指导矿山行业开展智能化矿山数据应用场景构建，支撑矿山行业基于全数据互联互通、全过程融合共享的智能化全面发展。智能化矿山数据融合共享规范体系架构如图1所示。

图1 智能化矿山数据融合共享规范体系架构

3 中国联通内部数据治理案例

3.1 中国联通数据治理背景

中国联通在不同的业务领域和系统中拥有大量的数据，各类信息化系统多达1 500余种，从组织架构的角度来看，由分公司覆盖集团、省、市、区(县)等；从生产工具类型看，覆盖固网、移网、接入网、传输网和核心网等；从技术类型看，覆盖2G、3G、4G、5G、光纤、铜缆等；从市场属性来看，包括公众客户和政府企业客户等。

中国联通数据信息呈现多类型和多维度的特点，在具体实施工作中，由于建设、运行维护和使用单位各不相同，不同部门、系统、业务单元或数据源之间缺乏有效的信息共享和规范机制，数据信息在数据质量和数据处理等方面无法做到统一，因此数据信息就无法有效协同共享，造成了严重的数据孤岛现象。

3.2 中国联通数据治理举措

数据治理是中国联通数字化转型行动的重要组成部分，经过中国联通多年来的研究与探索，凝练出了“一套制度规范、一个数据中台、一套治理方法”的数据治理举措，以数据共享理念为出发点，由统一数据中台汇聚、拉通、整合和共享全域数据资源，以业务为指引，通过多技术协同共创，聚焦重点场景，深度挖掘数据潜能，全面激发生产要素活力。

(1)一套制度规范。科学的数据治理必然基于合理科学的制度规范管理体系，该体系应覆盖管理办法细则、数据治理企业标准和系统数据规范方案。其中，管理办法细则明确了各级数据治理基本原则和要求，可以帮助组织建立规范的数据治理流程，明确责任划分，确保数据治理的顺利推进；数据治理企业标准对架构设计、开发等方面提出了基本遵循；系统数据规范方案统一了企业数据语言，为特定系统或应用的开发，制定了数据规范和标准。中国联通制度规范体系如图2所示。

图2 中国联通制度规范体系

(2)一个数据中台。充分发挥中国联通集约化能力基础，构建了“湖仓一体、批流融合”的技术体系，助力打造“算力+数据+算法”三大能力核心，全面落实全域数据上云入湖，整合业务域、运营域、管理域多域数据，打通跨域数据壁垒，实现数据信息的安全共享，用一个数据中台对中国联通全业务数字化转型提供赋能。中国联通统一数据中台框架如图3所示。

(3)一套治理办法。该治理办法规范了数据管理流程，保护数据安全和隐私，促进数据共享和交换，管理数据生命周期，并强化数据治理责任。通过制定和执行治理办法，组织能够建立健全的数据管理体系，提高数据质量和可信度，推动数据驱动的决策和创新。中国联通坚持业务牵引、问题导向，开创性总结了数据治理“七步法”，指导各智慧运营团队以简化、通俗易懂的方式，全员开展本领域内的数据治理工作，依托统一数据中台，提升数据质量，实现数据从可用到好用。中国联通数据治理“七步法”如图4所示。

图4 中国联通数据治理“七步法”

3.3 中国联通数据治理成效

基于上述的方法论，中国联通取得了许多阶段性的成果，早在2012年就成立了集团级的大数据中心，旨在对分布在区(县)、地市、省、集团的各类生产与业务数据进行统一的采集并按统一的标准规范进行加工、存储、管理、服务与应用。2014年至今，中国联通在内部数据治理方面取到了突出成绩，实现了对内全方位赋能和对外千行百业的能力输出。中国联通治理阶段成效如图5所示。

图5 中国联通治理阶段成效

经过多年的研究发展，大数据已成为中国联通五大主责主业之一。对内，通过精准营销、用户维系、网络优化等多项应用，将数据要素潜在价值深度挖掘，打破横向系统壁垒，有效提高了系统组织运行效率；对外，敏捷赋能千行百业融通，实现了对工业互联网、智慧城市、数字政府、交通物流等众多行业的能力输出，在数据服务与应用方面年收入超100亿，打造了9 600余个5G+工业互联网项目，助力企业数字化转型。

4 中国联通数据治理能力输出案例

中国联通基于多年来在数据融合治理的探索，深耕矿山行业，聚焦打造了矿山智能综合管控平台，该平台承接中国联通内部数据治理经验，按照一套制度规范体系进行建设，基于一个数据融合及服务底座，有效地实现数据融通，针对矿山智能化转型需求，打造多场景平台上层输出应用，全面助力智能化矿山建设稳步向前。

4.1 矿山智能综合管控平台简介

矿山智能综合管控平台是以数据标准化、网络协同化、系统一体化和技术智能化的综合性智慧矿山建设理念为指导，采用智能控制、通信网络、空间信息、物联网、大数据分析与挖掘、三维可视化等关键技术，与煤矿应用场景深度融合匹配，建设成了集生产运行管理、智能监测控制、协同调度、安全管控、经营管理于一体的智慧化管控系统，实现数据在矿业集团、矿管公司、矿山的内部横向和纵向流通。

4.2 制度规范体系

矿山智能综合管控平台的建设通过统一的制度规范体系约束，覆盖数据采集、数据治理、数据存储、数据安全和数据服务等多个环节，规范体系主要引用了国家标准(GB)、煤炭行业标准(MT)、安全生产行业标准(AQ)和政府主管部门文件，保障了数据信息的规范性和有效性。相较于国家矿山安全监察局发布的《智能化矿山数据融合共享规范》，本平台契合整体体系架构，从基础、支撑、应用等多环节都提出了明确的、统一的规范要求，通过系统的规范约束，数据从前期数据编码开始便加以规范，在数据采集、数据治理、安全保障等环节将数据有效融通，在数据应用服务环节，实现了数据的可用和好用。矿山智能综合管控平台制度规范体系如图6所示。

图6 矿山智能综合管控平台制度规范体系

4.3 数据融合及服务底座

数据融合及服务底座基于微服务架构，包括数据融合平台、应用服务平台和技术研发平台。数据融合平台以数据架构为基础，提供数据存储、数据应用、数据分析和大数据挖掘能力；应用服务平台以统一设计的应用架构为基础提供功能完善、流程统一、体验一致的业务应用环境，提供标准接口的集成环境；技术研发平台以技术架构为基础，统一技术规范和标准，提供开发、测试、运维一体化的技术研发服务，提供如建模工具、算法编排工具、页面组态工具、流程表单等可视化低代码开发工具，支撑应用构建。

同时，数据融合及服务底座包含了“GIS一张图”和三维可视化数字孪生平台，呈现平台多种信息数据，实现数据信息更透明，数据共享应用更便捷[13]。其中“GIS一张图”基于云计算、地理信息、物联网等技术，将基础地理信息和生产信息以画面的形式进行呈现。三维可视化数字孪生平台通过信息交换和共享，将整个矿山管理的各子系统整合为有机的整体，实现矿区、建筑、室内、设备的逐级可视。

4.4 平台上层输出应用

4.4.1 数据分析类应用

数据分析工作是深度挖掘数据价值的重要环节，平台依托数据底座能力，开发了智能业务综合管理、智能业务分析等系统，进一步助力全面释放数据潜能。

智能业务综合管理系统依据企业生产经营调度管理的业务流程，采用信息化手段，实现矿及职能部门管理的有机衔接，为企业生产经营决策提供及时、准确的信息支持，为企业构建基于信息化手段的、贯穿始终的不断优化的生产控制平台。

智能业务分析系统立足于煤炭企业管理和经营职能，实现对煤矿相关生产、安全、运输、生产计划、物资统配、配煤、经营等的管理、监测、统计、分析和预测等功能，为煤矿统筹管理提供科学决策依据。

4.4.2 生产集中管控类应用

为有效促进多生产系统有效联动，打造了智能生产集中管控系统，该系统采用“全局优化、区域分级、多点协同”控制模式，以先进、智能、高可靠性的监测监控系统为基础，以泛在网络和大数据平台为主要支撑，以可视化手段将各自独立的生产系统汇聚在同一平台进行管控，建设成一个“运营一大脑，矿山一张网，数据一片云，资源一视图”的智能应用系统。

系统覆盖通风控制、供配电控制、排水监控、带式输送机集控、提升控制和压风控制等生产自动化系统，旨在打通应急广播、无线通信、安全监测监控、人员定位、融合通信、工业视频、矿压监测、电力监控、自动化系统等多个子系统间的数据传输壁垒。利用系统控制策略配置，实现各系统之间的数据互联互通、报警联动等功能。

4.4.3 设备管理控制类应用

针对智能设备的控制和管理，打造了智能机电控制系统和智能设备管理系统，以保障设备的平稳有序运行。

智能机电控制系统以工业环网及移动通信网络为数据传输通道，以综合自动化建设为基础，采用了物联网、大数据、云计算、移动互联等先进技术手段。该系统集成了智能掘进、智能采煤、智能通风、智能主排水、智能主运输、智能主提升、智能供配电、智能辅助运输、智能压风等生产自动化系统，具备矿井生产过程自动化、综合调度指挥、多系统联动、经营辅助决策多种功能。

智能设备管理系统通过信息化手段实现业务流程的数字化，开辟设备信息传递的新领域。整个系统由设备管理、设备运行管理、设备使用管理、设备巡检管理、设备保养管理、设备维修管理、设备备件管理、设备图件管理等组成，能够有效对设备进行全生命周期的监测和维护升级。

5 应用案例

承德金谷矿业有限公司(以下简称“金谷矿业”)位于承德市隆化县韩麻营镇马虎营村，是一家集铁矿石开采及加工、铁精粉生产、销售为一体的县重点矿山企业。该企业建有干选车间、选铁车间、高钛车间、低钛车间、选磷车间和二等尾矿库。该企业覆盖的业务领域较广，数据涉及面广且种类较多，对数据实时共享和深度应用具有较高的要求。

本项目部署了可靠的通信网络，建立了5G专网和工业环网，5G专网的建设为矿区提供了专属网络，基于不同生产运营场景融合应用，为设备远程控制、数据采集、视频监控和人员通信等环节提供保障。工业环网整合工业以太网技术、嵌入式系统技术等网络技术，采用“设备层+工业以太冗余环网+Intranet管理网络”的三层结构模式，最大限度地保证矿山数据信息传输的可靠性和实时性。

基于通信网络搭建了金谷矿业综合智能管控平台，在应用赋能方面主要部署了智能生产调度、智能数据分析、智能综合检测等模块。首先，平台针对园区和采矿区进行三维立体的数字孪生，将企业简介、天气信息、产量情况、生产统计分析、电耗监测和安全监督等信息有效整合，将数据信息及时有效地呈现给管理决策者。金谷矿业综合管控平台界面如图7所示。

智能生产调度模块将金谷矿业原有孤立的生产、销售、库存、值班等数据，统一到一个界面进行管理，赋予各科室人员不同的权限，定时进行报表填报，拉通了各科室人员与生产系统之间的关系。

智能数据分析模块能够对不同时间生产和耗电的数据进行统计和对比分析，并及时生成相应的数据报表，供管理人员及时了解矿区运行情况。以电耗分析为例，将总耗电量同选铁车间、破碎站的耗电量按日月年时间线汇总，对不同时间区间数据分析对比，以数据分析图表的形式进行呈现。

智能综合检测模块为矿用卡车安装物联网卡、北斗GPS车载中控、称重传感器等装置，通过智能称重系统有效提升车辆装载率，有助于管理者远程实时了解车载动态及货物装卸的时间和地点，确保货物安全、准时、可靠送达。同时以多种分屏方式的方法，对厂区重要点位实时监控的视频数据进行呈现。

基于5G专网和工业环网的综合智能管控平台建设，在成本方面，优化员工岗位30余个；在增效方面，初期提升车间生产效率12%～15%，每年可大幅降低电气故障率及电气维修时间80%，从而每年增加有效生产时间200 h以上；在节能降耗方面，预计每年可节约能耗213.6万kW·h，相当于减少碳排放1 602.5 t。

6 结语

综合智能管控平台建设是助力矿山行业迈向智能化的重要方向，平台的构建依靠坚实的数据和网络通信基础，当前阶段需要打通二者在应用中面临的不规范、不统一等问题，才能有效解决数据孤岛问题，实现平台数据融合共享，打造切实有效的上层应用。

国家矿山安全监察局对外发布的《规范》对行业发展起到了重要的引领作用，各领域遵循本《规范》将有效解决矿山、设备商和通信企业间面临数据标准不统一等问题，推动智能化矿山各类数据充分融合，减少在技术、运营和成本等多个维度出现的困难阻力，综合智能管控平台的建设将迎来更加开放友好的合作生态，多参与方、多业务领域、多系统可更加快捷地参与平台建设，推进矿山行业向更高阶段的智能化发展。