智慧矿山工业互联网技术架构探讨

智慧矿山工业互联网技术架构探讨

仇博 1 , 韩军 2

1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006 2.山西省高质量转型发展研究院 山西太原 030001

摘要：随着智能化时代的来临，中国煤矿行业也将迎来一场技术革命。煤矿企业在着力打造智慧矿山体系的同时，以物联网+5G通信网络为基础，依靠软件技术层和装备层的支撑，构建并应用与智慧矿山体系高度相融的煤矿智能化通风系统成为现代化煤矿建设一个重点。针对智慧矿山建设过程中存在的信息孤岛、数据质量和网络信息安全等问题，分析了智慧矿山建设技术架构现状，分别从中找出原因，并提出相应的解决对策。

关键词：智慧矿山；工业；互联网技术；架构

引言

煤炭资源开采是在地下受限空间内进行的生产活动，矿山地质环境复杂多变，保障设备与人员工作安全的可靠环境包括采、掘、机、运、通等多达90多个子系统，这些子系统的数据逻辑、业务逻辑、运行逻辑交织在一起构成了一个大规模复杂的运行体系。在新一代的采矿科学、信息科学及3S技术的飞速发展下，这一运行体系也经历着从机械化、自动化、数字化到智能化和智慧化的发展，并且取得了较为显著的成果。

1智慧矿山建设理念与目标

智慧矿山是新一代信息技术与矿山开发技术的深度融合发展，是系统智能与人文智慧的协同融合。系统智能是指矿山运行系统具有全流程人—机—环—管数字互联高效协同，智能决策自动化运行的能力；人文智慧是指人的智慧在矿山运营中的决定性作用，是借助信息通信技术和人工智能技术，将管理者的思想、知识、要求等变成系统决策的依据，提高决策水平，降低劳动强度，实现安全高效、绿色低碳、健康运行。新型的智慧矿山建设按信息化建设目标可分为：①以企业办公流转、项目运营管理为主的协同信息系统；②以生产任务调控、运维服务管理为主的作业管控系统；③以读取装备运行参数、远程监控运行状态为主的智能化装备辅助系统；④以动态仿真技术、数字孪生应用为主的三维视觉研发系统；⑤以实时采集数据、分析生产环境为主的风险管控系统。随着矿山智能化发展与系统信息化需求的提升、信号传输范围覆盖面积的扩大与系统平台应用功能的多样化，要求信息系统、矿山数据与功能流程形成高效联通的有机整体。以往的矿山信息化建设仅关注单一功能目标的建设或垂直系统研发，造成系统框架布局无法扩展、信息流程无法灵活变更、数据读取无法相互调用等问题，阻碍了系统间的协作与调用。

2智慧矿山技术架构现状

煤炭行业两化融合从数字化矿山迈入了智能矿山、智慧矿山建设阶段，技术架构也随着信息技术的进步在逐步迭代。智慧矿山建设阶段拥有更加精准全面的井上下环境感知能力、更加强大的网络互联设备、更加准确的多学科融合的智能应用，并将能有效改善目前我国矿山信息化建设中存在的诸多问题。智慧矿山技术架构方面普遍提出以物联感知、深度互连和智能应用三层为主，基于此三层向底层或顶层进行扩展。智慧矿山并非是云计算、物联网、人工智能、大数据等技术的简单堆积，而是如何采用这些技术手段解决煤矿开采中的效率问题、安全问题和效益问题。主要技术路线：其一是以综采工作面自动化控制、数字化和无人化为核心智慧矿山建设；其二是以全矿井综合自动化平台为核心技术路线的智慧矿山建设；其三是以GIS为基础的矿井生产技术“一张图”智慧矿山建设。目前，这三种技术路线正逐步进行融合，而关键在于形成一个标准的、开放的技术架构将这些技术进行有机组织，充分的融合，利用工业互联网架构体系对此进行了梳理，以供探讨。

3智慧矿山工业互联网体系架构

3.1煤炭工业互联网概念与内涵

工业互联网由网络、平台、安全三个部分构成，其中网络是基础、平台是核心、安全是保障。工业互联网三大要素的提出较为契合目前智慧矿山建设过程中遇到的三大问题，而工业互联网架构体系从总体上给出了较为全面、开放的架构，来解决工业全要素、全产业链、全价值链的互联互通和产业结构优化。煤炭工业互联网本质内涵是通过构建精准、实时、高效的数据采集互联体系，建立面向煤炭行业的大数据存储、集成、访问、分析、管理的开发环境和应用环境，支撑相关工业技术、经验、知识模型化、软件化、复用化，以数据的有序自动流动解决复杂生产系统面临的不确定性，不断优化勘探设计、开采洗选、运营管理等资源配置效率，形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的煤炭行业生态，如图1。

图1智慧矿山互联网平台

3.2智慧矿山与煤炭工业互联网技术比较分析

煤炭行业工业互联网的技术核心是通过工业互联网平台把设备、开采、洗选、运销和客户紧密地连接起来，帮助煤炭行业拉长产业链，实现跨设备、跨系统、跨矿区、跨地区互联互通，实现煤炭行业高质量发展。智慧矿山的技术内涵是将现代信息、控制技术与采矿技术融合，在复杂的资源开采信息背后找出最高效、最安全、最环保的生产路径，对矿井系统进行最佳的协同运行控制，并根据地质环境及生产要求变化自动创造全新的控制流程。煤炭工业互联网是为煤炭行业、产业赋能，智慧矿山是为单一煤矿企业、集团的生产、经营、管理赋能。

3.3智慧矿山工业互联网体系架构

智慧矿山工业互联网体系架构采用以ISO/IEC/IEEE42010系统与软件工程标准为主要方法论，其中，网络系统关注煤炭开采全要素、全系统、全产业链互联互通新型基础设施的构建；标识系统关注煤炭开采要素的标识资源、解析系统等关键基础的构建；平台系统关注智慧矿山建设涵盖的边缘系统、企业平台和产业平台交互协同的实现；安全系统关注生产安全和信息安全管控、安全态势感知、防护能力等建设。其中企业级、边缘系统是智慧矿山建设主要内容，企业级工业互联网PaaS平台是实现新一代智慧矿山操作系统的核心，企业级平台与边缘系统形成边云协同的架构及计算体系。

3.4智慧矿山工业互联网平台技术架构

智慧矿山工业互联网平台是在云计算平台的基础上叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术，建立“感知→互联→分析”的基本运行框架，形成空间数字化、信息集成化、设备互联化、虚实一体化和控制网络化，结合人工智能、标识解析等技术手段，实现“自学习→预测→决策→控制”闭环，从而实现煤炭开采过程中海量异构数据汇聚与建模分析、工业经验知识软件化与模块化、新型工业软件开发与运行，支撑煤炭生产智能决策、业务模式创新、资源优化配置、产业生态培育，提高煤炭产业链抵御风险、抗市场波动能力。

结束语

随着工业互联网技术体系演进和面向行业的深入发展，智慧矿山建设亟需与该技术体系架构融合，并开展相关探索实践，初步实现了对矿区生产装备的集中管控、公司内生产营销数据分析、装备研发智造参数优化等场景应用，加速推进矿山行业成果转移转化与交易。

参考文献

［1］侯锬,刘丽君,赵岩,等.智能矿井和数字矿山研究热点与前沿知识图谱分析［J］.能源与环保,2021,43(1):95-101.