刘素华　郭坤闪

【摘 要】以数字矿山为基础，利用物联网、大数据、智能决策等技术手段，不断深化和延伸智能矿山的内涵，打造“安全、高效、智能、绿色”矿山，提高矿山企业核心竞争力。

【关键词】数字矿山;智能决策;云计算;物联网;大数据

中图分类号： TD672 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）29-0200-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.094

Research and Demonstration on Intelligent Mine Construction in Pingcheng Coal Group

LIU Su-hua GUO Kun-shan

（Henan zhongping automation co.， LTD.， Pingdingshan Henan 467000， China）

【Abstract】Based on digital mines， we will use technology such as the Internet of Things， big data， and intelligent decision-making to continuously deepen and extend the connotation of smart mines， build mines that are “safe， efficient， intelligent， and green”， and improve the core competitiveness of mining enterprises.

【Key words】Digital mines; Intelligent decision-making; Cloud computing; Internet of Things; Big data

0 引言

智能礦山是以互联网和物联网为基础的现代矿山建设的总称，通过智能信息技术的应用，实现三维全面信息集成和响应能力，使煤矿具有人类般的思考、反应和行动能力，主动感知、分析、并快速做出正确处理的矿山模式。[1]

当前我国在煤矿机械装备自动化程度较低，同时矿业专用软件方面发展速度与质量不高，降低了矿山办公的效率与可靠性，制约了煤矿信息化的进程。针对我国煤矿产资源的特点和企业的实际需求，建立拥有具有自主知识产权的功能先进的智能矿山示范系统是面临的重要任务。

1 智能矿山发展现状

1.1 国外状况

国外从上世纪90年代开始研发煤矿自动化智能化技术。有限无人化开采是智能化开采的中高级阶段。在这个阶段，尤其要对工作面煤层地质条件进行高精度探测，构造数字模型，基于这一模型进行程序化的智能化开采;实时监测煤层地质条件变化，对开采行为提前预判和修正;通过高效率的机器学习算法使综采系统装备拥有自主学习能力，通过训练使其获得解决问题的能力，提高智能化水平与开采效率等。国外发达国家矿山计算机应用不仅时间早，而且已经开发出一些功能比较成熟的商业化系统。

1.2 国内发展现状

国内煤企对于生产工艺这块也在不断摸索中前行，神华集团锦界矿、陕煤化黄陵二号井等煤矿已成功实现远程控制技术，有些煤矿已实现无人开采。[2]河钢集团矿业公司将智能矿山工作分为数字化建模、自动化控制、信息化管理三个部分，在采矿、选矿矿山信息化管控平台建设以及智能矿山物联网建设方面已取得相应进展;鞍钢矿业开展的“矿山智能工厂研究与应用”建设。我国煤炭行业发展整体水平正处于从量变到质变的跃升期，进入行业转型升级发展的关键时期。总的来说，既有丰硕的成果，也有现实的问题。存在主要问题如下：

1.2.1 对高科技的应用主要是拿来主义，缺乏技术攻关的整体规划

国内煤矿行业的高新技术应用通常比其他行业晚5～10年，新技术的应用主要是引入其他行业的现有技术，缺乏针对煤矿专业特点的整体规划和实质性突破。[3]

1.2.2 人员技术水平有待提升造成资源利用不充分

重视对硬件的投入 ，软件方面只是数据的采集及堆砌。虽然相关硬件系统也有软件模块，但主要是对数据的采集、传输和简单的分析或阈值报警，与水、火、瓦斯、顶板等危险源专业防治技术人员的结合不紧密。

智能矿山建设涉及很多知识学科，技术人员只对本专业知识掌握较好，矿山知识不全面，造成研发的系统实用性利用大大降低。

1.2.3 重事务处理，轻决策支持

目前，国内煤矿日常工作仍然侧重基础数据，未建立决策支持模型和系统，不能实现对未知安全隐患、生产风险的预测预警和智能分析决策。

1.2.4 缺乏数字化的高精度传感设备

国内大多数监测系统数据采集在线功能弱，巡检周期一般在10-30秒之间，缺乏系统性和合理的空间结构性，不能全面及时反映煤矿的最新动态变化;采集数据的传感器精度较低，绝大多数传感器未实现数字化传输，传输稳定性差，使用寿命短。[4]

1.2.5 缺乏与现代化相适应的企业管理制度，缺乏管理模式的创新

目前煤炭企业的管理模式无法适应信息化管理的需求，不能充分发挥信息技术快速、准确、实时的优点。

1.2.6 管理平台不统一

各大矿业集团和煤矿企业的网络基本建成并联通，各业务系统也相继建设，部分矿业集团实现了纵向业务打通，但是横向部门间的业务流转极少，而且横向部门之间的管理系统没有实现统一，更没有实现业务协同。

1.2.7 缺乏透明化矿山关键技术的攻关和工程建设的实践

目前的系统主要是二维的，表现形式单一，而且与综合自动化、在线检测等系统的集合不紧密。更为关键的是现有的系统动态数据处理功能弱，无法适应煤矿动态生产的需求。

2 平煤神马集团智能矿山建设规划

2.1 建设背景

《中国制造2025》明确提出：加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，把智能制造作为两化（信息化和工业化）深度融合的主攻方向;着力发展智能装备和产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。

2017年4月，河南省质量技术监督局批准发布《智能煤矿建设规范》（以下简称《规范》），自2017年7月起实施。《规范》的制定参考了《标准》。在全省煤炭行业，平煤神马集团是智能矿山建设的标杆。

平煤神马集团下发的《关于加强2018年安全生产工作的决定》指出，要牢固树立“无人则安、少人则安”理念，以完善大系统、控制大风险、治理大隐患、防范大事故为切入点，坚持“多用装备少用人，多用技术少用工”，实施机械化换人、自动化减人;强化工业化和信息化“两化”融合，全力提升安全生產机械化、自动化、信息化、智能化水平，切实发挥科技在安全高效发展方面的支撑与保障作用，集团计划在五年内建成5对智能矿山。

2.2 智能矿山关键技术

智能矿山就是矿山数据的实时获取、数据集成和通信、智能化数据处理及面向需求的智能化服务。主要包括以下关键技术：

2.2.1 云网融合技术

云计算是一种用量付费使用互联网提供动态易扩展且虚拟化资源的模式，其提供可用的、方便的、按需的访问计算资源共享池（网络，服务器，存储，应用软件，服务）。当前的云计算还是集中式中心化的云，不能适用于低延迟、带宽等业务要求。需要向分布式去中心化的云发展。云网融合能力作为云应用发展的一个重要方向。云网融合，顾名思义是“云平台+网络”的模式，是一种全新的理念。借助SDN（Software Defined Network）的先天优势与数据中心的现实需求，是数据的计算、存储、网络等资源实现完全虚拟化，进而通过SDN把NFV（Network Function Virtualization）融入其中，再把防火墙、硬件设备的传统功能转化为软件能力以满足用户个性化的网络需求。[5]

2.2.2 大数据挖掘技术

智能矿山原始数据库是指以测量（全球定位系统GPS、井下测量US等）、勘探（矿山工程、化探等）、传感（矿山专用传感与监控设备结合等）和文档录入（档案、统计数据等）综合手段获得的收据，以矿山用图、统计表为辅助数据。挖掘的过程就是从信息到知识的转换过程，这其中需要人机结合，而这一过程是矿山数据挖掘系统形成有价值的信息结构来实现的。

2.2.3 决策分析

智能决策支持系统，它是决策分析平台的核心。主要应用于经营决策、设备选择、安全监测、预警预报、故障诊断等，其他应急救援等也有所发展。智能决策支持系统以产量指标、计划执行结果等参数为基础，根据选择的执行策略自动生成相关计划，并对计划进行模拟的成本分析，以时间、经济成本原则给出调整方案，融入专业化分工与服务共享模式，构建基础数据标准和服务，从数据和服务两个维度实现信息共享和实时更新，并提出了原煤生产各业务环节的数据衔接与自动匹配，实现了业务的数据传递和业务贯通，有效提升了生产效率和品质、调度水平，保障了工作面的安全生产。

2.3 基础平台

2.3.1 智能矿山“一网一站”建设

当前，煤矿多采用独站、独源、独线缆的建设方式，浪费投资且无法满足日益变化的生产和市场需求。“一网一站”建设营运而生，所谓“一网” 即井下万兆光纤环网，一网承载语音广播系统、无线通讯系统、人员定位系统、车辆定位系统、工业自动化系统、监视监控系统（工业电视）、调度指挥系统、安全监控系统八大业务系统。“一站”即一体化综合分站，一站集成4G无线通信、定位、语音广播、IP电话、以及Wi-Fi五大业务分站。通过“一网一站”方案极大简化了原有多套复杂的通信系统，提升运营效率，同时通过光纤环网提高了通信系统的可靠性，保障井下安全生产。目前部分煤矿已建立万兆工业环网，实现“一网一站”简化了多套系统负责的通讯问题。

2.3.2 智能传感与集成化传输

基础设施为生产管控系统提供底层数据的传输通道和集中处理中心，智能传感与集成化传输成为关键。所谓智能传感是一种带有微处理器的兼有监测、判断与信息处理功能的传感器，其最大的特点就是与微处理器的信息处理功能有机融合在一起，集成化传输来保证它的高精度，可靠性与稳定性极高，自适应性强都带来强有力的传输支持。这些技术的实现为智能矿山建设提供了强有力的技术保障和支撑。

2.3.3 大型设备在线监测系统

建设面向煤矿大型设备的在线服务、故障诊断、状态监控、远程维护等信息系统，它将计算机技术、网络通讯技术和故障诊断技术融为一体，实现远程故障诊断，节省了现场采集的人力成本资源的投入，同时方便快速的分析设备运行情况。可以真正实现单机自动化与矿井信息化的高度融合，方便各级设备管理及故障诊断人员对设备的情况进行量化分析和判断，实现了状态监测技术的在线与离线相结合的可能。[6]

2.3.4 矿山应急救援指挥系统

矿山应急指挥系统整合现有系统的基础上，具备应急救援指挥和管理等功能，实现地理信息、救援综合信息的发布和共享。在安全生产管理、应急突发事件处理中实现监测防控、指挥调度和应急保障等功能。为煤矿企业安全生产和事故应急救援指挥提供管理平台，将事故产生的危害和损失降到最低程度。系统建成后，可以使用此平台进行每年一次的大型应急演练。

2.3.5 移动OA办公系统

移动信息化系统紧跟时代步伐，将大平台的重要信息展示在移动终端上，实现了真正意义上的随时监测、随时调度。平台实现移动化办公功能，提高办公高效性、决策高效性，避免了信息的失真、失时传达。随着移动互联网的快速发展，应用的不断升级，得到了广大领导及职工的一致赞誉，应用效果良好。[7]

3 示范工程建设

3.1 集示范工程背景

集团智能矿山建设主要内容为引进六大理念、建设五大平台，达到设施标准化、生产自动化、管理信息化、办公移动化、决策智能化的目标。其中，六大理念为智能矿山、"两网"融合、云计算、大数据、物联网、移动信息化，五大平台为基础设施平台、综合自动化平台、管理信息平台、协同办公平台和智能决策平台。截至目前，五大平台中的前4个已初步建成，智能决策平台仍待进一步完善。[8]

2016年1月，河南省智能矿山工程技术研究中心落户平煤神马集团，河南省智能矿山工程技术研究中心成立以来，依靠集团、中平信息公司的技术力量，联合河南理工大学、河南城建学院、中国矿业大学等高校，就智能矿山建设开展了一系列研究，为集团智能矿山建设提供了智力支持。

2018年，平煤神马集团建设智能矿山队列中，增加了平煤八矿、平煤十二矿两家试点单位，同时平煤一矿、平煤股份二矿、平煤四矿、平煤十一矿四家已启动调研及论证工作。加上此前已經先试先行的平宝公司，集团已有7家单位迈进智能矿山建设通道。

3.2 示范工程实例

3.2.1 平宝公司建设案例

作为集团建设智能矿山的首家试点单位。自2007年起，该公司就开始了智能矿山建设的规划工作，专门成立了信息化科。平宝公司通过几年努力，已享受到智能矿山建设带来的好处。

“一张图”综合管控平台是该公司智能矿山建设的核心。是一个以数据为核心、各子系统相关联的综合管控平台。"一张图"综合管控平台建成后，即矿井三维立体图、矿井地质和水文地质图、巷道布置图、井下避灾路线图等11种图可以随时调出，实现在"一张图"上数据联动、调度指挥、监测监控，为矿山设计、地测等部门设计、施工和应急救援等提供支持，为进一步提高劳动效率，实现矿山可持续开采、少人甚至无人开采奠定基础。

为实现所有采掘头面胶带运输机和局部通风机无人值守和远程控制，目前，该公司正在加速建设矿井自动化补充项目，届时井下12个采掘头面减员近40人，不仅达到“机械化换人、自动化减人”目的，还可提高安全系数。智能矿山建成后，该公司预计能减少岗位人员106人，每年节约支出约588万元。

3.2.2 平煤股份八矿建设案例

平煤股份八矿坚持走工业化和信息化融合之路，实现了“数据采集自动化、业务信息集成化、信息管理网络化，管理决策科学化”，荣获2012年度中国煤炭工业协会信息化先进单位称号。2017年八矿对戊组大巷带式输送机、井下泵房、井下变电站、地面压风机房等进行自动化改造后，相关设备全部实现无人值守，提高了生产效率和经济效益。今年，该矿进一步加快智能矿山建设，计划将己五采区集控平台打造集团首个区域集控中心，建设井下无线网络，对井下达到条件的变电所、水泵房、瓦斯抽采泵站和主运输皮带、局部通风机等进行自动化改造。目前集团煤矿单班入井人数全部控制在千人以内，今年还将在去年基础上进一步压减。

3.2.3 平煤股份十二矿建设案例

平煤股份十二矿是平煤股份公司高突矿井中首家由中国煤炭工业协会命名的行业特级双高矿井，是平顶山百里矿区的"东方明珠"。其综合自动化平台已经集成了地面生产系统、主副井提升系统、井下皮带系统等48个子系统，实现了数据的历史查询、报警查询、事件查询、网络监测、报警联动，实现了调度室远程监测监控。综合自动化和管理信息化推进的程度相对较高。在基础设施建设上，十二矿在平煤内部率先建设了高清视频会议系统，井上下建设了千兆环网，工业电视系统和办公自动化系统。

该矿坚持以装备提升促进安全发展，特别是近年来先后投入大量资金提高机械化程度，使全矿机械化程度达到100%，大幅降低了职工的劳动强度，同时狠抓安全生产标准化工作。该矿通过优化通风系统，积极改善通风条件，使大巷温度常年保持在20摄氏度左右;进一步完善井下载人系统，安装了总长度近3000米的架空乘人装置，并使用无极绳牵引人车，降低了职工的劳动强度。

4 结语

智能化是矿业技术发展的高级阶段，只有实现智能化才能根本上提高煤矿生产效率和安全水平，作为煤矿人，数字化、智能化已成为现代矿山建设的终极目标。平煤神马集团在国内同行业已率先启动，有责任有义务做好示范与引领作用。

【参考文献】

[1]吴立新，汪云甲，丁恩杰，朱旺喜，张瑞新，张申，王植.三论数字矿山-借力物联网保障矿山安全与智能采矿[J].煤炭学报，2012，03：289-332.

[2]路试翔.基于AutoCAD的矿山三维地测地理信息系统的技术方案与实现[J].科技风.2013.

[3]陈建宏，周科平，古德生.新世纪采矿CAD技术的发展：可视化集成化和智能化[J].科技导报，2004，12：33-38.

[4]邵登陆，岳宗红.基于GIS的煤矿灾害应急救援管理信息系统研究[J].金属矿山，2008.

[5]邬长城.安全管理体系质量评估方法研究[D];中国矿业大学（北京）;2012.

[6]汪明.数据挖掘综述[J].河北软件职业技术学院学报;2012.01.

[7]毛善君，刘桥喜，马蔼乃等.数字煤矿框架体系及其应用研究[J].地理与地理信息科学，2003.

[8]别新峰，冉宏振.煤矿应急救援系统存在问题及其对策[J].中州煤炭，2007.