邢震

（1. 中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2. 天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

0 引言

煤矿信息化系统的发展经历了单机自动化、综合自动化等阶段，目前已进入智能化综合管控发展阶段。这种技术发展趋势有其必然性，主要由以下因素决定[1-2]：① 煤矿安全生产需求决定了信息化系统的发展方向。煤矿单机自动化阶段，各子系统之间均采用独立网络传输方式，存在信息无法共享、可靠性差、维护量大、各子系统协调难度大等问题。综合自动化阶段，各子系统数据之间没有产生关联关系，数据综合分析利用能力仍然不足。随着经济的发展，人们对煤矿灾害的容忍度越来越低，对煤矿高效生产要求越来越高，这一矛盾迫使煤矿行业走产业升级之路，提升煤矿智能化水平，而智能矿山综合管控平台（简称管控平台）是实现煤矿安全高效生产的一个重要支撑。② 新一代信息技术及煤矿机械设备的发展为管控平台的实现提供了技术支撑。新型低功耗传感器，矿用机器人，智能采、掘、机、运、通装备及灾害监测治理装备等为管控平台提供了数据基础；低延时、高带宽、广连接的5G网络为煤矿井下海量数据的上传提供了可靠的传输通道；大数据、云计算、人工智能、数字孪生、工业互联网等为实现管控平台云端数据处理、分析、融合提供了支撑。③ 国家、地方政策及大型煤业集团的要求对管控平台的建设起到推动作用。④ 能源是国家发展和经济安全的基石，当前国际形势稳定性不足，不可过度依赖能源进口。为了实现能源自主化，国家需要对能源特别是煤炭的生产、传输和分配进行有效管理和监控。管控平台可以集成各个环节的数据，提供全面的能源信息，帮助决策者制定战略规划和政策措施。煤矿企业的需求及信息技术的支撑等为管控平台的建设提供了必要性和可行性，针对71处国家示范矿井，国家能源局印发的《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》中明确将管控平台作为信息基础设施里的必备项目，部分省市及大型煤企均提出建设管控平台的要求。

在管控平台的发展过程中，研究者们提出了明确的指导方向，为管控平台的功能开发及现场应用提供了思路，然而在研究及实践过程中仍存在对管控平台的概念描述不一致、管控平台功能开发及建设重点偏离核心发展方向等问题。马克思主义哲学提供了辩证的思维方式，对具体的科学研究具有普遍性指导意义。本文尝试采用马克思主义哲学的观点来梳理目前管控平台存在的问题，以明确发展路径，使管控平台的开发、应用、现场实践等环节都能在正确的方法论指导下进行[3-4]。分析了管控平台的本质，以把握重点发展方向；研究了国家能源局及各地、能源央企智能矿山验收管理办法中对管控平台的功能要求，在此基础上，对管控平台的功能要求进行分类；结合文献调研和现场实践情况总结管控平台研究进展，并提出发展路径。

1 管控平台的定义及其本质

2020年2月，国家发展改革委等八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》明确指出[5]：建设智能化生产、安全保障、经营管理等多系统、多功能融合的一体化平台，实现煤矿产运销业务协同、决策管控、一体化运营等智能化应用。该指导意见指明了长期的、宏观的发展方向，然而在具体研究及实践中，不同学者对管控平台的理解存在差异，为管控平台的研发和建设工作带来了困惑。为此，需要深入研究管控平台的本质，保证在管控平台设计、开发、应用过程中把握主要矛盾。

管控平台以现代信息技术为基础，通过数据采集、信息处理、调度决策等实现对矿山各种设备设施、生产流程和环境参数的集中监视与控制。结合管控平台的相关概念及实践经验，以数据流为主线，管控平台的本质涉及3个方面：一是对数据的接入，实现煤矿各类子系统的全面接入；二是对数据的融合，包括数据的分解、提炼、匹配、重组、整合等；三是对数据的综合应用，包括系统间的协同管控、业务综合管理及信息化融合展示等。以数据流为主线的管控平台如图1所示。

图1 以数据流为主线的管控平台Fig. 1 Control platform with data flow as the main thread

2 管控平台建设标准

为规范矿山智能化建设的各个方面，各级政府和相关部门制定了一系列智能化建设验收管理办法。对于管控平台而言，验收管理办法的制定与执行是至关重要的环节。通过对各地验收管理办法的对比和整合，可以找出共性和差异，促进管控平台的规范化和统一化，提高其在全国范围内的适应性和可操作性。国家能源局，山西、陕西、内蒙古、贵州、山东、安徽、河南、宁夏等省份或自治区，以及国家能源集团、中煤集团等大型煤企的智能矿山验收管理相关政策汇总见表1。

表1 国家及地方、央企智能矿山验收管理相关政策汇总Table 1 Summary of relevant policies on acceptance management of intelligent mines by national, regional, and central enterprises

由于对管控平台的概念理解不一致，各地对管控平台的功能要求存在一定差异。通过梳理各地智能矿山验收管理办法，对管控平台的功能要求进行归纳总结并形成分类，以便更清晰地理解管控平台的核心功能和特点，推动智能矿山建设的统一和规范化。

将管理办法中对管控平台的功能要求分为基础支撑功能、扩展补充功能、关键核心功能。基础功能是指管控平台的数据接入、数据存储、数据过滤、数据融合、对象建模、图形组态、权限管理、报表功能、消息中心、统一门户等，支撑功能是指为辅助实现核心功能而必须具备的功能，如3D建模、4D GIS、数字孪生等。扩展补充功能是指非管控平台本身必备的功能，本质上可以视作子系统，与管控平台本身无必然联系，如生产技术管理功能、采掘管理功能、机电设备管理功能。关键核心功能是指基于融合数据的业务融合及协同管控、联动控制、核心算法等。

以《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》中的I类煤矿为例，将统一的系统接口标准（3分）、专业数据采集软件（3分）、异常信息报警（3分）、虚拟化技术或本地数据中心（3分）等归为基础支撑功能，将综合监控中心（3分）、大数据平台（3分）、数据分析能力（2分）、工业物（互）联网平台（3分）、基于云计算的决策支持承载平台（3分）等归为关键核心功能，将人员位置精准定位系统（4分）的应用平台等归为扩展补充功能。基于上述分类方法，以国家能源局及山西、陕西、贵州等地验收管理办法中对管控平台的功能要求为例进行分类统计，见表2。需要说明的是，本文的分类方法具有一定主观性，仅用于下文定性；部分省份的管理办法处于征求意见或待修订状态，本文数据仅作学术探讨用。

表2 管控平台功能要求分类统计Table 2 Classification and statistics of functionality requirements for control platform

由表2可知，管控平台在各地智能矿山建设中的权重相差较大，其中陕西、贵州将管控平台作为独立模块列出，权重分别为0.105和0.16，国家能源局及山西将管控平台归属到信息基础设施模块，权重相对较低。各验收管理办法中管控平台基础支撑功能、扩展补充功能及关键核心功能的分值分布差异较大，国家能源局验收管理办法中，基础支撑功能和关键核心功能占比相当，总和达到86.7%，扩展补充功能占比较小；山西和陕西验收管理办法中基础支撑功能占比较大，陕西和贵州验收管理办法中关键核心功能占比较小；对于扩展补充功能，贵州验收管理办法中占比最大，其他区域占比均较小。

3 管控平台研究及应用进展

3.1 基础支撑功能研究及应用进展

基础支撑功能包括对象建模、图形组态、权限管理、报表功能、消息中心、统一门户等，这些功能都已开发完成并在现场成熟应用，但在实践中仍存在不少问题[6-7]。

1） 子系统数据接入的稳定性不够。数据是管控平台应用的基础，为支撑管控平台安全生产应用，需首先保证数据接入的稳定性。目前数据采集在功能方面可完全覆盖煤矿现有子系统数据接入类型，在集成方面已经实现现场应用，但是稳定性不够，常出现数据中断等问题。网络不稳定、设备故障、软件设计不合理等均会导致接入子系统数据频繁中断问题，需要通过科学的方法，分析各种因素的作用和相互关系，找出解决问题的途径和方法。

2） 部分基础支撑功能的成熟度不够。目前，管控平台整体上仍然处于发展的初级阶段，还没有形成完善的技术和管理体系。尽管一些功能经过了验证和测试，但缺乏长期的现场检验，应用于实际矿山环境时，可能会面临新的挑战和问题。这种情况下，煤矿管理人员和操作人员难以有效地应对各种突发情况，从而影响矿山生产效率和安全性。功能的成熟度不足是技术发展的不完善和实践经验的不足所致，这就要求煤矿科技人员在实践中不断总结经验教训，积极推动技术的发展和成熟，以满足实际需求[8]。

3） 部分基础支撑功能的实用性不够。管控平台基础支撑功能是为关键核心功能服务的，部分基础支撑功能实用性不够，导致关键核心功能难以实现。以数字孪生技术为例，在目前智能矿山建设中，大部分情况下实现的是三维展示效果，关键的预测、仿真功能等还未实现，无法有效支撑关键核心功能的实现[9]。

3.2 扩展补充功能研究及应用进展

由于基础支撑功能和关键核心功能中部分功能实现难度较大，煤矿企业通常将自身擅长的扩展补充功能嵌入到平台中，在研发和实施中将相当一部分工作和精力放在扩展补充功能上，偏离了智能综合管控的核心发展方向。根据马克思主义哲学原理，可以通过主要矛盾和次要矛盾的关系来重新审视扩展补充功能的地位。扩展补充功能仅仅算作次要矛盾，不能将其作为重点来研究。

首先，需要明确扩展补充功能与基础支撑功能和关键核心功能之间的关系。基础支撑功能是煤矿信息化系统中不可或缺的基础，提供数据采集、传输和存储等基本功能。关键核心功能则是实现智能综合管控的关键，包括安全预警、生产调度等。扩展补充功能具有更为特殊化的需求，包括人员管理[10]、能耗分析等功能。在煤矿信息化系统中，扩展补充功能的研究与应用可以帮助企业更好地满足个性化需求[11]。

其次，需要认识到扩展补充功能在整个系统中的地位。尽管扩展补充功能有一定的重要性，但它并不是智能综合管控的核心发展方向。因此必须保持清醒的认识，将其定位为次要矛盾，并将主要精力放在核心功能的研究和开发上。只有这样，才能推动智能综合管控系统的健康发展，实现煤矿安全生产和信息化建设的有机结合。

在智能化建设实践中，管控平台的界面效果是矿方重点关注的方面。马克思主义哲学原理提出了内容与形式的辩证关系，认为内容是形式的基础和前提，形式则是内容的体现和表达方式。在管控平台的建设中，界面效果作为形式的一部分，应当与内容密切结合，相互促进，而不应该成为建设的重点目标。然而，目前管控平台在界面效果方面的投入和关注远远超过了其他方面。这种现象主要体现在以下方面：① 大量资源被投入到了界面设计和美化上。开发者为了迎合用户的审美需求，竞相推出各种炫酷的界面效果，甚至牺牲了系统的稳定性和功能完备性。这种现象表明，目前的建设更注重用户的第一感受，而忽视了实际使用中的协同管控和自主决策等方面。② 管控平台在功能开发上存在不足。虽然界面看起来非常漂亮，但实际上缺乏协同管控和自主决策等关键功能。矿山作为一个复杂的生产系统，需要实时获取和处理大量数据，并及时作出决策。然而，目前管控平台的很多功能只停留在表面，无法充分满足矿山管理者的需要。这种情况使得管控平台无法真正发挥其应有的作用，限制了矿山的高效运营和安全管理。③ 对用户体验的关注远远超过了对系统本身的优化。在管控平台的建设中，用户体验往往成为决策的重要依据，过于追求各种界面效果和交互方式，而在系统稳定性和安全性等方面的优化相对较少。这种情况导致管控平台应对大规模数据处理、复杂计算和实时决策等的能力不足，限制了矿山管理的科学性和高效性。

3.3 关键核心功能研究及应用进展

管控平台的核心目标是实现煤矿产运销业务协同、自主决策协同管控、一体化运营等智能化应用[12-15]。根据研究及建设现状，可将管控平台的核心目标分为4个阶段，如图2所示。

图2 关键核心功能研究及应用进展Fig. 2 Research progress and application of key core functions

第1阶段：煤矿信息化系统的集中监视是首要任务。将煤矿子系统接入管控平台，通过统一的数据接口和联网设备，实时监控煤矿的生产、运输、安全等情况，并对异常事件进行快速响应和处理，实现对煤矿各项运营数据的集中监控和管理[16]。

第2阶段：将各子系统数据接入管控平台后，需要对这些数据进行集中管理[17-18]，将其存储到数据池中，以便后续的分析和利用。同时，可根据不同的业务需求对数据进行重组和整理。

第3阶段：构建智能算法和数据分析模型，对煤矿运营数据进行深度挖掘和综合分析，根据数据分析结果，实现煤矿多元业务的辅助决策[19]及局部区域或业务单元的协同管控。例如，利用机器学习算法预测煤矿生产能力和市场需求之间的关系，为决策者提供参考意见。此外，还可以通过协同管控系统实现不同区域或业务单元之间的信息共享和协作，提高整体效率和资源利用率。

第4阶段：实现全局范围内的互联互通、自主决策及协同管控[20-21]。在该阶段，煤矿综合管控平台将具备自主决策能力，并能够实现跨区域、跨业务单元的智能化协同管控。通过人工智能和大数据分析技术，管控平台可根据实时数据和趋势预测，自主地调整生产计划和资源配置，使煤矿运营更加高效和灵活[22]，实现全矿井级的自主决策。

在当前的智能矿山建设实践中，大部分矿井已经实现了第1阶段和第2阶段的目标，实现了集中监视及数据融合；针对第3阶段，大部分矿井正在探索阶段，其中部分场景可以实现辅助决策，部分区域或安全生产环节可以实现局部协同管控；对于第4阶段，即实现智能化的全面协同管控，学者们提出了许多规划和设想，包括利用人工智能、大数据分析和物联网技术等实现智能化的全面管控，然而在实际的现场应用中，由于技术和设备的限制，短期内很难实现这些设想。

4 管控平台发展路径探讨

在管控平台的研发及应用中，只有从客观实际出发，不断探索和实践，深入研究和理解运行规律，才能确保管控平台的良性发展，并推动煤矿行业的进一步升级。通过实事求是的思维方式和方法，可以更好地应对煤矿行业面临的挑战，实现管控平台的可持续发展。

4.1 基础支撑功能的发展方向

基础支撑功能应朝规范性、可靠性方向发展。

1） 遵循行业规范和标准。管控平台作为煤炭行业新兴的技术应用，需要依据行业内不断完善及细化的规范与标准进行发展。这包括数据采集与传输的标准化、设备接入和通信接口的标准规范等方面。通过制定数据采集与传输、设备接入和通信接口等方面的行业规范和标准，确保管控平台的可操作性和可扩展性，实现与其他系统的无缝对接和协同操作。

2） 提升可靠性。可靠性是衡量系统故障率或失效率的指标。基础支撑功能应具备高可靠性，以确保煤矿生产正常运行。为了提高可靠性，可以采取多种手段，如采用冗余设计、增加备份系统、建立灾备机制等。同时，还要进行故障诊断功能和恢复机制的研发，以提高故障监测和及时响应的能力，确保管控平台连续稳定运行。

3） 提高稳定性。稳定性是衡量系统抗干扰能力和负载承受能力的指标。管控平台在长时间运行中需要保持基础支撑功能的稳定性。这需要从硬件设备、软件系统和网络环境等方面综合考虑，确保各个环节的稳定性。在硬件方面，应选择具有高可靠性的设备，避免单点故障。在软件方面，设计系统架构时，应采取措施来减少或避免单点故障的发生，如引入冗余组件、备份节点、负载均衡策略等，同时进行性能优化和系统调优，提高系统的响应速度和处理能力。在网络环境方面，要保证网络的稳定性和安全性，避免由于网络问题导致管控平台运行不稳定。

4.2 扩展补充功能的发展方向

扩展补充功能应朝实用性、补充性方向发展，辅助实现全局的互联互通、协同管控、自主决策等关键核心功能。

1） 扩展关键核心功能所需的数据、业务或流程。增加矿方当前子系统不具备但关键核心功能所需要的数据、业务或流程是一个要点。管控平台需要从各个数据源中采集数据，并进行有效的整合和处理。但是，煤矿已建设的子系统可能并不能覆盖所有的数据、流程或业务需求。因此，设计扩展补充功能时，应该考虑到关键核心功能所需要的额外信息，并能够方便地获取和处理这些信息。通过引入这些缺失的要素，可以弥补综合管控平台的不足，使其更加完善和全面。比如，在数据方面，矿方当前子系统中可能缺乏一些关键数据，综合管控平台可以与其他系统进行数据集成，以提供必要的数据支持；在业务方面，可以增加与煤矿生产、安全、环境等相关业务的建设，实现全面的管控；在流程方面，可以优化工作流程，提高工作效率，减少冗余操作。

2） 补充关键核心功能所需的辅助功能。为实现协同管控和自主决策，需要补充必备的功能。如为了实现矿方当前子系统间的协同管控，可以引入数据共享功能，将各个子系统的数据进行整合并向相关部门或人员开放。这样可以促进子系统之间的信息交流与沟通，为协同管控提供有力支持。同时，可以在平台中引入任务分配和协作功能。通过平台，管理人员可以将任务分配给不同的子系统，并监督任务的执行情况。同时，各个子系统之间也可以通过平台进行沟通和协作，共同解决问题，提高煤矿的整体效率。另外，可建立通信协调功能，实现子系统间的紧密配合和协同工作。通过统一的通信渠道和协作平台，各子系统可以快速响应并相互配合，以应对复杂多变的生产环境。

3） 界面效果与功能相统一。在界面效果展示方面，遵循形式与内容相统一的辩证关系。只有内容和形式相互促进、相互融合，才能发挥系统的最大效益。因此，在管控平台建设中，应该更加注重协同管控、自主决策等功能的开发和完善，将形式与内容结合起来，以提升整个系统的效率和管理水平。

4.3 关键核心功能的发展方向

关键核心功能宜向标准化、稳定性方向发展。关键核心功能是智能矿山建设的核心内容，然而，当前对关键核心功能的研究大多停留在宏观的设想阶段，缺乏具体的标准和细节。为了实现智能矿山建设目标，需要解决煤矿现场实际存在的难点问题，并逐步挖掘应用场景和潜在需求。

首先，关键核心功能的设定必须遵循认识论的规律，充分认识到现状及其中的难点。智能矿山建设涉及众多技术、数据和管理因素，在确定关键核心功能时，需要准确了解智能矿山的现有情况，包括技术水平、管理模式和人力资源等。只有充分认识实际情况，在提出目标时才能更加准确、具体。

其次，智能矿山建设是一个长期的过程，可能会遇到各种挑战和问题，因此，必须明确意识到，关键核心功能的实现需要时间和耐心，不能期望一蹴而就，而应该根据实际情况合理规划，并逐步推进，逐步实现各项目标。

同时，为了推进关键核心功能在现场应用，需要逐步挖掘现场应用场景与需求。这意味着研究人员需要深入了解矿山的运营环境和需求，挖掘适合应用智能矿山技术的具体场景，并根据场景的实际需求来设计和开发相应功能。煤炭企业是管控平台的直接受益者和主要使用者，其意见和需求对于改进和优化平台至关重要。因此，应积极倾听煤炭企业的意见和建议，及时调整和改进管控平台，以更好地满足煤矿企业的需求。

5 结语

分析了管控平台的本质，以数据流为主线，管控平台的本质涉及数据接入、数据融合、数据综合应用3个方面。研究了国家能源局及各地、能源央企智能矿山验收管理办法中对管控平台的功能要求，在此基础上，将管控平台的功能要求分为基础支撑功能、扩展补充功能、关键核心功能。针对三大功能，探讨了管控平台的研究及应用进展、发展路径。随着新兴信息技术的不断发展及外界条件和环境的不断变化，管控平台的实现目标、要求及实现路径也会随之变化。因此，要不断关注外界的变化，并及时调整管控平台的目标和实现路径，保证管控平台的发展与时俱进，适应不断变化的外界条件和环境。