礦山工業(yè)4.0與“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”：內(nèi)涵、架構(gòu)與關(guān)鍵問題

王 安，楊 真，張 農(nóng)，武 祥，姚文理

(1. 中國國際工程咨詢公司，北京 100048；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

礦山工業(yè)4.0與“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”：內(nèi)涵、架構(gòu)與關(guān)鍵問題

王 安1，楊 真2,3，張 農(nóng)2,3，武 祥2,3，姚文理2,3

(1. 中國國際工程咨詢公司，北京 100048；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

21世紀(jì)以來，雖然全球工業(yè)生產(chǎn)都逐漸放慢了腳步，但一個新的發(fā)展理念，亦即“互聯(lián)網(wǎng)+”和“工業(yè)4.0”初露端倪并引導(dǎo)著全球工業(yè)新秩序的形成。對礦山工業(yè)來說，以礦山工業(yè)高度網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)化、協(xié)同工作、分布式服務(wù)為特征的“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”和“礦山工業(yè)4.0” 是礦山工業(yè)實現(xiàn)安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展的必由之路，也是礦山工業(yè)發(fā)展的具有未來確定性的新方向。其戰(zhàn)略框架與具體部署模型為“一個最終目標(biāo)、一個戰(zhàn)略主題、四項支撐技術(shù)和四個具體表現(xiàn)”；其關(guān)鍵問題要解決管理模式的轉(zhuǎn)變與創(chuàng)新、建立礦山工業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)體系、發(fā)展信息化支撐技術(shù)、建設(shè)礦業(yè)協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺等；其實現(xiàn)過程是礦山工業(yè)從生產(chǎn)技術(shù)、企業(yè)管理到產(chǎn)業(yè)鏈組合、行業(yè)部署的全方位的轉(zhuǎn)型和升級，是以“互聯(lián)網(wǎng)+”和“工業(yè)4.0”為引擎的礦山工業(yè)的產(chǎn)業(yè)革命。最終實現(xiàn)礦山工業(yè)4.0描述的礦山工業(yè)生產(chǎn)智能化、礦山工業(yè)管理高效化、礦山產(chǎn)業(yè)互聯(lián)化和礦山工業(yè)決策數(shù)據(jù)化。

信息化；互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)；礦山工業(yè)4.0；礦業(yè)大數(shù)據(jù)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，雖然全球工業(yè)生產(chǎn)都逐漸放慢了腳步，但一個新的發(fā)展模式初露端倪并引導(dǎo)著全球工業(yè)新秩序的形成。2013年4月，德國提出“工業(yè)4.0”理念，旨在利用CPS網(wǎng)絡(luò)(信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò))使工業(yè)轉(zhuǎn)型為網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化、集成化、智能化的新型工業(yè)模式，保持德國工業(yè)的全球競爭力[1]。2015年3月，李克強(qiáng)總理在政府工作報告中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，推動移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)融合，促進(jìn)電子商務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)金融健康發(fā)展，引導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)拓展國際市場[2-3]。就其本質(zhì)而言，互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)與工業(yè)4.0是一致的，其核心是工業(yè)化與信息化的深度融合。作為支撐國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)行業(yè)，礦山工業(yè)信息化的發(fā)展具有重大意義。我國礦山工業(yè)信息化研究自20世紀(jì)80年代開始，迄今已在很多方面取得了突破和進(jìn)展。“十一五”期間，我國礦山工業(yè)信息化在遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)、礦山通信技術(shù)、礦山信息管理系統(tǒng)等方面取得了顯著進(jìn)展。但礦山工業(yè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，礦產(chǎn)資源的開采面臨復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和多變的邊界條件，礦山工業(yè)信息化仍有很多難題需要解決[4]。礦山信息孤島、標(biāo)準(zhǔn)缺乏、系統(tǒng)封閉等問題依然普遍存在。信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展正在給工業(yè)帶來新一輪的產(chǎn)業(yè)革命，“互聯(lián)網(wǎng)+”思維及“工業(yè)4.0”理念給礦山工業(yè)發(fā)展提供了借鑒和啟示。

基于大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)，建立礦業(yè)大數(shù)據(jù)中心，以大數(shù)據(jù)支撐產(chǎn)業(yè)布局和決策，從而合理引導(dǎo)行業(yè)的產(chǎn)能調(diào)控；利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和礦業(yè)工程專業(yè)技術(shù)，建立從生產(chǎn)技術(shù)到?jīng)Q策管理的高效化、智能化的礦山工業(yè)新生態(tài)，最終實現(xiàn)以高度網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)化、協(xié)同并行工作、分布式服務(wù)為特征的礦山工業(yè)4.0模式。這是實現(xiàn)礦山工業(yè)安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展[5-7]的必然道路，也是礦山工業(yè)未來的發(fā)展方向。

一、 礦山工業(yè)信息化現(xiàn)狀及存在問題

(一) 礦山工業(yè)信息化現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代開始，國際上很多礦業(yè)大國在礦山信息化相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的研發(fā)成果[8-10]。1992年，芬蘭發(fā)明了融合采礦實時過程控制、資源實時管理、礦山信息網(wǎng)建設(shè)、新機(jī)械應(yīng)用和自動控制等28個專題的智能采礦技術(shù)[11]；加拿大開發(fā)出通過中央集控的多礦山無人化采礦、掘進(jìn)、運輸?shù)牡V山開采方案；瑞典制定了以礦山自動化為目標(biāo)的“Groun teeknik2000”戰(zhàn)略計劃[12]。

我國礦山信息化建設(shè)自20世紀(jì)80年代開始，迄今已取得了多項技術(shù)成果并在礦山行業(yè)得到了應(yīng)用[13-17]。“十一五”期間，成功研制出基于“WIFI”的礦井移動通信技術(shù)，為井下人員的及時通訊提供了可靠保障；成功研制并推廣應(yīng)用了井下無人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，神東礦區(qū)實現(xiàn)了工作面有人巡視條件下的順槽遙控技術(shù)[18]；近幾年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，各類礦山安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，如主運輸系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)，人力資源、財務(wù)、物資、項目管理等辦公自動化系統(tǒng)逐步在礦山企業(yè)得到了應(yīng)用。

我國礦山工業(yè)信息化建設(shè)經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展歷程，從無到有，取得了豐碩的成果，但也存在不少問題。礦山工業(yè)信息化建設(shè)長期以來缺乏系統(tǒng)規(guī)劃，信息化人才匱乏，礦山數(shù)據(jù)豐富但知識匱乏，專業(yè)研發(fā)各自為政等問題嚴(yán)重制約了礦山工業(yè)信息化的建設(shè)發(fā)展。

(二) 存在的問題

我國礦山工業(yè)信息化建設(shè)還有很長一段路要走，與發(fā)達(dá)國家和其他行業(yè)信息化水平相比，仍然存在著差距。具體表現(xiàn)為：

1. 部門協(xié)同不足，信息孤島問題嚴(yán)重。傳統(tǒng)礦山企業(yè)生產(chǎn)有著高度分工和專業(yè)化的特點，采礦生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，環(huán)節(jié)眾多，工作場所不斷移動，空間比較狹小，隨著工作面的推進(jìn)地質(zhì)環(huán)境隨之變化，這些特點使得礦山工業(yè)資源優(yōu)化配置難度大，各系統(tǒng)協(xié)同配合復(fù)雜度高，各部門缺乏數(shù)據(jù)統(tǒng)一性和信息共享機(jī)制，導(dǎo)致礦山企業(yè)各系統(tǒng)相對封閉，信息孤島問題嚴(yán)重。

2. 礦山數(shù)據(jù)豐富但知識貧乏。隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，礦山行業(yè)中采集數(shù)據(jù)的方式、統(tǒng)計和錄入的功能已經(jīng)比較完善，但是由于缺乏一定的數(shù)據(jù)分析和挖掘能力，很難發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間潛在的關(guān)系，缺乏大數(shù)據(jù)的內(nèi)在審視和規(guī)律總結(jié)，存在“數(shù)據(jù)爆炸但知識貧乏”的問題。

3. 缺乏合適的軟件平臺及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國礦山行業(yè)安全與生產(chǎn)技術(shù)信息化標(biāo)準(zhǔn)體系仍未完善，具體地說就是應(yīng)用平臺、數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)和接口規(guī)范不統(tǒng)一，不同廠家傳輸協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)各不相同，各系統(tǒng)之間不能兼容和通信，存在著“信息孤島”現(xiàn)象，導(dǎo)致了信息資源難于共享，服務(wù)于礦山行業(yè)技術(shù)及管理的各系統(tǒng)之間不能實現(xiàn)聯(lián)動。

4. 缺乏現(xiàn)代化的管理制度和管理模式。礦山工業(yè)是傳統(tǒng)的勞動密集型行業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入新常態(tài)，人口紅利逐漸消失，礦山企業(yè)傳統(tǒng)的管理模式弊端日益顯現(xiàn)，企業(yè)機(jī)構(gòu)冗余，制約了企業(yè)的健康發(fā)展，迫切需要管理模式的變革和創(chuàng)新來使礦山企業(yè)提質(zhì)增效。

5. 礦山信息化人才匱乏。礦山行業(yè)需要的信息化人才不僅要求熟悉采礦工程技術(shù)還需要精通信息網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，是具備信息化領(lǐng)域與礦業(yè)工程領(lǐng)域知識背景的復(fù)合型專業(yè)人才。目前我國相關(guān)領(lǐng)域的培養(yǎng)和教育機(jī)制尚不完善。圖1是礦業(yè)工程信息化面臨的問題。

圖1 礦業(yè)工程協(xié)同現(xiàn)存的問題

二、 礦山工業(yè)信息化的發(fā)展方向

解決礦山工業(yè)信息化發(fā)展存在的問題，實現(xiàn)礦山工業(yè)的安全、高效、健康發(fā)展必須實現(xiàn)以下轉(zhuǎn)變：

(一) 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成管理

礦山是一個復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運輸、通風(fēng)、水文、地質(zhì)、測量、監(jiān)控監(jiān)測等異源數(shù)據(jù)實現(xiàn)集成管理、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同。隨著生產(chǎn)設(shè)備自動化和智能化程度的不斷提高，多源多態(tài)數(shù)據(jù)的通信和集成管理將是實現(xiàn)礦山安全高效生產(chǎn)的重要保障，實現(xiàn)自動化辦公平臺、安全生產(chǎn)信息管理平臺等多平臺的綜合化統(tǒng)一調(diào)度是未來礦山信息化發(fā)展的重要方向。

(二) 礦山工業(yè)的大數(shù)據(jù)分析研究

隨著礦山工業(yè)信息化建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，礦山企業(yè)從生產(chǎn)技術(shù)到經(jīng)營管理各層面逐步重視對數(shù)據(jù)的積累和存儲，礦山企業(yè)建立了各生產(chǎn)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)庫。礦山企業(yè)擁有海量數(shù)據(jù)但對數(shù)據(jù)的分析和挖掘不足，缺乏對數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律的審視和關(guān)聯(lián)性分析研究。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，礦山工業(yè)將關(guān)注對大數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用，通過對礦山工業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)的規(guī)律總結(jié)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)對礦山工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)支持；通過對礦山經(jīng)營管理信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)礦山工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)能調(diào)控，為礦山工業(yè)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

(三) 一體化系統(tǒng)平臺的建立

礦山工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件多變，礦山企業(yè)各系統(tǒng)之間信息共享、協(xié)同配合對于礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。礦山企業(yè)信息化正在由單一系統(tǒng)向系統(tǒng)整合與業(yè)務(wù)協(xié)同轉(zhuǎn)變，將生產(chǎn)安全監(jiān)控監(jiān)測、礦山人員定位、危險源預(yù)測預(yù)警、辦公自動化等系統(tǒng)有效融合，形成高度集成的一體化系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)信息實時共享，為礦山企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)及管理決策提供綜合信息支持。

實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)變，需要在現(xiàn)有信息化成果基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，提出礦山工業(yè)信息化發(fā)展的新理念、新方法，推動整個行業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級。

三、 “互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”、礦山工業(yè)4.0的內(nèi)涵與架構(gòu)

(一) 互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)、礦山工業(yè)4.0的內(nèi)涵

“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”“工業(yè)4.0”二者本質(zhì)內(nèi)容是一致的，都指向一個核心：利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)制造領(lǐng)域的智能化。參照“互聯(lián)網(wǎng)+”理念及“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，結(jié)合我國礦山工業(yè)特點及信息化現(xiàn)狀界定概念:“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”及“礦山工業(yè)4.0”的內(nèi)涵是以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及礦業(yè)工程專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以礦山工業(yè)安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，打造礦山工業(yè)高度網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)化、協(xié)同工作、分布式服務(wù)為戰(zhàn)略思想的礦山工業(yè)新業(yè)態(tài)，以創(chuàng)新思維尋求支撐技術(shù)的突破和發(fā)展，最終實現(xiàn)礦山工業(yè)生產(chǎn)智能化、礦山工業(yè)管理高效化、礦山產(chǎn)業(yè)互聯(lián)化、礦山工業(yè)決策數(shù)據(jù)化。其實現(xiàn)過程是礦山工業(yè)從生產(chǎn)技術(shù)、企業(yè)管理到產(chǎn)業(yè)鏈組合、行業(yè)部署的全方位的轉(zhuǎn)型和升級，是以“互聯(lián)網(wǎng)+”和“工業(yè)4.0”為引擎的礦山工業(yè)的產(chǎn)業(yè)革命。如果成功，礦山工業(yè)將改變傳統(tǒng)面貌，我國將從礦業(yè)大國變?yōu)榈V業(yè)強(qiáng)國。

(二) “互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”及“礦山工業(yè)4.0”的架構(gòu)

按照“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”的內(nèi)涵與具體表現(xiàn)，其總體框架如圖2所示。

圖2 “互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”框架

“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”框架包含四個方面的主體內(nèi)容。

1. 以礦山工業(yè)安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)為指引。礦山工業(yè)安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)是堅持“以人為本、全面協(xié)調(diào)可持續(xù)”發(fā)展理念的具體體現(xiàn)，是礦山工業(yè)一直以來不變的主題，也是礦山工業(yè)能夠穩(wěn)定、健康、良性發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”是利用創(chuàng)新的思維和先進(jìn)的技術(shù)推動行業(yè)變革和發(fā)展，其核心仍是“以人為本、全面協(xié)調(diào)可持續(xù)”的科學(xué)發(fā)展觀，礦山工業(yè)安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展這一最終目標(biāo)要始終貫穿“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦業(yè)工業(yè)4.0”發(fā)展全過程。

2. 明確“高度網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)化、協(xié)同工作、分布式服務(wù)”的戰(zhàn)略主題。高度網(wǎng)絡(luò)化使礦山工業(yè)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人、人與人之間高效互聯(lián)，信息廣泛共享。是“信息快速傳遞、連接一切”這一“互聯(lián)網(wǎng)+”主要特征與礦山工業(yè)深度融合的必然結(jié)果，是實現(xiàn)礦山工業(yè)高效化的基本保障。

大數(shù)據(jù)化利用大數(shù)據(jù)技術(shù)挖掘分析海量礦山數(shù)據(jù)，給礦山工業(yè)從安全生產(chǎn)到產(chǎn)業(yè)布局決策提供數(shù)據(jù)支撐。

協(xié)同工作使礦山企業(yè)采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運輸、通風(fēng)、安全等部門，瓦斯、水文、礦壓等監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備管理、危險源預(yù)測預(yù)警、生產(chǎn)調(diào)度等安全生產(chǎn)技術(shù)管理系統(tǒng)協(xié)同配合工作，充分利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，達(dá)到“1+1>2”的效果。

分布式服務(wù)突破時間和空間的限制，打破傳統(tǒng)“礦山”的界限，通過建立統(tǒng)一的行業(yè)設(shè)備、技術(shù)和工程服務(wù)平臺，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置；基于統(tǒng)一平臺，提供分布式的專家技術(shù)服務(wù)，節(jié)省了時間和經(jīng)濟(jì)成本。

3. 支撐技術(shù)為底層基礎(chǔ)。充分發(fā)展利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具備智能感知采掘環(huán)境、采集傳輸數(shù)據(jù)、自動化控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)測和診斷的智能礦山裝備甚至工業(yè)機(jī)器人[19]得以利用；統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，使瓦斯、通風(fēng)、礦壓、水文等監(jiān)測系統(tǒng)，排水、供電、運輸提升等監(jiān)控系統(tǒng)，機(jī)電設(shè)備管理、調(diào)度通信、工業(yè)電視等安全生產(chǎn)技術(shù)管理系統(tǒng)得以有機(jī)匯接，實現(xiàn)信息共享；利用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對礦山海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析并及時響應(yīng)，為礦山各管理層面決策提供數(shù)據(jù)支持；建立統(tǒng)一的礦業(yè)協(xié)同平臺，使礦山采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運輸、通風(fēng)、地測水文等部門協(xié)同工作，使礦業(yè)領(lǐng)域內(nèi)專家遠(yuǎn)程實時介入企業(yè)生產(chǎn)，打破信息孤島，實現(xiàn)礦山工業(yè)的協(xié)同工作和分布式技術(shù)服務(wù)，提高企業(yè)效率。

4. “互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”的具體表現(xiàn)?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+礦業(yè)”及“礦山工業(yè)4.0”是從生產(chǎn)技術(shù)、企業(yè)管理到產(chǎn)業(yè)協(xié)作、行業(yè)決策的頂層設(shè)計，表現(xiàn)特征如圖3所示。具體體現(xiàn)為：(1) 礦山工業(yè)生產(chǎn)智能化。要求實現(xiàn)礦山裝備智能、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)、可靠的遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)測、統(tǒng)一平臺的數(shù)據(jù)倉庫、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，形成數(shù)字化、可視化、智能化的生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，達(dá)到安全、少人、高效的智能生產(chǎn)模式。(2) 礦山工業(yè)管理高效化。要求以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立自動化辦公平臺，以互聯(lián)網(wǎng)思維轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)礦山組織結(jié)構(gòu)和管理模式，實現(xiàn)礦山企業(yè)人力資源管理、財務(wù)管理、物資管理、項目管理等辦公自動化，企業(yè)組織更加扁平，達(dá)到企業(yè)管理提質(zhì)增效。(3) 礦山產(chǎn)業(yè)互聯(lián)化。要求改變固有的思維模式，重塑礦業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，以市場為導(dǎo)向，以數(shù)據(jù)為支撐，信息共享，建立新型的行業(yè)生態(tài)和靈活的上下游關(guān)系。(4) 礦山行業(yè)決策數(shù)據(jù)化。決策數(shù)據(jù)化體現(xiàn)在兩個層面，一是礦山企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)和企業(yè)管理決策，要求以信息融合技術(shù)滲透到生產(chǎn)、安全和管理各個層面的決策系統(tǒng)，完成從經(jīng)驗決策到數(shù)據(jù)決策的轉(zhuǎn)變；二是礦山行業(yè)的宏觀決策，要求以云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)為支撐，建立智庫決策系統(tǒng)，以大數(shù)據(jù)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)布局，使資源配置最優(yōu)。

圖3 “互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”的表現(xiàn)特征

四、 “互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”的關(guān)鍵問題

(一) 管理模式的創(chuàng)新與轉(zhuǎn)變

“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”是在信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算與大數(shù)據(jù)技術(shù)、礦業(yè)協(xié)同技術(shù)推動下的礦山工業(yè)的產(chǎn)業(yè)革命，是利用信息化與礦山工業(yè)的融合創(chuàng)造出礦業(yè)行業(yè)新的先進(jìn)生產(chǎn)力的過程，這一過程中，舊有的管理模式勢必要不斷地轉(zhuǎn)變與創(chuàng)新，研究以現(xiàn)代管理制度為基礎(chǔ)的、適應(yīng)新型生產(chǎn)和組織關(guān)系的管理模式勢在必行。

(二) 礦山工業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)的建立

礦山工業(yè)生產(chǎn)智能化、管理高效、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)、數(shù)據(jù)化決策要求礦山企業(yè)從數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲、分析、發(fā)布實現(xiàn)信息共享和協(xié)同工作，其中各環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)是實現(xiàn)上述設(shè)計的基礎(chǔ)?；诩扔械膰液托袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，制定從底層應(yīng)用到行業(yè)頂層設(shè)計的礦山信息化標(biāo)準(zhǔn)體系。

1. 礦山工業(yè)應(yīng)用層系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。包含采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運輸、通風(fēng)等基礎(chǔ)應(yīng)用層系統(tǒng)信息化標(biāo)準(zhǔn)。

2. 礦山工業(yè)傳輸層系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。包含工業(yè)以太網(wǎng)、IP網(wǎng)、礦山移動通信等，實現(xiàn)各系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和接口統(tǒng)一，便于礦山網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)、運行和維護(hù)。

3. 礦山工業(yè)數(shù)據(jù)存儲層系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。包含數(shù)據(jù)元、數(shù)據(jù)庫規(guī)范、數(shù)據(jù)類型分類等標(biāo)準(zhǔn)，為各系統(tǒng)信息交互和共享提供平臺。

4. 礦山工業(yè)信息安全標(biāo)準(zhǔn)。包含應(yīng)用層、傳輸層及存儲層的系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)，確保整體礦山信息系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行。

5. 礦山工業(yè)信息化建設(shè)總體規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。包含信息化建設(shè)各類基本概念定義、總體規(guī)范指南等，指導(dǎo)礦山信息化建設(shè)工作。

(三) “互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”支撐技術(shù)的發(fā)展

“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”戰(zhàn)略構(gòu)想最終要依靠先進(jìn)的礦山信息化技術(shù)的推動和發(fā)展。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)智能化、自動化的礦山裝備，實現(xiàn)井下的少人、無人工作模式；利用先進(jìn)的地球物理技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對礦區(qū)地層環(huán)境的整體感知和診斷；利用高精度傳感器結(jié)合信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)對重大危險源的預(yù)測預(yù)警；利用協(xié)同管理平臺結(jié)合現(xiàn)代化管理制度，實現(xiàn)礦山的高效管理調(diào)度。

(四) 基于云的礦業(yè)協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)

礦山企業(yè)的生產(chǎn)和管理是采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運輸、通風(fēng)、安全、監(jiān)控監(jiān)測及調(diào)度等多專業(yè)多部門協(xié)同配合、綜合處理的工作模式。各部門的生產(chǎn)信息不斷累積且被多系統(tǒng)共享，因此各系統(tǒng)均不能孤立存在，必須基于統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)協(xié)同工作。建立基于云的礦業(yè)大數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)礦山企業(yè)各層面、各系統(tǒng)的聯(lián)動與協(xié)同配合，達(dá)到安全、高效生產(chǎn)的目的；充分利用云計算與大數(shù)據(jù)技術(shù)，優(yōu)化配置行業(yè)資源，通過數(shù)據(jù)引導(dǎo)礦山工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈延伸、延展；引導(dǎo)產(chǎn)能調(diào)控，為礦山工業(yè)發(fā)展決策提供數(shù)據(jù)支撐?；谠频牡V業(yè)協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)如圖4。

圖4 基于云的礦業(yè)協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺

1. 礦山安全智能運營?；谠频牡V業(yè)協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺要實現(xiàn)礦山安全智能生產(chǎn)系統(tǒng)及管理系統(tǒng)的自動化和智能化，使各子系統(tǒng)在統(tǒng)一平臺的標(biāo)準(zhǔn)上，信息共享，協(xié)同工作。在數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運輸、通風(fēng)、地測、水文、安全、監(jiān)控監(jiān)測等部門協(xié)同配合，保障礦山企業(yè)生產(chǎn)安全、高效；利用信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、故障診斷技術(shù)實現(xiàn)礦山裝備的自動化控制和管理，打造少人甚至無人礦山，推動礦山企業(yè)由安全向本質(zhì)安全轉(zhuǎn)變；基于統(tǒng)一平臺，信息共享，實現(xiàn)供應(yīng)管理信息的集成，礦山物資計劃閉環(huán)管理，使礦山物資供應(yīng)庫存合理、資金高效運轉(zhuǎn)，企業(yè)提質(zhì)增效。

2. 大數(shù)據(jù)分析中心。大數(shù)據(jù)的價值體現(xiàn)在針對礦山提出的專業(yè)服務(wù)、技術(shù)支持及行業(yè)決策上，如圖5所示。挖掘和釋放大數(shù)據(jù)資源的潛在價值，發(fā)揮數(shù)據(jù)在我國礦山行業(yè)中的戰(zhàn)略作用，提高我國礦山信息化核心競爭力。在掌握海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)分類管理，對企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的挖掘分析，實現(xiàn)礦區(qū)整體開采環(huán)境診斷、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境分析預(yù)警，瓦斯、礦壓監(jiān)測預(yù)警等。分析企業(yè)運營數(shù)據(jù)，優(yōu)化企業(yè)的營銷鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化和重組。

圖5 “互聯(lián)網(wǎng)+”時代大數(shù)據(jù)價值

3. 綜合調(diào)度平臺?；诜植际降木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，搭建綜合調(diào)度平臺，實現(xiàn)技術(shù)、設(shè)備和工程服務(wù)協(xié)同，針對礦山企業(yè)在生產(chǎn)中遇到的問題，使行業(yè)內(nèi)的專家遠(yuǎn)程無縫介入企業(yè)生產(chǎn)，提供技術(shù)服務(wù)。通過平臺，配置礦山設(shè)備和工程服務(wù)資源，使企業(yè)以最低的成本獲得最優(yōu)的解決方案。

4. 智庫決策。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立遠(yuǎn)程協(xié)作中心，使行業(yè)內(nèi)的智力資源能夠在更加廣域的范圍發(fā)揮作用；利用平臺的數(shù)據(jù)信息資源，給礦山企業(yè)各層面技術(shù)決策提供支持；基于大數(shù)據(jù)平臺，給行業(yè)宏觀產(chǎn)能調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐；基于統(tǒng)一平臺，通過不同等級的權(quán)限設(shè)計，實現(xiàn)從礦山企業(yè)集團(tuán)公司到各級政府安監(jiān)部門的切實有效的安全監(jiān)管。

五、 結(jié)論

“互聯(lián)網(wǎng)+”“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略給礦山工業(yè)轉(zhuǎn)型和升級提供了發(fā)展思路，以礦山工業(yè)安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及礦業(yè)工程專業(yè)技術(shù)，打造礦山工業(yè)高度網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)化、協(xié)同工作、分布式服務(wù)的“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”模式是今后礦山工業(yè)的發(fā)展方向。“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”戰(zhàn)略規(guī)劃要求努力尋求礦山信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、礦山云計算與大數(shù)據(jù)技術(shù)、礦業(yè)協(xié)同技術(shù)等支撐技術(shù)的突破和發(fā)展，創(chuàng)造與新型礦山工業(yè)相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)化管理模式，建立高度集成的一體化系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)礦山企業(yè)各部門、各系統(tǒng)信息共享、協(xié)同工作，為礦山工業(yè)的決策提供技術(shù)支持。深入研究分析礦山工業(yè)大數(shù)據(jù)，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)礦山工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化和重組；發(fā)揮礦山工業(yè)大數(shù)據(jù)宏觀作用，為國家礦山工業(yè)產(chǎn)能調(diào)控及行業(yè)決策提供數(shù)據(jù)支撐。預(yù)計“十三五”期間將建成一批生產(chǎn)智能化、管理高效化、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)化、決策數(shù)據(jù)化的現(xiàn)代化礦山企業(yè)示范工程，在未來十到十五年內(nèi)，全面迎來“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”“礦山工業(yè)4.0”時代。

[1] 森德勒. 工業(yè)4.0[M] ．北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[2] 中國制造業(yè)發(fā)展綱要(2015-2025)[Z].2015.

[3] 關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見[Z].2015.

[4] 毛善君. “高科技煤礦”信息化建設(shè)的戰(zhàn)略思考及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報,2014(08):1572-1583.

[5] 錢鳴高. 煤炭的科學(xué)開采[J]. 煤炭學(xué)報,2010(04):529-534.

[6] 謝和平, 王金華, 申寶宏,等. 煤炭開采新理念——科學(xué)開采與科學(xué)產(chǎn)能[J]. 煤炭學(xué)報, 2012, 37(7):1069-1079.

[7] 謝和平, 錢鳴高, 彭蘇萍,等. 煤炭科學(xué)產(chǎn)能及發(fā)展戰(zhàn)略初探[J]. 中國工程科學(xué), 2011(06):44-50.

[8] Bednarz T P, Caris C, Thompson J, et al. Human-computer inter-action experiments-immersive virtual reality applications for the mining industry[C/OL]//24th IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications,Perth,[2010-04-23].

[9] Lilic N, Obradovic I, Cvjetic A. An intelligent hybrid system for surface coal mine safety analysis[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2010,23(4):453-462.

[10] Serafettin Alpay, Mahmut Yavuz. Underground mining method selection by decision making tools[J]. Tunnelling and Under-ground Space Technology, 2009,24(2):173-184.

[11] Seppanen,Pukkila.Intellimine research and development[J].World Mining Equipment,1993(11):15-16.

[12] 毛善君. “高科技采礦”理念下的煤炭科研及其人才培養(yǎng)問題探討——來自于航天科技發(fā)展的借鑒[J]. 煤炭高等教育,2010(03):7-10.

[13] 孫繼平.煤礦物聯(lián)網(wǎng)特點與關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 煤炭學(xué)報,2011(01):167-171.

[14] 孫彥景,左海維,錢建生,趙甫胤. 面向煤礦安全生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2013(01):84-88.

[15] 王剛,方新秋,謝小平,阮飛雄. 薄煤層無人工作面自動化開采技術(shù)應(yīng)用[J]. 工礦自動化,2013(08):9-13.

[16] 吳立新,殷作如,鐘亞平. 再論數(shù)字礦山:特征、框架與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報,2003(01):1-7.

[17] 吳立新, 汪云甲, 丁恩杰,等. 三論數(shù)字礦山——借力物聯(lián)網(wǎng)保障礦山安全與智能采礦[J]. 煤炭學(xué)報, 2012(03):357-365.

[18] 孫繼平. 煤礦自動化與信息化技術(shù)回顧與展望[J]. 工礦自動化,2010(06):26-30.

[19] Hainsworth D W. Teleoperation user interfaces for mining robotics[J]. Autonomous Robots, 2001, 11(1):19-28.

Connotation, Framework and Critical Issues of Mine Industry 4.0 and Internet Plus Mining

WANG An1，YANG Zhen2,3，ZHANG Nong2,3，WU Xiang2,3，YAO Wenli2,3

(1. China International Engineering Consulting Corporation, Beijing 100048, China;2. School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Although global industrial production has been slow since the beginning of the twenty first century, a new idea of development named “internet plus mining industry” and “mining industry 4.0” has emerged and been guiding the formation of the new global industry order. Internet plus mining industry and mining industry 4.0 characterized by high-degree networking, large-volume digitalization, cooperative work and distributed service is the road leading to safe, efficient, green and sustainable development for mining industry, and it serves as the new direction of the mining industry development with future certainty. The strategic framework and specific deployment model encompasses one ultimate goal, one strategic theme, four supporting technologies, and four concrete representations. The key problems to be solved include changing and innovating the management mode, establishing an informatization standard system, developing information supporting technologies, and creating a cooperative big data platform for mining industry etc. The realization process is an all-round transformation and upgrade of mining industry from perspectives of manufacture technology, enterprise management to industrial chains combination and industry deployment. The mining industry revolution launched by internet plus and industry 4.0 will finally realize the described intelligent manufacture, efficient management, interconnection and big-data based decision making.

informatization; internet plus mining industry; mining industry 4.0; big data of mining

2016-09-23

國家自然科學(xué)基金面上項目(項目編號：No.51174193)；國家自然科學(xué)基金青年基金(項目編號：No.51004102)。

王 安(1958-)，男，內(nèi)蒙古涼城人，中國工程院院士； 張 農(nóng)(1968-)，男，安徽金賽人，教授，博士生導(dǎo)師； 楊 真(1978-)，男，山西大同人，教授，博士生導(dǎo)師。

TD801

A

1009-105X(2017)02-0054-07