智慧礦區(qū)建設戰(zhàn)略布局及關鍵技術

吳群英 郭佐寧 ?；⒚?符立梅 習 曉 周曉明

(1.陜煤集團陜北礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719000；2. 西安科技大學, 陜西省西安市， 710054)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)面臨著信息化時代的深刻變革，因此如何推進煤炭行業(yè)兩化深度融合、貫徹落實習近平總書記提出的“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略、加快推進煤炭行業(yè)供給側(cè)結(jié)構性改革、推動智能化技術與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展、促進礦山數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)礦區(qū)智慧化成為了煤炭領域的新發(fā)展主題[1]。2020年2月25日，國家8部委聯(lián)合制定了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》[2]，新一代信息技術的發(fā)展為煤礦智能化轉(zhuǎn)型升級提供了契機[3]。陜煤集團陜北礦業(yè)有限公司(以下簡稱“陜北礦業(yè)公司”)智慧化建設采用新一代信息技術，按照“統(tǒng)一規(guī)劃設計、統(tǒng)一投資管理、統(tǒng)一標準體系、統(tǒng)一建設運維”的理念，制定了智能化建設戰(zhàn)略布局，并將智慧礦區(qū)建設作為信息化重大戰(zhàn)略目標，通過智慧化建設不斷提升企業(yè)“二優(yōu)三商三打造”高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)涵品質(zhì)。

1 陜北礦業(yè)公司信息化建設現(xiàn)狀

1.1 企業(yè)概況

陜北礦業(yè)公司是陜煤集團在陜北國家能源基地規(guī)劃建設的大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)，下屬紅柳林礦業(yè)公司、檸條塔礦業(yè)公司、張家峁礦業(yè)公司、韓家灣煤炭公司、孫家岔龍華礦業(yè)公司、中能煤田公司、涌鑫礦業(yè)公司、神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展公司、神南煤炭科技孵化公司和“沿黃煤環(huán)”發(fā)展生態(tài)大數(shù)據(jù)有限公司10個單位(8對生產(chǎn)礦井)，主導并聯(lián)合中國煤炭學會等單位成立了陜北煤炭綠色發(fā)展研究院。陜北礦業(yè)公司擁有優(yōu)質(zhì)煤炭產(chǎn)能7000萬t/a(其中50%用于化工原料)、2億t/a煤炭生產(chǎn)服務能力和1000 m2科技孵化基地，盈利超100億元/a。2019年，陜北礦業(yè)公司商品煤產(chǎn)量為6700萬t，實現(xiàn)營業(yè)收入209億元，利潤達到101億元。

近年來，陜北礦業(yè)公司堅決貫徹國家及集團公司的決策部署，取得了15項煤炭行業(yè)第一，榮獲了“國家級兩化融合貫標示范企業(yè)”“中國能源企業(yè)信息化管理創(chuàng)新獎”“陜西省質(zhì)量獎”“中國工業(yè)大獎”“全國五一勞動獎狀”等重大獎項。

1.2 信息化建設現(xiàn)狀

陜北礦業(yè)公司通過不斷全面深化“兩化融合”，加快智能化礦區(qū)建設步伐，近幾年下屬各生產(chǎn)礦井取得卓越成效。

(1)下屬各生產(chǎn)礦井均實現(xiàn)了人員(車輛)定位、安全監(jiān)測、應急廣播、調(diào)度通訊、無線通訊、工業(yè)視頻的多系統(tǒng)融合，通過融合基站實現(xiàn)了底層應急聯(lián)動。

(2)部分礦井現(xiàn)已建成了地質(zhì)一張圖、智慧導航、智能化選煤廠和工會管理等信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息采集全覆蓋、數(shù)據(jù)資源全覆蓋、統(tǒng)計分析全自動、業(yè)務管理全透明。

(3)礦井智能化工作面已經(jīng)實現(xiàn)常態(tài)化自動割煤，切實做到了減人增效的目標。

(4)陜北礦業(yè)公司業(yè)務管理方面推行全面預算管理，導入卓越績效管理體系，不斷優(yōu)化管理機制，經(jīng)營管理成效顯著。

雖然陜北礦業(yè)公司及其下屬生產(chǎn)礦井已具備較高智能化應用水平，并取得良好效果，但仍面臨以下諸多痛點和難點問題。

一是信息化應用范圍覆蓋不全面。部分關鍵業(yè)務如設備管理、固定資產(chǎn)管理、工程項目管理、倉儲管理等存在較為明顯的信息化缺口。

二是信息孤島現(xiàn)象較為嚴重。應用系統(tǒng)之間基本沒有集成關系，阻礙了業(yè)務的融合銜接，不能為企業(yè)的整體運轉(zhuǎn)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

三是缺乏整體架構。信息系統(tǒng)的整體架構缺乏統(tǒng)一規(guī)劃設計，各單位獨立建設，沒有在整體上形成平臺化架構，缺乏靈活性和可擴展性，不能完全做到隨需而變，難以適應企業(yè)發(fā)展的需要。

四是存在業(yè)務斷層。單一業(yè)務線向下延伸多級才能到生產(chǎn)基層，整體效率低，信息失真程度高。

五是缺少管控支撐工具。缺乏實現(xiàn)煤礦數(shù)據(jù)集成、能力集成和應用集成的智能化管控平臺。

為此，陜北礦業(yè)公司根據(jù)實際需求和前期工作基礎，結(jié)合最新的技術發(fā)展趨勢和跨行業(yè)經(jīng)驗，探索了符合陜北礦業(yè)公司發(fā)展要求、以智慧礦區(qū)為核心、以實現(xiàn)礦井智能化為最終目標的智慧化建設方案。

2 陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設內(nèi)涵

2.1 智慧礦區(qū)建設內(nèi)涵

目前眾多學者基于現(xiàn)代智慧理念根據(jù)不同的生產(chǎn)條件及應用角度給出了不同的智慧礦區(qū)定義[4-6]。陜北礦業(yè)公司根據(jù)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的根本需求，構建了以數(shù)據(jù)獲取為核心和以系統(tǒng)建設一體化為原則的分布式統(tǒng)一架構的智慧化體系。

陜北礦業(yè)公司利用新一代信息技術，在供應銷售等環(huán)節(jié)中，通過構建“客戶端-生產(chǎn)端-供應端”數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、反饋的閉環(huán)體系，打破不同層級、不同業(yè)務間的數(shù)據(jù)壁壘，健全安全、高效、協(xié)調(diào)、綠色的煤基經(jīng)濟社會體系，定義全新陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)，礦區(qū)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為支撐，自主學習決策形成全新的數(shù)字經(jīng)濟體系，推進企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設以數(shù)字經(jīng)濟、系統(tǒng)工程、信息科學及采礦工程等多學科交叉融合為基礎，最終實現(xiàn)無人、安全、高效、綠色及定制化礦山，具有縱向、橫向及端到端高度集成，系統(tǒng)間深度互聯(lián)互通；基于傳感器、控制器、泛在網(wǎng)絡、條碼/UWB等泛在感知技術，實現(xiàn)礦井生產(chǎn)的全面透徹感知；采用數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)及動態(tài)建模等技術實現(xiàn)業(yè)務的數(shù)據(jù)模型驅(qū)動；基于人工智能、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實、智能穿越等智能技術實現(xiàn)人機環(huán)協(xié)同作業(yè)；通過訂單式生產(chǎn)、彈性保障制度及貫通的管控能力實現(xiàn)彈性供給等特征。

2.2 智能化發(fā)展背景與趨勢

2.2.1 智能化發(fā)展背景

(1)新道路。新道路即創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量保障、效益優(yōu)先、全要素生產(chǎn)率提高的高質(zhì)量發(fā)展之路，其核心問題是全要素生產(chǎn)率的提高，質(zhì)量強國，需要解決的是要素分割、低效率配置及循環(huán)問題。

(2)新方向。新方向即數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字中國的數(shù)字經(jīng)濟方向，其核心問題是數(shù)字經(jīng)濟建設，需要解決的是業(yè)務數(shù)字化轉(zhuǎn)型問題。

(3)新格局。新格局即形成強大的國內(nèi)市場，構建新發(fā)展格局，堅持擴大內(nèi)需這個戰(zhàn)略基點，加快培育完整內(nèi)需體系，暢通國內(nèi)大循環(huán)，促進國內(nèi)國際雙循環(huán)的國際國內(nèi)雙循環(huán)格局，核心問題是暢通國內(nèi)大循環(huán)，需要解決的是循環(huán)暢通的基礎及技術問題。

(4)新挑戰(zhàn)。新挑戰(zhàn)即整體智能化之戰(zhàn)，核心問題是礦區(qū)整體智能化，需要解決的是礦區(qū)要素內(nèi)循環(huán)、礦區(qū)要素與社會產(chǎn)業(yè)大循環(huán)。

2.2.2 智能化發(fā)展趨勢

礦井各單元智能化不等同于礦井整體智能化，礦井整體智能化亦不等同于礦區(qū)智能化。陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設有如下使命。

(1)從點狀、專業(yè)狀智能化向多系統(tǒng)協(xié)同及全礦區(qū)智慧化邁進。點狀、專業(yè)狀智能化實踐提升和訓練了智能化的知識與能力，但造成了信息孤島，成為智能化的最大障礙。陜北礦業(yè)公司礦區(qū)智能化歷程如圖1所示。

圖1 陜北礦業(yè)公司礦區(qū)智能化歷程

由圖1可以看出，從業(yè)務鏈角度看，點狀、線狀、鏈狀協(xié)同相對較多，網(wǎng)狀整體協(xié)同少；從區(qū)域角度看，礦井內(nèi)部協(xié)同較多，礦區(qū)整體協(xié)同循環(huán)少，礦區(qū)與外部高效協(xié)同循環(huán)少。因此需要向多系統(tǒng)及礦區(qū)整體智慧化發(fā)展。

(2)從主系統(tǒng)智能化向輔助維護工程智能化并重邁進，解決零星輔助工作及運行支撐系統(tǒng)的智能化問題。“十四五”期間，地質(zhì)災害監(jiān)測、識別、分析、預警全流程智能化將是煤礦智能化發(fā)展的具體方向。采用圖像分類、目標檢測、圖像語義分割、場景文字識別、圖像生成、視頻分類、度量學習等技術，立足地質(zhì)災害空間分異性，加強案例積累與挖掘，在建設更加精密群測群防網(wǎng)絡的基礎上，研發(fā)自適應性較強的監(jiān)測傳感采集設備，探索更加精準的預測預警模型與算法，為精細化的防災減災服務奠定基礎。

(3)從智能技術升級改造向管理系統(tǒng)智慧化邁進。管理變革才能適應智能化這一生產(chǎn)力變革，使其發(fā)揮應有的效能。管理的方向是承載物理實體的數(shù)據(jù)及價值，建設以數(shù)據(jù)驅(qū)動為管理方式、以開放平臺為基礎支撐、以數(shù)字技術為核心要素的企業(yè)新形態(tài)。管理研究的對象包括數(shù)字資源的獲取、數(shù)據(jù)資產(chǎn)的權益、分析獲得的勞動價值、應用驅(qū)動的產(chǎn)業(yè)增值、創(chuàng)新拓展的科技與管理的良性循環(huán)，研究內(nèi)容包括數(shù)字經(jīng)濟學與數(shù)字管理學，其中數(shù)字管理學是指產(chǎn)業(yè)體系中資源配置、科研創(chuàng)新、生產(chǎn)組織、商業(yè)模式以數(shù)據(jù)為中心重構技術流、資金流、人才流、物資流，實現(xiàn)體系重構、動力變革、范式遷移；數(shù)字經(jīng)濟學是指以萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、軟體定義、平臺支撐、智能主導的五大特征數(shù)字經(jīng)濟新時代。

(4)從礦井智能化向礦區(qū)智慧化邁進，解決礦井、礦區(qū)全要素生產(chǎn)率的提升，打破“專業(yè)墻”“礦井墻”，實現(xiàn)集約化運行，整體提升效率效益。基于礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設，礦井側(cè)通過生產(chǎn)組織方式、生產(chǎn)保障方式及績效激勵方式等方面的變革，解決設備與環(huán)境、設備與設備、設備與人、人與人、設備與產(chǎn)品的關系，礦區(qū)側(cè)通過經(jīng)驗管理模式、企業(yè)組織架構、業(yè)態(tài)體系規(guī)劃等方面的變革，解決礦區(qū)與生產(chǎn)資料高效配置關系、礦區(qū)與客戶需求精準供給關系、礦區(qū)與礦區(qū)需求質(zhì)量決策關系、礦區(qū)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈關系、礦區(qū)與社會文明的關系，從而實現(xiàn)“產(chǎn)供銷服”方式升級、“安全高效綠色”功能升級、“產(chǎn)業(yè)生態(tài)”協(xié)同升級及“設計制造供應鏈”質(zhì)量升級。

(5)從追求“少人、無人”的“安全、高效”向“清潔、綠色、生態(tài)、精準供給”并重的功能邁進，解決智能化全面要義落實問題，即實現(xiàn)安全、高效、清潔、綠色、生態(tài)的全方面智能化。

3 陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)戰(zhàn)略布局

陜北礦業(yè)公司提出了“1543” 智慧礦區(qū)建設模式，即1個以價值創(chuàng)造為核心目標的戰(zhàn)略布局，包含創(chuàng)新引領、規(guī)劃先行、技術支撐、梯度推進、全面協(xié)同的5個推進原則，在新道路、新方向、新格局、新挑戰(zhàn)上的4項根本任務，以管理為核心、技術為支撐、效能為評價的3大實踐方法。其中，戰(zhàn)略引領建設體系并指導實踐方法，建設體系與實踐方法達到相互驗證與支撐關系。陜北礦業(yè)公司“1543”智慧礦區(qū)建設模式如圖2所示。

圖2 陜北礦業(yè)公司“1543”智慧礦區(qū)建設模式

3.1 “21851”黑金工程戰(zhàn)略

陜北礦業(yè)公司全面開展“21851”黑金工程戰(zhàn)略布局，即構建礦井+礦區(qū)2級大數(shù)據(jù)智能管控云平臺、1個5G+智慧礦區(qū)創(chuàng)新試驗區(qū)和8大5G+智慧礦區(qū)應用場景，聯(lián)合5類產(chǎn)業(yè)鏈伙伴建立智慧礦區(qū)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，最終打造1個具有協(xié)同、生態(tài)、情懷的綠色智慧創(chuàng)新谷，實現(xiàn)煤炭產(chǎn)品、行業(yè)標準、產(chǎn)業(yè)裝備、技術力量及運維服務等全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。其中8大5G+智慧礦區(qū)應用場景包括智能生產(chǎn)協(xié)同調(diào)度、采動災害智能預警、礦山裝備運行監(jiān)測及預測性維護、供應鏈協(xié)同資源配置、智能無人化綜采工作面、智能環(huán)境感知及安全檢測、智能化巷道快速掘進、智能化生產(chǎn)輔助保障，5類產(chǎn)業(yè)鏈伙伴，包括通信運營商、科研院校、設備制造商、終端供應商及系統(tǒng)集成商。陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設戰(zhàn)略布局如圖3所示。

圖3 陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設戰(zhàn)略布局

陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設基于現(xiàn)代管理理念和新一代信息技術，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、移動互聯(lián)網(wǎng)技術、機器人、智能化裝備等與現(xiàn)代煤礦開發(fā)技術深度融合，形成礦區(qū)全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，實現(xiàn)礦區(qū)開拓、采掘、運通、洗選、安全保障、生態(tài)保護、生產(chǎn)管控等全過程智能化運行的體系。其總體目標是形成煤礦完整智能系統(tǒng)、全面智能運行、科學綠色開發(fā)的全產(chǎn)業(yè)鏈運行新模式，為保障國家能源安全、實現(xiàn)煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供核心技術支撐。

3.2 建設思路

數(shù)據(jù)是驅(qū)動礦山數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎要素，陜北礦業(yè)公司通過下屬生產(chǎn)礦井、生產(chǎn)服務公司、科技孵化公司及生態(tài)研究院構建邊緣側(cè)，為礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供數(shù)據(jù)資源；平臺基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標準與數(shù)據(jù)服務體系，為礦區(qū)提供應用服務，如生產(chǎn)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、保障系統(tǒng)、經(jīng)營系統(tǒng)、決策系統(tǒng)及生態(tài)系統(tǒng)等軟件服務，形成數(shù)字化的知識與信息，為礦區(qū)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供關鍵的生產(chǎn)要素。陜北礦業(yè)公司通過5G、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈新信息技術的綜合運用，以及信息化人才培養(yǎng)、生態(tài)治理、隱私安全、綠色可持續(xù)發(fā)展等社會約束激勵，催生了礦山新業(yè)態(tài)、新組織、新管理以及新技術，最終實現(xiàn)礦區(qū)智慧化建設。陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設總體思路如圖4所示。

(1)新業(yè)態(tài)。陜北礦業(yè)公司基于數(shù)據(jù)化供應鏈的視角，通過對數(shù)據(jù)采集、存儲、傳遞、分析管理和應用，實現(xiàn)從定制化訂單、自動化數(shù)字化生產(chǎn)、智能運輸、精準化供給服務全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化轉(zhuǎn)型；同時，將礦山大數(shù)據(jù)作為一種新的資產(chǎn)、資源和生產(chǎn)要素，提高生產(chǎn)和決策的智能化，驅(qū)動企業(yè)以客戶需求為導向的價值創(chuàng)造模式變革。

(2)新組織。隨著礦區(qū)全生產(chǎn)鏈各個環(huán)節(jié)的即時連接、深度透明與高度智能化，外部合作伙伴和內(nèi)部業(yè)務單元逐步實現(xiàn)數(shù)字化無縫連接，內(nèi)部各個層級和業(yè)務模塊開始實現(xiàn)數(shù)據(jù)知識與信息的對等與對稱。數(shù)字化、平臺化與生態(tài)化將推動企業(yè)發(fā)展新的經(jīng)濟模式。

(3)新管理。數(shù)字化轉(zhuǎn)型給礦區(qū)組織架構、管理模式及管理方式帶來了深刻的變化，陜北礦業(yè)公司基于新一代信息技術的發(fā)展，實現(xiàn)了管理的數(shù)字化與智慧化，即管理結(jié)構扁平化、管理模式自組織化和管理方式數(shù)字化。

(4)新技術。數(shù)字化轉(zhuǎn)型的前沿科學技術主要包括人工智能、區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)安全防護體系。對企業(yè)產(chǎn)業(yè)價值有巨大影響力的數(shù)字化技術包括數(shù)據(jù)、計算能力和連接、分析和人工智能、人機交互及先進開采工藝。

陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設遵循國家和集團的整體戰(zhàn)略，基于實際需求和管理模式，通過基礎網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心、技術平臺、應用系統(tǒng)、保障體系、數(shù)據(jù)服務的搭建和逐步完善，整體上形成平臺化技術架構、一體化應用系統(tǒng)、專業(yè)化組織保障、共享化數(shù)據(jù)服務，最終全面實現(xiàn)智能化生產(chǎn)、透徹化感知、可視化管理、數(shù)字化決策的智慧礦區(qū)。

圖4 陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設總體思路

3.3 規(guī)劃先行

3.3.1 頂層設計原則

(1)統(tǒng)一標準規(guī)范。建立數(shù)據(jù)標準、業(yè)務標準、技術標準，而平臺是貫徹標準的手段。

(2)統(tǒng)一規(guī)則和分步實施相結(jié)合。統(tǒng)一規(guī)劃保證多系統(tǒng)建設的一致性和完整性，分步實施是自下而上的執(zhí)行，難點在于一張藍圖繪制到底的能力。

(3)兼顧創(chuàng)新性和成熟性。既要考慮發(fā)展趨勢和先進性，又要考慮采用成熟、可用、可靠的產(chǎn)品，同時還要兼顧經(jīng)濟性，在滿足當下需求的同時適應未來發(fā)展。

(4)構建數(shù)據(jù)采集、融合和分析能力。擴大數(shù)據(jù)采集范圍、推動業(yè)務數(shù)字化，建立數(shù)據(jù)共享共用機制，加快推動系統(tǒng)間、各層級、內(nèi)外部數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和共享聚合。

3.3.2 設計要求

陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設需求是對下實現(xiàn)所屬礦井的透視化管控，對上支撐上級集團公司發(fā)展，滿足國家戰(zhàn)略與社會需求，通過各層級間的數(shù)據(jù)融合分析，對外實現(xiàn)與供應商、制造商與客戶的業(yè)務協(xié)同。因此，公司規(guī)劃有如下設計要求。

(1)使價值有效、高效地流動，即業(yè)務有效。

(2)服務于全要素生產(chǎn)力提升，即要素和效能要發(fā)揮出來，即噸煤效益。

(3)服務于扁平化的生產(chǎn)過程。

(4)服務于精準的市場響應。

(5)服務于企業(yè)的業(yè)務生態(tài)健康，即健全的供應鏈、銷售鏈。

(6)智慧化內(nèi)涵、目標、架構、原則、路徑及技術系統(tǒng)構成了智慧礦區(qū)建設標準及技術體系。

3.4 技術體系

陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)技術體系包含總體架構、業(yè)務架構、技術架構及數(shù)據(jù)架構4個部分[7]。

(1)總體架構?？傮w架構與傳統(tǒng)的平臺體系不同，是基于私有云架構的智慧礦區(qū)基礎平臺，包括基礎設施服務層 、平臺服務層、軟件服務層、管理模式層。此外，該架構支持大數(shù)據(jù)分析能力和邊緣計算的能力，并且融合“1+4”體系結(jié)構(1個數(shù)據(jù)中心和4類業(yè)務場景下的軟件服務綜合體系結(jié)構)。其中，基礎設施服務層提供相關網(wǎng)絡、計算、存儲和其他硬件設備資源；平臺服務層主要包括業(yè)務中臺、數(shù)據(jù)中臺和技術中臺；軟件服務層主要實現(xiàn)煤礦企業(yè)中安全管控、生產(chǎn)運行、調(diào)度協(xié)同和經(jīng)營管理4大類業(yè)務場景下不同軟件系統(tǒng)的功能模塊，并以統(tǒng)一接口的形式對不同功能的模塊進行封裝和管理；管理模式層主要包括人才培養(yǎng)和新技術條件下的4類業(yè)務場景的工作方式變革。

(2)業(yè)務架構。上述體系架構較難細致描述智慧礦區(qū)建設中業(yè)務邏輯關系等信息，為此，陜北礦業(yè)公司在智慧礦區(qū)總體架構的基礎上，通過業(yè)務場景的劃分，建立了智慧礦區(qū)的業(yè)務邏輯架構。該架構以云計算和大數(shù)據(jù)平臺為基礎，通過實現(xiàn)一體化的綜合管控業(yè)務功能，減少因系統(tǒng)互操作、標準化不健全和缺乏統(tǒng)一的標準化平臺等因素引起的數(shù)據(jù)孤島和信息煙囪問題，最終實現(xiàn)智慧礦山的智能化管控服務。

(3)技術架構。技術架構主要包括7個部分：數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)整合層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)分析層、業(yè)務邏輯層和應用表示層。此外，還包括安全控制和管理配置等相關技術。本架構的特點在于各類技術的組件化與服務化。

(4)數(shù)據(jù)架構。在構建業(yè)務邏輯架構和技術架構的基礎上，為了能夠更好地挖掘和利用數(shù)據(jù)，提供智能化服務，改變了以數(shù)據(jù)獲取為核心的架構方式，構建以數(shù)據(jù)利用為核心的智慧礦山數(shù)據(jù)架構。該架構主要包括5個部分：數(shù)據(jù)的基礎建設、系統(tǒng)運維、數(shù)據(jù)應用、數(shù)據(jù)管理及規(guī)劃與部署。通過建立智慧礦區(qū)的數(shù)據(jù)架構，實現(xiàn)智慧礦山數(shù)據(jù)的深入應用。

3.5 全面協(xié)同

陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)“六協(xié)同”策略將“數(shù)據(jù)孤島”變?yōu)椤皡f(xié)同共享”，通過智慧礦區(qū)建設全力打造煤基園區(qū)(榆神四期)綠色智能創(chuàng)新谷產(chǎn)業(yè)群。

(1)價值協(xié)同與價值流管理。打破業(yè)務間、企業(yè)間、產(chǎn)業(yè)間之“墻”，價值創(chuàng)造求最優(yōu)解。

(2)信息集成共享。政策、市場、生產(chǎn)、供應、銷售、轉(zhuǎn)化、循環(huán)等信息集成。

(3)高效扁平化管理協(xié)同。業(yè)務、管理高效，政令迅達。

(4)創(chuàng)新協(xié)同。構建多主體協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟，政產(chǎn)學研用五位一體創(chuàng)新，力求改革政策體系。

(5)頂層協(xié)同設計。多產(chǎn)業(yè)、多行業(yè)、多專業(yè)一體化設計，形成立體式“綠色智能化”園區(qū)，引領“煤竭亦興”的新型道路。

(6)全要素協(xié)同提升。從農(nóng)林到煤炭生產(chǎn)及服務，再到煤炭化工電力轉(zhuǎn)化融合發(fā)展。

3.6 梯度推進

基于陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)總體規(guī)劃，擬采用“總體規(guī)劃、分步實施、礦區(qū)引領、礦井支撐、強基保產(chǎn)、穩(wěn)步推進”的實施原則，最終全面實現(xiàn)“高效協(xié)同、成本可控、效益顯著”的智慧化陜北礦業(yè)新局面。

陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設將按照“3個層級梯度推進”的基調(diào)進行總體推進。其中，2018年開始啟動煤基園區(qū)層的榆神四期“綠色智能創(chuàng)新谷”方案研究；2018-2021年完成礦井層的智能化建設，2020年陜北礦業(yè)公司共建設完成張家峁礦業(yè)公司、紅柳林礦業(yè)公司、檸條塔礦業(yè)公司3個國家首批智能化示范礦井[8]；2022年完成礦區(qū)層的陜北礦業(yè)“5G+智能礦區(qū)”建設統(tǒng)籌規(guī)劃。

4 陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設關鍵技術

4.1 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)系統(tǒng)接口標準和大數(shù)據(jù)體系建立

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標準和大數(shù)據(jù)體系實現(xiàn)各業(yè)務系統(tǒng)間共用基礎信息的源頭統(tǒng)一、實時共享，保證數(shù)據(jù)的規(guī)范性、一致性、及時性和安全性。同時，為未來的數(shù)據(jù)抽取、匯總、分析和決策提供準確、一致、相關聯(lián)的基礎數(shù)據(jù)。

(1)多協(xié)議轉(zhuǎn)換接口開發(fā)。支持市場上主流的現(xiàn)場工業(yè)通訊協(xié)議(串口、網(wǎng)絡、通訊中間件以及軟件API等)、多種業(yè)界常用的協(xié)議標準(TCP/IP協(xié)議、OPC UA協(xié)議、DDENET協(xié)議、FTP協(xié)議、Modbus、ODBC)以及其它非標準串行通訊協(xié)議多種數(shù)據(jù)接口方式。

(2)數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲和管理，基于大數(shù)據(jù)進行業(yè)務分析和應用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、融合，支撐業(yè)務系統(tǒng)集成應用。

(3)數(shù)據(jù)分析。利用數(shù)據(jù)分析技術，對采集的各類煤礦基礎數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行加工、整理，形成實時比對柱狀圖及其他比對形式，達到任務完成率實時掌握、一目了然的目的，同時根據(jù)狀態(tài)提示、操作提示、故障提示，對發(fā)現(xiàn)異常后造成周邊環(huán)境安全、設備及影響生產(chǎn)的可能性進行預警，能夠在分析界面展示出上下級設備、系統(tǒng)、流程、影響因素的分析結(jié)果，并可根據(jù)事態(tài)級別大小，預演分析結(jié)果并推送至不同層級人員，進而建立影響礦井安全生產(chǎn)的重要因素構建多種分析模型。

4.2 基于大數(shù)據(jù)分析的礦山智能預警方法研究

基于陜北礦業(yè)公司安全監(jiān)測系統(tǒng)，全面梳理整合基礎信息，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)深度應用。

(1)基于云平臺的泛在連接，建設邊緣云和 5G+邊緣計算，采集礦壓、地下水位和流量、瓦斯、溫度、濕度、一氧化碳等數(shù)據(jù)，構成礦山監(jiān)測大數(shù)據(jù)，針對煤礦隱患、事故、重大危險源、煤礦綜合風險指標、煤礦事故風險指標、重大危險源等多維在線分析及關聯(lián)關系挖掘，為煤礦決策提供支持。

(2)研究礦井水害形成機理，以礦井長期水文監(jiān)測數(shù)據(jù)為驅(qū)動，采用大數(shù)據(jù)與人工智能探索水害預警新途徑；利用粒計算將瓦斯和礦壓數(shù)據(jù)進行信息粒化，然后利用人工智能技術對瓦斯和礦壓進行預測，實現(xiàn)精準預測、智能預警和超前預警；研究無網(wǎng)格 SPH 方法的計算效率、精度和收斂性，以及在水害預警和礦壓預警中的適用性。

4.3 礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡安全方法研究

礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是典型的信息物理融合系統(tǒng)[9]，容易受到網(wǎng)絡干擾或攻擊，而礦山行業(yè)的網(wǎng)絡安全發(fā)展速度遠遠落后于信息化建設速度。

(1)針對礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡安全需求， 利用離散事件系統(tǒng)監(jiān)督控制理論，研究其安全與控制問題。

(2)基于隨機 Petri 網(wǎng)對礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行可信性分析和評估，并研究其安全傳輸機制與加密方法、多方合同安全計算等。

(3)針對惡意軟件在礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳播問題，研究其傳播機制，為控制惡意軟件傳播提供技術支撐。

4.4 基于5G的礦山數(shù)字孿生系統(tǒng)研究

基于大數(shù)據(jù)基礎支撐平臺匯聚的感知數(shù)據(jù)，通過 5G 技術進行實時傳輸，從而構建礦山綜采工作面物理實體的數(shù)字孿生模型，精確表征數(shù)字孿生模型的時空演化特性與映射重構性能，實現(xiàn)礦山綜采工作面生產(chǎn)過程遠程智能監(jiān)測、設備性能實時監(jiān)控和生產(chǎn)場景三維可視化。

(1)開采工藝數(shù)字孿生。模擬綜采工作面在各種場景下的效果，從而避免不成熟、有潛在風險的開采工藝，把開采流程適應時間減至最短。通過預先調(diào)設多個開采參數(shù)，能在投產(chǎn)之前對工藝有效性及安全性進行模擬測試和設計驗證。

(2)開采過程數(shù)字孿生。對綜采工作面智能化生產(chǎn)進行監(jiān)控，對變化的生產(chǎn)條件進行采煤工作面運行參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)完全自主化運行，代替人工的現(xiàn)場生產(chǎn)控制。

(3)設備性能數(shù)字孿生。通過在線收集采煤設備和工作面系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，對設備的性能狀態(tài)、能耗峰值及停機風險進行分析和預測，從而實現(xiàn)綜采工作面設備的預測性維護，即通過監(jiān)測數(shù)據(jù)來判別故障趨勢，提前介入維護以減少停機時間，利用數(shù)字模型快速查證故障致因并給予及時維護。

(4)生產(chǎn)管理數(shù)字孿生。模擬煤礦開采工藝，對開采效果進行預測評估，從而提高煤炭開采效率。另外，通過對工作面場景、采煤機械和整個開采流程的數(shù)字化模擬，管理人員能以虛擬場景來測試新流程、新工藝，從而選出可行的優(yōu)化開采方法，做出最佳決策。

(5)采煤安全數(shù)字孿生。通過數(shù)字孿生場景對生產(chǎn)現(xiàn)場進行實時監(jiān)控和反饋，提前發(fā)現(xiàn)瓦斯超限、突水前期、頂板來壓及設備沖突、行為異常等事故征兆，自動執(zhí)行預警和相關安全措施預案，從而提前避免事故發(fā)生，保證智能開采工作面的生產(chǎn)安全性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。

5 陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設展望

5.1 價值目標

(1)安全。零傷亡，本安型。

(2)高效。礦井端實現(xiàn)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)+機器人輔助工作系統(tǒng)；礦區(qū)端實現(xiàn)“產(chǎn)供銷+人財物+責權利”網(wǎng)絡化、智能化集成管理運行；各礦井實現(xiàn)入井單班百人限員目標(“0-1-4-6-8-10”：固定崗位0人值守、運輸系統(tǒng)1人操作、片區(qū)安檢員4人、采煤工作面6人、掘進工作面8人、采掘常規(guī)檢修10人)。礦井平均產(chǎn)量為1.5萬t/(人·a)，單日入井人數(shù)不超過100人、150人 2個標準。

(3)清潔。煤炭定制化產(chǎn)品實現(xiàn)非電力用煤供給占產(chǎn)能70%；煤炭服務產(chǎn)品實現(xiàn)輻射500 km、50多家礦井，服務上中下游供應鏈企業(yè)3000家；煤炭科技產(chǎn)品實現(xiàn)孵化企業(yè)100家，成熟10項煤炭企業(yè)核心技術；煤炭綠色大數(shù)據(jù)產(chǎn)品實現(xiàn)服務黃河中游煤炭產(chǎn)業(yè)生態(tài)治理及產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展。

(4)綠色。綠色礦區(qū)建成形成示范；立體式生態(tài)系統(tǒng)建設形成示范。

(5)質(zhì)量?！蹲吭娇冃гu價準側(cè)》成熟運行；數(shù)字型企業(yè)運行體系全面運行；煤炭服務、孵化技術等非煤炭產(chǎn)品銷售收入超過煤炭產(chǎn)品銷售收入；“6個融合”一體化發(fā)展模式在新礦區(qū)實施。

5.2 未來發(fā)展新模式

陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈“6個融合”一體化發(fā)展模式：礦區(qū)多個礦井一體化系統(tǒng)規(guī)劃、設計和建設；礦區(qū)一、二、三產(chǎn)業(yè)門類系統(tǒng)研究規(guī)劃設計；實現(xiàn)立體式生態(tài)型礦區(qū)；礦區(qū)以價值創(chuàng)造并流動的“數(shù)字經(jīng)濟”，不是目前有“部門墻”“業(yè)務墻”“企業(yè)墻”“產(chǎn)業(yè)墻”各自為戰(zhàn)的園區(qū)，是“融合”不是“聚堆”；是“政、產(chǎn)、學、研、用”深度合作機制的園區(qū)，是多學科集成的園區(qū)，不是各自設置規(guī)劃及研發(fā)創(chuàng)新的園區(qū)；是規(guī)劃推動起來難度很大，需要國家層面政策支持的園區(qū)，不是一個企業(yè)和行業(yè)能完全推進目標實現(xiàn)的園區(qū)。