智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)探討

張建中,郭 軍

(1.煤炭科學研究總院有限公司 智能化協(xié)同中心，北京 100013；2.煤炭科學研究總院有限公司 礦山大數(shù)據(jù)研究院，北京 100013)

0 引 言

煤炭資源開采是在地下受限空間內(nèi)進行的生產(chǎn)活動，礦山地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，保障設(shè)備與人員工作安全的可靠環(huán)境包括采、掘、機、運、通等多達90多個子系統(tǒng)[1]，這些子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯、業(yè)務(wù)邏輯、運行邏輯交織在一起構(gòu)成了一個大規(guī)模復(fù)雜的運行體系。在新一代的采礦科學、信息科學及3S技術(shù)的飛速發(fā)展下，這一運行體系也經(jīng)歷著從機械化、自動化、數(shù)字化到智能化和智慧化的發(fā)展，并且取得了較為顯著的成果。然而在眾多研究成果之中，被廣泛提及的并且難以解決的問題主要包括如下幾個方面：①信息和數(shù)據(jù)無法有效關(guān)聯(lián)，存在大量信息孤島、業(yè)務(wù)鴻溝和系統(tǒng)煙囪，無法進行大數(shù)據(jù)分析、人工智能深度應(yīng)用，缺乏“智慧的大腦”對所有子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)、聯(lián)控。②數(shù)據(jù)采集、傳輸及質(zhì)量問題，受礦山惡劣環(huán)境因素制約，礦山網(wǎng)絡(luò)鏈路、傳輸協(xié)議等普遍存在數(shù)據(jù)傳輸實時性差、誤碼率高、傳輸環(huán)節(jié)多和數(shù)據(jù)質(zhì)量差等問題[2]，難以實現(xiàn)基于“智慧大腦”的遠程強實時控制等應(yīng)用。③安全問題，包括網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全，煤炭生產(chǎn)較多重視環(huán)境、設(shè)備、人員的安全，而對網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全重視不夠，導(dǎo)致礦井信息化、自動化系統(tǒng)整體安全水平不高，系統(tǒng)防護薄弱，進而引發(fā)礦井管理者和操作者對信息化系統(tǒng)全流程、全周期應(yīng)用是否安全可靠的信任問題。

為解決上述問題，業(yè)內(nèi)專家學者以“智慧礦山”頂層設(shè)計、建設(shè)框架、技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和信息化標準等方向進行探索研究實踐[3-7]，其中，毛善君[3]提出了以知識模型庫、數(shù)據(jù)倉庫和元數(shù)據(jù)庫為核心的數(shù)字煤礦、智慧煤礦6層總體架構(gòu)；王莉[4]提出了智慧礦山7項關(guān)鍵技術(shù)；韓建國[5]提出面向區(qū)域礦井群的5層智能礦山架構(gòu)；許金[6]提出了設(shè)備層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層4層智慧礦山技術(shù)架構(gòu)；賀耀宜[7]提出了智慧礦山分級評價方法和分為物聯(lián)感知、協(xié)同管控、礦端智能決策和云端決策支持4層架構(gòu)。這些研究提出了相關(guān)問題的解決方案，推動了行業(yè)進步。然而，筆者從相關(guān)文獻研究發(fā)現(xiàn)，雖然在智慧礦山建設(shè)總體架構(gòu)、業(yè)務(wù)架構(gòu)和思路上達成了共識，但在具體關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用層面還存在不夠清晰、體系化不完善等問題，尤其是在利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)在智慧礦山建設(shè)信息融合應(yīng)用層面存在一定差異、各有側(cè)重。

與此同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，其理念及技術(shù)體系正逐步在煤炭行業(yè)推廣應(yīng)用，尤其是2020年3月，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)列入“新基建”的重點發(fā)展領(lǐng)域，工信部、應(yīng)急管理部隨后組織召開煤炭行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工作座談會，這些發(fā)展背景和舉措表明，煤炭行業(yè)兩化深度融合已經(jīng)進入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)建設(shè)與應(yīng)用的新階段?；诖?，筆者在分析智慧礦山技術(shù)架構(gòu)和煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理念與體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，探討了智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及賦能應(yīng)用場景。

1 智慧礦山技術(shù)架構(gòu)現(xiàn)狀

煤炭行業(yè)兩化融合從數(shù)字化礦山邁入了智能礦山、智慧礦山建設(shè)階段，技術(shù)架構(gòu)也隨著信息技術(shù)的進步在逐步迭代。2009年，呂鵬飛、郭軍[8]提出數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)需要建立以礦井監(jiān)控數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以礦用對象庫為核心的統(tǒng)一的數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺作為核心支撐；張夏林等[9]基于QuantyMine數(shù)字礦山系統(tǒng)為核心，建立以主題式對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方法與應(yīng)用軟件層疊式復(fù)合模式；毛善君等[10]提出以GIS平臺為核心的“一張圖”協(xié)同分布式管理平臺解決煤礦信息化過程中的數(shù)據(jù)孤島、智能分析水平差等問題。此外，一些專家學者提出以信息化5層架構(gòu)模型為參考建設(shè)數(shù)字化礦山，分為設(shè)備層、控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、經(jīng)營管理層、決策支持層等[11]，這些建設(shè)思路和實踐為礦山數(shù)字化基礎(chǔ)打下了很好的基礎(chǔ)。

進入智慧礦山建設(shè)階段，業(yè)內(nèi)專家學者普遍認為智慧礦山是數(shù)字化礦山的概念升華[12-13]，智慧礦山階段擁有更加精準全面的井上下環(huán)境感知能力、更加強大的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、更加準確的多學科融合的智能應(yīng)用，并將能有效改善目前我國礦山信息化建設(shè)中存在的諸多問題[14-15]。智慧礦山技術(shù)架構(gòu)方面普遍提出以物聯(lián)感知、深度互連和智能應(yīng)用三層為主，基于此三層向底層或頂層進行擴展。智慧礦山并非云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的簡單堆積，而是如何采用這些技術(shù)手段解決煤礦開采中的效率問題、安全問題和效益問題[2]。其中，李首濱等[16]提出闡述了煤礦最核心的綜采工作面數(shù)字化、信息化、自動化、智能化和無人化的關(guān)系，并提出了綜采工作面無人化開采系統(tǒng)架構(gòu)。智能化開采體系化方面李首濱[17]提出了智能化開采4個階段，并提出了智能自適應(yīng)無人開采控制模型，包括執(zhí)行層、感知層、控制層和分析決策層等4層關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)。譚章祿[18]提出了智慧礦山總體架構(gòu)“四橫三縱”，“四橫”包括應(yīng)用層、數(shù)據(jù)及應(yīng)用支撐層、網(wǎng)絡(luò)通信層和感知控制層；“三縱”分別為信息系統(tǒng)標準化體系、管理運維體系和信息安全體系。姜德義等在煤炭行業(yè)內(nèi)首次提出了以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)架構(gòu)為參考，架構(gòu)面向智慧礦山應(yīng)用的邊緣云協(xié)同計算技術(shù)架構(gòu)，該架構(gòu)將“非實時、長周期數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策數(shù)據(jù)”和“實時性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策”兩類數(shù)據(jù)從架構(gòu)層面進行分類處理，形成新的邊緣云協(xié)同計算體系，從頂層設(shè)計層面保證了智慧礦山的建設(shè)基礎(chǔ)[2]。

綜上所述，由數(shù)字化礦山到智慧礦山主要體現(xiàn)出3種主要技術(shù)路線：① 以綜采工作面自動化控制、數(shù)字化和無人化為核心智慧礦山建設(shè)；② 以全礦井綜合自動化平臺為核心技術(shù)路線的智慧礦山建設(shè)；③ 以GIS為基礎(chǔ)的礦井生產(chǎn)技術(shù)“一張圖”智慧礦山建設(shè)。目前，這3種技術(shù)路線正逐步進行融合，而關(guān)鍵在于形成一個標準的、開放的技術(shù)架構(gòu)將這些技術(shù)進行有機組織，充分融合，筆者基于這些背景，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系對此進行了梳理，以供探討。

2 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

2.1 煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念與內(nèi)涵

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全3個部分構(gòu)成，其中網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)、平臺是核心、安全是保障[19]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)三大要素的提出較為契合目前智慧礦山建設(shè)過程中遇到的三大問題，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系從總體上給出了較為全面、開放的架構(gòu)，來解決工業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的互聯(lián)互通和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)內(nèi)涵是通過構(gòu)建精準、實時、高效的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系，建立面向煤炭行業(yè)的大數(shù)據(jù)存儲、集成、訪問、分析、管理的開發(fā)環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境，支撐相關(guān)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識模型化、軟件化、復(fù)用化，以數(shù)據(jù)的有序自動流動解決復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的不確定性，不斷優(yōu)化勘探設(shè)計、開采洗選、運營管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進的煤炭行業(yè)生態(tài)。

2.2 智慧礦山與煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)比較分析

煤炭行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心是通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺把設(shè)備、開采、分選、運銷和客戶緊密地連接起來，幫助煤炭行業(yè)拉長產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)跨設(shè)備、跨系統(tǒng)、跨礦區(qū)、跨地區(qū)互聯(lián)互通，實現(xiàn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

智慧礦山的技術(shù)內(nèi)涵是將現(xiàn)代信息、控制技術(shù)與采礦技術(shù)融合，在復(fù)雜的資源開采信息背后找出最高效、最安全、最環(huán)保的生產(chǎn)路徑，對礦井系統(tǒng)進行最佳的協(xié)同運行控制，并根據(jù)地質(zhì)環(huán)境及生產(chǎn)要求變化自動創(chuàng)造全新的控制流程。

煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是為煤炭行業(yè)、產(chǎn)業(yè)賦能，智慧礦山是為單一煤礦企業(yè)、集團的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理賦能。智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是利用煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)互連形成的基礎(chǔ)設(shè)施和資源能力，賦能智慧礦山建設(shè)過程中煤炭開采涉及的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理的方方面面。同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)為智慧礦山技術(shù)架構(gòu)提供了參考和借鑒意義。

2.3 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)采用以ISO/IEC/IEEE 42010系統(tǒng)與軟件工程標準為主要方法論，借鑒2020年4月工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)(版本2.0)》中總體實施框架，提出智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[20]，如圖1所示：包含“網(wǎng)絡(luò)、標識、平臺、安全”四大系統(tǒng)的建設(shè)。其中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)注煤炭開采全要素、全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈互聯(lián)互通新型基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建；標識系統(tǒng)關(guān)注煤炭開采要素的標識資源、解析系統(tǒng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)的構(gòu)建；平臺系統(tǒng)關(guān)注智慧礦山建設(shè)涵蓋的邊緣系統(tǒng)、企業(yè)平臺和產(chǎn)業(yè)平臺交互協(xié)同的實現(xiàn)；安全系統(tǒng)關(guān)注生產(chǎn)安全和信息安全管控、安全態(tài)勢感知、防護能力等建設(shè)。其中企業(yè)級、邊緣系統(tǒng)是智慧礦山建設(shè)主要內(nèi)容，企業(yè)級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺是實現(xiàn)新一代智慧礦山操作系統(tǒng)的核心，企業(yè)級平臺與邊緣系統(tǒng)形成邊云協(xié)同的架構(gòu)及計算體系。

圖1 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)Fig.1 Smart mine industry internet architecture

2.4 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)架構(gòu)

智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是在云計算平臺的基礎(chǔ)上疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，建立“感知→互聯(lián)→分析”的基本運行框架，形成空間數(shù)字化、信息集成化、設(shè)備互聯(lián)化、虛實一體化和控制網(wǎng)絡(luò)化，結(jié)合人工智能、標識解析等技術(shù)手段，實現(xiàn)“自學習→預(yù)測→決策→控制”閉環(huán)，從而實現(xiàn)煤炭開采過程中海量異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚與建模分析、工業(yè)經(jīng)驗知識軟件化與模塊化、新型工業(yè)軟件開發(fā)與運行，支撐煤炭生產(chǎn)智能決策、業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置、產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育，提高煤炭產(chǎn)業(yè)鏈抵御風險、抗市場波動能力。

技術(shù)架構(gòu)如圖2所示：從下至上分為現(xiàn)場層、邊緣層、IaaS層、工業(yè)PaaS平臺層和工業(yè)SaaS應(yīng)用層5個層次，以智慧礦山標準為引領(lǐng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全體系為保障，面向礦山勘探設(shè)計、建井開拓、采掘運輸、通風安全、供電保障、地質(zhì)測量、壓風供液、倉儲分選等全流程、全要素為研究對象，將傳統(tǒng)的礦山運營業(yè)務(wù)流程、系統(tǒng)部署、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等進行解耦和重構(gòu)，梳理并建立數(shù)據(jù)流、信息流、業(yè)務(wù)流等運行規(guī)范，優(yōu)化礦山要素資源配置，全面提升礦山安全生產(chǎn)輔助和經(jīng)營決策能力，同時為企業(yè)、行業(yè)和政府機構(gòu)提供統(tǒng)計分析、安全監(jiān)管、應(yīng)急處置和產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化提供支撐，促進礦山企業(yè)和行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

圖2 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Technology architecture of smart mine industry internet platform

1)現(xiàn)場層。包括礦山工業(yè)現(xiàn)場和業(yè)務(wù)管理現(xiàn)場，以煤炭井工開采為例，工業(yè)現(xiàn)場包括勘探、建井、掘進、開采、支護、運輸、分選等井上下的生產(chǎn)環(huán)境設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境和人員狀態(tài)等；業(yè)務(wù)管理包括地測管理、通風設(shè)計、物資管理、調(diào)度管理等?，F(xiàn)場層為上層提供數(shù)據(jù)來源和應(yīng)用下發(fā)環(huán)境，是智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地應(yīng)用的承載場景。

2)邊緣層。邊緣層通過協(xié)議轉(zhuǎn)換、邊緣計算等構(gòu)建精準、實時、高效的數(shù)據(jù)采集體系，本質(zhì)上是實現(xiàn)物理空間隱性數(shù)據(jù)在賽博空間的顯性化。通過對開采機械、運輸設(shè)備、分選設(shè)備等的網(wǎng)絡(luò)化改造，將嵌入式控制、獨立式控制、智能網(wǎng)關(guān)、邊緣分布式網(wǎng)關(guān)和邊緣分布式服務(wù)器進行解耦與重構(gòu)，基于OPC UA架構(gòu)與TSN(時間敏感網(wǎng)絡(luò))融合構(gòu)建邊緣云計算架構(gòu)模式，實現(xiàn)智能開采優(yōu)化控制、安全態(tài)勢感知等業(yè)務(wù)編排與聯(lián)接計算，實現(xiàn)邊緣側(cè)的應(yīng)用閉環(huán)，通過匯聚層的匯集、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲與共享服務(wù)為工業(yè)PaaS平臺提供全樣本數(shù)據(jù)來源，并為基于PaaS云計算平臺產(chǎn)生的模型提供應(yīng)用環(huán)境。

3)IaaS層。IaaS層包括邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施和中心云基礎(chǔ)設(shè)施兩部分，邊緣側(cè)通過5G、NB-IoT、LoRa、IPv6、WiFi6、TSN等新一代通信技術(shù)在近設(shè)備端和控制器端的應(yīng)用，基于邊緣云計算架構(gòu)打造礦山企業(yè)工業(yè)控制網(wǎng)、管理信息網(wǎng)和無線網(wǎng)；中心云用于智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺承載基礎(chǔ)設(shè)施，通過云邊計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源的虛擬化，實現(xiàn)信息基礎(chǔ)設(shè)施的資源池化。IaaS層提供所有計算需要的基礎(chǔ)設(shè)施，包括處理CPU、內(nèi)存、存儲、網(wǎng)絡(luò)和其他基本的計算資源，根據(jù)PaaS層的運算需要部署和運行相應(yīng)的軟件，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等，并形成云邊協(xié)同的存儲與計算架構(gòu)模式。

4)PaaS層。工業(yè)PaaS層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實驗環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)核心，從下至上分為：①通用PaaS平臺資源部署與管理，包括結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化等數(shù)據(jù)庫服務(wù)；中間件、容器、模板等應(yīng)用服務(wù)，代碼托管、鏡像倉庫應(yīng)用構(gòu)建等應(yīng)用開發(fā)服務(wù)和資源調(diào)度、負載均衡、彈性伸縮等運行環(huán)境管理等。②礦山大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)引擎服務(wù)，a.數(shù)據(jù)處理服務(wù)：數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)裝載等；b.數(shù)據(jù)存儲計算：由實時數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)、分布式文件等構(gòu)成的數(shù)據(jù)湖(DL)經(jīng)面向主題的操作性數(shù)據(jù)(ODS)集成，建模形成數(shù)據(jù)倉庫(DW)，面向礦山運營和智能化應(yīng)用建立數(shù)據(jù)集市(DM)及其應(yīng)用服務(wù)；c.數(shù)據(jù)管理：數(shù)據(jù)模型管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)安全管理、數(shù)據(jù)共享管理等；d.數(shù)據(jù)分析：并行計算、可視化編排和算法庫等；e.數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)等。③礦山機理與大數(shù)據(jù)建模分析引擎，包括面向采礦工藝理論、原理過程和仿真試驗的機理建模和面向人工智能應(yīng)用的數(shù)據(jù)建模、訓(xùn)練的機器學習引擎等。④礦山BIM+GIS數(shù)字孿生引擎，包括基于礦山管理殼的數(shù)字清單、組件管理器的資產(chǎn)優(yōu)化配置與管理，數(shù)字孿生信息模型建模與模擬仿真等。⑤智慧礦山應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺基礎(chǔ)開發(fā)框架和工業(yè)微服務(wù)組件整合礦山大數(shù)據(jù)服務(wù)引擎、數(shù)據(jù)建模與分析引擎、數(shù)字孿生引擎能力，搭建面向智慧礦山應(yīng)用APP開發(fā)環(huán)境、工業(yè)智能化服務(wù)和礦山標識解析服務(wù)等。

PaaS層實現(xiàn)以“搭積木”的方式提供礦山工業(yè)APP創(chuàng)建、測試和部署的開發(fā)環(huán)境，本質(zhì)上是一個向下可以調(diào)用設(shè)備、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等軟硬件資源，向上可以承載工業(yè)APP等應(yīng)用服務(wù)的“工業(yè)操作系統(tǒng)”。

5)SaaS層。SaaS層是通過調(diào)用和封裝工業(yè)PaaS平臺上的開發(fā)工具、礦山機理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型等服務(wù)開發(fā)形成的應(yīng)用服務(wù)，本質(zhì)是面向智慧礦山業(yè)務(wù)運行場景的一個數(shù)字化解決方案。智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的SaaS層利用平臺層積累沉淀的各類型數(shù)據(jù)模型，以工業(yè)微服務(wù)為基礎(chǔ)，煤炭資源開采的各環(huán)節(jié)、各業(yè)務(wù)可打造定制化、高可靠、可擴展的應(yīng)用。通過智慧礦山互聯(lián)網(wǎng)平臺可實現(xiàn)對安全、生產(chǎn)和經(jīng)營數(shù)據(jù)的實時分析和實時決策，為礦山企業(yè)提供安全、生產(chǎn)、管理及經(jīng)營方面的智慧化應(yīng)用，以此方式在確保應(yīng)用服務(wù)的個性化基礎(chǔ)上，提升智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用靈活性，保證平臺的整體技術(shù)敏感性，以此為基礎(chǔ)面向礦山企業(yè)人員、科研人員、高校學生和自由開發(fā)者均可基于該平臺進行礦山智慧化應(yīng)用的開發(fā)、運維和應(yīng)用，從而產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

此外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全體系是整個智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全可信運行的基本保障，通過打造滿足工業(yè)需求的安全技術(shù)體系和相應(yīng)管理機制，提供應(yīng)用邊界防護、訪問控制、入侵防范、安全審計等安全技術(shù)，識別和抵御來自內(nèi)外部的安全威脅，化解各種安全風險，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全與物理安全的真正融合。

3 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能應(yīng)用場景

基于智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建智慧礦山工業(yè)PaaS操作系統(tǒng)，覆蓋從礦山設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)、運營、安全、運銷等全產(chǎn)業(yè)鏈條，具備端到端的服務(wù)能力，形成“智慧礦山大腦”，優(yōu)化和賦能智慧礦山建設(shè)的全要素、全流程和全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用場景，如圖3所示。

圖3 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能應(yīng)用邏輯Fig.3 Logic of smart mine industry internet enabling application

綜合分析目前行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用場景，主要包括如下12方面：

1)礦井地質(zhì)資源勘察保障應(yīng)用場景。利用地質(zhì)精準探測技術(shù)、三維動態(tài)高精度地質(zhì)建模技術(shù)，結(jié)合智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺大數(shù)據(jù)分析方法與GIS組件，開發(fā)適應(yīng)資源儲量管理、采掘接續(xù)規(guī)劃設(shè)計、瓦斯抽采設(shè)計優(yōu)化與效果評價、水害防治、主要隱蔽致災(zāi)因素風險評估等應(yīng)用。形成基于三維GIS地測信息平臺的跨系統(tǒng)、跨部門協(xié)作的有效一體化協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)地質(zhì)、測量及生產(chǎn)動態(tài)信息的一張圖管理，服務(wù)于智能礦山建設(shè)的需要。

2)礦山工程數(shù)字化協(xié)同設(shè)計賦能。在現(xiàn)有礦山工程數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)上，利用BIM技術(shù)將傳統(tǒng)煤炭采礦工程設(shè)計工具、設(shè)計方法、設(shè)計知識提煉重構(gòu)并云化處理，利用智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺匯聚相關(guān)設(shè)計知識庫及資源，并形成覆蓋煤礦采、掘、機、運、通、分選等全產(chǎn)業(yè)鏈的系列化微服務(wù)組件，為煤礦從初設(shè)、建井到生產(chǎn)采掘接續(xù)運營全業(yè)務(wù)過程提供云端設(shè)計知識及工具服務(wù)，更好地解決受限空間內(nèi)的采掘部署和復(fù)雜工藝協(xié)同設(shè)計問題，從而實現(xiàn)基于平臺知識共享的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計全新模式。

3)礦井建設(shè)施工管理賦能。在礦井設(shè)計方案基礎(chǔ)上，利用智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)架的BIM設(shè)計及施工協(xié)同平臺及組件，并結(jié)合平臺提供的豐富的設(shè)計、建井、施工工藝知識及資源，實時進行礦井建設(shè)施工過程仿真，并利用平臺地質(zhì)保障SaaS應(yīng)用及時洞察受限空間內(nèi)的地質(zhì)擾動，解決施工過程中的異常事件、隱蔽工程等因素導(dǎo)致的施工計劃變動、工程量不準確和成本不可控等問題，實現(xiàn)煤礦企業(yè)、設(shè)計單位、施工單位等多方、多部門的協(xié)同施工，實現(xiàn)智慧礦山建井施工精益管控目標。

4)礦井綜合自動化集成控制賦能。基于智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺賦能新一代SCADA集控平臺，集成打通多個信息化體系，將礦井各生產(chǎn)子系統(tǒng)接入統(tǒng)一控制平臺，實現(xiàn)礦井各生產(chǎn)子系統(tǒng)的高度集中與控制，數(shù)據(jù)資源的合理利用與共享；有效解決了以往生產(chǎn)過程中生產(chǎn)組織不平衡，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)不共享，冗余數(shù)據(jù)不優(yōu)化等問題。為煤炭企業(yè)經(jīng)營管理者提供設(shè)計研發(fā)、經(jīng)營管理、生產(chǎn)管控等多方面綜合性的數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)關(guān)鍵大型設(shè)備健康狀況預(yù)警、生產(chǎn)安全追溯、生產(chǎn)進程把控、生產(chǎn)工藝靈活轉(zhuǎn)換，全面降低煤炭企業(yè)生產(chǎn)管理成本、反應(yīng)時間和提升生產(chǎn)效率、質(zhì)量安全等。

5)煤礦智能化開采賦能。煤礦智能化開采是智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最主要組成部分，也是智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)的主要目標。依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，加快煤炭生產(chǎn)設(shè)備、系統(tǒng)的智能化改造，針對日益復(fù)雜的煤炭資源地下開采環(huán)境，深入分析工作面開采存在的問題，研究智能化開采所需的工藝方法、環(huán)境感知、裝備可靠性保障、大數(shù)據(jù)分析、機器人、智能化控制及成套裝備技術(shù)，發(fā)新材料、新裝置、新設(shè)備，全面提升綜采煤機裝備的工作性能、壽命、自動化程度及環(huán)境適應(yīng)性，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺匯聚的工業(yè)機理與大數(shù)據(jù)分析模型優(yōu)化開采成套設(shè)備的協(xié)同控制方法，大幅提升開采的效率、水平和安全程度，最終目標是“井下機器人操作，井上遠程決策控制”。

6)礦井開拓快速掘進賦能。井巷工程掘進是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，掘進效率制約著煤炭生產(chǎn)進度，基于傳統(tǒng)的掘進工藝及裝備現(xiàn)狀，利用智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供的云計算、大數(shù)據(jù)、AI等關(guān)鍵技術(shù)及組件，將成套掘進裝備、圍巖地質(zhì)條件等信息進行集成，構(gòu)建狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行的智能化快速掘進系統(tǒng)，實時發(fā)現(xiàn)未知地質(zhì)空間的危險源及隱患信息，及時進行掘進方案調(diào)整，解決掘進過程中跨系統(tǒng)、跨業(yè)務(wù)協(xié)同問題，并實現(xiàn)快速掘進“無線遙控、遠程控制、掘錨一體、一次成巷”目標，優(yōu)化掘進工藝流程、提高礦井掘進效率。

7)礦井地測應(yīng)用場景。地質(zhì)測量應(yīng)用場景是煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，地測數(shù)據(jù)和圖件是煤礦最重要的技術(shù)資料，對于指導(dǎo)生產(chǎn)、采礦設(shè)計、編制采掘計劃等有重要作用。傳統(tǒng)地測工作方式消耗大量的人力物力，通過智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)新型技術(shù)架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施，開發(fā)適用現(xiàn)代化礦山需求的地測地理信息系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理(地質(zhì)、測量、三儲量、防治水)、地測CAD輔助制圖、三維地質(zhì)建模、三維地測聯(lián)網(wǎng)等幾部分組成，完成從巷道測量、鉆孔勘探、水文和儲量普查管理，到各類礦用圖件輔助編制，再到井上下三維虛擬場景創(chuàng)建和分析，實現(xiàn)礦山企業(yè)集團、生產(chǎn)礦井、業(yè)務(wù)科室多級單位地測數(shù)據(jù)成果的一體化管理解決方案。

8)設(shè)備故障預(yù)測診斷賦能。設(shè)備預(yù)測性維護是工業(yè)IoT的典型場景，主要面向高價值、高數(shù)據(jù)量、高故障損失、部署位置分布廣泛的工業(yè)設(shè)備。依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供的通用故障預(yù)測模型和云端機器學習成果，通過設(shè)備預(yù)測性維護服務(wù)，對分析出來的異常數(shù)據(jù)再次進行分析，得出設(shè)備故障原因與嚴重程度，為應(yīng)急控制、維修管理、安標設(shè)備故障溯源提供準確依據(jù)，節(jié)約維修費用，有效提高設(shè)備可靠性，避免重大事故發(fā)生。

9)井下智能物流保障賦能。面向礦山生產(chǎn)物料運輸種類眾多、點多、面廣、回空管理難度大等問題，基于井下空間位置精準定位系統(tǒng)，建設(shè)井下物流系統(tǒng)，依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，打通倉庫管理、承運單位、作業(yè)面用戶、生產(chǎn)調(diào)度連接，實現(xiàn)礦車、物資、位置、時間、用戶等物流屬性信息化管理，使用戶和物資管理單位精確掌控生產(chǎn)物資物流信息，優(yōu)化配置物流資源，提高輔助運輸運行效率。

10)井下智能通風保障賦能。面向一通三防穩(wěn)定運行、礦井按需通風等核心需求，基于安全監(jiān)控系統(tǒng)、智能通風設(shè)施、主風機監(jiān)測系統(tǒng)，采集通風系統(tǒng)海量實時數(shù)據(jù)，依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，融合數(shù)據(jù)模型開發(fā)智能通風網(wǎng)絡(luò)解算算法，構(gòu)建礦井智能通風系統(tǒng)，打通風機、通風設(shè)施、安全監(jiān)控系統(tǒng)等通風系統(tǒng)，優(yōu)化風機運行效率，實現(xiàn)風量實時動態(tài)解算，真正實現(xiàn)井按需通風，從根本上保障礦井安全運行。

11)井下精準感知賦能。在現(xiàn)有煤礦安全生產(chǎn)“人-機-環(huán)”感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用低功耗、高靈敏度、寬量程、易維護傳感器技術(shù)，利用智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)架的物聯(lián)網(wǎng)、5G、WiFi6、IPv6等新一代信息通信技術(shù)，實現(xiàn)井下生產(chǎn)者之間、井下生產(chǎn)設(shè)備與設(shè)備之間、井下設(shè)備與操作人員之間、井下設(shè)備與井上管理人員間的互聯(lián)互通和精準感知，開創(chuàng)低成本、廣覆蓋、低時延的井下信息感知通信新模式。

12)重大危險源辨識與風險控制賦能。依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺，形成多因素風險分析能力，賦能轄區(qū)、礦區(qū)煤礦，指導(dǎo)監(jiān)管監(jiān)察部門、礦山生產(chǎn)企業(yè)進行重點防控。通過實時采集采掘工作面地質(zhì)條件、礦井水文、沖擊地壓、自然發(fā)火、瓦斯、設(shè)備等風險信息，并接入視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)與消防監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)一展示在監(jiān)測評估“一張圖”上，基于安全科學理論和引發(fā)煤礦安全風險的主要因素，通過平臺提供的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對影響礦山安全的風險因素進行歸類整理與分析，構(gòu)建礦山安全風險指標體系，提出煤與瓦斯突出事故風險分析模型、沖擊地壓事故風險分析模型、煤自然發(fā)火事故風險分析模型、噸煤成本風險分析模型、電力消耗風險分析模型、井下環(huán)境風險分析模型、井下超員風險分析模型、產(chǎn)量風險預(yù)警模型、設(shè)備故障風險分析模型等，實現(xiàn)智能監(jiān)測預(yù)警，提高安全生產(chǎn)決策水平。

此外，圍繞礦井級、企業(yè)級和行業(yè)級視角還有很多應(yīng)用場景、APP及機理模型，限于篇幅不一一列出。

4 結(jié) 論

1)近年來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新基建重點領(lǐng)域正在各行各業(yè)火熱發(fā)展，智慧礦山是礦山兩化融合新階段的高級形態(tài)，筆者提出了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)下的智慧礦山5層技術(shù)架構(gòu)，并對5層架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述，以供參考。

2)針對智慧礦山建設(shè)遇到的數(shù)據(jù)和信息孤島、數(shù)據(jù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)、信息安全三大問題，筆者提出基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的平臺、網(wǎng)絡(luò)和安全3部分技術(shù)體系對現(xiàn)有礦山要素進行解耦和重構(gòu)，通過邊云協(xié)同存儲和計算架構(gòu)、工業(yè)PaaS操作系統(tǒng)、工業(yè)智能化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，形成新的礦山業(yè)務(wù)運營和智能化分析APP應(yīng)用開發(fā)生態(tài)，以解決目前存在的問題。

3)面向智慧礦山建設(shè)應(yīng)用場景，提出以基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的工業(yè)PaaS云平臺構(gòu)建“智慧礦山大腦”，賦能礦山勘探、設(shè)計、建井、開采、運輸、通風、分選、運銷等全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用場景。

4)隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系演進和面向行業(yè)的深入發(fā)展，智慧礦山建設(shè)亟需與該技術(shù)體系架構(gòu)融合，并開展相關(guān)探索實踐，主要包括①智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)標識與標準體系進一步完善；②全面的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲與分析，并資產(chǎn)化；③企業(yè)級、行業(yè)級智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)；④示范企業(yè)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系形成；⑤傳統(tǒng)礦山產(chǎn)業(yè)與上下游融通發(fā)展，挖掘產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)價值，反哺產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新發(fā)展，加速推進礦山行業(yè)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化與交易等。