基于工業互聯網的智能礦山研究與設計

李首濱，劉道園

(天地科技股份有限公司，北京市朝陽區，100013)

當前，全球礦業發展進入全新歷史階段，在生產成本、生產效率、作業安全、創新能力等方面面臨多種挑戰。傳統煤礦產業發展存在效率低下、創新能力不足、資源配置單一、成本難以控制等問題，這些問題是建設智能礦山亟需突破的瓶頸。工業互聯網的提出使智能礦山建設遇到前所未有的機遇。將工業互聯網技術應用于煤礦，使其成為與煤炭行業緊密相關的一個全要素、全產業鏈的互聯體系，將數字化全面連接煤炭生產、選煤加工、運輸、銷售、使用以及安全監管、企業決策、生態影響等方面；推動傳統產業改造提升，推進“互聯網+”，促進智能化技術與煤炭產業融合發展，加快工業互聯網、人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭開發利用深度融合，對推進煤炭行業轉型升級、促進煤炭工業高質量發展具有重要意義。

1 我國智能礦山發展現狀

從我國國情出發，目前以及未來很長一段時間內，煤炭都會是我國的重要能源。煤炭開采存在條件復雜、災害威脅嚴重等問題，為了提高煤炭開采效率、減少煤炭行業從業人員的傷亡率、保證煤礦安全生產，我國一直致力于智能礦山建設，不斷加大數字礦山、智能礦山建設的投入力度。但從目前來看，煤炭智能化發展還存在較多的制約性因素：一是當前井下互通、井下與地面通訊網絡帶寬、速率、實時性等能力建設相對滯后導致數據傳輸能力不足；二是缺乏統一的數據接口和標準,致使各信息系統之間數據無法關聯與融合，導致數據匯聚不足,存在信息孤島問題；三是災害監測缺乏有效的預警機制導致應急響應被動滯后等。傳統煤炭產業發展目前處在瓶頸期，主要體現在創新能力不足、資源配置單一以及成本難以控制3個方面。

2019年3月，政府工作報告提出，推動傳統產業改造提升，打造工業互聯網平臺，拓展“智能+”以及促進新興產業加快發展，推進“互聯網+”，推動傳統產業與新興產業融合創新[1]。2020年3月，8部委聯合發布《推動煤炭行業智能礦山建設指導意見》指出，到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦；到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化；到2035年，各類煤礦基本實現智能化，構建多產業鏈、多系統集成的煤礦智能化系統，建成智能感知、智能決策、自動執行的煤礦智能化體系[2]。

工業互聯網是制造業數字化、網絡化、智能化的重要載體，也是新一代信息通信技術與現代工業技術深度融合的產物，已經成為全球新一輪產業競爭的制高點[3]。將工業互聯網與人工智能、新一代通信技術、大數據、區塊鏈、邊緣計算、精確定位與導航、虛擬現實等智能技術和信息化技術相結合，深化改造并重塑礦山各核心生產環節，實現礦山全鏈條的智能化與協同化，從而達到礦山經營處于高效、安全、綠色、和諧及經濟效益最優的目標[4]。

2 工業互聯網平臺建設意義與目標

工業互聯網平臺其本質是在傳統云平臺的基礎上疊加物聯網、大數據、人工智能等新興技術，構建更精準、實時、高效的數據采集體系，建設包括存儲、集成、訪問、分析、管理功能的智能平臺，實現工業技術、經驗和知識的模型化、軟件化、復用化，以工業APP的形式為企業各類創新應用，最終形成資源富集、多方參與、合作共贏、協同演進的工業生態[5]。

建設工業互聯網平臺可以匯聚與重構礦山全要素全過程全產業鏈的數據、算法、模型、組件、技術、產品、專業解決方案等創新資源，打造煤炭工業“智慧大腦”，突破一批具有國際領先水平的煤礦智能化基礎理論、關鍵技術和工業軟件，形成一體化綜合解決方案和行業智慧礦山賦能生態體系，引領煤炭工業高質量轉型發展。

打造煤炭工業互聯網平臺，通過工業互聯網技術使煤炭產業(煤礦+電廠+煤化工+選煤+現代物流)進行有機聯動，實現全產業鏈的真正融合，最終實現基于“共生、共創、共贏”的數字生態共同體，打造礦山的“五化”：煤機智能化、“安管營”決策化、產銷一體化、地企和諧化、環境綠色化，協同運轉點亮礦山新型數字生態，助力整個煤炭行業經濟高質量發展。

3 工業互聯網平臺建設具體內容

工業互聯網是煤炭產業向數字化、智能化轉型的重要支撐，本節結合智能礦山的最終形態對工業互聯網平臺的具體建設內容進行了積極探索。通過基于工業互聯網定義的智能礦山的整體架構、業務架構和技術架構給出工業互聯網平臺建設的具體內容。

3.1 智能礦山網絡體系及其架構

基于工業互聯網平臺的智能礦山網絡體系及智能化架構如圖1所示。

圖1 基于工業互聯網平臺的智能礦山網絡體系及智能化架構

基于工業互聯網平臺的智能礦山網絡體系及智能化架構是基于“云、霧、邊”三級彈性體系架構。其中，邊緣端通過井下各種傳感器設備實時采集井下環境和設備運行狀態數據，并通過5G基站向霧端傳遞，未來邊緣端會加入邊緣算力控制器和顯示屏(安裝組態軟件、前端識別或者判別軟件)，從5G基站到前端的各種傳感器構成一套自運行智能化的控制體系，可以做到有人巡檢、無人值守；霧端會在采、掘、運等每一個基站加入MEC(移動邊緣計算)形成霧運算中心；云端是一個整體數據計算、管理中心，包括租戶管理、平臺管理、云霧邊管理等。打造工業互聯網平臺，可以形成自頂向下全面賦能、自底向上多點支撐的雙向循環體系，具體建設內容如下。

(1)建設數據中臺。需要對井下各設備數據實行統一接入、統一存儲并進行數據建模，將數據模型服務化，形成數據中臺。該數據中臺將各子系統的數據進行統一分析和處理，解決傳統煤礦系統容易形成的數據孤島等問題，實現生產、安全、運營等多個系統的信息聯動和自動化協同運行，具備數據采集、匯聚、融合、治理、評價的平臺能力，即可以縱向打通井上、井下數據鏈。

(2)建設云網融合平臺。一是將云平臺和5G網絡進行融合，對AI智能化設備、霧端、電源等統一控制，達到聯動控制的目的；二是根據業務場景需要，通過開發平臺開發軟件應用形成一套應用超市，并對前端設備進行賦能；三是對礦山總體生產安全概況以及相關信息提供綜合展示，使相關負責人員實時了解到第一手信息；四是基于接入設備形成統一融合調度。

(3)建設AI核心平臺。基于云網融合平臺和數據中臺對各過程采集的各類數據進行融合，通過機器學習、深度學習、神經網絡、人工智能等技術為單個設備賦能，提供輔助決策分析，使其具備智能化，進一步保障安全、節能降耗、綠色高效，即實現“點”的智能化。

(4)建設業務中臺。基于數據中臺和AI核心平臺，通過BPM(企業業務流程總線)將采、掘、運聯動形成業務中臺。基于業務中臺的眾多模型，開發移動應用程序APP。搭建業務中臺，可以橫向打通礦山系統與系統之間聯動服務，即實現“線”的智能化。

將業務中臺的不同控制模型做成組件，n個組件、n個算法、數據中臺、業務中臺、AI核心平臺、云網融合平臺等形成最終的組件和算法的集合，向下接入各種智能設備、傳感器、系統等，向上提供開發平臺和工具，最終形成工業互聯網平臺，即形成“面”的智能化。

3.2 業務架構

以“9統一”“3中臺”為基礎，將礦山大數據技術、云計算技術、礦山機理模型、礦山智能裝備、經營管控、感知網絡等有機地結合在一起，形成新型的煤炭工業互聯網平臺。基于工業互聯網平臺的智能礦山業務架構如圖2所示。

圖2 基于工業互聯網平臺的智能礦山總體業務架構

其中，統一頂層設計可以提出一體化解決方案，上下游協調達成一致，避免系統間功能重復和數據不一致，避免產生新的信息孤島；統一數據、統一接口規范可實現煤炭工業智能化系統基于“數據”層面的相互理解，系統之間能夠實現無縫互連，滿足應用即插即用；統一開發框架，可以實現智能化礦山APP應用在不同軟硬件環境進行移植，賦能智能礦山建設全系統、全要素等。“9統一”也是工業互聯網平臺建設的重要內容，實現“9統一”可以使整個系統具有兼容、開放、共享、互連、協同、智能等特點，同時增加系統的靈活性和可擴展性，有效規避信息孤島等問題，使整個煤炭開采更高效。

3.3 技術架構

以智能礦山業務架構為導向，基于工業互聯網平臺的智能礦山技術架構如圖3所示。

圖3 基于工業互聯網智能礦山總體技術架構

基于工業互聯網平臺定義的智能礦山技術架構分為邊緣層設備感知層、IaaS基礎設施層、PaaS數據服務層、SaaS應用層。邊緣層設備感知層通過井下系列傳感器、控制器、智能終端等實時監測煤礦環境、設備運行狀態、管控等數據，向上傳輸給laaS層；laaS基礎設施層可以提供硬件平臺，用戶可以部署和應用任意操作系統和應用軟件；PaaS數據服務層提供數據分析和應用開發框架；SaaS應用層可根據不同需求提供相應軟件服務。

(1)邊緣層設備感知層。該層是整體架構的最底層，承擔信息采集的角色，是最基礎也是最核心的部分。建設邊緣層對井下設備進行改造升級，增加各種傳感器，可實時獲取井下生產、管控、安全環境監測等數據并進行統一存儲和分析；增加控制器可實現對井下設備的遠程控制；設備終端和控制器端應用5G技術，利用其低延時、大帶寬等特性實現井下海量數據的實時傳輸，為后續工作提供有利支撐。

(2)IaaS基礎設施層。該層提供所有計算需要的基礎設施，包括處理CPU、內存、存儲、網絡和其他基本的計算資源，根據PaaS層的運算需要部署和運行相應的軟件，包括操作系統軟件和應用程序軟件等[6]。煤炭企業使用laaS基礎設施層時，可以直接部署運行相關系統和軟件，不需要考慮底層的硬件等基礎設施。

(3)PaaS數據服務層。該層具備多類型數據采集，大數據處理、存儲、檢索和交互控制，實現全礦井數據資源的統一管理、維護和調配，為SaaS應用層提供統一應用服務接口和應用支撐[7]。煤炭企業利用PaaS數據服務層對井下的生產數據、環境監測數據、管控數據等統一匯總、統一存儲，各系統之間的數據融合可以有效解決信息孤島等問題。

(4)SaaS應用層。該層可以為煤礦各個生產環節的不同需求以及各類業務提供相應軟件服務。利用SaaS應用層搭建智能礦山的綜合管控平臺，對下層數據進行實時的分析、處理，實現安全生產閉環管理，包括安全預警、故障診斷在內智慧決策支持以及對礦山統一調度管理等功能。

4 基于工業互聯網的智能礦山建設

4.1 智能礦山基本建設思路

真正意義上的智能礦山建設本質上是將數據、算力、算法賦能設備和企業推動整個智能礦山的工具革命和決策革命。工業互聯網作為建設智能礦山的關鍵技術，推動整個煤炭產業實現有機的聯動、優化資源配置效率，最終實現數字生態共同體以及產業鏈的真正融合。智能礦山的建設思路主要分為5步。

(1)第一步是算力及容災體系建設。通過礦端私有云結合公有云服務，建設混合云平臺，打造較全面的數據級容災和基本的應用級容災體系，并且向體系內相關應用提供彈性的算力支撐。每個礦一套CPS核心控制網絡、一套智慧大腦。管控所有煤礦采、掘、機、運、通、給排水、供電、網絡、地測、水文、儲量、安全、機電、人事、生產、技術、營銷。

(2)第二步是網絡體系搭建。通過運用5G+工業物聯網的能力，搭建礦山的工業互聯網三級彈性體系架構，形成一套“云、霧、邊”體系。

(3)第三步是中臺搭建。搭建數據中臺業務，橫向打通礦山各業務應用、縱向打通數據層面，實現橫到邊、縱到底的貫通。構建業務中臺應用，實現隱患報警處理、分析、上報，形成業務閉環，輔助監管人員、提升監管效率、減少事故的發生。數據中臺戰略的執行將直接對組織數字化轉型升級帶來更為直接的推動作用。數據中臺將幫助礦山加深對“數據服務化”的深入理解，并在深度和廣度上幫助礦山提升數據價值獲取能力以及數據服務能力。

(4)第四步是工業互聯網平臺的建設。基于中臺建設AI核心平臺(智慧大腦)，根據生產、安全、經營管控業務場景搭建基于工業互聯網的平臺，實現智能礦山各要素之間的有效關聯和分析，最終實現生產、安全、人員、環境四維一體智能聯動效應。

(5)第五步是整體架構升級。基于工業互聯網平臺慢慢推動礦山應用從傳統的B/S或C/S架構向SaaS架構去轉型，最終實現終端應用向微觸點和移動端應用的關鍵轉型。

4.2 智能礦山建設發展階段

基于工業互聯網的智能礦山建設可分為以下4個發展階段。

(1)第一階段。該階段構建初步智能礦山系統框架，實現智能綜采系統、快速掘進系統、AI主煤流管控系統等單個系統或單項技術的“點”智能化決策和運行。目前我國一些先進煤炭企業已實現智能礦山建設的初級目標。

(2)第二階段。該階段構建多系統信息融合的智能礦山綜合架構，實現智能綜采系統、智能掘進系統及智能運輸系統的區域智能化聯動控制，通過多種智能化技術組合，形成智能化技術群。我國大部分煤礦對智能礦山的認知及建設目標正處于此階段。

(3)第三階段。該階段僅有少數煤炭企業認知到的智能礦山建設高級目標，基于智能生產、智能安全、智能管控及礦山智慧大腦，形成的“人、機、環、管”四維一體的高效、安全、綠色的礦山。

(4)第四階段。該階段真正意義上的智能礦山，即構建整個煤礦及全礦區、多產業鏈、多系統集成的智能礦山體系，將煤礦、電廠、煤化工、選煤、現代物流等煤炭上下游產業通過大數據技術、5G技術、AI技術等科技創新，把產業與技術融合并有機聯動。

4.3 智能礦山建設保障措施

智能化礦山建設是一個科技創新和不斷進步的過程，因此在建設過程中要根據礦井條件的不同、技術水平的不同制定不同的方案。

(1)注重頂層設計、規劃先行，按照“統一規劃、統一建設、分步實施”的原則，首先明確智能礦山的最終形態，確定智能礦山建設的總體規劃，制定智能礦山建設實施路線，注意上下游協調互通，避免系統間功能重復和數據不一致，避免產生新的信息孤島。

(2)傳承與創新并重，充分集成已有建設成果，積累數據和知識資產，以市場為導向，拉動并滿足各層級、各板塊用戶需求，實現應用擴展、創新和構建，全面實現傳統產業與新興技術的深度融合。

(3)基礎平臺、局部場景智能化建設并行，在礦山原有的業務及技術平臺基礎上進行建設并且要注重平臺與局部協調一同建設。

(4)初級礦山到智能礦山的迭代升級，建設重點以生產、安全、經營管控為核心。

(5)要注重局部與整體協調統一共同建設，注意期間步驟。

(6)注重智能化技術的應用，應以云網融合為基礎，以工業互聯網為核心進行跨領域、跨行業、跨專業的綜合建設，跳出傳統思維定式，重新梳理，強化頂層設計和統一標準，科學編制近期、中期、遠期的建設規劃和實施方案，最終達到以科技創新、服務創新為基礎，讓技術服務目標，讓目標服務時代。

5 結論與展望

目前，推動煤炭產業改造升級、調整資源配置、深化改革刻不容緩，科技創新是實現煤炭高質量發展的必然途徑。搭建工業互聯網平臺，促進新興技術與傳統行業的融合與創新，是建設智能礦山的基礎，也是目前及未來發展的必要趨勢。基于工業互聯網，實現煤炭行業全產業鏈數據和應用互聯，突破傳統系統建設導致的信息孤島、數據鴻溝和應用壁壘，開發滿足不同應用場景的工業APP，包括數據、算法、模型、知識庫等資源的無縫調用和自由流動，從而實現創新應用，助力煤礦企業高質量發展，實現礦山快速數字化、智能化轉型，最終實現數字生態共同體。