智能化礦山數據融合共享規范體系研究

王 鵬，胡而已，徐金陵，楊 林，韓培強，張冬陽

(1.應急管理部信息研究院，北京市朝陽區，100029；2.華電煤業集團有限公司，北京市西城區，100035；3.山東能源集團有限公司，山東省濟南市，250000；4.陜西煤業化工集團有限責任公司，陜西省西安市，710100)

礦山智能化是國民經濟高質量發展的重要組成部分，2020年，國家能源局、國家煤礦安監局等八部委聯合出臺了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，工信部、國家發改委、自然資源部發布了《有色金屬行業智能工廠(礦山)建設指南(試行)》，為礦山智能化建設提供了頂層設計依據。然而，目前礦山智能化建設整體處于初級階段，礦山智能化發展仍不平衡、不充分，全行業在基礎理論、關鍵技術、標準體系等方面還存在諸多亟需攻關解決的難題[1]。特別是智能化礦山建設面臨數據標準規范不統一的問題，絕大多數礦山企業原有子系統分散建設、兼容性差。由于全國范圍內礦山基礎數據編碼不統一，設備廠商接口與協議不開放，導致系統集成難度大，在企業生產、經營、安全、管理數據中形成了“數據壁壘”和“信息煙囪”，難以實現真正的數據融合共享和智能化應用，制約了礦山智能化建設的高質量發展。

因此，亟待構建統一的數據分類編碼體系，規范數據接口，開放通信協議，提升礦山數據治理水平，打通系統間壁壘，實現數據的互聯互通、融合共享。目前，礦山行業現有的智能化相關標準規范主要圍繞生產、安全技術和評價方法及各關鍵設備通用要求制定，缺少專門的基礎性統一的數據標準規范。各類研究機構及大型礦山企業開展了智能化礦山數據相關的部分標準規范研制，但其工作主要是針對企業集團內部數據管理進行的局部領域標準化的嘗試，缺乏國家層面系統性的統一規劃設計。本文通過深入分析智能化礦山數據標準規范建設現狀，提出建立全行業統一的智能化礦山數據標準規范理念，構建《智能化礦山數據融合共享規范》(以下簡稱《規范》)體系框架，以期為智能化礦山系列數據標準規范的制修訂提供參考。

1 智能化礦山數據標準規范建設現狀

1.1 基礎理論研究方面

近幾年，隨著物聯網、大數據、人工智能等技術的成熟發展，智能化礦山頂層設計和標準規范一直是業界的研究熱點[2]。早期，潘濤等[3]從信息標準化的角度探討了數字礦山建設過程的基本內容, 包括信息標準化的體系結構、分類等，按照礦山企業生產管理特點，把數字礦山的信息標準劃分為總體標準、信息資源標準、基礎信息標準、應用系統標準和信息技術標準；王莉[4]研究分析了礦山地理信息元數據標準建立的流程, 闡述了礦山地理信息元數據的標準框架, 設計了礦山地理信息元數據系統的總體結構和功能；譚章祿等[5]針對礦山信息化建設存在的信息孤島，無法真正實現數據融合、業務融合以及全面智慧決策分析的問題，提出了完善智能化礦山建設標準體系的思路，總結了智能化礦山標準建設面臨的挑戰，初步描繪了智能化礦山標準體系及其實現路徑。在智能化煤礦標準建設方面，目前國內還缺乏統籌規劃和頂層設計，由此造成了交叉規定、規范不明確及重復建設等問題，王國法等[6]研究了煤礦智能化標準體系框架，提出煤礦智能化標準體系建設路徑，為智能化煤礦標準體系完善及技術發展提供了重要參考。按照《煤礦智能化建設指南(2021年版)》要求, 張建明等[7]研究了智能化煤礦信息基礎設施的標準體系，提出了包括基礎標準、通信網絡、煤礦物聯、煤礦數據、信息安全等領域的標準體系框架，并給出目前急需制定的標準明細，為煤礦智能化建設中信息基礎設施的升級改造提供了重要參考。另外，國內部分學者先后在智慧礦山信息標準化關鍵問題[8]、煤礦技術、管理標準體系[9-10]、礦山物聯網標準建設[11]、煤礦安全應急管理標準體系[12]、金屬非金屬礦山安全標準體系[13]、智能化煤礦分類分級指標體系[14]等方面開展了廣泛的基礎研究。但總體看，目前智能化礦山領域的標準規范研究不夠系統，缺少專門針對礦山數據標準規范的深入研究，缺少煤礦和非煤礦山一體化協調發展的思維，不利于全國范圍內智能化建設的全面開展，不能滿足國家層面礦山安全監管監察系統的互聯互通要求。

1.2 相關標準規范研制情況

首先，從政策法規層面，國家礦山安監局、國家能源局等行業主管部門相繼制定發布了智能化示范煤礦建設、專家庫管理辦法、建設指南、驗收辦法等文件，為煤礦智能化建設提供了基礎性的標準指導和遵循。另外，山西、山東、內蒙古、陜西等省(區)也相繼出臺了智能化建設的政策性保障措施，制定了智能化煤礦建設的時間表和路線圖，為全面構建智能化礦山統一的數據標準規范體系奠定了基礎。

其次，在標準規范方面，截至目前，國內已發布部分智能化礦山相關的設計和建設標準，智能化礦山部分標準規范見表1，包含國家標準、行業標準、地方標準、團體標準和部分部委規范。其中，國家標準主要針對智能化礦山礦井設計及信息化系統進行規范；行業標準則側重對單個系統通用技術及管理進行規范；政府有關監管監察部門對礦山安全監控數據采集及感知接入方面進行了規范；地方標準在智能化建設、雙重預防等方面進行了規范；團體標準對智能化煤礦及工作面的分類分級、評價指標進行了規范。此外，2021年中國煤炭學會也進行了智能化煤礦標準立項，全國信息安全標準化技術委員會大數據標準工作組專門成立了礦山大數據行業組，開展礦山數據標準化工作，工業互聯網產業聯盟也進行了煤礦標識解析等相關標準規范的研制。

表1 智能化礦山部分標準

總之，現行智能化礦山數據標準規范體系尚不健全，且沒有將煤礦和非煤礦山納入統一的標準體系來考慮，不利于礦山行業安全監管水平的提升和全行業智能化的高質量發展。

2 智能化礦山數據融合共享規范體系構建

2.1 基本原則

(1)需求牽引、統籌規劃。堅持需求導向，精準定位，立足行業、服務企業、培育產業；既要滿足當前礦山智能化建設的迫切需求，又要充分考慮行業內外及上下游產業的協同發展；統籌考慮煤礦與非煤礦山、露天礦與井工礦，涵蓋礦山生產、安全、經營、管理各環節；與現有國家標準、行業標準等協調一致，構建煤礦和非煤礦山全領域完整的數據規范體系。

(2)穩妥推進、急用先行。礦山智能化建設是多學科交叉的復雜系統工程。目前礦山智能化技術水平普遍不高，在發展過程中還面臨諸多不確定性因素，因此需要立足實際、穩妥推進《規范》編制及實施；先行編制急切需要的、影響安全的、提高效能的規范；并且鼓勵新技術、新工藝革新；同時還要避免部分企業的技術壟斷，保障礦山智能化的持續健康發展。

(3)分步實施、持續迭代。《規范》編制任務重，應遵循分階段、寬邊界的原則，對智能化礦山數據規范進行整體布局、分步實施。應詳細規劃各階段的相關數據規范編制任務，及時總結智能化礦山建設的最新研究成果和經驗教訓，對《規范》編制內容持續迭代，確保數據標準規范取得實效，切實提升礦山安全生產水平，提高智能化礦山生產效率。

2.2 體系框架

智能化礦山數據融合共享規范的體系結構如圖1所示。

圖1 智能化礦山數據融合共享規范體系結構

智能化礦山數據融合共享規范體系結構包括基礎共性、數據編碼、數據采集、數據治理、數據應用、數據安全六大專題。

其中，基礎共性專題提出了礦山數據融合共享的總體要求、定義和框架，支撐規范體系結構中的其他各部分，位于體系結構的最左側；數據編碼專題主要對礦山數據進行分類、編碼、元數據描述、主數據識別與管理等，是礦山數據規范的重要基礎，位于體系結構的最底層；數據采集專題主要規范感知數據接入要求、數據接口方式和通信協議，是礦山數據融合共享的主要來源，位于體系結構的中間層；數據治理專題主要對數據模型、存儲技術、質量管理進行規范，為礦山數據治理提供科學的管控手段；數據應用專題首先提出了數據共享的基本要求，并針對礦山智能化的具體需求，制定一系列基于智能化礦山大數據的業務應用類規范，支撐礦山行業基于全數據互聯互通、全過程融合共享的智能化全面發展，位于體系結構的最頂層；數據安全專題為礦山數據融合共享各部分提供必要的數據安全保障，貫穿數據融合共享的整個流程，位于體系結構的最右側。

針對智能化礦山數據融合共享要求，研究形成了完整的礦山數據規范體系框架，如圖2所示。

圖2 智能化礦山數據融合共享規范體系框架

3 智能化礦山數據融合共享規范建設關鍵點

3.1 構建統一數據編碼體系

礦山企業傳統的信息化、自動化建設是“點”的建設，各個系統相互獨立、自成體系，各個系統往往采用各個廠商的數據編碼標準，因此產生了一個個信息孤島，難以實現信息共享，成為礦山企業智能化建設的障礙。在研究礦山企業的智能化建設、進行智能化規劃設計過程中，需要整體、系統地進行規劃，并對礦山企業的管理、安全、生產業務和工藝流程進行全面梳理。研究表明，統一礦山智能化建設的各種數據編碼具有顯著的必要性，同時需要將數據編碼與智能化建設有機融合。

依據《信息分類和編碼的基本原則與方法》(GB/T 7027-2002)、《企業信息分類編碼導則 第1部分：原則與方法》(GB/T 20529.1-2006)、《企業信息分類編碼導則 第2部分：分類編碼體系》(GB/T 20529.2-2010)，首先要建立科學合理的智能化礦山數據分類體系，這也是編碼體系的重點，并在分類的基礎上進行數據編碼。

分類及編碼要按照系統性、穩定性、標準化、唯一性、可擴展性、適用性六大原則進行。數據分類編碼的目的是為了實現對信息的分類管理，杜絕自然語言描述的不規則性和理解的二義性，便于實現計算機信息處理，以提高信息管理的效率。要政府主導、企業參與，建立全國礦山行業統一的、涵蓋礦山企業所有數據的編碼，滿足礦山企業內部、礦山企業與其他企業之間、礦山企業與政府之間進行數據共享交換的需要，滿足礦山企業智能化建設的需要。

與一般意義上的生產企業不同，礦山企業屬于高危行業，對于安全管理十分重視，因此礦山企業的數據分類一級類目包括基礎、管理、生產、安全四大類數據。數據編碼的數據要涵蓋智能化礦山業務的全過程，包括安全監測管理、生產過程控制、生產和經營管理等方面，涵蓋智能化礦山業務的全數據，包括靜態的基礎數據以及動態的安全監測、安全管理、生產過程、生產管理、經營管理等方面的全部數據。

基礎數據主要指企業的工商登記、行業準入、證照等類型的基礎數據。管理數據分為經營管理和生產管理兩類，經營管理包括企業的人、財、物、產、供、銷等企業資源計劃(ERP)類數據以及供應鏈管理(SCM)、客戶關系管理(CRM)等類型的數據；生產管理的數據包括企業的調度、機電、地測、通風、計劃等專業的生產管理數據。生產數據主要指生產過程的數據；包括采、掘、機、運、通、穿爆等各種生產系統監測、運行的實時數據。安全分為安全監測及安全管理兩類，安全監測是指企業的瓦斯、頂板、水文、火災以及設備的運行情況等實時監測數據；安全管理主要是指企業的雙重預防管理、安全生產管理、應急救援管理等類型的管理數據。數據分類體系如圖3所示。

圖3 智能化礦山企業數據分類體系

3.2 提出礦山行業數據治理理念

智能化礦山數據治理是一個長期性、基礎性的工作，包括數據架構、數據治理管理和數據存儲技術等內容，其相互關系如圖4所示。首先，需要有穩定的數據架構牽引。通過架構的定義，建立起統一的溝通、交流語言，保證認知理解的一致性。通過架構的統一，對智能化礦山的系統提供廠商、設備制造商、應用開發商都有一定的約束和要求，在建設新系統時，都必須遵循統一的數據架構進行系統的設計和開發。

圖4 數據治理技術間的關系

基于統一的數據架構，企業可結合自身特點和架構內容，識別數據質量的薄弱點，在數據的整個生命周期內持續進行數據質量改進工作。根據企業自身要求、管理重點、創新方向等，可以識別具體的業務對象，進行相應的質量規則的設計和質量稽核的實施，確保數據質量管理能夠跟企業自身發展結合起來，并通過數據質量報告的發布夯實改進。

同時，對于智能化礦山建設過程中遇到的豐富的數據類型、復雜的數據應用場景，不但需要穩定的數據架構、持續的數據質量管理，也需要能夠滿足不同場景下數據存儲的技術要求和規范。數據存儲的技術方案直接影響到不同數據類型的存儲方式、數據倉庫的設計和性能，繼而對數據模型的搭建、數據應用的開發均產生影響。因此，要做好數據治理，面向不同使用的數據存儲場景也需要統一探討與規劃，輸出一套適應智能化礦山建設要求、滿足不同數據使用場景、技術路線清晰、指導性強的數據存儲技術規范。

3.3 形成數據安全思維

傳統安全的發展經歷了通信安全、計算機安全、網絡安全、信息安全、數據安全多個階段，2021年《數據安全法》的出臺使得數據安全有法可依、有章可循，為數字化經濟的安全健康發展提供了有力支撐。與傳統安全相比，數據安全更加關注內外部防護、數據合規使用、用戶隱私保護、業務及應用安全合規等問題，需要采用各種技術和管理措施，保證數據的機密性、完整性和可用性。因此，在礦山智能化的建設過程中，應樹立以數據為中心的安全防護理念，以保障重要數據為核心，做好數據分類分級管理，基于數據安全治理過程，對數據通用安全、數據生命周期各階段安全、數據安全能力、技術工具、組織建設與制度流程等方面進行規范，實現數據全生命周期保護。數據安全主要建設內容如圖5所示。

圖5 數據安全主要建設內容

4 智能化礦山數據融合共享規范重點建設內容

4.1 基礎共性

基礎共性專題主要規范智能化礦山數據融合共享的總體要求、定義和體系，包括總則、術語和體系架構3部分。

(1)總則。明確《規范》總體建設目標和總體建設要求，提出整個規范體系的通用性、指導性要求，確定規范編制的深度和廣度，規定規范編制的標準化要求。

(2)術語。用于統一《規范》相關概念和技術等，為其他各部分規范的制定和礦山大數據研究應用提供支撐，包括智能化礦山數據領域術語相關定義、范疇、實例等規范。

(3)體系架構。構建《規范》體系，闡明各專題之間的邏輯關系，指明基礎共性、數據編碼、數據采集、數據治理、數據安全和數據應用各專題的主要編制任務，明確各具體數據規范的關鍵標準化領域、技術方向及規范主要內容。

4.2 數據編碼

數據編碼規范子體系主要規范智能化礦山數據分類和編碼，包括數據編碼導則、數據分類及編碼規范、元數據規范、主數據規范等部分。

(1)數據編碼導則。規范智能化礦山數據分類和編碼的基本原則，建立科學合理的數據分類體系，明確數據范疇、數據資源間邏輯層次關系。其中，重點梳理礦山企業的生產、安全、管理等業務數據，建立科學合理的智能化礦山數據編碼體系。

(2)數據分類及編碼規范。規范智能化礦山生產、安全、管理全業務、全過程數據的具體分類和編碼，包括分類原則、分類方式、編碼原則、編碼結構及編碼細則等。其中，按照礦山數據所屬權和業務域的分類原則，重點開展智能化礦山安全類、生產類數據的分類及編碼規范編制工作。

(3)元數據規范。統一智能化礦山元數據的規范化描述，包括元數據識別、分類、組成、屬性、一致性要求、擴展原則和方法、管理維護等內容。其中，重點開展智能化礦山地質保障、生產控制、智能化綜合管控、監測預警等業務元數據的規范編制。

(4)主數據規范。構建統一的智能化礦山主數據管理規范，形成主數據共識、通過建立主數據的分類、主數據名稱、數據格式、值閾、主數據準入規則以及代碼集，建設智能化礦山主數據模型。其中，重點建立與礦山安全監測和安全管理相關的主數據模型，為安全生產風險監測預警、智能化綜合管控平臺等提供基礎支撐。

4.3 數據采集

數據采集規范子體系主要規范智能化礦山數據采集要求，包括感知數據規范、通信接口與協議規范等部分。

(1)感知數據規范。規范智能化礦山的數據感知要素需求，主要包括礦山企業基礎數據、安全數據、生產數據和管理數據的名稱、類型、格式、更新頻率等要求。其中，重點規范采、掘、機、運、通等系統關鍵設備和環境監測的感知數據基本要求。

(2)通信接口與協議規范。規范智能化礦山數據采集、傳輸、融合、分析過程中的接口方式和通信協議基本要求，明確不同通信接口協議之間的轉換規則，保障數據高效、有序、精準傳輸。其中，重點開展采煤工作面、掘進工作面、露天采場和尾礦庫等作業場景的設備接口與通信協議規范編制，實現各子系統互聯互通。

4.4 數據治理

數據治理規范子體系主要規范智能化礦山數據治理要求，包括數據架構規范、數據存儲技術規范、數據質量管理規范等部分。

(1)數據架構規范。規范智能化礦山數據架構總體設計要求，包括數據模型設計、數據主題域框架定義、數據資源分布與管理等內容。其中，重點編制生產、安全領域的數據模型設計規范，提出數據治理平臺建設基本要求。

(2)數據存儲技術規范。規范智能化礦山數據存儲的基本框架、存儲規劃、存儲體系、存儲規則、存儲方式、技術要求、災備要求和安全運維等，保證數據的完整性、準確性、可靠性和可用性。通過數據融合、集中管理構建數據存儲基本框架，重點規范不同數據規模、使用頻率、使用特性、服務時效的數據存儲要求，滿足云、邊、端數據存儲和災備需求。

(3)數據質量管理規范。規范智能化礦山數據在采集、傳輸、使用和維護過程中的質量管理，包括數據質量描述、數據質量識別、數據質量評價、數據質量控制、數據質量報告等相關要求。圍繞數據完整性、準確性、及時性、一致性、唯一性、有效性等需求，重點對數據質量的衡量和描述進行規范，研究數據清洗、轉換、加工、數據質量監控技術要求。

4.5 數據安全

數據安全規范子體系主要規范智能化礦山數據安全要求，包括數據分級定級規范、數據安全規范等部分。

(1)數據分級定級規范。依據礦山數據遭篡改、破壞、泄露或非法利用后對礦山生產經營和上級部門監管監察帶來的影響，制定數據分級定級規范，包括分級原則、分級依據、定級要素、定級方法等內容。其中，重點從影響范圍、持續時間、可恢復性、數據敏感度等維度對智能化礦山數據進行分級定級。

(2)數據安全規范。規范智能化礦山數據全流程的安全管理要求，包括數據采集安全、傳輸安全、存儲安全、處理安全、交換安全、銷毀安全等內容，明確數據安全管理的組織架構及職責，保障數據的完整性、保密性、安全性和合規使用。其中，重點對采集、傳輸、存儲、交換的數據安全過程進行規范，從組織建設、制度流程、技術工具、人員能力等方面對數據安全能力進行規范。

4.6 數據應用

數據應用規范子體系主要規范智能化礦山數據應用要求，包括數據共享規范、數據應用規范等部分。

(1)數據共享規范。規范智能化礦山數據共享流程及技術管理相關要求，明確數據的共享原則、共享格式、共享方式、檢查要求等內容，規范數據提供者、管理者、使用者等各角色在數據共享流程中的職責與任務，保障數據共享安全。其中，重點梳理智能化礦山數據共享流程及技術管理要求，從共享數據組成、數據實體格式、數據共享目錄等方面對共享數據進行基本約定，規范數據共享服務方式、目錄服務、數據接口模型等內容，從數據共享準備、共享磋商、共享過程、銷毀等流程規范數據共享安全相關內容。

(2)數據應用規范。基于各類智能化礦山數據應用場景，圍繞礦山安全、生產、經營、管理等業務需求，按照“成熟一個發展一個”的原則，編制系列數據應用規范。其中，重點開展智能化礦山數據分析、指標數據、地質保障、大數據風險監測、分級預警與處置、AI分析與應用、機電設備健康管理、礦山智能供電與能耗管理、綜合管控平臺、云計算數據中心、智慧園區、應急指揮等具體規范編制。

5 結論

(1)礦山智能化發展還處于起步階段，相關標準規范研制工作滯后，特別是缺乏涵蓋煤礦和非煤礦山的全行業統一的數據標準規范體系，不利于智能化建設中各子系統的互聯互通，嚴重制約了礦山智能化實際效能的提升。

(2)建設智能化礦山數據融合共享規范是實現礦山大數據治理的基礎，需要構建涵蓋智能化礦山業務全過程，包括礦山生產、安全、管理全數據的統一數據編碼體系，運用先進的數據治理理念和數據安全思維，研制智能化礦山數據融合共享規范。

(3)提出了智能化礦山數據融合共享規范框架，闡述和研究了共性基礎、數據編碼、數據采集、數據治理、數據安全和數據應用六大專題內容，初步形成了較為完整的智能化礦山數據規范體系，認為該體系能為智能化礦山建設過程中的數據共享應用提供基礎平臺和技術牽引。