智能礦山綜合管控平臺研究進展及發展路徑

邢震

（1. 中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2. 天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

煤礦信息化系統的發展經歷了單機自動化、綜合自動化等階段，目前已進入智能化綜合管控發展階段。這種技術發展趨勢有其必然性，主要由以下因素決定[1-2]：① 煤礦安全生產需求決定了信息化系統的發展方向。煤礦單機自動化階段，各子系統之間均采用獨立網絡傳輸方式，存在信息無法共享、可靠性差、維護量大、各子系統協調難度大等問題。綜合自動化階段，各子系統數據之間沒有產生關聯關系，數據綜合分析利用能力仍然不足。隨著經濟的發展，人們對煤礦災害的容忍度越來越低，對煤礦高效生產要求越來越高，這一矛盾迫使煤礦行業走產業升級之路，提升煤礦智能化水平，而智能礦山綜合管控平臺（簡稱管控平臺）是實現煤礦安全高效生產的一個重要支撐。② 新一代信息技術及煤礦機械設備的發展為管控平臺的實現提供了技術支撐。新型低功耗傳感器，礦用機器人，智能采、掘、機、運、通裝備及災害監測治理裝備等為管控平臺提供了數據基礎；低延時、高帶寬、廣連接的5G網絡為煤礦井下海量數據的上傳提供了可靠的傳輸通道；大數據、云計算、人工智能、數字孿生、工業互聯網等為實現管控平臺云端數據處理、分析、融合提供了支撐。③ 國家、地方政策及大型煤業集團的要求對管控平臺的建設起到推動作用。④ 能源是國家發展和經濟安全的基石，當前國際形勢穩定性不足，不可過度依賴能源進口。為了實現能源自主化，國家需要對能源特別是煤炭的生產、傳輸和分配進行有效管理和監控。管控平臺可以集成各個環節的數據，提供全面的能源信息，幫助決策者制定戰略規劃和政策措施。煤礦企業的需求及信息技術的支撐等為管控平臺的建設提供了必要性和可行性，針對71處國家示范礦井，國家能源局印發的《智能化示范煤礦驗收管理辦法（試行）》中明確將管控平臺作為信息基礎設施里的必備項目，部分省市及大型煤企均提出建設管控平臺的要求。

在管控平臺的發展過程中，研究者們提出了明確的指導方向，為管控平臺的功能開發及現場應用提供了思路，然而在研究及實踐過程中仍存在對管控平臺的概念描述不一致、管控平臺功能開發及建設重點偏離核心發展方向等問題。馬克思主義哲學提供了辯證的思維方式，對具體的科學研究具有普遍性指導意義。本文嘗試采用馬克思主義哲學的觀點來梳理目前管控平臺存在的問題，以明確發展路徑，使管控平臺的開發、應用、現場實踐等環節都能在正確的方法論指導下進行[3-4]。分析了管控平臺的本質，以把握重點發展方向；研究了國家能源局及各地、能源央企智能礦山驗收管理辦法中對管控平臺的功能要求，在此基礎上，對管控平臺的功能要求進行分類；結合文獻調研和現場實踐情況總結管控平臺研究進展，并提出發展路徑。

1 管控平臺的定義及其本質

2020年2月，國家發展改革委等八部委聯合印發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》明確指出[5]：建設智能化生產、安全保障、經營管理等多系統、多功能融合的一體化平臺，實現煤礦產運銷業務協同、決策管控、一體化運營等智能化應用。該指導意見指明了長期的、宏觀的發展方向，然而在具體研究及實踐中，不同學者對管控平臺的理解存在差異，為管控平臺的研發和建設工作帶來了困惑。為此，需要深入研究管控平臺的本質，保證在管控平臺設計、開發、應用過程中把握主要矛盾。

管控平臺以現代信息技術為基礎，通過數據采集、信息處理、調度決策等實現對礦山各種設備設施、生產流程和環境參數的集中監視與控制。結合管控平臺的相關概念及實踐經驗，以數據流為主線，管控平臺的本質涉及3個方面：一是對數據的接入，實現煤礦各類子系統的全面接入；二是對數據的融合，包括數據的分解、提煉、匹配、重組、整合等；三是對數據的綜合應用，包括系統間的協同管控、業務綜合管理及信息化融合展示等。以數據流為主線的管控平臺如圖1所示。

圖1 以數據流為主線的管控平臺Fig. 1 Control platform with data flow as the main thread

2 管控平臺建設標準

為規范礦山智能化建設的各個方面，各級政府和相關部門制定了一系列智能化建設驗收管理辦法。對于管控平臺而言，驗收管理辦法的制定與執行是至關重要的環節。通過對各地驗收管理辦法的對比和整合，可以找出共性和差異，促進管控平臺的規范化和統一化，提高其在全國范圍內的適應性和可操作性。國家能源局，山西、陜西、內蒙古、貴州、山東、安徽、河南、寧夏等省份或自治區，以及國家能源集團、中煤集團等大型煤企的智能礦山驗收管理相關政策匯總見表1。

表1 國家及地方、央企智能礦山驗收管理相關政策匯總Table 1 Summary of relevant policies on acceptance management of intelligent mines by national, regional, and central enterprises

由于對管控平臺的概念理解不一致，各地對管控平臺的功能要求存在一定差異。通過梳理各地智能礦山驗收管理辦法，對管控平臺的功能要求進行歸納總結并形成分類，以便更清晰地理解管控平臺的核心功能和特點，推動智能礦山建設的統一和規范化。

將管理辦法中對管控平臺的功能要求分為基礎支撐功能、擴展補充功能、關鍵核心功能。基礎功能是指管控平臺的數據接入、數據存儲、數據過濾、數據融合、對象建模、圖形組態、權限管理、報表功能、消息中心、統一門戶等，支撐功能是指為輔助實現核心功能而必須具備的功能，如3D建模、4D GIS、數字孿生等。擴展補充功能是指非管控平臺本身必備的功能，本質上可以視作子系統，與管控平臺本身無必然聯系，如生產技術管理功能、采掘管理功能、機電設備管理功能。關鍵核心功能是指基于融合數據的業務融合及協同管控、聯動控制、核心算法等。

以《智能化示范煤礦驗收管理辦法（試行）》中的I類煤礦為例，將統一的系統接口標準（3分）、專業數據采集軟件（3分）、異常信息報警（3分）、虛擬化技術或本地數據中心（3分）等歸為基礎支撐功能，將綜合監控中心（3分）、大數據平臺（3分）、數據分析能力（2分）、工業物（互）聯網平臺（3分）、基于云計算的決策支持承載平臺（3分）等歸為關鍵核心功能，將人員位置精準定位系統（4分）的應用平臺等歸為擴展補充功能。基于上述分類方法，以國家能源局及山西、陜西、貴州等地驗收管理辦法中對管控平臺的功能要求為例進行分類統計，見表2。需要說明的是，本文的分類方法具有一定主觀性，僅用于下文定性；部分省份的管理辦法處于征求意見或待修訂狀態，本文數據僅作學術探討用。

表2 管控平臺功能要求分類統計Table 2 Classification and statistics of functionality requirements for control platform

由表2可知，管控平臺在各地智能礦山建設中的權重相差較大，其中陜西、貴州將管控平臺作為獨立模塊列出，權重分別為0.105和0.16，國家能源局及山西將管控平臺歸屬到信息基礎設施模塊，權重相對較低。各驗收管理辦法中管控平臺基礎支撐功能、擴展補充功能及關鍵核心功能的分值分布差異較大，國家能源局驗收管理辦法中，基礎支撐功能和關鍵核心功能占比相當，總和達到86.7%，擴展補充功能占比較小；山西和陜西驗收管理辦法中基礎支撐功能占比較大，陜西和貴州驗收管理辦法中關鍵核心功能占比較小；對于擴展補充功能，貴州驗收管理辦法中占比最大，其他區域占比均較小。

3 管控平臺研究及應用進展

3.1 基礎支撐功能研究及應用進展

基礎支撐功能包括對象建模、圖形組態、權限管理、報表功能、消息中心、統一門戶等，這些功能都已開發完成并在現場成熟應用，但在實踐中仍存在不少問題[6-7]。

1） 子系統數據接入的穩定性不夠。數據是管控平臺應用的基礎，為支撐管控平臺安全生產應用，需首先保證數據接入的穩定性。目前數據采集在功能方面可完全覆蓋煤礦現有子系統數據接入類型，在集成方面已經實現現場應用，但是穩定性不夠，常出現數據中斷等問題。網絡不穩定、設備故障、軟件設計不合理等均會導致接入子系統數據頻繁中斷問題，需要通過科學的方法，分析各種因素的作用和相互關系，找出解決問題的途徑和方法。

2） 部分基礎支撐功能的成熟度不夠。目前，管控平臺整體上仍然處于發展的初級階段，還沒有形成完善的技術和管理體系。盡管一些功能經過了驗證和測試，但缺乏長期的現場檢驗，應用于實際礦山環境時，可能會面臨新的挑戰和問題。這種情況下，煤礦管理人員和操作人員難以有效地應對各種突發情況，從而影響礦山生產效率和安全性。功能的成熟度不足是技術發展的不完善和實踐經驗的不足所致，這就要求煤礦科技人員在實踐中不斷總結經驗教訓，積極推動技術的發展和成熟，以滿足實際需求[8]。

3） 部分基礎支撐功能的實用性不夠。管控平臺基礎支撐功能是為關鍵核心功能服務的，部分基礎支撐功能實用性不夠，導致關鍵核心功能難以實現。以數字孿生技術為例，在目前智能礦山建設中，大部分情況下實現的是三維展示效果，關鍵的預測、仿真功能等還未實現，無法有效支撐關鍵核心功能的實現[9]。

3.2 擴展補充功能研究及應用進展

由于基礎支撐功能和關鍵核心功能中部分功能實現難度較大，煤礦企業通常將自身擅長的擴展補充功能嵌入到平臺中，在研發和實施中將相當一部分工作和精力放在擴展補充功能上，偏離了智能綜合管控的核心發展方向。根據馬克思主義哲學原理，可以通過主要矛盾和次要矛盾的關系來重新審視擴展補充功能的地位。擴展補充功能僅僅算作次要矛盾，不能將其作為重點來研究。

首先，需要明確擴展補充功能與基礎支撐功能和關鍵核心功能之間的關系。基礎支撐功能是煤礦信息化系統中不可或缺的基礎，提供數據采集、傳輸和存儲等基本功能。關鍵核心功能則是實現智能綜合管控的關鍵，包括安全預警、生產調度等。擴展補充功能具有更為特殊化的需求，包括人員管理[10]、能耗分析等功能。在煤礦信息化系統中，擴展補充功能的研究與應用可以幫助企業更好地滿足個性化需求[11]。

其次，需要認識到擴展補充功能在整個系統中的地位。盡管擴展補充功能有一定的重要性，但它并不是智能綜合管控的核心發展方向。因此必須保持清醒的認識，將其定位為次要矛盾，并將主要精力放在核心功能的研究和開發上。只有這樣，才能推動智能綜合管控系統的健康發展，實現煤礦安全生產和信息化建設的有機結合。

在智能化建設實踐中，管控平臺的界面效果是礦方重點關注的方面。馬克思主義哲學原理提出了內容與形式的辯證關系，認為內容是形式的基礎和前提，形式則是內容的體現和表達方式。在管控平臺的建設中，界面效果作為形式的一部分，應當與內容密切結合，相互促進，而不應該成為建設的重點目標。然而，目前管控平臺在界面效果方面的投入和關注遠遠超過了其他方面。這種現象主要體現在以下方面：① 大量資源被投入到了界面設計和美化上。開發者為了迎合用戶的審美需求，競相推出各種炫酷的界面效果，甚至犧牲了系統的穩定性和功能完備性。這種現象表明，目前的建設更注重用戶的第一感受，而忽視了實際使用中的協同管控和自主決策等方面。② 管控平臺在功能開發上存在不足。雖然界面看起來非常漂亮，但實際上缺乏協同管控和自主決策等關鍵功能。礦山作為一個復雜的生產系統，需要實時獲取和處理大量數據，并及時作出決策。然而，目前管控平臺的很多功能只停留在表面，無法充分滿足礦山管理者的需要。這種情況使得管控平臺無法真正發揮其應有的作用，限制了礦山的高效運營和安全管理。③ 對用戶體驗的關注遠遠超過了對系統本身的優化。在管控平臺的建設中，用戶體驗往往成為決策的重要依據，過于追求各種界面效果和交互方式，而在系統穩定性和安全性等方面的優化相對較少。這種情況導致管控平臺應對大規模數據處理、復雜計算和實時決策等的能力不足，限制了礦山管理的科學性和高效性。

3.3 關鍵核心功能研究及應用進展

管控平臺的核心目標是實現煤礦產運銷業務協同、自主決策協同管控、一體化運營等智能化應用[12-15]。根據研究及建設現狀，可將管控平臺的核心目標分為4個階段，如圖2所示。

圖2 關鍵核心功能研究及應用進展Fig. 2 Research progress and application of key core functions

第1階段：煤礦信息化系統的集中監視是首要任務。將煤礦子系統接入管控平臺，通過統一的數據接口和聯網設備，實時監控煤礦的生產、運輸、安全等情況，并對異常事件進行快速響應和處理，實現對煤礦各項運營數據的集中監控和管理[16]。

第2階段：將各子系統數據接入管控平臺后，需要對這些數據進行集中管理[17-18]，將其存儲到數據池中，以便后續的分析和利用。同時，可根據不同的業務需求對數據進行重組和整理。

第3階段：構建智能算法和數據分析模型，對煤礦運營數據進行深度挖掘和綜合分析，根據數據分析結果，實現煤礦多元業務的輔助決策[19]及局部區域或業務單元的協同管控。例如，利用機器學習算法預測煤礦生產能力和市場需求之間的關系，為決策者提供參考意見。此外，還可以通過協同管控系統實現不同區域或業務單元之間的信息共享和協作，提高整體效率和資源利用率。

第4階段：實現全局范圍內的互聯互通、自主決策及協同管控[20-21]。在該階段，煤礦綜合管控平臺將具備自主決策能力，并能夠實現跨區域、跨業務單元的智能化協同管控。通過人工智能和大數據分析技術，管控平臺可根據實時數據和趨勢預測，自主地調整生產計劃和資源配置，使煤礦運營更加高效和靈活[22]，實現全礦井級的自主決策。

在當前的智能礦山建設實踐中，大部分礦井已經實現了第1階段和第2階段的目標，實現了集中監視及數據融合；針對第3階段，大部分礦井正在探索階段，其中部分場景可以實現輔助決策，部分區域或安全生產環節可以實現局部協同管控；對于第4階段，即實現智能化的全面協同管控，學者們提出了許多規劃和設想，包括利用人工智能、大數據分析和物聯網技術等實現智能化的全面管控，然而在實際的現場應用中，由于技術和設備的限制，短期內很難實現這些設想。

4 管控平臺發展路徑探討

在管控平臺的研發及應用中，只有從客觀實際出發，不斷探索和實踐，深入研究和理解運行規律，才能確保管控平臺的良性發展，并推動煤礦行業的進一步升級。通過實事求是的思維方式和方法，可以更好地應對煤礦行業面臨的挑戰，實現管控平臺的可持續發展。

4.1 基礎支撐功能的發展方向

基礎支撐功能應朝規范性、可靠性方向發展。

1） 遵循行業規范和標準。管控平臺作為煤炭行業新興的技術應用，需要依據行業內不斷完善及細化的規范與標準進行發展。這包括數據采集與傳輸的標準化、設備接入和通信接口的標準規范等方面。通過制定數據采集與傳輸、設備接入和通信接口等方面的行業規范和標準，確保管控平臺的可操作性和可擴展性，實現與其他系統的無縫對接和協同操作。

2） 提升可靠性。可靠性是衡量系統故障率或失效率的指標。基礎支撐功能應具備高可靠性，以確保煤礦生產正常運行。為了提高可靠性，可以采取多種手段，如采用冗余設計、增加備份系統、建立災備機制等。同時，還要進行故障診斷功能和恢復機制的研發，以提高故障監測和及時響應的能力，確保管控平臺連續穩定運行。

3） 提高穩定性。穩定性是衡量系統抗干擾能力和負載承受能力的指標。管控平臺在長時間運行中需要保持基礎支撐功能的穩定性。這需要從硬件設備、軟件系統和網絡環境等方面綜合考慮，確保各個環節的穩定性。在硬件方面，應選擇具有高可靠性的設備，避免單點故障。在軟件方面，設計系統架構時，應采取措施來減少或避免單點故障的發生，如引入冗余組件、備份節點、負載均衡策略等，同時進行性能優化和系統調優，提高系統的響應速度和處理能力。在網絡環境方面，要保證網絡的穩定性和安全性，避免由于網絡問題導致管控平臺運行不穩定。

4.2 擴展補充功能的發展方向

擴展補充功能應朝實用性、補充性方向發展，輔助實現全局的互聯互通、協同管控、自主決策等關鍵核心功能。

1） 擴展關鍵核心功能所需的數據、業務或流程。增加礦方當前子系統不具備但關鍵核心功能所需要的數據、業務或流程是一個要點。管控平臺需要從各個數據源中采集數據，并進行有效的整合和處理。但是，煤礦已建設的子系統可能并不能覆蓋所有的數據、流程或業務需求。因此，設計擴展補充功能時，應該考慮到關鍵核心功能所需要的額外信息，并能夠方便地獲取和處理這些信息。通過引入這些缺失的要素，可以彌補綜合管控平臺的不足，使其更加完善和全面。比如，在數據方面，礦方當前子系統中可能缺乏一些關鍵數據，綜合管控平臺可以與其他系統進行數據集成，以提供必要的數據支持；在業務方面，可以增加與煤礦生產、安全、環境等相關業務的建設，實現全面的管控；在流程方面，可以優化工作流程，提高工作效率，減少冗余操作。

2） 補充關鍵核心功能所需的輔助功能。為實現協同管控和自主決策，需要補充必備的功能。如為了實現礦方當前子系統間的協同管控，可以引入數據共享功能，將各個子系統的數據進行整合并向相關部門或人員開放。這樣可以促進子系統之間的信息交流與溝通，為協同管控提供有力支持。同時，可以在平臺中引入任務分配和協作功能。通過平臺，管理人員可以將任務分配給不同的子系統，并監督任務的執行情況。同時，各個子系統之間也可以通過平臺進行溝通和協作，共同解決問題，提高煤礦的整體效率。另外，可建立通信協調功能，實現子系統間的緊密配合和協同工作。通過統一的通信渠道和協作平臺，各子系統可以快速響應并相互配合，以應對復雜多變的生產環境。

3） 界面效果與功能相統一。在界面效果展示方面，遵循形式與內容相統一的辯證關系。只有內容和形式相互促進、相互融合，才能發揮系統的最大效益。因此，在管控平臺建設中，應該更加注重協同管控、自主決策等功能的開發和完善，將形式與內容結合起來，以提升整個系統的效率和管理水平。

4.3 關鍵核心功能的發展方向

關鍵核心功能宜向標準化、穩定性方向發展。關鍵核心功能是智能礦山建設的核心內容，然而，當前對關鍵核心功能的研究大多停留在宏觀的設想階段，缺乏具體的標準和細節。為了實現智能礦山建設目標，需要解決煤礦現場實際存在的難點問題，并逐步挖掘應用場景和潛在需求。

首先，關鍵核心功能的設定必須遵循認識論的規律，充分認識到現狀及其中的難點。智能礦山建設涉及眾多技術、數據和管理因素，在確定關鍵核心功能時，需要準確了解智能礦山的現有情況，包括技術水平、管理模式和人力資源等。只有充分認識實際情況，在提出目標時才能更加準確、具體。

其次，智能礦山建設是一個長期的過程，可能會遇到各種挑戰和問題，因此，必須明確意識到，關鍵核心功能的實現需要時間和耐心，不能期望一蹴而就，而應該根據實際情況合理規劃，并逐步推進，逐步實現各項目標。

同時，為了推進關鍵核心功能在現場應用，需要逐步挖掘現場應用場景與需求。這意味著研究人員需要深入了解礦山的運營環境和需求，挖掘適合應用智能礦山技術的具體場景，并根據場景的實際需求來設計和開發相應功能。煤炭企業是管控平臺的直接受益者和主要使用者，其意見和需求對于改進和優化平臺至關重要。因此，應積極傾聽煤炭企業的意見和建議，及時調整和改進管控平臺，以更好地滿足煤礦企業的需求。

5 結語

分析了管控平臺的本質，以數據流為主線，管控平臺的本質涉及數據接入、數據融合、數據綜合應用3個方面。研究了國家能源局及各地、能源央企智能礦山驗收管理辦法中對管控平臺的功能要求，在此基礎上，將管控平臺的功能要求分為基礎支撐功能、擴展補充功能、關鍵核心功能。針對三大功能，探討了管控平臺的研究及應用進展、發展路徑。隨著新興信息技術的不斷發展及外界條件和環境的不斷變化，管控平臺的實現目標、要求及實現路徑也會隨之變化。因此，要不斷關注外界的變化，并及時調整管控平臺的目標和實現路徑，保證管控平臺的發展與時俱進，適應不斷變化的外界條件和環境。