智能化礦山數據融合與應用研究

范濟安，潘 睿，王竑達

(1.中國聯合網絡通信集團有限公司，北京市西城區，100033；2. 中國聯合網絡通信有限公司山東省分公司，山東省濟南市，250001)

0 引言

礦山行業屬于工業的一部分，遵循“自動化、信息化、數字化、智能化”發展路徑。礦山智能化建設是礦山行業轉型升級的重要方向。目前大中型煤礦已具備初級智能化水平，通過關鍵生產設備自動化，可以實現無人化作業或遠程操控[1-2]。未來大型煤礦將向中級智能化礦山迅速演進，通過信息數據的融合，實現統一調度、協同化作業，并利用信息化系統助力生產運營多環節優化。2025-2035年，智能化煤礦建設預計向大、中、小煤礦全面鋪開，已建成的中級智能化煤礦會向更高級的智能化目標發展。

伴隨智能化礦山建設的逐步深入，數據和通信成為了發展演進的重要基礎。數據可起到助力智能化決策、驅動智能化技術創新、落實礦山安全管理保障等作用；通信在橫向連接生產設備及自動化控制系統以及縱向打通信息化同自動化系統壁壘方面可發揮重要的橋梁作用。當前，如何實現數據在多設備以及多系統間全面、充分、有效地融合，釋放數據潛在價值，賦能生產運營等多環節應用，對智能化礦山可持續發展具有重要意義。

綜合智能管控平臺建設是智能化礦山數據融合的重要發展方向之一[3]。但在平臺構建過程中，由于數據多源異構性和數據源通信接口標準不統一，造成數據交互共享的困難，導致“數據孤島”“信息煙囪”等一系列問題，使得深度挖掘數據潛力存在一定困難，數據價值無法充分利用和釋放[4-6]。

基于統一的數據融合規范將會成為未來綜合智能管控平臺建設的發展趨勢，筆者闡述了數據和網絡通信在礦山領域的重要作用，并基于中國聯通內部的數據治理經驗，就綜合智能管控平臺介紹中國聯通對礦山行業的能力輸出，同時，基于統一的數據融合規范，圍繞數據和通信兩大基礎要素，分享了平臺在金谷礦業的實踐應用案例。

1 智能化的兩大基礎要素

1.1 數據

在智能化領域中，數據扮演著至關重要的角色。礦山行業正逐漸向更高階段的智能化方向邁進，數據是礦山智能化應用的基礎和核心驅動力，也是礦山生產、運營、安全等各環節的重要資源，對實現智能化的目標起著至關重要的作用[6-8]。

(1)數據是礦山智能化決策的基礎。礦山運營涉及諸多環節，包括勘探、開采、加工、運輸等。通過對終端海量數據信息的收集和分析，礦山企業可以更加全面地了解礦山的地質情況、設備狀態、生產效率等信息。

(2)數據是礦山智能化技術的驅動力。當前，云計算、大數據、數字孿生、人工智能、區塊鏈等先進技術已廣泛應用在礦山智能化建設中，先進技術的演進依靠龐大的數據信息支撐，通過不斷地迭代分析處理，可進一步推動自動化和信息化能力的提升，開發出兩化融合類的智能應用。

(3)數據是礦山智能化安全管理的基石。礦山企業在安全管理上有著嚴格的要求，基于智能化技術的數據分析與研判，可對礦山環境、設備狀態、作業過程等方面實現全方位的實時監測和預警，進而及時發現潛在的安全風險，采取相應的措施進行預防和控制，保障礦山領域的安全。

1.2 網絡通信

網絡通信在礦山智能化中扮演著重要的基礎角色。網絡通信的打通能夠將各類生產設備、自動化系統和信息化系統有機結合，采集整合生產數據、管理數據和環境數據，保障礦山數據信息安全、準確、可靠地傳輸[9-10]。

(1)橫向連接。網絡通信通過橫向連接，可實現各類生產設備及其自動控制系統之間的緊密協作。礦山生產過程中涉及到大量的設備和系統，如鉆探設備、輸送設備、破碎設備等。通過橫向連接的通信方式，打破不同設備數據的孤立，能實現數據的傳輸和共享。

(2)縱向連接。網絡通信通過縱向連接，將自動化系統與信息化系統緊密結合，可打通系統與不同終端設備間的數據壁壘，實現數據的實時更新和綜合分析，并可深度挖掘數據信息，提供如環境檢測、安全預警等多種智能化系統服務，推進智能化決策和管理。

2 《智能化礦山數據融合共享規范》解讀

2.1 《規范》制定背景

當前，在礦山智能化道路演進過程中，由于缺少整體統一的數據融合規范體系約束，數據和網絡通信在共享應用等方面遇到了不少的阻礙和挑戰[11]。一是數據源接口標準不統一，不同設備、系統和廠商之間的數據通信接口標準存在差異，導致數據交換和數據兼容等方面存在困難；二是數據格式不統一，礦山中包括視頻、文本等多類型數據，在格式、結構和編碼方式上千差萬別，限制了數據的共享交互；三是數據的存儲缺乏統一的存儲規則、存儲格式要求，在存儲功能需求、容災備份和運維方面缺少整體規范；四是礦山通信的服務類型、對外通信服務的功能接口及交互操作標準缺少統一規定。

為解決上述問題，2023年6月，國家礦山安全監察局對外發布《規范》編制成果，該《規范》旨在解決礦山、裝備和通信企業所面臨的多個突出問題，如數據編碼不統一、通信接口不兼容、傳輸協議不開放、系統集成難度大、智能化建設成本高等問題。通過打破數據孤島和信息煙囪的現象，促進智能化礦山各類數據的互聯互通和集中集成，為邁向高水平礦山智能化奠定堅實基礎。

2.2 《規范》體系架構

《規范》從基礎、支撐和應用3個維度，對數據的編碼、采集、治理、安全和應用等方面加以規范，其中，數據編碼規范制定了一定的分類體系、編碼體系和代碼元素集合，使得數據按照一定原則和方法區分、歸類和編碼；數據采集規范是對礦山智能化設備感知數據的采集、傳輸和共享等方面規范，覆蓋了通信接口、服務、發現、鏈接、報文、配置、安全和管理等多部分；數據治理規范主要對智能化礦山數據存儲、整合、分析和呈現等部分進行規范，是深度挖掘數據潛力來實現數據潛在價值的重要環節；數據安全規范規定了數據的基本安全要求、安全風險評估要求、安全管理要求、安全技術要求以及安全運營要求，對數據生命周期各階段安全和能力等方面加以規范；數據應用規范面向AI大規模訓練、機電設備檢測、安控機器人、車輛管理等礦山數據共享應用需求，指導礦山行業開展智能化礦山數據應用場景構建，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。智能化礦山數據融合共享規范體系架構如圖1所示。

圖1 智能化礦山數據融合共享規范體系架構

3 中國聯通內部數據治理案例

3.1 中國聯通數據治理背景

中國聯通在不同的業務領域和系統中擁有大量的數據，各類信息化系統多達1 500余種，從組織架構的角度來看，由分公司覆蓋集團、省、市、區(縣)等；從生產工具類型看，覆蓋固網、移網、接入網、傳輸網和核心網等；從技術類型看，覆蓋2G、3G、4G、5G、光纖、銅纜等；從市場屬性來看，包括公眾客戶和政府企業客戶等。

中國聯通數據信息呈現多類型和多維度的特點，在具體實施工作中，由于建設、運行維護和使用單位各不相同，不同部門、系統、業務單元或數據源之間缺乏有效的信息共享和規范機制，數據信息在數據質量和數據處理等方面無法做到統一，因此數據信息就無法有效協同共享，造成了嚴重的數據孤島現象。

3.2 中國聯通數據治理舉措

數據治理是中國聯通數字化轉型行動的重要組成部分，經過中國聯通多年來的研究與探索，凝練出了“一套制度規范、一個數據中臺、一套治理方法”的數據治理舉措，以數據共享理念為出發點，由統一數據中臺匯聚、拉通、整合和共享全域數據資源，以業務為指引，通過多技術協同共創，聚焦重點場景，深度挖掘數據潛能，全面激發生產要素活力。

(1)一套制度規范。科學的數據治理必然基于合理科學的制度規范管理體系，該體系應覆蓋管理辦法細則、數據治理企業標準和系統數據規范方案。其中，管理辦法細則明確了各級數據治理基本原則和要求，可以幫助組織建立規范的數據治理流程，明確責任劃分，確保數據治理的順利推進；數據治理企業標準對架構設計、開發等方面提出了基本遵循；系統數據規范方案統一了企業數據語言，為特定系統或應用的開發，制定了數據規范和標準。中國聯通制度規范體系如圖2所示。

圖2 中國聯通制度規范體系

(2)一個數據中臺。充分發揮中國聯通集約化能力基礎，構建了“湖倉一體、批流融合”的技術體系，助力打造“算力+數據+算法”三大能力核心，全面落實全域數據上云入湖，整合業務域、運營域、管理域多域數據，打通跨域數據壁壘，實現數據信息的安全共享，用一個數據中臺對中國聯通全業務數字化轉型提供賦能。中國聯通統一數據中臺框架如圖3所示。

(3)一套治理辦法。該治理辦法規范了數據管理流程，保護數據安全和隱私，促進數據共享和交換，管理數據生命周期，并強化數據治理責任。通過制定和執行治理辦法，組織能夠建立健全的數據管理體系，提高數據質量和可信度，推動數據驅動的決策和創新。中國聯通堅持業務牽引、問題導向，開創性總結了數據治理“七步法”，指導各智慧運營團隊以簡化、通俗易懂的方式，全員開展本領域內的數據治理工作，依托統一數據中臺，提升數據質量，實現數據從可用到好用。中國聯通數據治理“七步法”如圖4所示。

圖4 中國聯通數據治理“七步法”

3.3 中國聯通數據治理成效

基于上述的方法論，中國聯通取得了許多階段性的成果，早在2012年就成立了集團級的大數據中心，旨在對分布在區(縣)、地市、省、集團的各類生產與業務數據進行統一的采集并按統一的標準規范進行加工、存儲、管理、服務與應用。2014年至今，中國聯通在內部數據治理方面取到了突出成績，實現了對內全方位賦能和對外千行百業的能力輸出。中國聯通治理階段成效如圖5所示。

圖5 中國聯通治理階段成效

經過多年的研究發展，大數據已成為中國聯通五大主責主業之一。對內，通過精準營銷、用戶維系、網絡優化等多項應用，將數據要素潛在價值深度挖掘，打破橫向系統壁壘，有效提高了系統組織運行效率；對外，敏捷賦能千行百業融通，實現了對工業互聯網、智慧城市、數字政府、交通物流等眾多行業的能力輸出，在數據服務與應用方面年收入超100億，打造了9 600余個5G+工業互聯網項目，助力企業數字化轉型。

4 中國聯通數據治理能力輸出案例

中國聯通基于多年來在數據融合治理的探索，深耕礦山行業，聚焦打造了礦山智能綜合管控平臺，該平臺承接中國聯通內部數據治理經驗，按照一套制度規范體系進行建設，基于一個數據融合及服務底座，有效地實現數據融通，針對礦山智能化轉型需求，打造多場景平臺上層輸出應用，全面助力智能化礦山建設穩步向前。

4.1 礦山智能綜合管控平臺簡介

礦山智能綜合管控平臺是以數據標準化、網絡協同化、系統一體化和技術智能化的綜合性智慧礦山建設理念為指導，采用智能控制、通信網絡、空間信息、物聯網、大數據分析與挖掘、三維可視化等關鍵技術，與煤礦應用場景深度融合匹配，建設成了集生產運行管理、智能監測控制、協同調度、安全管控、經營管理于一體的智慧化管控系統，實現數據在礦業集團、礦管公司、礦山的內部橫向和縱向流通。

4.2 制度規范體系

礦山智能綜合管控平臺的建設通過統一的制度規范體系約束，覆蓋數據采集、數據治理、數據存儲、數據安全和數據服務等多個環節，規范體系主要引用了國家標準(GB)、煤炭行業標準(MT)、安全生產行業標準(AQ)和政府主管部門文件，保障了數據信息的規范性和有效性。相較于國家礦山安全監察局發布的《智能化礦山數據融合共享規范》，本平臺契合整體體系架構，從基礎、支撐、應用等多環節都提出了明確的、統一的規范要求，通過系統的規范約束，數據從前期數據編碼開始便加以規范，在數據采集、數據治理、安全保障等環節將數據有效融通，在數據應用服務環節，實現了數據的可用和好用。礦山智能綜合管控平臺制度規范體系如圖6所示。

圖6 礦山智能綜合管控平臺制度規范體系

4.3 數據融合及服務底座

數據融合及服務底座基于微服務架構，包括數據融合平臺、應用服務平臺和技術研發平臺。數據融合平臺以數據架構為基礎，提供數據存儲、數據應用、數據分析和大數據挖掘能力；應用服務平臺以統一設計的應用架構為基礎提供功能完善、流程統一、體驗一致的業務應用環境，提供標準接口的集成環境；技術研發平臺以技術架構為基礎，統一技術規范和標準，提供開發、測試、運維一體化的技術研發服務，提供如建模工具、算法編排工具、頁面組態工具、流程表單等可視化低代碼開發工具，支撐應用構建。

同時，數據融合及服務底座包含了“GIS一張圖”和三維可視化數字孿生平臺，呈現平臺多種信息數據，實現數據信息更透明，數據共享應用更便捷[13]。其中“GIS一張圖”基于云計算、地理信息、物聯網等技術，將基礎地理信息和生產信息以畫面的形式進行呈現。三維可視化數字孿生平臺通過信息交換和共享，將整個礦山管理的各子系統整合為有機的整體，實現礦區、建筑、室內、設備的逐級可視。

4.4 平臺上層輸出應用

4.4.1 數據分析類應用

數據分析工作是深度挖掘數據價值的重要環節，平臺依托數據底座能力，開發了智能業務綜合管理、智能業務分析等系統，進一步助力全面釋放數據潛能。

智能業務綜合管理系統依據企業生產經營調度管理的業務流程，采用信息化手段，實現礦及職能部門管理的有機銜接，為企業生產經營決策提供及時、準確的信息支持，為企業構建基于信息化手段的、貫穿始終的不斷優化的生產控制平臺。

智能業務分析系統立足于煤炭企業管理和經營職能，實現對煤礦相關生產、安全、運輸、生產計劃、物資統配、配煤、經營等的管理、監測、統計、分析和預測等功能，為煤礦統籌管理提供科學決策依據。

4.4.2 生產集中管控類應用

為有效促進多生產系統有效聯動，打造了智能生產集中管控系統，該系統采用“全局優化、區域分級、多點協同”控制模式，以先進、智能、高可靠性的監測監控系統為基礎，以泛在網絡和大數據平臺為主要支撐，以可視化手段將各自獨立的生產系統匯聚在同一平臺進行管控，建設成一個“運營一大腦，礦山一張網，數據一片云，資源一視圖”的智能應用系統。

系統覆蓋通風控制、供配電控制、排水監控、帶式輸送機集控、提升控制和壓風控制等生產自動化系統，旨在打通應急廣播、無線通信、安全監測監控、人員定位、融合通信、工業視頻、礦壓監測、電力監控、自動化系統等多個子系統間的數據傳輸壁壘。利用系統控制策略配置，實現各系統之間的數據互聯互通、報警聯動等功能。

4.4.3 設備管理控制類應用

針對智能設備的控制和管理，打造了智能機電控制系統和智能設備管理系統，以保障設備的平穩有序運行。

智能機電控制系統以工業環網及移動通信網絡為數據傳輸通道，以綜合自動化建設為基礎，采用了物聯網、大數據、云計算、移動互聯等先進技術手段。該系統集成了智能掘進、智能采煤、智能通風、智能主排水、智能主運輸、智能主提升、智能供配電、智能輔助運輸、智能壓風等生產自動化系統，具備礦井生產過程自動化、綜合調度指揮、多系統聯動、經營輔助決策多種功能。

智能設備管理系統通過信息化手段實現業務流程的數字化，開辟設備信息傳遞的新領域。整個系統由設備管理、設備運行管理、設備使用管理、設備巡檢管理、設備保養管理、設備維修管理、設備備件管理、設備圖件管理等組成，能夠有效對設備進行全生命周期的監測和維護升級。

5 應用案例

承德金谷礦業有限公司(以下簡稱“金谷礦業”)位于承德市隆化縣韓麻營鎮馬虎營村，是一家集鐵礦石開采及加工、鐵精粉生產、銷售為一體的縣重點礦山企業。該企業建有干選車間、選鐵車間、高鈦車間、低鈦車間、選磷車間和二等尾礦庫。該企業覆蓋的業務領域較廣，數據涉及面廣且種類較多，對數據實時共享和深度應用具有較高的要求。

本項目部署了可靠的通信網絡，建立了5G專網和工業環網，5G專網的建設為礦區提供了專屬網絡，基于不同生產運營場景融合應用，為設備遠程控制、數據采集、視頻監控和人員通信等環節提供保障。工業環網整合工業以太網技術、嵌入式系統技術等網絡技術，采用“設備層+工業以太冗余環網+Intranet管理網絡”的三層結構模式，最大限度地保證礦山數據信息傳輸的可靠性和實時性。

基于通信網絡搭建了金谷礦業綜合智能管控平臺，在應用賦能方面主要部署了智能生產調度、智能數據分析、智能綜合檢測等模塊。首先，平臺針對園區和采礦區進行三維立體的數字孿生，將企業簡介、天氣信息、產量情況、生產統計分析、電耗監測和安全監督等信息有效整合，將數據信息及時有效地呈現給管理決策者。金谷礦業綜合管控平臺界面如圖7所示。

智能生產調度模塊將金谷礦業原有孤立的生產、銷售、庫存、值班等數據，統一到一個界面進行管理，賦予各科室人員不同的權限，定時進行報表填報，拉通了各科室人員與生產系統之間的關系。

智能數據分析模塊能夠對不同時間生產和耗電的數據進行統計和對比分析，并及時生成相應的數據報表，供管理人員及時了解礦區運行情況。以電耗分析為例，將總耗電量同選鐵車間、破碎站的耗電量按日月年時間線匯總，對不同時間區間數據分析對比，以數據分析圖表的形式進行呈現。

智能綜合檢測模塊為礦用卡車安裝物聯網卡、北斗GPS車載中控、稱重傳感器等裝置，通過智能稱重系統有效提升車輛裝載率，有助于管理者遠程實時了解車載動態及貨物裝卸的時間和地點，確保貨物安全、準時、可靠送達。同時以多種分屏方式的方法，對廠區重要點位實時監控的視頻數據進行呈現。

基于5G專網和工業環網的綜合智能管控平臺建設，在成本方面，優化員工崗位30余個；在增效方面，初期提升車間生產效率12%～15%，每年可大幅降低電氣故障率及電氣維修時間80%，從而每年增加有效生產時間200 h以上；在節能降耗方面，預計每年可節約能耗213.6萬kW·h，相當于減少碳排放1 602.5 t。

6 結語

綜合智能管控平臺建設是助力礦山行業邁向智能化的重要方向，平臺的構建依靠堅實的數據和網絡通信基礎，當前階段需要打通二者在應用中面臨的不規范、不統一等問題，才能有效解決數據孤島問題，實現平臺數據融合共享，打造切實有效的上層應用。

國家礦山安全監察局對外發布的《規范》對行業發展起到了重要的引領作用，各領域遵循本《規范》將有效解決礦山、設備商和通信企業間面臨數據標準不統一等問題，推動智能化礦山各類數據充分融合，減少在技術、運營和成本等多個維度出現的困難阻力，綜合智能管控平臺的建設將迎來更加開放友好的合作生態，多參與方、多業務領域、多系統可更加快捷地參與平臺建設，推進礦山行業向更高階段的智能化發展。