蔣家河智慧礦山綜合應用系統

一、公司簡介

上海煤科信息科技有限公司（簡稱“信息科技公司”或“公司”）是中煤科工集團上海有限公司（簡稱“上海煤科”）的全資子公司，是國家級高新技術企業、上海市專精特新企業、工信部工業大數據分析與集成應用重點實驗室成員、煤炭行業信息技術企業20強。

信息科技公司專注于利用物聯網、5G、大數據等前沿技術解決煤炭行業中存在的安全生產、經營管理等方面的問題，為煤炭行業智能礦山建設和運維提供全面的解決方案和數字化服務。

公司先后榮獲2019年度和2022年度煤炭行業“兩化”深度融合優秀項目、2019年工信部工業互聯網優秀解決方案、2022年度全國綠色礦山科學技術三等獎、第三屆中國工業互聯網大賽百強、2023年度設備管理與技術創新成果一等獎等多項榮譽。近年來取得行業相關軟件著作權82項、專利24項；主持編著行業標準2項。

二、實施背景

（一）加快煤礦智能化發展的必然要求

2020年2月，國家發展改革委、國家能源局、應急部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》（簡稱《意見》）要求：“以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，深人貫徹落實‘四個革命、一個合作’能源安全新戰略，堅持新發展理念，堅持以供給側結構性改革為主線，堅持以科技創新為根本動力，推動智能化技術與煤炭產業融合發展，提升煤礦智能化水平，促進我國煤炭工業高質量發展。”《意見》為推動智能化技術與煤炭產業融合發展，提升煤礦智能化建設水平，提供了明確指導思想，也為蔣家河煤礦智能化建設指明了發展方向。

（二）推動智能化技術與煤炭產業融合發展的重要舉措

蔣家河煤礦屬于高瓦斯礦井，煤層為自燃煤層，煤塵具有爆炸性；水文地質類型為“中等”類型，煤層有弱沖擊傾向性和危險性。該礦原有的包含瓦斯抽放、安全監測、人員定位、礦燈房、IP廣播通訊、工業視頻監控等18個信息系統，由多個軟件服務商開發，缺乏頂層整體規劃，系統間相互孤立，信息孤島現象嚴重，數據僅能作為監測使用，無法對數據進行深度分析并輔助管理者決策。

面對這些問題，蔣家河煤礦亟須通過建設智慧礦山綜合應用系統，打破各信息系統之間的壁壘，實現數據的互聯互通與深度挖掘，推動煤礦智能化發展，全面提升生產效率和安全管理水平。

三、目標與內涵

信息科技公司研發的蔣家河智慧礦山綜合應用系統，旨在提升煤礦的智能化建設水平，加速推動智慧礦山建設，保障煤礦的生產效率和安全。

該系統利用智能化技術，對瓦斯抽放、安全監測等關鍵環節進行實時精準監控與分析，提前預判潛在風險，為管理者提供科學有效的決策依據。同時，借助先進的物聯網、大數據和人工智能技術，優化煤礦生產流程，提升生產效率，降低生產成本，在保障安全生產的前提下，推動煤炭產業向智能化、綠色化、高效化方向轉型升級，真正實現智能化技術與煤炭產業的深度融合與協同發展。該系統的基本架構如下：

蔣家河智慧礦山綜合應用系統參照《智慧礦山信息系統通用技術規范》《煤炭工業智能化礦井設計標準》、中"^°5G+ 智能化煤礦”頂層架構與應用系統設計等，從蔣家河煤礦業務（地質/設計/生產/洗選/運銷）和空間（井下/井上），即縱向和橫向兩個維度進行總體設計并予以實施落地。

蔣家河智慧礦山全生命周期總體架構規劃為6層，即：交互層、應用層、平臺層、控制層、網絡層、設備層。設備層通過智能化改造具備自動開采能力，同時，將數據通過網絡層上行至控制層；控制層本身可以對設備進行遠程控制，同時將數據上傳到平臺層的蔣家河煤礦大數據中心。根據業務需要，數據在大數據云平臺進行分析后反饋至應用層，供各級人員通過PC、大屏、移動端等多種形式分級查看相應界面；管理者可參考系統提供的煤礦生產能效、生產安全健康度等指標進行決策。（如圖1所示）

蔣家河智慧礦山全生命周期綜合應用系統，包含以下五大軟件應用場景。

調度指揮中心：依托平臺BI商業智能可視化組件，能夠更靈活地運用于蔣家河煤礦的實際工作環境中，實現礦區生產一張圖、經營管理一張圖、安全隱患一張圖、礦區設備一張圖。（如圖2所示）

安全管控及地質保障中心：主要涵蓋ZF213工作面、瓦斯抽放、安全監測、人員定位、礦燈房、IP廣播通訊、工業視頻監控、礦井水文自動化、礦井應力預警、微震事件監測與定位分析、頂板與沖擊地壓監測、分布式激光火災監測、風險預控與事故隱患管理等系統。（如圖3所示）

預警應急中心：通過AI圖像識別結合5G網絡，實現井下三違監管，滿足人員違章乘坐皮帶機、工作面不帶安全帽、關鍵崗位脫崗、巡檢區域冒煙/明火、工作面區域人員識別等場景的監管。另外，在采煤機故障預診斷方面，結合歷史數據和算法模型，在齒輪箱和電機部件進行了相關研究。（如圖4所示）

經營管理中心：主要包括經營管理系統、企業微信管理系統、黨建學習系統等。

VR培訓中心：包含采煤作業VR實操系統、煤礦事故案例VR警示教育、煤礦防治水教學、煤礦五大災害逃生教育等模塊。

四、主要做法

（一）研發基礎版綜合應用系統

信息科技公司通過對煤礦智能控制、安全監控、生產保障等多維度的系統性梳理，形成一套基礎版綜合應用系統。該系統基于工業互聯網架構，充分利用云計算、移動互聯、大數據和人工智能等先進技術，通過整合并上和井下的安全生產監測監控與日常管理數據，并結合煤礦安全生產運營管控對象模型，構建智能礦山數據底座。另外，基于微服務架構和資源化、場景化、平臺化的思想，與企業經營管理中心等進行數據融合，逐步實現煤礦數據資產沉淀，形成以數據資產運營為核心驅動力的礦山科技創新。

通過行業知識庫驅動、機器學習及數據資產沉淀，助力煤礦從傳統的安全生產決策，向以數據資產運營為核心驅動力的科技創新與管理轉型，從而促進煤礦數字化轉型與高質量發展。

（二）研發定制版綜合應用系統

在基礎版綜合應用系統的基礎之上，信息科技公司結合具體項目的實際情況，為礦方提供符合自身需求的集生產、安全、經營、地質等多維度融合為一體的定制版綜合應用系統。

1.前期調研相關技術標準

結合蔣家河煤礦實際需求，明確設備層、網絡層、控制層、平臺層、應用層、交互層的各自功能和技術參數。比如，要求平臺滿足數據吞吐量達到8萬條/秒、支持千萬個數據節點的接人、一鍵私有化部署等。

2.建設大數據平臺

平臺層利用Hadoop、SpringCloud等框架，實現大數據平臺的建設。其中，運用Kafka、MapReduce、Strome等技術，實現平臺消息隊列、實時計算、離線計算、服務靈活可配等功能。在此過程中，形成了一個標準四層架構的數據中臺，梳理了蔣家河煤礦的多源異構數據，完成了一套標準主數據，并根據業務主題一鍵生成相應的標準API接口。同時，平臺基于礦山場景的AI算法庫，便于對數據做更快速的數據探索。另外，平臺實現了私有化一鍵部署、容災備份、軟硬雙層防火墻等功能，保障了數據的安全和服務的高可靠、高可用。

3.建設5大綜合應用系統

根據礦方需求，通過調用平臺層API接口和中間件，實現融合已有系統迭代升級和新系統開發，構建調度指揮中心、安全管控及地質保障中心、預警應急中心、經營管理中心、VR培訓中心的5大綜合應用系統。其中，調度指揮中心通過平臺BI組件，快速實現“千人千面”數字駕駛艙系統；安全管控及地質保障中心實現設備、人員、環境等系統的有機融合，以及相關場景的3D建模；預警應急中心利用平臺AI礦用算法庫結合5G網絡與工業萬兆環網，實現井下三違實時監管和采煤機故障預診斷；經營管理中心融合已有ERP等系統，實現移動辦公，滿足精益管理的需要；VR培訓中心依托虛擬現實技術，滿足采煤機司機等日常培訓，通過沉浸式事故案例警示、應急避災逃生等系統強化員工安全意識，守住生產安全的底線。

4.實現煤機設備與大數據云平臺連接

在設備層與控制層，依托上海煤科對蔣家河ZF213工作面進行了采煤機、液壓支架、三機的相關升級。實現采煤機記憶截割、工作面自動找直、三機自動跟機。煤機設備通過萬兆環網與5G專線與大數據云平臺連接，通過全生命周期綜合應用系統對生產經營數據的深度挖掘，實現在工作面推進力度等方面的輔助決策。

（三）針對問題的改進措施

1.對多源異構數據抽取，形成一套標準主數據

蔣家河煤礦原有18個系統屬于不同的軟件服務商。智慧礦山全生命周期綜合應用系統的建立，需要對已有系統的數據進行融合。要滿足關系型數據庫、電子文本、非標準數據接口等數據接人形式，同時考慮到原軟件服務商不支持和新建系統的需要，一部分數據還需要從底層通過工業協議opc/modbus等采集。

2.高效提高海量數據的處理能力

蔣家河煤礦原系統服務器數量較多，且相互獨立，維護成本極高；使用的是傳統關系型數據庫、部分軟件架構是C/S架構，數據請求時間較長。新部署的大數據平臺采用主流的Hadoop架構、SQL + NoSQL的存儲方式，大幅提高數據處理能力。通過虛擬化等技術，能夠滿足使用5臺服務器運行所有系統（包含其他新系統）的需求。

3.建立礦用相關算法庫，靈活調整應用系統界面

針對井工煤礦的特殊場景，常規的圖像識別算法模型無法使用，初期需要手動標識再對卷積神經網絡進行模型訓練。同樣，在采煤機故障預診斷方面，需要和機械、電氣專家一起將算法轉為計算機語言并進行置信度評價。應用界面由于蔣家河礦方需求改動較為頻繁，需開發一套可視化數據，展示組件結合 UI+3D 定制化設計支撐項目的進度。

五、實施成效

通過智能化建設，打通了蔣家河煤礦各個系統鏈接，解決了數據孤島難題，完成了從傳統礦山到智慧礦山的轉變，實現了復雜地質條件下多元災害跨系統聯動控制和數據驅動的深度分析與災害預警，保障了煤礦生產效率和安全。

（一）智能化基礎設施建設水平顯著提高

目前，在蔣家河煤礦辦公大樓6樓建立了指揮中心，并擴建形成了大數據機房，部署了大數據云平臺，將新建系統和已有系統的數據融會貫通，形成了一個標準礦山數據倉庫。借助大數據的存儲和計算優勢，對數據進行實時與離線分析，為管理者決策提供支撐。同時，綜合應用系統（調度指揮中心、安全管控及地質保障中心、預警應急中心、經營管理中心）在指揮中心內大屏和分控屏上運用，滿足不同層級管理者的需要。另外，在蔣家河煤礦辦公大樓6樓設立了VR培訓教室，滿足了日常員工培訓需要。

（二）風險預判和安全預警能力明顯增強

蔣家河智慧礦山全生命周期綜合應用系統的運用，提高了對礦山災害和風險預兆的分析預判能力，實現了從單一工作平臺向多專業協同工作平臺的轉變、從簡單的集成服務向高級智慧服務的轉變。蔣家河智慧礦山的標準主數據與大數據技術，體現在物體的語義描述、知識表達、信息融合、知識挖掘、信息充分利用等方面。在此基礎上，形成礦山安全信息判識、預警與控制機制，提高了礦山安全性、生產效率及安全預警能力。

（三）遠程監測、分析、操控功能得以實現

工作面智能化改造實現了采煤機遠程監控、記憶割煤、工作面自動找直功能；液壓支架電液控改造實現了工作面支架遠程監控、自動跟機移架等功能。同時，指揮中心內全生命周期綜合應用系統通過萬兆工業環網和5G專網，實現了井上對工作面的遠程數據監測、遠程數據分析、遠程作業操控等功能。（如圖5所示）

（四）生產效率和經濟效益全面提升

蔣家河煤礦ZF213綜采工作面實現減員50% ，每年節約500余萬元。同時，提高生產效率 20%～30% ，并大幅降低噸煤能耗，實現每年直接經濟利潤千余萬元。

通過自主研發的大數據平臺，打通蔣家河煤礦原有18個子系統間的壁壘，打破信息孤島，避免了重復建設，由此節省上千萬元的軟件設計與開發成本支出。

實時監測生產經營數據，保障采煤機等設備長期正常運轉，不僅減輕了檢修班下井頻率和工作強度，也減少了設備“欠保養”或“過保養”所產生的費用，每年預估節省230余萬元。

（五）智能化建設經驗得到有效推廣

通過智能化建設，將蔣家河煤礦打造成一座“國際一流、國內領先”的“安全、高效、綠色、可持續發展”新型現代礦井，起到了良好示范效應。這對加速推進其他智慧礦山項目的建設，具有廣泛的推廣價值。現在，信息科技公司研發的智慧礦山綜合應用系統，正逐步應用于蔣家河煤礦、雅店煤礦、鹿洼煤礦、思山嶺鐵礦等，在西北地區形成了一面旗幟。

六、主要創新點

（一）創新構建了智慧礦山建設管控模式

智慧礦山綜合應用系統覆蓋了蔣家河煤礦的“采、掘、機、運、通”等環節，是真正意義上的一款綜合智慧礦山應用系統。其依托5G、物聯網、大數據、云計算、智能控制、人工智能等技術手段，將先進互聯網技術與煤炭開采技術深度融合，構建了監測、分析、操控“三位一體”的智慧礦山建設管控模式，確保智慧礦山建設的實用性和可靠性，實現協同管理、過程控制、實時監管、預測維護的效果，為全國復雜地質煤層智能化開采提供了范例。

（二）自主開發了大數據平臺

通過Hadoop、SpringCloud等框架，平臺可滿足數據吞吐量達到8萬條/S、支持干萬個數據節點的接人，以及百臺服務器的彈性擴展等。其中，運用Kafka、MapReduce、Strome等技術，實現了平臺消息隊列、實時計算、離線計算、服務靈活可配等功能。同時，在國內率先提出煤礦雙系統容災運行模式，實現了主從系統的自動切換。

（三）自主研發了可視化數據探索引擎

通過拖拽算法模塊和手動調參的方式，幫助算法工程師、采煤機機械與電氣工程師更高效率地挖掘數據價值，并運用于煤礦的生產過程中。基于Echarts的可視化數據組態界面 + 定制化3D綜采工作面建模，在保證項自進度的同時具備更好的用戶體驗。

七、未來展望

未來，隨著技術的不斷進步，蔣家河智慧礦山綜合應用系統有望在更多領域實現突破。在智能化程度上，可進一步深化人工智能技術的應用，讓系統具備更精準的智能決策能力，不再局限于對現有數據的分析和處理，能夠更加主動預測潛在問題并提供最優解決方案。在系統的兼容性和擴展性上，可探索與更多外部系統的融合，實現與上下游產業鏈的數據互通和業務協同。比如，與煤炭運輸、銷售系統緊密結合，優化整個煤炭產業流程，提升綜合效益。此外，隨著綠色礦山理念的深人，該系統還可在節能減排方面進行創新，利用數據分析優化生產流程，降低能耗，為煤礦行業的可持續發展提供更有力的支持。

目前，全國煤礦數量4400余座，整體投資規模將達到上萬億元。其中，智能設備市場約8000億元，與智能化相關的基礎設施、集成平臺市場約2000億元。除了存量煤礦的智能化改造，當前新建單個千萬噸級煤礦的投資在10億元左右。因此，該系統在煤礦的推廣應用潛力巨大。另外，全國現有非煤礦山3萬余座。非煤礦山生產的風險程度不亞于煤礦，智能化發展的需求也非常迫切。

蔣家河煤礦通過智能化建設，實現生產效率和安全的大幅提高，產生了良好的示范效應。其經驗做法也可以推廣應用到非煤礦山、智慧園區等領域，從而加快推進信息科技產業的升級迭代與煥新發展。