0 引言

在“推动两化深度融合，坚持四化同步发展”的十八大会议精神指引下，以“智慧城市”为代表的各行各业智慧化发展方兴未艾，矿山行业也必将迎来智慧化建设的浪潮。智慧矿山是矿业科技研究方面的一个前沿领域，目前还处于理论研究的起步阶段，一些学者从智慧矿山定义、框架、关键技术、信息化标准等方面进行了探索研究[1-13]，但聚焦点大多集中在矿山某一业务领域的智慧化实现方面，对于全局的智慧化实现方式阐述较少。笔者在上述学者研究的基础上，着眼于矿山整体智慧化的实现，提出了智慧矿山的重要特征与实现途径。

1 中国矿山信息化建设现状与存在的问题

1.1 中国矿山信息化建设现状

(1) 在井下传输网络方面，从最早的RS485总线，到CAN总线，再到工业以太网，矿井传输网络技术实现了质的飞跃。千兆及以上工业以太网已被煤矿广泛采用，高速传输通道的建立保障了煤矿数据、视频及语音三网合一传输的可行性与实时性[14]。此外，无线传输技术也在一些信息化建设程度较高的煤矿得到了良好的应用。

(2) 在矿井自动化方面，历经单机自动化、单个生产环节自动化等阶段，如今已迈进了全矿井综合自动化阶段。目前，中国大多数煤矿已利用高速工业以太网与自动化平台软件，完成了矿井各类环境监测系统、生产环节自动控制系统的整合，并通过与矿井信息管理系统连接，基本实现了管控一体化[15]。

(3) 在装备智能化方面，相关科研院所及企业已成功研制覆盖煤矿主要生产环节的多种成套装备，实现了采煤机记忆割煤、液压支架跟机自动化、主运煤流线协同控制、部分场所的无人值守和设备/系统的地面远程控制，极大地减少了井下人员数量、降低了作业人员的劳动强度[4，16]。

(4) 在安全生产信息化方面，从最初功能单一的监控系统，如矿井安全监控、排水监控、矿压监测等子系统，逐步发展为各类系统融合，并通过与煤矿生产及信息管理系统有机结合，建立了全矿井综合自动化信息管理平台，以及涵盖生产、安全、地质、测量、调度指挥、煤质管理等多种业务管理功能的生产执行系统软件平台，为矿井生产运行及经营管理提供了有力的数据支持[17]。

1.2 中国矿山信息化建设存在的问题

(1) 信息化标准制定严重滞后。中国在矿山信息化建设过程中，相关标准的制定没有跟上厂商系统开发的节奏，导致种类繁多的系统之间存在数据描述、分类编码、存储格式各异，元数据标准各不相同，通信接口和传输协议不统一，信息集成方式不一致等问题。

(2) 缺乏多学科交叉应用。理想层面的矿山信息化系统应该是采矿、安全、地测、机电、通信、管理等多学科交叉融合的集成应用，这就需要构建一个可以集成各学科知识应用软件的开放性公共平台，以提供高效的融合分析服务，但目前尚未形成这样的平台[18]。

(3) 重硬件、轻软件。中国矿山信息化设计方案中广泛存在重硬件、轻软件的现象，据不完全统计，煤炭行业在信息化建设投资中，硬件投入占比接近70%，而软件投入仅在20%左右，导致煤炭企业信息资源无法得到有效利用，难以很好地满足矿井实际生产需求[19]。

(4) “信息孤岛”现象严重。目前矿山信息化相关子系统已实现网络化集成，但各子系统的数据无法实现共享与融合分析，导致大量“信息孤岛”产生，信息技术的潜在优势尚未得到有效发挥[19]。

(5) 系统效率不高。中国大型矿山企业基本上分为集团总部、分公司和矿井3个管理层级，由于各层级建设的信息化系统不一致，客观上增加了信息化系统的复杂程度，导致管理效率不高，甚至有些矿山企业的信息化系统不但没有提升功效，反而增加了系统维护人员和相关支出[4]。

2 智慧矿山重要特征

在中国矿山信息化建设的发展过程中，自动化矿山、信息化矿山、数字化矿山等概念相继涌现。对于这三者的本质特征，已有学者进行了详细阐述[20]。相比自动化矿山、信息化矿山、数字化矿山等发展阶段，智慧矿山是矿山企业未来发展的一个新方向，是一个技术水平更先进的矿山发展阶段——拥有更精准全面的井上井下环境感知能力、更强大的网络互联能力、更准确的多学科融合的智能应用服务。智慧矿山的重要特征如下：

(1) 透彻感知。智慧矿山能够充分利用各种先进的传感器及其他设备获取信息，对矿山生产运行与经营管理过程中涉及的地质、测量、生产、井下环境(特别是重大危险源)、设备设施、物资、人员等任何事物的状态进行实时感知，并能可靠地获取精确的数据。

(2) 深度互联。智慧矿山具备“人-人”、“人-物”、“物-物”无障碍互联互通的能力[21]。针对透彻感知获取的实时数据，智慧矿山能够通过统一的元数据标准对其进行分类组织与编码，并结合统一的通信接口和传输协议，构建顺畅的数据交互渠道，实现各种智能化应用系统之间数据的深度共享，为多学科融合分析提供必要的数据支持。

(3) 高度智能。智慧矿山拥有主动感知、自动分析能力，能依据深度学习的知识库，形成最优决策，并对矿山设计、生产、安全、经营管理等各环节实施自动调控。这是智慧矿山区别于其他矿山概念的最典型特征，因为其他矿山发展阶段主要依靠人脑来进行决策。智慧矿山的高度智能主要体现在：① 装备的智能化。对矿山运行的所有环节，实现成套智能化装备的全覆盖，能高效协同地执行矿山自动运行的各项决策，并完成各类基础数据的采集。② 决策分析的智能化。能通过大数据挖掘与分析，为矿山所有系统的高效协同运行主动提供解决方案，同时通过不同应用之间的数据交互，实现多系统、多专业数据的智能融合分析。③ 知识库的深度学习。具有系统自学习功能，能实时根据反馈信息，不断完善用于主动分析与决策的知识库。④ 自动运行。在没有人工干预的前提下，矿山能够保持高效的自动运行，甚至不断地提升运行效率。

3 智慧矿山实现途径

3.1 制定智慧矿山技术规范和标准

在推进智慧矿山建设之前，应首先制定智慧矿山建设所需的技术规范和标准。对一些关键的、急需的技术规范和标准应予以优先制定，主要包括智慧矿山指标体系及评价标准、智慧矿山元数据标准、数据分类原则与方法、数据编码通用术语、数据质量要求、数据融合规范、数据处理规范、数据库要求、数据仓库技术要求、云计算技术要求、大数据技术要求、数据挖掘技术要求、网络体系结构设计规范、人机交互技术要求、智慧开采设计规范、智慧生产调度设计规范、智慧管理设计规范等[6]。

3.2 实行矿山信息的全面数字化

智慧矿山要实现智慧化自动运行，就必须有全面的基础数据作支撑，因此，实行矿山信息的全面数字化是实现智慧矿山的先决条件之一。从矿山设计到实际生产运行的过程中，应做到在统一的时间参照与空间框架下，实现矿井地质、测量、生产、安全、机电、运输、洗选、产品装车、经营管理等信息的数字化再现，且矿山的信息数据要做到可采集、可传输、可存储、可分析。

3.3 研发和推广先进智能化技术与装备

近年来，国家安全生产监督管理总局决定在煤矿等重点行业领域开展“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动，重点是以机械化生产替换人工作业、以自动化控制减少人为操作。因此，对于矿山行业来说，研发和推广先进智能化技术与装备是实现“机械化换人、自动化减人”的唯一道路，也是实现智慧矿山的必由之路。

在煤矿智能开采方面，有必要对智能采煤成套装备与技术进行深入研究，相关研究内容包括煤岩界面智能识别技术、采煤机记忆割煤技术、设备感知及地面远程控制技术、惯性导航控制技术、煤矿精细地质构造高分辨三维地震勘探技术、工作面视频监控系统、一键启停及保护系统、电液控制自动跟机系统、输送机控制系统、地理信息及煤层跟踪系统[5]。

在煤矿安全保障的基础信息获取方面，有必要研究煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法、顶板稳定性地质预测技术与防治方法、矿井突水灾害源高分辨探测技术与方法、先进矿井物探仪器与技术、矿区地表沉陷遥感动态监测技术、基于水化学参数的新型水文地质监测传感器[21]、煤矿火灾气体(CO，CO2，C2H4，C2H2，O2)和温度遥测传感器。此外，还应对相关传感器增加视觉、听觉、振动和雷达等智能化功能。

在矿井运输系统监控方面，目前的胶带称重设备精度较差、标校繁琐，影响自动调速的效果，有必要研发非接触式高精度在线称重装置。此外，为解决生产协调和煤质配比问题，还必须研发在线煤质监测系统。

3.4 开发智慧决策应用

实现智慧矿山最关键的是依靠各类可靠的智慧决策应用，来保证矿山所有系统的自动、高效协同运行。开发智慧矿山所需的智慧决策应用，应摒弃目前各专业应用各自为政、分散处理的低效方式，在实现智慧矿山这个统一的目标下，构建一体化的集成系统。具体需要开展的工作如下：

(1) 搭建统一的智慧矿山决策支持平台，包括能独自运行在矿端平台及具有更强数据处理能力且支持多用户的云端平台。平台要求：① 统一技术架构。通过构建统一的技术架构及制定标准化的决策支持模型承载规范，利用大数据技术，实现海量源数据、各类决策支持模型的无缝接入。② 统一数据描述。梳理矿山企业所有的信息数据范围，形成统一的数据描述准则、制定数据抽取及传输格式标准，实现高效的源数据抽取、清洗、转换、加载处理。③ 具备高性能。采用先进的数据处理框架，实现海量数据的实时处理与分析，保证分析结果的快速响应。④ 具备自助服务能力。无论是数据抽取、清洗、转换、加载，还是前端应用的深度分析，都能提供标准化的自助服务，通过快速迭代加速获取分析结果。

(2) 构建齐全的专业知识库。基于统一的智慧矿山决策支持平台，构建矿山安全、生产、洗选、设备维保、经营管理等各种专家知识库，来保障智慧矿山进行决策的可靠性。这些知识库应具备可扩充性和可优化性，以便根据矿山实际运行的反馈信息进行实时完善。

(3) 开发丰富的专业应用软件。为充分利用矿山企业海量的信息数据，必须针对矿山运行的所有环节开发相适宜的专业应用软件，如生产调度智能指挥系统、设备故障智能诊断与分析系统、井下重点作业区域安全风险动态评估系统、重大危险源预测预警系统、隐患排查管理系统、安全闭环管理系统、煤质管理系统、设计管理系统、应急管理系统、计划与全面预算管理系统、人力资源管理系统、财务管理系统、成本管理系统、物资管理系统、运销管理系统、客户关系管理系统、供应商关系管理系统等，以实现自动化的智慧决策。这些应用软件必须达到以下要求：① 能通过大数据挖掘与分析，为矿山所有系统的高效协同运行自动提供解决方案。② 具有系统自学习功能，能持续完善知识库。③ 具有多系统、多专业数据的智能融合分析功能。④ 具有不同软件之间的数据交互功能。

4 结语

加快中国智慧矿山建设，是确保煤炭工业安全、高效、经济、绿色发展的必然选择。智慧矿山是矿业科技创新的前沿方向，也是矿山行业可持续发展的可靠保障。通过对智慧矿山的重要特征与实现途径进行初步探讨，以期能为中国智慧矿山建设提供参考。

参考文献(References)：

[1] 何敏.智慧矿山定义探讨[J].工矿自动化,2017,43(9):12-16.

HE Min.Discussion on definition of wisdom mine[J].Industry and Mine Automation,2017,43(9):12-16.

[2] 贺耀宜.智慧矿山评价指标体系及架构探讨[J].工矿自动化,2017,43(9):16-20.

HE Yaoyi.Discussion on evaluation index system and architecture of smart mine[J].Industry and Mine Automation,2017,43(9):16-20.

[3] 高文.智慧矿山智能决策支持技术架构设计[J].工矿自动化,2017,43(9):21-25.

GAO Wen.Design of intelligent decision support technology architecture for wisdom mine[J].Industry and Mine Automation,2017,43(9):21-25.

[4] 李梅,杨帅伟,孙振明,等.智慧矿山框架与发展前景研究[J].煤炭科学技术,2017,45(1):121-128.

LI Mei,YANG Shuaiwei,SUN Zhenming,et al.Study on framework and development prospects of intelligent mine[J].Coal Science and Technology,2017,45(1):121-128.

[5] 霍中刚,武先利.互联网+智慧矿山发展方向[J].煤炭科学技术,2016,44(7):28-33.

HUO Zhonggang,WU Xianli.Development tendency of Internet plus intelligent mine[J].Coal Science and Technology,2016,44(7):28-33.

[6] 韩茜.智慧矿山信息化标准化系统关键问题研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2016.

[7] 徐静,谭章禄.智慧矿山系统工程与关键技术探讨[J].煤炭科学技术,2014,42(4):79-82.

XU Jing,TAN Zhanglu.Smart mine system engineering and discussion of its key technology[J].Coal Science and Technology,2014,42(4):79-82.

[8] 谭章禄,韩茜,任超.面向智慧矿山的综合调度指挥集成平台的设计与应用研究[J].中国煤炭,2014,40(9):59-63.

TAN Zhanglu,HAN Qian,REN Chao.Design and applied research,integrated dispatching platform for intelligent mine[J].China Coal,2014,40(9):59-63.

[9] 雷高.智慧矿山建设的探讨[J].铜业工程,2013(4):43-46.

LEI Gao.Discuss the construction of the wisdom mine[J].Copper Engineering,2013(4):43-46.

[10] 张旭平,赵甫胤,孙彦景.基于物联网的智慧矿山安全生产模型研究[J].煤炭工程,2012(10):123-125.

ZHANG Xuping,ZHAO Fuyin,SUN Yanjing.Study on safety production model of intelligent mine base on Internet of things[J].Coal Engineering,2012(10):123-125.

[11] 卢新明,尹红.数字矿山的定义、内涵与进展[J].煤炭科学技术,2010,38(1):48-52.

LU Xinming,YIN Hong.Definition,connotations and progress of digital mine[J].Coal Science and Technology,2010,38(1):48-52.

[12] 张申,丁恩杰,徐钊,等.物联网与感知矿山专题讲座之一——物联网基本概念及典型应用[J].工矿自动化,2010,36(10):104-108.

ZHANG Shen,DING Enjie,XU Zhao,et al.Part Ⅰ of lecture of Internet of things and sensor mine: basic concept of Internet of things and its typical application[J].Industry and Mine Automation,2010,36(10):104-108.

[13] 张申,丁恩杰,徐钊,等.物联网与感知矿山专题讲座之二——感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化[J].工矿自动化,2010,36(11):129-132.

ZHANG Shen,DING Enjie,XU Zhao,et al.Part Ⅱ of lecture of Internet of things and sensor mine: sensor mine,digital mine and integrated automation of mine[J].Industry and Mine Automation,2010,36(11):129-132.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474007，51374114)；安徽理工大学研究生创新基金资助项目(2017CX2052)。

作者简介：张宝隆(1991-)，男，河南巩义人，硕士研究生，主要研究方向为矿业信息管理，E-mail:zbl_aust@163.com。

引用格式：张宝隆，王向前，李慧宗，等.煤矿事故案例本体知识库的构建及推理研究[J].工矿自动化，2018,44(3)：35-41. ZHANG Baolong, WANG Xiangqian, LI Huizong, et al. Research on construction and reasoning of coal mine accident case ontology knowledge base[J].Industry and Mine Automation，2018,44(3)：35-41.

[14] 陈运启,钟宇.面向移动互联网的煤矿安全监测平台[J].煤矿安全,2015,46(3):237-240.

CHEN Yunqi,ZHONG Yu.Coal mine safety monitoring platform for mobile Internet[J].Safety in Coal Mines,2015,46(3):237-240.

[15] 陆铮,汪丛笑.工业以太网在全矿井综合自动化系统中的应用[J].工矿自动化,2006,32(3):31-33.

LU Zheng,WANG Congxiao.The application of Ethernet in mine wide integrated automation system[J].Industry and Mine Automation,2006,32(3):31-33.

[16] 孙继平.煤矿监控新技术与新装备[J].工矿自动化,2015,41(1):1-5.

SUN Jiping.New technologies and new equipments of coal mine monitoring[J].Industry and Mine Automation,2015,41(1):1-5.

[17] 张申,丁恩杰,赵小虎,等.数字矿山及其两大基础平台建设[J].煤炭学报,2007,32(9):997-1001.

ZHANG Shen,DING Enjie,ZHAO Xiaohu,et al.Digital mine and constructing of its two basic platforms[J].Journal of China Coal Society,2007,32(9):997-1001.

[18] 张申,赵小虎.论感知矿山物联网与矿山综合自动化[J].煤炭科学技术,2012,40(1):83-86.

ZHANG Shen,ZHAO Xiaohu.Comments on sensory mine Internet of things and mine comprehensive automation[J].Coal Science and Technology,2012,40(1):83-86.

[19] 马昆,高顶,包慧玲.煤矿信息化现状及其发展探讨[J].煤矿机械,2011,32(3):10-12.

MA Kun,GAO Ding,BAO Huiling.Discussion on coal informatization condition and development[J].Coal Mine Machinery,2011,32(3):10-12.

[20] 谭得健,徐希康,张申.浅谈自动化、信息化与数字矿山[J].煤炭科学技术,2006,34(1):23-27.

TAN Dejian,XU Xikang,ZHANG Shen.Comments on automation,information and digitalized mine[J].Coal Science and Technology,2006,34(1):23-27.

[21] 毛善君.“高科技煤矿”信息化建设的战略思考及关键技术[J].煤炭学报,2014,39(8):1572-1583.

MAO Shanjun.Strategic thinking and key technology of informatization construction of high-tech coal mine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(8):1572-1583.