0 引言

数字化矿山是基于统一时空框架的矿山整体环境、采矿活动过程相关现象的数据化集成与可视化展现，是一种“硅质矿山”，综合了传感监测、遥测遥感、数字通信、地理地测、数字信息等技术手段，将矿山地面广场、井下采矿、设备设施等矿山实体融合矿井安全、生产、经营过程所包含的数据信息在统一的时空下进行全息表达，有效实现全面监控、虚拟仿真、预测预报和可视化决策。

我国数字化矿山的研究及建设起步相对较晚，从20世纪80年代开始，先后经历了单机控制系统、矿井综合自动化及数字化矿山阶段。经过多年发展，国内多数矿井已经完成综合自动化平台建设，部分矿井结合3D GIS技术基本上实现了现代化矿井的三个目标，即基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理控制一体化[1]。但是，国内数字化矿山发展极不均衡，数据集成和价值应用方面整体仍处于初级或不完善状态，普遍存在以下问题：

(1) 矿井基础参数采集内容少，不能精准、实时、全方位地表达矿井安全生产及运营状况，只是实现了对子系统的数据堆积或业务拷贝。

(2) 集成数据没有充分实现综合价值，数据、系统之间的关联关系缺失，存在严重的业务孤岛现象[2]，系统之间无法实现信息共享联动。

(3) 由于缺少可靠稳定、全视角的数据源，数据应用分析比较单一，无法为管理层提供综合性决策支持[3]。

本文针对现有数字化矿山建设存在的问题，探讨了智能矿山的内涵，提出了智能矿山平台设计架构。该平台以矿山物联网为数据标志，以大数据技术为存储及数据分析手段，以三维可视化为综合展示平台，以优化日常安全生产运营智能决策为目标。

1 智能矿山平台内涵

智能矿山作为矿山安全生产运营全过程的支撑平台，是矿山两化深度融合的产物，承载着矿山高可靠远程控制、安全生产精细化管控、穿透式全息可视化查询等日常安全生产运营调度业务，并综合矿山开采、掘进、机电、运输、通风、给排水各类生产过程控制信息，安全监测监控、人员定位、防灭火等安全保障数据，生产、运输、销售调度运营数据，构建智能矿山安全生产运营数据中心，应用专业业务模型及智能综合决策实现对矿山整体运营的不断优化，为建设“高可靠安全保障、高效生产、经济运营、绿色环保”的现代化矿井提供平台支撑。

智能矿山平台主要依托物联网编码原则，规范矿山各类基础信息编码与识别体系，将矿山自动化与物联网技术相结合，实现矿山各类传感及控制装置的自动识别、感知与物联控制，最终在矿山实现物-物就近交流及人-物远程沟通[3]，集成矿山地理地测基础数据、专业实时安全生产监测监控数据、日常安全生产管理数据及矿山运营管理数据信息，构建智能矿山大数据中心，依据深度学习的知识库，形成最优决策模型并对各环节进行实时自动调控[1]，具有智能调度管理、安全监测监管及自动分级报警[4]、动态区域性安全综合分析[1]、生产过程优化控制、矿山全息可视化、远程故障自诊断、信息动态关联与决策分析等功能，最终实现矿山安全、生产、运输、销售、机电等环节的安全、高效、经济、绿色运行。

2 智能矿山平台设计

按照物联网经典体系，智能矿山平台架构主要由物联感知层、传输层、智能应用与决策层3层组成，如图1所示。

物联感知层：主要由现场大量传感器、执行器、工业视频前端摄像机、智能手持终端设备、RFID、电源、定位装置等设备构成，实现作业现场环境安全、生产工况的全面感知，依托井下各传感装置、控制装置、定位装置的物联规则[5-6]，实现各传感器、控制器之间的自动智能识别与就地控制。

传输层：完成物联感知层各节点的组网控制及信息汇总，并通过各种通信网络(如WiFi、UWB、UHF、蓝牙、4G及未来的高速移动通信技术(UHT)及超高速移动通信技术(EUHT))技术和工业以太网主干网完成矿山物联感知层设备配置信息、传感器实时数据、控制命令、视频、定位位置等数据信息的高效可靠传输[7]。

智能应用与决策层：主要包括监测监控层、数据运维层和智能决策应用层。监测监控层主要以专业监测监控为核心，包括环境安全监控、主井提升、电力监控等，实现对作业现场环境安全、生产过程的实时监测与专业化控制，如安全监控系统的异地断电、主井提升系统的提升控制、计量系统的基于瞬时产量的年月日累计产量计算、电力监控系统的防越级跳闸等。数据运维层主要利用Hadoop+Spark大数据平台或非关系型数据库(NoSQL)等构建智能矿山数据中心，完成智能矿山主数据、安全生产监测监控数据、地理地测空间基础数据、运营管理数据等的集中统一存储[5]，应用大数据及物联网等技术实现对视频数据、实时数据、管理数据进行汇总、筛选、清洗、综合分析。矿山数据中心按照数据来源及数据属性分为主数据管理中心、实时监测监控数据中心、地理地测空间数据中心与运营管理数据中心。① 主数据管理中心依托物联网编码体系，实现矿山各类基础数据信息的统一管理，包含部门、职务、人员、证照、区域地点、系统编码、传感器类别、控制器类别等，并通过统一的数据接口为智能矿山平台应用提供基础数据的共享。② 实时监测监控数据中心实现对安全监测监控、移动目标、生产过程控制数据的实时采集、处理与存储。③ 地理地测空间数据中心实现对矿山地理地测类空间数据及模型的存储，包括地面地形、井下地质、井巷工程、设备模型等[2,6-7]。④ 运营管理数据中心实现对日常安全、生产、运营调度等管理类数据的存储与应用，并通过数据抽取、转换、装载(Extract Transform Load，ETL)技术抽取及应用矿山经营类数据，包括成本、人力资源、设备资产、财务、运销、物资及行业动态信息[8]。数据运维层将运营管理、安全生产、地理空间、矿山经营等数据有机结合起来，充分应用大数据存储、数据备份、流式计算、数据处理及分析等能力，形成智能矿山平台统一数据中心，支撑矿山智能业务应用及决策分析[2，7]。

图1 智能矿山平台架构
Fig.1 Platform architecture of intelligent mine

智能决策应用层主要应用大数据可视化引擎，根据智能矿山安全生产运营需求，构建安全、高效、经济、绿色的矿山智能决策与智能应用中心。智能应用中心主要服务于日常安全生产业务应用，实现协同控制、生产调度、一通三防、安全管控、机电管理、煤质管理、地测防治水、安全监测、定位考勤及应急救援等，并应用全息矿山可视化平台、智能调度系统及智能决策结果，实现矿山生产过程中设备最经济运行、环境最安全状态、协同最高效状态；智能决策中心将矿山生产过程中涉及的安全、生产、运输、销售、机电、物资、供应、统计、人力资源管理等数据进行综合集成，贴合矿山当前安全生产状态及历史数据模型，依据深度学习知识库，决策分析当前及未来时间段内的矿山最优安全生产调度运营决策，并不断进行修正调节。智能决策应用层主要面向各级管理及业务操作人员，利用统一门户技术实现一站式登录、应用集成及个性化工作台[9]，达到全视角矿山可视化真实再现，支持在矿山安全生产运营中心大屏幕、计算机终端及智能移动终端的业务应用[2,6-7]。

3 平台实现的关键技术及装置

(1) 全方位感知及高可靠性现场控制技术及装置。相对于传统数字矿山而言, 智能矿山平台的重点在于全方位的感知及高可靠性的现场控制技术及装置的应用。在智能矿山安全生产运营过程中，末端感知设备将有效实现对作业现场环境、人员、设备的全方位感知及物联控制[5]，安全生产调度人员可及时准确地通过终端设备掌握工况参数，包括生产现场的CH4、CO、温度、O2等环境参数，掘进机、采煤机、液压支架、带式输送机、通风机、压风机等设备状态及工作参数，常态化进行现场安全生产设备的操作及控制。智能矿山平台可将包括生产、运输、机电、供电、通风等工艺流程与该矿井地质构造及工艺选择、生产历史数据、实时工况结合，建立适合当前状态的安全生产控制模型，实现危险源识别、灾害预报警[10]、运行故障辨识、流程协同控制、节能降耗调控，从而实现对矿山整体生产过程的智能监控。

(2) 信息高度集成及大数据处理技术。相对于传统数字化矿山，智能矿山平台集成了涉及矿山安全、生产、运营、经营管理等全方位数据，构建了统一的数据运维层，实现了矿山主数据、实时监测监控数据、地理地测空间数据、运营管理数据及通过ETL技术抽取的经营管理数据的统一存储，业务上贯通了从销售订单下达、调度生产任务分解与排产、辅运过程的智能调度、通风监测监控等安全资源合理性保障、主运过程控制、洗选集控、煤质化验及配煤管理、销售计量、订单回馈等一体化全流程自动执行及闭环运行，实现了计划、生产、安全保障、销售的一体化全流程管控，有效提升了合同订单执行效率，保障了矿山安全及有序生产。

(3) 全方位的人员安全防护保障系统与装置。在智能生产的促进下，实现了矿山井下生产的少人、无人化，针对部分主要生产环节需要人员或有人巡检的情况，借助于岗位仿真培训系统、岗位对标管理系统、精确定位系统、有线无线通信系统、接近探测预警及单兵个体防护等综合提升生产或巡检人员的安全意识、安全救护能力及安全防护能力[1,3]。

(4) 大数据应用及深度学习技术。智能矿山平台将采集、录入及抽取的数据进行汇总分类处理，把原本无关联、无价值的矿山大数据通过业务关联、流程协同，充分结合实时数据与历史数据经验库，通过主动感知、自动分析、深度学习、大数据分析，不断地调优矿山安全、生产、运营流程及工艺[11]，对矿山安全、生产、运营风险进行综合性防控[4]，促进矿山管控能力不断提升。

4 结语

智能矿山平台是当前数字化矿山建设走向智慧矿山的中间阶段。智能矿山平台应用物联网、大数据、深度学习等技术，实现了矿山井下全方位感知及生产过程协调控制，实现了矿山计划、生产过程、安全保障及销售等全过程一体化控制，促进了矿山安全、生产、运营风险综合性防控水平的提高，达到了“智能生产、智能监控、减人提效、绿色开采”的目标。

参考文献(References)：

[1] 张杰.神华宁煤集团安全智能分析平台建设构想[J].工矿自动化,2012,38(9):83-86.

ZHANG Jie.Construction conception of intelligent security analysis platform of Shenhua Ningxia Coal Industry Group[J].Industry and Mine Automation,2012,38(9):83-86.

[2] 韩建国,杨汉宏,王继生,等.神华集团数字矿山建设研究[J].工矿自动化,2012,38(3):11-14.

HAN Jianguo,YANG Hanhong,WANG Jisheng,et al.Research of construction of digital mine of Shenhua Group[J].Industry and Mine Automation,2012,38(3):11-14.

[3] 王渊,韩安,晁晓菲.煤炭集团公司生产安全调度指挥管理平台的建设构思[J].工矿自动化,2012,38(3):26-28.

WANG Yuan,HAN An,CHAO Xiaofei.Construction ideas of management platform of production safety dispatching of coal enterprise group[J].Industry and Mine Automation,2012,38(3):26-28.

[4] 郑磊.基于云计算的省级煤矿安全生产监管信息平台建设思路[J].中州煤炭,2016,50(8):110-113.

ZHENG Lei.Building ideas of provincial coal mine work safety information platform based on cloud computing[J].Zhongzhou Coal,2016,50(8):110-113.

[5] 许金.基于物联网的煤矿安全监控系统体系架构研究[J].工矿自动化,2013,39(12):97-100.

XU Jin.Research of architecture of coal mine safety monitoring and control system based on Internet of things[J].Industry and Mine Automation,2013,39(12):97-100.

[6] 阙建立.煤炭集团公司安全生产运营指挥平台的设计与实现[J].煤炭工程,2015,47(4):139-141.

QUE Jianli. Design and implementation of safety production and operation command platform for coal group company[J].Coal Engineering,2015,47(4):139-141.

[7] 贺耀宜，王渊.煤炭企业集团公司生产综合调度指挥系统建设初探[J].工矿自动化，2010，36(5)：24-27.

HE Yaoyi,WANG Yuan.Discussion of construction of integrated production dispatching and command system for coal groups[J].Industry and Mine Automation,2010,36(5)：24-27.

[8] 韩安.企业服务总线技术研究[J].工矿自动化,2013,39(11):50-53.

HAN An.Research of enterprise service bus technology[J].Industry and Mine Automation,2013,39(11):50-53..

[9] 沈宇,王祺.基于大数据的煤矿安全监管联网平台设计与实现[J].矿业安全与环保,2016,43(6):21-24.

SHEN Yu,WANG Qi.Design and implementation of coal mine safety supervision networking platform based on big data[J].Mining Safety & Environmental Protection,2016,43(6):21-24.

[10] 康瑛石,吴吉义,王海宁.基于云计算的一体化煤矿安全监管信息系统[J].煤炭学报,2011,36(5):873-877.

KANG Yingshi,WU Jiyi,WANG Haining.Overall coal mine safety monitoring and management system based on cloud computing[J].Journal of China Coal Society,2011,36(5):873-877.

[11] 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.