0 引言

智慧矿山是当前矿山行业中一个新兴名词，属于前沿研究领域，一些研究人员已初步对其进行了探索性研究[1-13]。现有研究成果大多是针对矿山某类特定业务进行的智慧化探索，较少提及智慧矿山全局规划和发展方向。鉴此，笔者从宏观角度出发，对中国智慧矿山的建设和发展方向提出几点想法。

1 中国智慧矿山的发展情况

1.1 智慧矿山发展历程

虽然智慧矿山是一个新兴概念，但是其发展却是建立在矿山自动化、信息化、数字化所取得成果的基础上，所以讨论智慧矿山，必须与自动化矿山、信息化矿山、数字化矿山等概念结合起来进行。中国智慧矿山的发展历程大致可分为以下3个阶段。

(1) 单机自动化阶段。时间大约为20世纪90年代，该阶段的典型特征：分类传感技术和二维GIS平台得到应用、单机传输通道得以形成，实现了可编程控制、远程集控运行、报警与闭锁。

(2) 综合自动化阶段。时间大约为21世纪初期，该阶段的典型特征：综合集成平台与3DGIS数字平台得到应用、高速网络通道形成，实现了初级数据处理、初级系统联动、信息综合发布。

(3) 局部智慧体阶段。是当前中国矿山所处的阶段，该阶段的典型特征：BIM(Building Information Model, 建筑信息模型)、大数据、云计算技术得到应用，实现了局部闭环运行、多个系统联动及专业决策。

此外，笔者预测未来的智慧矿山阶段：深度学习和人工智能得到广泛应用，将实现闭环运行体系、远程诊断维护、智能决策分析、系统预测预判。

1.2 智慧矿山现状

中国矿山信息化建设经过近30年的发展，许多技术、装备都取得了长足的进展。当前中国智慧矿山的发展水平主要表现在以下3个方面。

(1) 主流技术方面。在决策分析方面，具备煤矿行业特有算法的定制化软件已有应用；在管控方面，工控组态软件、各种矿用定制软件、矿井MES(Manufacturing Execution Sytem,制造企业生产过程执行管理系统)已得到广泛使用；在展示方面，三维建模、动态实时展示等技术已逐步成为主流。

(2) 装备发展方面。在集成平台方面，已形成具备集成展示与存储的平台；在传输网络方面，万兆工业以太环网已在煤矿得到应用，千兆网络更是得到广泛采用；在传感装备方面，除了能满足常规的各类标准要求外，故障诊断等高端功能已开始得到应用。

(3) 应用情况方面。目前的应用主要偏重监测与控制，在矿井管理方面，已初步具备管控一体化能力；在决策方面，智能决策、大数据分析刚刚起步。

1.3 智慧矿山建设存在的问题

中国矿山信息化建设虽然取得了举世瞩目的成绩，但仍存在不少问题。

(1) 严重缺乏相关标准。由于一开始就缺乏顶层设计与规划，中国矿山在进行信息化建设时，缺乏相关标准的指导与约束，促使了系统厂商的无序竞争，导致建设的大量系统互联互通性极差。

(2) 缺乏多学科交叉应用。矿山面临的许多问题都需要结合多学科的知识才能得到有效解决，将多学科的知识软件进行集成应用是其解决途径。然而目前缺乏一个统一、开放的公共平台，无法为多学科知识的融合分析提供渠道[14]。

(3) 重硬件轻软件。中国大量矿山在进行信息化建设时，往往非常重视硬件设备的投入，而对软件则吝之又吝。据有关方面统计，煤炭行业在应用软件上的投入仅占信息化投入的20%左右，导致获取的大量信息资源没有得到合理有效的利用，不仅造成了严重的信息资源浪费，而且没有更好地服务于矿井的生产运营[15]。

(4) “信息孤岛”现象严重。中国矿山信息化建设发展到今天，各类子系统已基本实现了网络化集成，但是各系统获取的海量数据却无法得到有效共享，更谈不上进行融合分析。这种各系统单兵作战的模式，使得“信息孤岛”现象在矿山行业异常突出，现代信息技术的强大优势还有待深入挖掘[15]。

2 智慧矿山展望

2.1 智慧矿山定义

笔者认为，智慧矿山是基于物联网、云计算、大数据、人工智能等技术，集成各类传感器、自动控制器、传输网络、组件式软件等，形成一套智慧体系，能够主动感知、自动分析，依据深度学习的知识库，形成最优决策模型并对各环节实施自动调控，实现设计、生产、运营管理等环节安全、高效、经济、绿色的矿山。

不同于其他智慧矿山定义的是[1,4-13]，上述定义强调智慧矿山是一套智慧体系，并能对各环节自动实施最优调控。

2.2 智慧矿山展望

对于智慧矿山的愿景，笔者进行的场景描述如图1所示。

典型的智慧矿山应云端、矿端、移动端具备设计、安全、生产、经营管理、节能环保等方面的决策模型，并能利用这些模型，在获得订单之后，实现排产计划、安全保障、运输调度、煤炭洗选、成品装车等各个环节任务的自动分解与执行，并能通过实时反馈信息自动完成任务的再优化。

图1 智慧矿山场景描述
Fig.1 Description of wisdom mine scene

智慧矿山的智能环节主要包括矿山设计、安全保障、高效生产、经济运营和绿色环保5个方面。

(1) 矿山设计。应着力推行数字化设计，从元件级构建整座矿山，从而实现透明矿山；智能选型应考虑云端化部署、信息化架构、智能化装备及管控；矿井采掘和洗选应考虑采用柔性工艺，以便能根据实际条件进行适时调整。

(2) 安全保障。主要通过智慧矿山云中心的智能决策模型进行自动决策，保障矿井人、机、环、管全方位的安全，并通过反馈信息主动进行决策再优化。人员安全方面，应在个体防护和系统防护方面开展研究：个体防护能力方面，应具备人员所处环境参数的实时采集、无线语音通话、视频采集上传与远程调看、危险状态逃生信息的实时获取功能，以及应对各种灾害的可靠逃生装备；系统防护能力方面，应能将井下环境的实时监测信息、重点区域的安全状态实时评估及预警信息与井下人员进行实时互联，并具备近感探测功能，从而实现全方位的人员防护。机电设备安全方面，应具备智能化的设备点检与运维管理能力，具备设备在线点检、损耗性部件周期性更换提示、健康状态实时评估等功能。环境安全方面，应具备灾害实时在线监测、井下安全状态实时评估及预测预警、降害措施自动制定能力。安全管理方面，应具备自动进行风险日常管控、自动定期进行安全风险辨识评估及预警分析、多维度自动统计与分析隐患的能力，具有手持终端现场检查能力，实现隐患排查任务的自动派发、现场落实、实时跟踪、及时闭环管理。

(3) 高效生产。主要通过智慧矿山云中心的智能决策模型进行自动决策，保障矿井采、掘、机、运、通、水、电的自动高效运行，并通过反馈信息主动进行决策再优化。矿井采掘工作面的设备应具备高效的自动控制能力，从基本的就地控制，到一键启停、远程集控，直至达到理想状态，实现设备的无人化自动控制与巡检；通风方面，应具备根据用风需求自动进行全矿风量分配与调节的能力；主运和辅运方面，应能根据生产排程计划自动进行运输调度；供电方面，应能根据生产排程计划自动实时进行电力调度，且应具备智能防越级跳闸保护功能；排水方面，应具备根据水资源合理利用及峰谷用电负荷、电价等因素自动选择节能排水方式的功能。

(4) 经济运营。主要通过智慧矿山云中心的智能决策模型进行自动决策，保障矿井经营管理的自动高效运行，并通过反馈信息主动进行决策再优化。应实现根据订单需求，通过云端的智能决策自动进行生产指标分解，矿井安全保障措施、主运与辅运计划、供电计划、排水计划、排矸计划的制定等功能。

(5) 绿色环保。应提高矿井的回采率，如采用无煤柱开采方式并进行矸石的井下直接充填利用；提高矿井瓦斯、煤泥、煤矸石、矿井涌水的利用率；提高矿区生态修复率；降低矿井吨煤生产耗电、耗水量；实现矿井水污染、大气污染的全方位在线监测。

3 智慧矿山建设规划

3.1 成立智慧矿山产业联盟

以行业协会、高校、研究机构、设计院、装备厂商、应用矿山等为主体成立智慧矿山产业联盟，通过统一规划，使联盟成员各自从事其擅长的专业领域，避免当前各自为政，致使系统重复建设严重、兼容性差的问题。

3.2 制定相关技术规范和标准

建设未动，标准先行。在智慧矿山建设工作广泛开展之前，必须先制定所需的技术规范和标准。对一些顶层设计、关键的技术规范和标准要优先制定，主要包括智慧矿山指标体系及评价标准、智慧矿山架构及数据交互规范、智慧矿山智能决策平台及架构设计规范、智慧矿山矿井一体化通信技术要求、数字化矿井工程设计数据交互标准、智慧矿山元数据标准、数据仓库技术要求、数据融合规范、数据库技术要求、数据挖掘技术要求、云计算技术要求、大数据技术要求。

3.3 研发智能化装备

研发智能化装备是实现智慧矿山的必然选择，也是实现国家“机械化换人、自动化减人”科技行动目标唯一可行的方法。

对于煤炭的智慧化开采，需要对成套采煤智能装备进行更加深入的研究，涉及的研究课题有煤岩界面识别技术、成套装备协同控制的有效性、系统设备软硬件的可靠性、惯性导航控制技术、工作面视频监控技术、煤矿精细地质构造高分辨三维地震勘探技术、地理信息及煤层跟踪技术[5]。

对于煤矿的安全保障，有必要研究智能化矿井物探装备、基于水化学原理的水文环境监测传感器[16]、煤矿火灾产生的典型灾害气体和温度遥测传感器[17]。此外，还需要根据实际应用环境，对部分传感器增加视、听、振动、雷达等功能。

3.4 开发智慧决策应用

智慧矿山要想稳定地实现自动运行，最重要的是要具有各种高度可靠的智慧决策应用。开发这些智慧决策应用需要开展以下重要工作。

(1) 搭建统一的智慧矿山决策平台。该平台包括矿端平台和云端平台，其中具有强大数据处理能力、能保证多用户同时流畅运行的云端平台更重要。建设智慧矿山决策平台需要具备的条件：① 统一技术架构，保证海量源数据、各类智慧决策模型顺畅接入；② 统一数据描述，保证源数据ETL(Extract-Transform-Load，抽取-转换-加载)处理的高效性；③ 构建先进的数据处理框架，保障海量数据的实时分析与处理，并保证结果快速响应；④ 提供标准化的自助服务，通过快速迭代加速获取分析结果[3]。

(2) 开发各类业务专业应用软件。矿山企业每时每刻都在产生信息数据，为了使这些海量的信息资源得到深入利用，需要分门别类地研发适用的应用软件，从而进行矿山的智慧决策。这些应用软件的研发应做到：① 能进行大数据挖掘分析，为矿山各种业务环节的协同运行自动提供执行方案；② 能进行深度学习，从而持续完善相关决策模型；③ 能够对多系统、多专业的数据进行融合分析；④ 不同软件之间能实现数据的无缝交互。

4 结语

依据《国务院办公厅关于进一步加强煤矿安全生产工作的意见》(国办发〔2013〕99号)关于煤矿建设和生产机械化、自动化、信息化、标准化的“四化”精神，全力推进中国煤矿的智慧化建设，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。

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,2012，44(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,2012，44(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 Ⅱof 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.

[14] 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.

[15] 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.

[16] 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.

[17] 孙继平.煤矿信息化与自动化发展趋势[J].工矿自动化,2015,41(4):1-5.

SUN Jiping.Development trend of coal mine informatization and automation[J].Industry and Mine Automation,2015,41(4):1-5.