煤礦智能化建設頂層設計方案研究

付國軍 趙陽升 牛乃平

(1.山西科達自控股份有限公司，山西省太原市，030006;2.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024)

煤炭是我國的主體能源，為保障國家能源供給和能源安全做出了巨大貢獻。在未來較長時期內，煤炭在我國一次能源供應保障中的地位和作用難以改變。但由于我國煤炭開采主要是地下作業，生產環境惡劣多變，并受地質條件及瓦斯、水、火、沖擊地壓等多種自然災害的威脅，煤礦安全生產面臨極大挑戰。同時，我國人口老齡化趨勢加快，勞動力資源明顯減少，也給煤礦未來發展帶來巨大影響。

隨著科技的進步，物聯網、大數據、云計算、5G、人工智能等技術得到快速發展，已成為新一輪科技革命及產業升級的重要著力點[1-2]。采用新一代智能化技術改造煤礦傳統生產方式，改善煤礦生產環境條件，減少井下作業人員，構建安全、高效、綠色的無人或少人化智能礦山，已經成為煤炭企業轉型升級發展的重要舉措。2020年2月，國家發展改革委、國家能源局等8部委印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》提出，到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦；到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化；到2035年，各類煤礦基本實現智能化。煤礦智能化建設已經成為行業推進煤炭產業高質量發展的主要任務。

煤礦智能化建設是一個復雜的系統工程，近年來，我國在煤礦智能化開發領域通過不斷加大政策扶持、資金支持和科技創新的力度，煤礦智能化技術的研究與應用取得較大成果。但在建設過程中還有許多問題需要解決。第一，隨著煤炭開釆的不斷深入與快速發展，要求實現準確、高效、協同的智能化少人、無人開采新模式，客觀上對全礦井網絡化、智能化建設提出了更高要求；第二，隨著煤礦網絡化、智能化程度的提高，系統復雜性增加，傳統的控制系統和信息化系統已不能承載多源異構、復雜網絡系統之間的高效協同，需要構建更加智能的系統實現創新應用；第三，行業內對智能礦山認識程度不同，沒有形成統一共識。智能化建設過程中，煤礦信息孤島依然存在，信息不能共享。各子系統獨立組網，傳感網絡、無線寬帶網絡相互獨立沒有融合，部分礦井雖然使用了基于LTE-4G/5G寬帶的無線通訊網絡，但功能單一，沒有與生產數據相結合，未能實現數據高度融合，沒有參與到控制系統中，也制約了礦山整體智能化技術的應用。

1 煤礦智能化開采的演進及其特征

煤炭開采經歷了爆破開采、機械化開采，目前已向智能化開采演進與發展。在不同階段，主要生產要素與基礎設施也隨之發生變化并升級，煤炭不同開采階段生產要素與基礎設施變化如圖1所示。

圖1 煤炭不同開采階段生產要素與基礎設施變化

(1)爆破開采階段，主要包括落煤、裝煤、運煤、支護、采空區處理等工序。其特點是爆破落煤、人工裝煤與運煤，用單體支柱支護工作空間頂板。生產要素是人力和火藥。人力作為主要的生產要素，生產力較低，人員傷亡嚴重，基礎設施是井巷工程。

(2)機械化開采階段，主要運用一系列的煤機裝備代替人工進行開采，如采煤工作面采用綜合機械化采煤，主要有采煤機、刮板輸送機、液壓支架等，由人工操作機器，將人員從直接開采中解放出來變為操作機器開采。生產要素是煤機裝備和人力，煤機裝備作為主要的生產要素，起著較大的作用，人力起著輔助作用。煤機裝備的動力主要來源于電力，因此在井巷工程基礎上，電力是其新增的重要基礎設施。

(3)智能化開采階段，主要利用智能系統遠程控制煤機裝備，使煤礦井下實現少人化、無人化，進一步將人員從煤礦井下解放出來，達到無人值守、減少煤礦人員傷亡的目標。生產要素主要是智能系統、智能裝備和人才，其中智能系統是由智能感知傳感器、智能控制執行裝置、數據傳輸網絡、數據采集存儲設備、集成大數據與人工智能的管控平臺等組成，包括智能開采、智能掘進、智能運輸、智能排水、智能通風等智能化系統；智能裝備是具有智能運行的煤機設備和機器人；人才是能掌控智能設備、能進行更高層次的生產規劃、設計與管理的人員。支撐智能化開采的主要基礎設施是數字化井巷工程、電力和網絡，其中數字化井巷工程是采用地理信息系統(GIS)描述的井巷工程，電力是智能化供電系統，網絡作為新的基礎設施，在智能化開采階段的整個智能系統中發揮重要作用。

從煤炭不同開采階段生產要素與基礎設施的變化中可以看出，人力的作用在逐漸減小，機器智能或系統智能的作用在逐漸增加。在爆破開采階段，礦山生產過程主要靠人力來完成，人力處于第1位的生產要素，解決的主要問題是人力問題和巷道安全問題；在機械化開采階段，人力已經退居第2位，主要解決制約煤機裝備發展的技術瓶頸，提高煤機裝備功率和可靠性等，以提高產能；而在智能化開采階段，其主要生產要素有了本質變化，其顯著特征是“少人化、無人化”開釆，即開采面少人(無人)作業、掘進面少人(無人)作業、危險場所無人作業、大型設備無人值守，直到整座礦山無人作業。人力不再參與開采作業，礦山生產過程主要由智能系統和智能裝備來完成。在智能化開采階段，解決的主要問題是突破煤礦智能化建設的關鍵技術，基于主要生產要素和基礎設施研究煤礦智能化整體解決方案，構建煤礦智能化系統。

2 煤礦智能化建設模型

煤礦智能化系統與工廠智能化系統不同，特別是井工煤礦屬于地下采礦作業，由于存在工作環境惡劣(瓦斯爆炸、水害、頂板塌落、粉塵等各類災害威脅)、地質條件多變、限定空間作業、工作場景移動(采掘工作面隨開采進尺推進而不斷移動，井下人員、車輛、設備也在不斷移動)等特點，限制了很多地面先進技術直接在井下應用，給煤礦智能化建設帶來了極大困難。部分在地面可以直接應用的技術，在煤礦井下應用需要進一步的研究與開發。煤礦智能化系統要根據煤礦特殊環境條件進行設計，充分考慮煤礦智能化開采階段各生產要素和基礎設施的變化，按照數字化、網絡化、智能化的基本要求，面向煤礦安全生產管控、經營管理、行業管理與服務等業務需求進行綜合設計。為此，提出煤礦智能化建設的頂層設計方案，概括為智能礦山“6+1+1”建設模型，即“一系列智能化設備”“一張網”“一張圖[3]”“一個標準”“一個庫”“一個平臺”6個子項構成煤礦安全生產管控層，加“一個運營管理中心”和“一朵云”，面向礦山經營決策管理和礦山云服務進行部署。此外，在智能礦山“6+1+1”建設模型中，在安全生產管控層與企業經營決策管理層之間設有工業非軍事隔離區(IDMZ安全隔離區)，實現企業網與工控網的安全隔離，提升工業控制系統的網絡安全水平。智能礦山“6+1+1”建設模型如圖2所示。

圖2 智能礦山“6+1+1”建設模型

智能礦山“6+1+1”建設模型考慮了礦山控制與管理的結構層級與網絡安全建設要求，每個子項具體含義說明如下。

(1)“一系列智能化設備”是生產信息采集、任務執行的重要環節，由“采、掘、運、提、排、通、供”等礦山安全生產各個環節的諸多智能化子系統與智能化設備構成，如智能工作面控制子系統、礦山特種機器人等。

(2)“一張網”是融合有線寬帶與無線寬帶以及窄帶傳輸技術的礦山多源異構網，實現生產信息全面感知與高速通信。

(3)“一張圖”以礦山地理信息系統(GIS)為基礎，為智能化子系統及各類應用提供精準的空間地理坐標，實現地質、測量、防治水、采掘生產、通風以及大型設備等不同業務數據在不同圖層的分層展示。

(4)“一個平臺”面向智能礦山實現煤礦安全生產信息感知、計算、控制、執行的安全生產管控一體化平臺，用于管理運行各智能生產系統與設備，實現礦山生產無人值守、系統聯動、數據融合和調度管理。

(5)“一個標準”指構建統一的數據采集標準，包括數據采集規范與數據接口規范，主要解決煤礦眾多生產控制子系統數據接口不統一、數據規范不標準的問題。

(6)“一個庫”主要面向礦山多維異構的各類數據，包括結構化數據、半結構化數據、非結構化數據，建立便于數據挖掘的統一的數據庫，實現數據統一存儲、管理、調用，支持數據統一接入、全維度數據管理、跨業務數據融合。

(7)“一個運營管理中心”主要面向經營決策管理，集成了基于大數據的礦山精細化管理、分析決策軟件，包括人員、財務、采供、銷售、生產、計劃管理等，為實現礦井高效運營提供技術支撐。今后隨著智能化技術應用的普及，運營管理中心會逐漸上移到集團層面。

(8)“一朵云”指基于云平臺技術構建的礦山私有云或公有云，主要應用于集團管控、產業鏈協同、政府監管。

在智能礦山“6+1+1”建設模型中，各子項在功能上相互支撐，構成“感知→互聯→數據融合→可視化展示→分析計算→決策控制”的基本邏輯框架，構建了企業安全、生產、經營管理、后勤保障的綜合智能系統。

3 煤礦智能化建設技術體系

隨著煤礦智能化的演進與發展，已由單一設備、單一系統運行狀態的控制上升到全系統過程協同和工業互聯云端協同[4]。人、機、環信息高度交織，通信交互方式多變，數據多源異構。系統復雜度增加，管控難度變大。僅采用嵌入式、可編程邏輯控制器(PLC)自動控制系統和分布式控制系統(DCS)以及傳統的信息化系統已不足以支撐大型數字化、網絡化、智能化系統的運行與控制，不能實現生產各作業環節緊密銜接和有效協同配合。需要更為強大的技術體系支撐智能系統的運行。

信息物理系統CPS(Cyber-Physical Systems)[5-6]是支撐信息化和工業化融合的綜合技術體系。近年來在各類新技術發展的驅動下，在部分行業得到了推廣應用。CPS的本質是構建一套信息空間與物理空間之間基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系，提高資源配置效率，實現資源優化。它是基于硬件、軟件、網絡、平臺構建的復雜系統[7]。CPS系統在對網絡內部設備的遠程協調能力、自治能力、控制對象的種類和數量上，特別是網絡規模上遠超現有的工控網絡。CPS系統在層級內包含了傳統的可編程邏輯控制器(PLC)、分布式控制系統(DCS)，但與之相比，在傳輸模式上由總線變為網絡協議通信，更具開放性，并且由自動控制變為信息化傳導模式，傳導范圍比區域控制變得更為廣泛，實現了互聯互通與廣泛的數據融合。可以解決礦山復雜系統控制、智能無人開采所需的技術支撐問題。信息物理系統CPS的本質[8]如圖3所示。

圖3 信息物理系統CPS的本質

智能礦山“6+1+1”建設模型融合了CPS信息物理體系架構，是CPS系統的典型應用，本文定義為礦山信息物理系統M-CPS(Mine-Cyber Physical Systems)。M-CPS系統是由“6+1+1”中的各項構成的硬件、軟件、網絡、平臺四大核心技術要素的復雜系統，集成了礦山多源信息智能感知、異構網絡統一傳輸、信息融合交互、協同控制等關鍵技術，使礦山物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同，其功能技術架構可分為支撐域、融合域、業務域和安全域。M-CPS系統功能技術架構如圖4所示。

圖4 M-CPS系統功能技術架構

(1)在支撐域，“一張網”“一個庫”“一個標準”為信息空間和物理空間的數據融合提供基礎支撐。

(2)在融合域，“一系列智能化設備”構成物理空間，“一張圖”與“一個平臺”包括各類三維仿真軟件、數字孿生體[9]，構成信息空間。融合域實現信息系統與物理系統交互映射與深度融合，從而實現礦山生產活動信息的智能感知、分析決策、工業自動化控制和安全生產監控等。

(3)在業務域，基于“一個運營管理中心”與“一朵云”，把大數據、區塊鏈、人工智能等新一代信息技術充分運用在煤炭企業的管理和生產活動中，實現礦山生產經營管理、設備健康管理、安全風險防控、生態環保等最優化的管控[10]。

(4)在安全域，主要包括互操作安全、協同安全、網絡安全、主機安全、應用安全、數據安全、環境安全和物理安全。

CPS系統具有可擴展性和延展性，可不斷向更高層級發展，實現對人才、技術、資金等資源和要素的高效整合。在M-CPS系統建設中，可構建單元級、系統級、系統之系統級(SOS)、SOS擴展級應用[11]，分別對應于煤礦子系統級、礦級、集團級、行業級的M-CPS系統。在子系統級主要實現系統內的智能感知、分析決策與控制；在礦級主要實現全礦井安全生產管控；在集團級主要實現生產經營決策管理；在行業級主要面向行業設計、運維服務、上下游產業鏈、政府監管等，實現工業互聯網云端的服務與管理。在整個層級中，集團級服務于礦級，行業級服務于集團級，最終圍繞礦級進行管理與決策。礦級是整個層級擴展的核心，也是其他層級的基礎，是M-CPS系統建設的重點。M-CPS系統層級如圖5所示。

圖5 M-CPS系統層級

4 煤礦智能化建設步驟

一般一個煤礦大概有30～50個子系統，系統龐大而復雜。要科學合理地建設智能化煤礦，應在“6+1+1”建設模型中，遵循“頂層設計、基礎先行、重點突破、全面接入”的建設步驟。

4.1 基礎先行

“一張網”與“一張圖”是煤礦智能化建設的重要新基建內容，在煤礦生產和安全管理中發揮著重要作用。

“一張網”是煤礦重要的基礎設施，承載著煤礦所有智能化系統的協同運行，它的建設不像地面工廠一樣，直接可以使用運營商現成的網絡，而是需要根據煤礦特點構建井下特殊的異構網絡，要考慮井下限定空間無線信號的傳輸問題、網絡的承載能力、傳輸速度、移動互聯性。“一張網”以“光纖骨干網+寬帶無線網絡(4G/5G)+窄帶物聯網”的多網融合為特點，為智能礦山建設提供高效的傳輸平臺與數據接口，實現數據在“一張網”中的統一傳輸，解決目前行業中普遍存在的“信息孤島”現象，實現礦井高帶寬、低時延、高可靠性的通信要求。其萬兆級的主干光纖環網為礦山安全生產的大量數據傳輸提供了技術支撐；寬帶無線網絡(4G/5G)的應用，可解決井下移動語音通信、數據、視頻共網傳輸，解決生產過程中移動設備的遠程控制問題；窄帶物聯網可實現大量低功耗移動無線傳感器的接入和數據聯網。“一張網”的建設能夠減少井下線纜的鋪設量，提高數據傳輸的可靠性，為煤礦智能化建設打下堅實的基礎。“一張網”基礎設施如圖6所示。

圖6 “一張網”基礎設施

“一張圖”是礦山井巷工程的數字化描述。由于煤層是分布于三維地理空間的地質實體，礦山生產的一切過程都與三維空間密切相關。煤層地質體具有隱蔽性、復雜多變性，因此開采環境數字化是煤礦智能化建設的基礎。以煤礦地理信息系統(GIS)為基礎的“一張圖”，可提供智能化開采過程的全面地圖服務，根據煤礦生產需求，構建地質圖、采掘圖、機電圖、通風圖等各類不同的圖層。在不同的圖層，顯示不同的專業內容，從而實現煤礦可視化開采和可視化展示。“一張圖”基礎設施如圖7所示。

圖7 “一張圖”基礎設施

4.2 重點突破

(1)以“一系列智能化設備”中與生產安全直接相關的子系統為重點，優先建設。在煤礦各類子系統中，采、掘工作面是生產的直接環節，也是危險作業場所，輔助運輸、主運輸是瓶頸環節，通風、排水是安全保障環節，供電是最基本的基礎設施環節，因此對“采、掘、運、提、排、通、供”等環節智能化系統要優先建設和重點突破，剩下的各子系統可根據實際情況逐步建設接入。

(2)以“一個平臺”為核心，提供數據支撐。煤礦安全生產管控一體化平臺包含調度中心，既要完成調度任務，也要完成控制任務，是煤礦安全生產的“大腦”，所有安全生產問題都要在平臺上解決，因此是智能化建設的核心，要重點建設。“一個平臺”集成匯聚井上下各分支系統監控點的視頻流、數據流和信息流，與礦區各子系統實現無縫連接，將安全生產管理和控制運行在一個管理平臺，基于統一的編碼標準和采集標準，采用工業軟件、地理信息系統、人工智能、數字孿生、大數據分析等新一代智能化技術，實現煤礦安全生產設備的數據采集、多源數據融合、生產過程控制、生產設備運維、決策分析管理、故障聯動報警、信息引導發布、移動互聯App等功能。煤礦安全生產管控一體化平臺功能構成如圖8所示。

圖8 煤礦安全生產管控一體化平臺功能構成

(3)以“生產安全、網絡安全”為保障，提供安全服務。目前煤礦生產安全保障系統是智能煤礦的重要建設內容，如“六大避險系統”以及“風險預控[12]系統”都已作為礦井安全的建設重點，但在信息化時代，網絡安全也是重中之重，要與生產安全放在同等地位。煤礦要建設安全生產控制專網，在生產控制專網與企業辦公網之間，構建工業安全隔離區，實現礦山信息的安全性。在企業經營管理層、企業安全生產管控層形成以工業信息安全防護為重點的縱深防御，利用工業隔離網閘、工業網絡審計、工業態勢感知等技術手段，幫助礦山實現工業信息安全保障能力建設。煤炭企業典型網絡安全防護拓撲圖如圖9所示。

4.3 全面接入

在基礎設施和重點子系統建設完成后，基本可實現礦井安全生產層的智能化運行。而后向上應建設并接入“一個運營管理中心”與“一朵云”，助力經營決策管理。其他智能化子系統可分期分批全面接入。

在上述智能礦山“6+1+1”建設模型中，“一個運營管理中心”與“一朵云”是接入互聯網的關鍵環節。但在安全生產層建設完成的基礎上它才能發揮作用。只有在信息化、智能化、大數據不斷深化應用后，云計算才有價值。因此在煤礦智能化建設的初期階段，應重點考慮安全生產層的建設。

圖9 煤炭企業典型網絡安全防護拓撲圖

5 結語

(1)煤礦在智能化開采階段其生產要素和基礎設施發生了本質變化，智能化系統將是其第一生產要素，網絡是其新增的基礎設施，在煤礦智能化建設過程中要重點考慮和建設。

(2)煤礦智能化建設需要頂層設計，本文提出了“6+1+1”智能礦山建設模型，融合了CPS信息物理系統，定義為礦山信息物理系統M-CPS。其中“一系列智能化設備”“一張網”“一張圖”“一個標準”“一個庫”“一個平臺”構成了礦井安全生產管控層，“一個運營管理中心”與“一朵云”面向經營決策管理和礦山云服務進行部署。在礦井安全生產管控層與經營管理層之間須部署工業非軍事隔離區(IDMZ安全隔離區)，實現企業網與工控網的安全隔離。智能礦山“6+1+1”建設模型是以安全生產層為核心的礦級、集團級、行業級的M-CPS系統。

(3)煤礦智能化建設要遵循頂層設計、基礎先行、重點突破、全面接入的實施步驟。“一張網”“一張圖”是基礎，應先行建設；“一系列智能化設備”中的關鍵子系統以及“一個平臺”“生產安全、網絡安全”是建設重點；最后要將各智能化子系統全面接入，才能形成完整的智能礦山系統。

(4)煤礦智能化建設是煤炭企業高質量發展的必然選擇，最終目標是打造無線全覆蓋與智能控制、無人值守、無人員傷亡的“三無”煤礦，無線全覆蓋與智能控制是技術基礎和手段，無人值守是技術結果，無人員傷亡是愿景，最終目標是達到綠色、安全、高效。