智能化煤礦信息基礎設施標準體系研究

張建明，曹文君，王景陽，楊 揚

(1.中國煤炭工業協會，北京市朝陽區，100013;2.中煤電氣有限公司，北京市順義區，101300)

0 引言

煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐[1]。2020年2月，國家發展改革委、應急管理部、國家能源局、國家煤礦安全監察局、工業和信息化部、財政部、科技部、教育部等八部門聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，提出我國煤礦智能化建設的3個階段性目標：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；并要求強化標準引領，開展煤礦智能化標準體系建設，提升基礎保障能力。

煤礦智能化建設是新一代信息技術與煤炭開發利用的深度融合。當前，煤礦智能化建設尚處于初級階段[2]，存在建設理念不夠清晰、標準規范缺失、數據煙囪林立、信息難以共享等問題。王國法院士等在詳細分析煤礦智能化標準現狀的基礎上，構建了煤礦智能化標準體系框架，提出了煤礦智能化標準體系建設路徑[3]。信息基礎設施是煤礦數據采集、傳輸、計算、應用、管理的基礎，涉及通信、網絡、平臺、模型等多方面內容，能夠為煤礦的開采、掘進、機電、運輸、通風、選煤等環節提供信息化基礎支撐。為此，筆者在文獻[3]提出的煤礦智能化標準體系基礎上，圍繞數據規范、通信接口、信息安全等重點要求，深入研究了智能化煤礦信息基礎設施的標準體系，以期為煤礦智能化相關標準的制修訂提供參考和指導。

1 煤礦信息基礎設施

煤礦智能化是新一代ICT技術與煤炭開發利用的深度融合，煤礦信息基礎設施是煤礦智能化建設的底層支撐。當前，由于缺少行業標準，現存的各個信息系統互聯互通難度大，各種設備接口不統一，嚴重制約了數據的流通和協同。因此，非常有必要建立統一的數據規范和通訊接口，并提升智能化煤礦的信息安全性、系統靈活性和可擴展性。

《煤礦智能化建設指南(2021年版)》在煤礦智能化建設目標、總體設計、建設要求和建設內容中均提出了信息基礎設施方面的要求，具體如下[4]所述。

井工煤礦應統籌建設網絡系統和數據中心，打通數據傳輸和利用通道。其中網絡基礎設施包括但不限于辦公區網絡、生活福利區網絡、工業控制網絡、視頻監控網絡、安全監控網絡、無線網絡和融合調度通信系統，鼓勵開展5G+礦山物聯網系統建設；大數據服務中心應統一數據采集、傳輸、存儲和訪問接口標準，構建煤礦數據治理體系，并形成模型庫和知識庫。

露天煤礦應結合生產工藝流程，應用自動控制、智能感知技術對生產設備設施進行數字化改造，完善工業網絡及信息安全建設。在智能感知方面要實現礦山環境數據、采礦裝備狀態信息、工況參數、移動巡檢數據等的全面采集；在網絡建設方面要實現主要辦公區、主要采區、受控區域、裝備作業區等重點區域的網絡全覆蓋。

2 信息基礎設施標準體系框架

智能化煤礦信息基礎設施標準體系包括基礎標準、通信網絡標準、煤礦物聯標準、煤礦數據標準、信息安全標準等5個子體系。智能化煤礦信息基礎設施標準體系框架結構如圖1所示。

從圖1可知，基礎標準包括術語定義、通用要求、管理標準；通信網絡標準包括有線通信、無線通信、網絡系統；煤礦物聯標準包括標識解析、設備互聯、邊緣計算；煤礦數據標準包括數據交換、數據分析、數據管理、數據服務；信息安全標準包括數據安全、網絡安全。

圖1 智能化煤礦信息基礎設施標準體系框架結構

3 信息基礎設施標準內容

目前，煤炭行業已經啟動了煤礦智能化標準體系的建設工作。信息基礎設施作為智能化煤礦建設的重要組成部分，相關標準立項和制定工作也已經開始[5-7]。按照智能化煤礦信息基礎設施標準體系框架結構，筆者給出目前急需制定的相關標準內容。

3.1 基礎標準

基礎標準子體系主要是規范智能化煤礦信息基礎設施的通用性要求。目前急需制定的相關基礎標準內容見表1。

表1 急需制定的相關基礎標準

(1)術語定義標準：主要規范信息基礎設施的相關概念，此部分內容可包含在文獻[3]的煤礦智能化術語定義中。

(2) 通用要求標準：主要規范信息基礎設施的功能、性能、安全、可靠性等方面要求。

(3)管理標準：主要規范信息基礎設施的建設、驗收、運行、維護等方面的管理要求。

3.2 通信網絡標準

通信網絡標準子體系主要規范智能化煤礦通信和網絡的要求。目前急需制定的通信網絡標準內容見表2。

表2 急需制定的相關通信網絡標準

續表2

(1)有線通信標準：主要規范工業以太網、F5G等有線通信的硬件接口形式、通信協議規范，帶寬、速率、時延等分級指標要求，以及性能、安全等方面要求。

(2)無線通信標準：主要規范5G、WiFi6等無線通信的頻譜使用規范、發射功率要求、天線指標參數、通信協議規范，帶寬、速率、時延等分級指標要求，以及性能、安全等方面要求。

(3)網絡系統標準：主要規范煤礦通信網絡的通信方式、網絡架構、通信協議、硬件接口、指標參數規范，井上、井下骨干網絡的帶寬、速率、時延等指標等級規范，骨干網絡容災能力，下級網絡帶寬、速率、時延等指標等級規范，網絡傳輸端到端速率、時延指標要求，以及性能、安全等方面要求。

3.3 煤礦物聯標準

煤礦物聯標準子體系主要規范煤礦設備的互聯要求。目前急需制定的煤礦物聯標準內容見表3。

表3 急需制定的相關煤礦物聯標準

續表3

(1)標識解析標準：主要規范煤礦生產過程中的“人、機、環”狀態信息的編碼與描述要求，包括時間、位置、傳感數據、指標參數、狀態等信息，并規范相應的采集、解析、處理和應用要求。

(2)設備互聯標準：主要規范各類設備互聯需要的操作系統、接口協議等方面的要求，包括多系統之間交互信息的編碼標準、連接服務要求、數據接口要求以及信息交互協議要求等。

(3)邊緣計算標準：主要規范煤礦設備邊緣端的數據采集、數據處理、邊緣設備計算能力、云邊協同等方面的要求，包括邊緣端針對主要子系統的計算服務范圍、相關業務數據的處理能力要求與邊界、邊緣端的服務能力等級評價等內容。

3.4 煤礦數據標準

煤礦數據標準子體系主要規范煤炭企業數據存儲、交換、分析、管理、服務等要求。目前急需制定的煤礦數據標準內容見表4。

表4 急需制定的相關煤礦數據標準

(1)存儲交換標準：主要規范數據存儲以及各種系統之間數據交換的互操作、性能等方面的要求，以及數據存儲規模、存取速度、系統響應時間、系統接入能力、信息交互能力等評價指標。

(2)數據分析標準：主要規范數據分析流程、不同場景下數據分析方法等方面的要求，以及數據分析算法、模型、業務場景模型的能力評價指標。

(3)數據管理標準：主要規范數據的存儲結構、數據字典、元數據格式、數據表結構、數據質量、生命周期管理等方面的要求。

(4)數據服務標準：主要規范提供數據服務的能力，包括數據分析服務、可視化服務等方面的要求。

3.5 信息安全標準

信息安全標準子體系主要規范信息基礎設施中的數據安全、網絡安全等要求。目前急需制定的信息安全標準內容見表5。

表5 急需制定的相關信息安全標準

(1)數據安全標準：主要規范數據的安全防護要求及分類分級等管理及技術要求。

(2)網絡安全標準：主要規范邊緣設備、現場設備、工業網絡的信息安全方面的要求。

4 結語

智能化煤礦信息基礎設施標準體系是煤礦智能化標準體系的重要組成部分，鼓勵煤炭生產企業先行創新性探索制定企業標準，為制定行業標準奠定基礎：一是制定統一的設備接入接口和協議標準；二是圍繞煤礦生產、機電、安監、環保等要求，制定智能化煤礦統一數據編碼；三是制定統一的工業信息化模型標準，規范設備編碼、設備數據釆集、二次計算等；四是制定統一的集成規范，包括應用風格設計規范、應用移動端APP融合集成規范、用戶管理規范等。