丁恩杰，廖玉波，張雷，劉忠育

(1.中國礦業(yè)大學 物聯(lián)網(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州 221008；2.礦山互聯(lián)網應用技術國家地方聯(lián)合工程實驗室， 江蘇 徐州 221008；3.淄博礦業(yè)集團有限責任公司 裝備環(huán)保部， 山東 淄博 255000；4.徐州工程學院 信息工程學院, 江蘇 徐州 221008)

0 引言

煤礦安全一直是安全生產的重要領域，任務艱巨，責任重大。信息化是當今世界發(fā)展的大趨勢，是推動經濟社會變革的重要力量。煤炭工業(yè)信息化建設可以提高煤礦企業(yè)安全管理的預測、預防和防控能力，推動安全從靜態(tài)管理向動態(tài)管理、從被動管理向主動管理、從程序管理向智能化管理的轉變，從而推動企業(yè)安全生產的創(chuàng)新。根據《2006—2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》提出的“以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進信息化，走中國特色的信息化道路”指導思想，本文探討和分析了信息化的起源及內涵，概括了我國煤礦企業(yè)信息化建設歷史和現(xiàn)狀，總結了煤礦信息化內涵，并指出了我國煤礦信息化建設存在的問題和發(fā)展趨勢。

1 煤礦信息化定義

信息化的概念最早出現(xiàn)在20世紀60年代的日本，直到20世紀70年代后期才被西方社會普遍使用[1]。而我國首次明確給出信息化定義是在1997年召開的首屆全國信息化工作會議上，該會議明確指出“信息化是指培育、發(fā)展以智能化工具為代表的新的生產力并使之造福于社會的歷史過程”。

煤礦企業(yè)的信息化建設同其他企業(yè)相比，既有相似性，又有其特殊性。企業(yè)在生產經營過程中既要和上下游產業(yè)之間進行大量的能量、物質和信息交換，又要在企業(yè)內部以信息流為核心推動工作流、資金流和物流的高效運轉。然而，煤礦企業(yè)尤其是井工類煤礦，由于生產環(huán)境受水文、地質、瓦斯等諸多因素的影響，生產過程不確定因素增多，導致事故風險和事故帶來的經濟損失遠遠高于一般企業(yè)。因此，煤礦企業(yè)更加需要通過有效的信息化手段來降低生產過程中的不確定性，進而保障煤礦安全、高效和綠色生產。提高信息能力，不但能夠有效減少煤礦企業(yè)生產過程中面臨的諸多不確定性，還能夠提升企業(yè)的運營和管理水平，進而增強企業(yè)核心競爭力[2]。據此，對煤礦信息化內涵界定如下：以提高安全生產和管理運營能力為核心，培養(yǎng)信息化人才，利用現(xiàn)代信息、計算機和人工智能等技術，對煤礦企業(yè)的生產、管理、運營等各個方面、各個環(huán)節(jié)進行信息采集、傳輸、存儲、處理和綜合利用，保障煤礦企業(yè)安全生產和運營管理，其最終目標是提升煤礦企業(yè)的核心競爭力和與環(huán)境的協(xié)同性[3]。

2 煤礦信息化建設概況

煤炭工業(yè)信息化工作起始時間是20世紀80年代初。原煤炭工業(yè)部在1984年成立了煤炭工業(yè)部通信信息中心，其目的是實現(xiàn)全國各煤礦企業(yè)的信息聯(lián)網與信息共享。這是煤炭工業(yè)信息工作起始的重要標志。與國外相比，我國煤礦信息化建設總體而言是起步晚、發(fā)展快。從20世紀80年代中期到現(xiàn)在，我國煤礦信息化建設先后經歷了單機(系統(tǒng))自動化、綜合自動化、礦山物聯(lián)網、智能礦山和感知礦山等階段[4-6]，如圖1所示。隨著物聯(lián)網、云計算、人工智能等技術的發(fā)展，我國煤礦信息化的發(fā)展趨勢將向礦山智慧化方向演化。就各階段的信息化程度而言，單機(系統(tǒng))自動化礦山的信息化程度較低，僅能夠對單一設備或單一系統(tǒng)進行簡單控制，屬于信息化建設的初級階段。綜合自動化礦山采用多種信息處理、通信和控制方法，實現(xiàn)了多系統(tǒng)間的自動化控制，解決了信息孤島問題，屬于煤礦信息化建設的中級階段。物聯(lián)網礦山是綜合自動化礦山向智慧礦山轉型的過渡階段，目的是實現(xiàn)人與人、人與物和物與物相聯(lián)，形成網絡下移，解決認知孤島問題。該階段以人工智能、大數(shù)據和云計算技術為核心支撐，是智慧礦山的初級階段。由于煤礦信息化技術發(fā)展中主要強調了裝備與系統(tǒng)的發(fā)展，也取得了傲人的成績，但是在人機環(huán)信息語義描述與交互上發(fā)展緩慢，因而在2019—2020年提出智能礦山的概念，并賦予了智能礦山新的內涵。智能礦山融合物聯(lián)網、大數(shù)據、人工智能和云計算等技術，實現(xiàn)了礦山中人與人、人與物及物與物的深度相聯(lián)，屬于智慧礦山的中級階段。預計2030—2035年煤礦信息化技術發(fā)展進入智慧礦山高級階段，即對礦山信息與狀態(tài)的認知與知識集成階段。中國礦業(yè)大學提出的感知礦山概念是對礦山信息與狀態(tài)感傳、認知的縮寫，因此屬于智慧礦山發(fā)展的高級階段。

圖1 我國煤礦信息化建設概況及趨勢Fig.1 Survey and trend of coal mine informatization construction in China

2.1 單機(系統(tǒng))自動化

從20世紀80年代中期開始，隨著微機技術的發(fā)展和普及，我國煤礦進入了單機自動化階段。該時期礦用自動化設備類型不斷增多，如：北京煤機廠(現(xiàn)中煤北京煤礦機械有限責任公司)BMJ型、煤炭科學研究總院太原分院(現(xiàn)中國煤炭科工集團太原研究院有限公司)ZZ5200型電控液壓支架在液壓支架上集成位移和壓力傳感器實現(xiàn)自動升降控制[7]；中國礦業(yè)大學和煤炭科學研究總院等先后將PLC和單片機用于掘進機、帶式輸送機、排水泵和通風機等設備的控制。這些技術的應用不但解決了傳統(tǒng)控制器件體積大、成本高等問題，而且提升了控制設備的可靠性、安全性，使得我國煤礦安全狀況得到初步改善，百萬噸死亡率由1980年的4.5下降到1993年的1.17。但新技術應用也衍生出新的問題：由于采集的信息基本上都是模擬信號，導致信息傳輸距離有限、信號噪聲較大，所以均為本地采集、處理并直接用于單機就地控制。

到20世紀90年代中后期，隨著數(shù)字信息技術和網絡技術的發(fā)展，煤礦自動化開始出現(xiàn)單系統(tǒng)地面監(jiān)控，如中國礦業(yè)大學研制的KJ63型刮板輸送機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，將計算機微電子自動控制和傳感器等技術融為一體，實現(xiàn)了地面遠程監(jiān)控井下刮板輸送機。隨后由于較多的單系統(tǒng)自動化希望實現(xiàn)地面監(jiān)測監(jiān)控，所以采用各系統(tǒng)布置獨立的傳輸線路到地面的方式。系統(tǒng)內部的信息傳輸以簡單的調制方式為主，如模擬形式、基帶形式、載波形式等，傳輸速率為600～9 600 bit/s，采用的傳輸電纜為礦用屏蔽電纜。礦井通信以數(shù)字程控調度通信系統(tǒng)為主，井下裝機容量可達數(shù)百門，遠不能滿足自動化和監(jiān)測監(jiān)控的需求。另外，各系統(tǒng)間很少有信息交換，往往是各系統(tǒng)獨立工作，如圖2所示。這樣就逐步形成了信息孤島或子系統(tǒng)孤島格局，即一個礦山有多個不同類型的窄帶通信線路并行，導致總成本高、信道不能共用、維護量大、備品備件多、維護人員多、可靠性差、信息不能集成等問題。

圖2 信息孤島Fig.2 Information island

2.2 綜合自動化

進入2000年，煤礦企業(yè)單機(系統(tǒng))不斷完善，各系統(tǒng)之間協(xié)調越來越困難，企業(yè)對各系統(tǒng)之間互聯(lián)互通的需求越來越強烈。借助通信、工業(yè)總線及工業(yè)以太網技術飛速發(fā)展的契機，一些企業(yè)推出專用網絡來實現(xiàn)煤礦不同系統(tǒng)的集成。在神華神東煤炭集團大柳塔煤礦使用雙ControlNet總線，首次實現(xiàn)了膠帶運輸、排水泵房、通風機監(jiān)控等系統(tǒng)集成，然而隨著使用時間的增長，總線帶寬受限的問題日益突出。為了克服該問題，兗礦集團濟寧三號煤礦對ControlNet總線進行升級改造，使用ControlNet環(huán)網進行系統(tǒng)網絡建設，提高了系統(tǒng)冗余度。2004年，山東能源龍礦集團北皂煤礦首次嘗試利用百兆工業(yè)以太網實現(xiàn)綜合自動化系統(tǒng)，然而由于井下網絡流量分布不均勻，百兆工業(yè)以太網不能滿足“三網合一”的需求。2005年，兗礦集團興隆莊煤礦開始使用千兆工業(yè)以太網實現(xiàn)“三網合一”。在此基礎上，鄭煤集團按綜合自動化運營模式，制定了一系列操作規(guī)范和標志，從制度和標準方面保障了綜合自動化的安全運行，實現(xiàn)了礦井各類安全信息(瓦斯?jié)舛?、風速、負壓、溫度、CO濃度等)、煤倉煤位、水倉水位及主要機電設備生產工況參數(shù)等的采集、處理和統(tǒng)一傳輸，并且實現(xiàn)了信息的網絡共享(如通過IE瀏覽)，進而對各個子系統(tǒng)現(xiàn)場設備進行遠程控制。短短幾年內，該模式成為許多煤礦特別是新建煤礦的首選[8]。

綜合自動化實現(xiàn)了各系統(tǒng)之間的網絡化集成，使得各系統(tǒng)能夠相互聯(lián)系，解決了信息孤島問題。然而系統(tǒng)的認知孤島(圖3)問題并沒有解決，這主要是由于各系統(tǒng)中傳感器信息只能用于本系統(tǒng)，系統(tǒng)間協(xié)同管控能力弱，缺少相互聯(lián)動和信息融合。

圖3 認知孤島Fig.3 Cognition island

2.3 礦山物聯(lián)網

物聯(lián)網的概念由麻省理工學院在1999年首先提出，美國、日本和歐盟各國均開展了物聯(lián)網技術與產業(yè)的研究。在礦山領域，許多專家對礦山物聯(lián)網的概念進行了探討和界定，目前還沒有統(tǒng)一的定義，但是對礦山物聯(lián)網的架構(圖4)、功能、目標等已基本達成共識。張申[8]將工業(yè)和信息化部對物聯(lián)網的定義加以引申，提出了礦山物聯(lián)網的定義：礦山物聯(lián)網是通信網和互聯(lián)網的拓展應用和網絡延伸，它利用感知技術與智能裝置對礦山物理世界進行感知識別，通過網絡傳輸互聯(lián)，進行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)礦山人與物、物與物信息交互和無縫連接，達到對礦山物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的，發(fā)展方向是礦山開采的無人化、智能化和智慧化。

圖4 礦山物聯(lián)網架構Fig.4 Structure of mine Internet of things

中國礦業(yè)大學物聯(lián)網(感知礦山)研究中心于2010年提出了“感知礦山物聯(lián)網”的理念，形成了較為完整的礦山物聯(lián)網技術體系[9-10]。2011年11月，首個物聯(lián)網示范工程——夾河煤礦礦山物聯(lián)網示范工程通過國家安全生產監(jiān)督管理總局的鑒定和驗收。這是我國煤礦企業(yè)進入煤礦物聯(lián)網應用階段的重要標志之一。孫繼平[11]提出了煤礦物聯(lián)網的特點并指明了煤礦物聯(lián)網需解決的關鍵技術問題。華鋼等[12]從結構、性能、工作原理、分層架構及關鍵技術等方面，探討了物聯(lián)網環(huán)境下的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，并指出要實現(xiàn)物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)還需要解決規(guī)程和標準、傳感器的低功耗等問題。劉統(tǒng)玉等[13]以煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的激光甲烷傳感器、礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)中的光纖加速度傳感器及采空區(qū)火災監(jiān)測預警系統(tǒng)中的光纖分布式溫度傳感器為例，介紹了礦用光纖傳感器在礦山安全物聯(lián)網中的應用情況。盧新明等[14]闡述了礦山物聯(lián)網云計算平臺的關鍵技術、核心目標及主要功能。趙小虎等[15]總結了礦山網絡現(xiàn)狀，結合礦山物聯(lián)網的發(fā)展目標及未來礦山在信息處理方式上的變化趨勢，提出了扁平化、智能化、資源抽象化等礦山物聯(lián)網網絡設計原則。袁亮[16]提出了煤炭精準開采的科學構想，并在此基礎上進一步凝練出了面向煤炭精準開采的5種關鍵技術和實現(xiàn)未來無人礦山的兩大技術體系。

物聯(lián)網技術推動了物物相聯(lián)，為解決認知孤島問題提供了手段。2010—2020年為物聯(lián)網技術發(fā)展的第一階段，主要研究內容包括物聯(lián)網平臺技術，中心化的安全架構，物理、數(shù)字和虛擬融合技術，工業(yè)物聯(lián)網技術及物聯(lián)網生態(tài)的形成。2020—2030年是物聯(lián)網技術發(fā)展的第二階段，稱之為自治網絡化的智慧物聯(lián)網，其主要特征是物聯(lián)網+人工智能，全分布式、異構網絡架構，云、邊、端融合的協(xié)同，離散式平臺，區(qū)塊鏈分布式存儲技術，自治化物與系統(tǒng)。

2.4 礦山智慧化

以人工智能為代表的新技術在算法、算力和大數(shù)據等方面取得了突破性進展，計算機在視覺、語音和自然語言處理的部分任務中的表現(xiàn)已經超越人類。5G移動通信技術已經成功在部分國家和地區(qū)商用，極大提升了海量多源信息的實時、互聯(lián)、共享能力。借助這些新興技術，礦山智能化成為時代和歷史的必然選擇[17-18]。目前，學術界、工業(yè)界和政府高度重視我國礦山智能化技術的發(fā)展，并在多個省、市的礦山企業(yè)進行實踐，初步形成了科研攻關、產品研發(fā)、技術落地的良性格局。

自2008年美國IBM提出“智慧地球”的概念后，煤炭行業(yè)由“智慧地球”理念衍生出了適應于信息化潮流的“智慧礦山”概念，眾多專家學者立足于自己的觀點，闡述了“智慧礦山”的內涵。智慧礦山聯(lián)盟認為，“智慧礦山”以礦山的數(shù)字化和信息化為基礎，能夠實現(xiàn)多角度多層次的主動感知、分析和處理。譚章祿等[18]認為“智慧礦山”是指在礦山資源利用全過程中，人的意識世界、礦山的物理世界和信息世界三者構成的有機整體。除了“智慧礦山”外，很多專家和政府文件中也使用了“智能化煤礦”的概念。王國法等[19]給出了“智能化煤礦”的定義：基于現(xiàn)代煤礦智能化理念，將物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據、人工智能、自動控制、移動互聯(lián)網、機器人化裝備等與現(xiàn)代礦山開發(fā)技術深度融合，形成礦山全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井開拓、采掘、運通、分選、安全保障、生態(tài)保護、生產管理等全過程的智能化運行。其技術體系如圖5所示。

圖5 智能化煤礦技術體系Fig.5 Technique hierarchy of intelligent coal mine

3 煤礦信息化、數(shù)字化、虛擬化和智慧化之間的關系

礦山智慧化是物聯(lián)網、云計算、人工智能及數(shù)字化技術發(fā)展到一定程度的必然產物，也被稱為感知礦山或智慧礦山。張申等[9]首先給出了感知礦山的定義。從定義上可以看出，感知礦山的基礎是“感”但重在“知”，即通過礦山物聯(lián)網技術形成對礦山所有實體的泛在感知后，結合人工智能、云計算、大數(shù)據和增強現(xiàn)實等技術，實現(xiàn)礦山安全生產過程和實體狀態(tài)演變過程透明化，進而對礦山安全態(tài)勢進行判識、預測和預警等。感知礦山是在綜合自動化礦山、數(shù)字礦山的基礎上，對礦山人、機、環(huán)等動態(tài)實體進行全面和詳盡描述[20]，是對綜合自動化礦山、數(shù)字礦山等概念的升華。有專家預測，2040年左右我國將完成感知礦山關鍵理論和相關技術的研發(fā)，并在部分煤礦進行示范和應用；也有專家預測關鍵時間節(jié)點為2050年。

由礦山信息化的內涵可以看出，煤礦信息化包括礦山數(shù)字化、虛擬化和智慧化的所有內容，其關系如圖6所示?？煽闯鑫锢淼V山、數(shù)字礦山、虛擬礦山通過物的集成、數(shù)據集成和語義集成形成了一個完整的閉合體，而智慧礦山則是該閉合體的核心。

圖6 煤礦數(shù)字化、虛擬化和智慧化之間的關系Fig.6 Relationships among coal mine digitization, virtualization and intelligence

4 我國煤礦信息化存在的問題和發(fā)展趨勢

我國煤礦信息化發(fā)展道路已經走過了30多年的歷程，雖然取得了豐碩成果，但仍存在不少問題[21]。而物聯(lián)網、大數(shù)據和人工智能等技術的發(fā)展，也會產生一些新的問題需要解決。

(1) 感知層問題。隨著物聯(lián)網技術發(fā)展，信息技術的發(fā)展重點逐步下移，“物”端將產生巨大的變化：① 傳感檢測裝置與裝備將逐步由簡單智能裝備演變?yōu)樽灾?智慧)“物”。② 大量自治物的不斷涌現(xiàn)，從信息編碼和描述上均會產生本質的變化，需要制定新的編碼和信息統(tǒng)一描述方法。③ 智能傳感和泛在無線網絡技術的飛速發(fā)展，要求傳感檢測裝置的功耗和體積大幅度降低，以滿足泛在、移動需求。④ 大量“物”產生的數(shù)據是海量的，全部實時上傳數(shù)據中心，既增大了網絡壓力，又降低了數(shù)據應用的實效性，如何將“物”的計算能力提升是亟待解決的問題。

(2) 網絡層問題。① 工業(yè)網絡的安全性。物聯(lián)網是一個開放的網絡，如何在開放網絡中保證數(shù)據的安全性和可靠性一直是難題。工業(yè)網絡對安全性要求更高，如何提高工業(yè)物聯(lián)網的數(shù)據安全性也是面臨的問題之一。② 物聯(lián)網條件下，節(jié)點ID成為數(shù)據路由的重要參數(shù)，該條件下多網融合、自治交互的開放協(xié)議、智能交互算法也需要進一步研究。③ 數(shù)據緩存問題。物聯(lián)網通過物體、傳感設備與網絡的關聯(lián)來實現(xiàn)物體自動、實時識別、定位、追蹤和監(jiān)控，并觸發(fā)相關事件。面對持續(xù)采集或到達的數(shù)據流，物聯(lián)網移動終端間需要進行大量的數(shù)據交互，在節(jié)點緩存空間有限的條件下，設計合理的節(jié)點緩存管理機制可以在提高消息投遞成功率的同時，減少網絡開銷，降低終端能耗。

(3) 平臺層問題。經過多年的研究，大數(shù)據和云計算技術已經得到了大力發(fā)展，且有多個業(yè)界廠商開始提供針對物聯(lián)網大數(shù)據處理的云計算平臺，如亞馬遜的 AWS IoT、北方工業(yè)大學的 DeCloud 等?！笆濉逼陂g，面向礦山安全生產行業(yè)的物聯(lián)網云交互服務平臺也有了長足發(fā)展。隨著工業(yè)互聯(lián)網在各行各業(yè)落地應用，相關標準、體系和架構正日趨完善，然而單一的云計算架構在不同領域應用中暴露出來的問題日益明顯。通過分析從數(shù)字礦山到智能礦山建設進程中所采用的主流架構，發(fā)現(xiàn)目前主流架構無法滿足日益增長的煤礦智能化需求，因此需要研究具有實時特性、適合礦山安全生產需求的實時云邊協(xié)同計算服務架構。

(4) 應用層問題。缺乏基于人工智能驅動的物聯(lián)網與大數(shù)據聚合的數(shù)據分析、設備管理與智能調度應用系統(tǒng)；缺乏礦山人、機、環(huán)高效運行協(xié)同管控系統(tǒng)；缺乏礦山特種設備遠程在線診斷與綜合服務系統(tǒng)；缺乏基于大數(shù)據的礦山安全態(tài)勢分析與預測預警系統(tǒng)；缺乏礦山安全生產狀態(tài)演化的實時再現(xiàn)、智能交互動態(tài)分析及可視化系統(tǒng)。

針對上述問題，借助人工智能、大數(shù)據、物聯(lián)網和云計算等新技術，煤礦信息化技術的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢：

(1) 自治設備大量涌現(xiàn)。具備自主學習和進化功能的煤礦機器人、新型智能檢測裝置、智能網關等邊緣計算設備，將根據需求自動執(zhí)行安全生產任務，并從獨立的智能設備轉變?yōu)閰f(xié)作智能設備群，最終形成采、掘、機、運、通、排等系統(tǒng)協(xié)同運轉的智能體系。

(2) 煤礦透明化與精準控制。數(shù)字孿生技術應用于煤礦人、機、環(huán)、管各環(huán)節(jié)，多學科交叉融合，采用各領域知識與機理、大數(shù)據和人工智能技術形成煤礦各環(huán)節(jié)的透明化，利用人機智能協(xié)同實現(xiàn)煤礦的精準控制和各種災害的預警防控。

(3) 邊緣計算與云平臺協(xié)同。根據簡單問題邊緣化、復雜問題集中化原則，邊緣計算設備受能耗和計算資源等的限制，將主要承擔較為簡單的數(shù)據計算任務，而計算量大、能耗高的任務由云平臺完成。邊緣計算和云平臺協(xié)同為自治設備狀態(tài)管理與煤礦各環(huán)節(jié)透明化與精準控制提供重要支撐。

(4) 智能APP大量涌現(xiàn)。在數(shù)字孿生、專家系統(tǒng)和云邊協(xié)同計算等技術的基礎上，礦山各種生產要素的歷史和當前狀態(tài)及發(fā)展演化趨勢，將以智能APP的方式精準、實時地呈現(xiàn)給相關礦山生產者和管理者。大量涌現(xiàn)的智能APP為煤礦安全生產和新興智能化管理提供創(chuàng)新型的解決方案。