付國軍 趙陽升 牛乃平

(1.山西科達(dá)自控股份有限公司，山西省太原市，030006;2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)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(xiàn)。在未來較長時(shí)期內(nèi)，煤炭在我國一次能源供應(yīng)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(yè)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣多變，并受地質(zhì)條件及瓦斯、水、火、沖擊地壓等多種自然災(zāi)害的威脅，煤礦安全生產(chǎn)面臨極大挑戰(zhàn)。同時(shí)，我國人口老齡化趨勢加快，勞動(dòng)力資源明顯減少，也給煤礦未來發(fā)展帶來巨大影響。

隨著科技的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G、人工智能等技術(shù)得到快速發(fā)展，已成為新一輪科技革命及產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要著力點(diǎn)[1-2]。采用新一代智能化技術(shù)改造煤礦傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，改善煤礦生產(chǎn)環(huán)境條件，減少井下作業(yè)人員，構(gòu)建安全、高效、綠色的無人或少人化智能礦山，已經(jīng)成為煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的重要舉措。2020年2月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等8部委印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)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(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化；到2035年，各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化。煤礦智能化建設(shè)已經(jīng)成為行業(yè)推進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主要任務(wù)。

煤礦智能化建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，近年來，我國在煤礦智能化開發(fā)領(lǐng)域通過不斷加大政策扶持、資金支持和科技創(chuàng)新的力度，煤礦智能化技術(shù)的研究與應(yīng)用取得較大成果。但在建設(shè)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(fā)展，要求實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效、協(xié)同的智能化少人、無人開采新模式，客觀上對(duì)全礦井網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)提出了更高要求；第二，隨著煤礦網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度的提高，系統(tǒng)復(fù)雜性增加，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)已不能承載多源異構(gòu)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的高效協(xié)同，需要構(gòu)建更加智能的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用；第三，行業(yè)內(nèi)對(duì)智能礦山認(rèn)識(shí)程度不同，沒有形成統(tǒng)一共識(shí)。智能化建設(shè)過程中，煤礦信息孤島依然存在，信息不能共享。各子系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)，傳感網(wǎng)絡(luò)、無線寬帶網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)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(wǎng)絡(luò)，但功能單一，沒有與生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，未能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高度融合，沒有參與到控制系統(tǒng)中，也制約了礦山整體智能化技術(shù)的應(yīng)用。

1 煤礦智能化開采的演進(jìn)及其特征

煤炭開采經(jīng)歷了爆破開采、機(jī)械化開采，目前已向智能化開采演進(jìn)與發(fā)展。在不同階段，主要生產(chǎn)要素與基礎(chǔ)設(shè)施也隨之發(fā)生變化并升級(jí)，煤炭不同開采階段生產(chǎn)要素與基礎(chǔ)設(shè)施變化如圖1所示。

圖1 煤炭不同開采階段生產(chǎn)要素與基礎(chǔ)設(shè)施變化

(1)爆破開采階段，主要包括落煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)、采空區(qū)處理等工序。其特點(diǎn)是爆破落煤、人工裝煤與運(yùn)煤，用單體支柱支護(hù)工作空間頂板。生產(chǎn)要素是人力和火藥。人力作為主要的生產(chǎn)要素，生產(chǎn)力較低，人員傷亡嚴(yán)重，基礎(chǔ)設(shè)施是井巷工程。

(2)機(jī)械化開采階段，主要運(yùn)用一系列的煤機(jī)裝備代替人工進(jìn)行開采，如采煤工作面采用綜合機(jī)械化采煤，主要有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等，由人工操作機(jī)器，將人員從直接開采中解放出來變?yōu)椴僮鳈C(jī)器開采。生產(chǎn)要素是煤機(jī)裝備和人力，煤機(jī)裝備作為主要的生產(chǎn)要素，起著較大的作用，人力起著輔助作用。煤機(jī)裝備的動(dòng)力主要來源于電力，因此在井巷工程基礎(chǔ)上，電力是其新增的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

(3)智能化開采階段，主要利用智能系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制煤機(jī)裝備，使煤礦井下實(shí)現(xiàn)少人化、無人化，進(jìn)一步將人員從煤礦井下解放出來，達(dá)到無人值守、減少煤礦人員傷亡的目標(biāo)。生產(chǎn)要素主要是智能系統(tǒng)、智能裝備和人才，其中智能系統(tǒng)是由智能感知傳感器、智能控制執(zhí)行裝置、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)設(shè)備、集成大數(shù)據(jù)與人工智能的管控平臺(tái)等組成，包括智能開采、智能掘進(jìn)、智能運(yùn)輸、智能排水、智能通風(fēng)等智能化系統(tǒng)；智能裝備是具有智能運(yùn)行的煤機(jī)設(shè)備和機(jī)器人；人才是能掌控智能設(shè)備、能進(jìn)行更高層次的生產(chǎn)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與管理的人員。支撐智能化開采的主要基礎(chǔ)設(shè)施是數(shù)字化井巷工程、電力和網(wǎng)絡(luò)，其中數(shù)字化井巷工程是采用地理信息系統(tǒng)(GIS)描述的井巷工程，電力是智能化供電系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)作為新的基礎(chǔ)設(shè)施，在智能化開采階段的整個(gè)智能系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

從煤炭不同開采階段生產(chǎn)要素與基礎(chǔ)設(shè)施的變化中可以看出，人力的作用在逐漸減小，機(jī)器智能或系統(tǒng)智能的作用在逐漸增加。在爆破開采階段，礦山生產(chǎn)過程主要靠人力來完成，人力處于第1位的生產(chǎn)要素，解決的主要問題是人力問題和巷道安全問題；在機(jī)械化開采階段，人力已經(jīng)退居第2位，主要解決制約煤機(jī)裝備發(fā)展的技術(shù)瓶頸，提高煤機(jī)裝備功率和可靠性等，以提高產(chǎn)能；而在智能化開采階段，其主要生產(chǎn)要素有了本質(zhì)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(yè)、掘進(jìn)面少人(無人)作業(yè)、危險(xiǎn)場所無人作業(yè)、大型設(shè)備無人值守，直到整座礦山無人作業(yè)。人力不再參與開采作業(yè)，礦山生產(chǎn)過程主要由智能系統(tǒng)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(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，基于主要生產(chǎn)要素和基礎(chǔ)設(shè)施研究煤礦智能化整體解決方案，構(gòu)建煤礦智能化系統(tǒng)。

2 煤礦智能化建設(shè)模型

煤礦智能化系統(tǒng)與工廠智能化系統(tǒng)不同，特別是井工煤礦屬于地下采礦作業(yè)，由于存在工作環(huán)境惡劣(瓦斯爆炸、水害、頂板塌落、粉塵等各類災(zāi)害威脅)、地質(zhì)條件多變、限定空間作業(yè)、工作場景移動(dòng)(采掘工作面隨開采進(jìn)尺推進(jìn)而不斷移動(dòng)，井下人員、車輛、設(shè)備也在不斷移動(dòng))等特點(diǎn)，限制了很多地面先進(jìn)技術(shù)直接在井下應(yīng)用，給煤礦智能化建設(shè)帶來了極大困難。部分在地面可以直接應(yīng)用的技術(shù)，在煤礦井下應(yīng)用需要進(jìn)一步的研究與開發(fā)。煤礦智能化系統(tǒng)要根據(jù)煤礦特殊環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考慮煤礦智能化開采階段各生產(chǎn)要素和基礎(chǔ)設(shè)施的變化，按照數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的基本要求，面向煤礦安全生產(chǎn)管控、經(jīng)營管理、行業(yè)管理與服務(wù)等業(yè)務(wù)需求進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。為此，提出煤礦智能化建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)方案，概括為智能礦山“6+1+1”建設(shè)模型，即“一系列智能化設(shè)備”“一張網(wǎng)”“一張圖[3]”“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”“一個(gè)庫”“一個(gè)平臺(tái)”6個(gè)子項(xiàng)構(gòu)成煤礦安全生產(chǎn)管控層，加“一個(gè)運(yùn)營管理中心”和“一朵云”，面向礦山經(jīng)營決策管理和礦山云服務(wù)進(jìn)行部署。此外，在智能礦山“6+1+1”建設(shè)模型中，在安全生產(chǎn)管控層與企業(yè)經(jīng)營決策管理層之間設(shè)有工業(yè)非軍事隔離區(qū)(IDMZ安全隔離區(qū))，實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)與工控網(wǎng)的安全隔離，提升工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全水平。智能礦山“6+1+1”建設(shè)模型如圖2所示。

圖2 智能礦山“6+1+1”建設(shè)模型

智能礦山“6+1+1”建設(shè)模型考慮了礦山控制與管理的結(jié)構(gòu)層級(jí)與網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)要求，每個(gè)子項(xiàng)具體含義說明如下。

(1)“一系列智能化設(shè)備”是生產(chǎn)信息采集、任務(wù)執(zhí)行的重要環(huán)節(jié)，由“采、掘、運(yùn)、提、排、通、供”等礦山安全生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的諸多智能化子系統(tǒng)與智能化設(shè)備構(gòu)成，如智能工作面控制子系統(tǒng)、礦山特種機(jī)器人等。

(2)“一張網(wǎng)”是融合有線寬帶與無線寬帶以及窄帶傳輸技術(shù)的礦山多源異構(gòu)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息全面感知與高速通信。

(3)“一張圖”以礦山地理信息系統(tǒng)(GIS)為基礎(chǔ)，為智能化子系統(tǒng)及各類應(yīng)用提供精準(zhǔn)的空間地理坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)、測量、防治水、采掘生產(chǎn)、通風(fēng)以及大型設(shè)備等不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在不同圖層的分層展示。

(4)“一個(gè)平臺(tái)”面向智能礦山實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)信息感知、計(jì)算、控制、執(zhí)行的安全生產(chǎn)管控一體化平臺(tái)，用于管理運(yùn)行各智能生產(chǎn)系統(tǒng)與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)無人值守、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)融合和調(diào)度管理。

(5)“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”指構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)采集規(guī)范與數(shù)據(jù)接口規(guī)范，主要解決煤礦眾多生產(chǎn)控制子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)規(guī)范不標(biāo)準(zhǔn)的問題。

(6)“一個(gè)庫”主要面向礦山多維異構(gòu)的各類數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，建立便于數(shù)據(jù)挖掘的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理、調(diào)用，支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一接入、全維度數(shù)據(jù)管理、跨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合。

(7)“一個(gè)運(yùn)營管理中心”主要面向經(jīng)營決策管理，集成了基于大數(shù)據(jù)的礦山精細(xì)化管理、分析決策軟件，包括人員、財(cái)務(wù)、采供、銷售、生產(chǎn)、計(jì)劃管理等，為實(shí)現(xiàn)礦井高效運(yùn)營提供技術(shù)支撐。今后隨著智能化技術(shù)應(yīng)用的普及，運(yùn)營管理中心會(huì)逐漸上移到集團(tuán)層面。

(8)“一朵云”指基于云平臺(tái)技術(shù)構(gòu)建的礦山私有云或公有云，主要應(yīng)用于集團(tuán)管控、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、政府監(jiān)管。

在智能礦山“6+1+1”建設(shè)模型中，各子項(xiàng)在功能上相互支撐，構(gòu)成“感知→互聯(lián)→數(shù)據(jù)融合→可視化展示→分析計(jì)算→決策控制”的基本邏輯框架，構(gòu)建了企業(yè)安全、生產(chǎn)、經(jīng)營管理、后勤保障的綜合智能系統(tǒng)。

3 煤礦智能化建設(shè)技術(shù)體系

隨著煤礦智能化的演進(jìn)與發(fā)展，已由單一設(shè)備、單一系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制上升到全系統(tǒng)過程協(xié)同和工業(yè)互聯(lián)云端協(xié)同[4]。人、機(jī)、環(huán)信息高度交織，通信交互方式多變，數(shù)據(jù)多源異構(gòu)。系統(tǒng)復(fù)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(dòng)控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)以及傳統(tǒng)的信息化系統(tǒng)已不足以支撐大型數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化系統(tǒng)的運(yùn)行與控制，不能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)各作業(yè)環(huán)節(jié)緊密銜接和有效協(xié)同配合。需要更為強(qiáng)大的技術(shù)體系支撐智能系統(tǒng)的運(yùn)行。

信息物理系統(tǒng)CPS(Cyber-Physical Systems)[5-6]是支撐信息化和工業(yè)化融合的綜合技術(shù)體系。近年來在各類新技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，在部分行業(yè)得到了推廣應(yīng)用。CPS的本質(zhì)是構(gòu)建一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化。它是基于硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)構(gòu)建的復(fù)雜系統(tǒng)[7]。CPS系統(tǒng)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)能力、自治能力、控制對(duì)象的種類和數(shù)量上，特別是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上遠(yuǎn)超現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡(luò)。CPS系統(tǒng)在層級(jí)內(nèi)包含了傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器(PLC)、分布式控制系統(tǒng)(DCS)，但與之相比，在傳輸模式上由總線變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信，更具開放性，并且由自動(dòng)控制變?yōu)樾畔⒒瘋鲗?dǎo)模式，傳導(dǎo)范圍比區(qū)域控制變得更為廣泛，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通與廣泛的數(shù)據(jù)融合。可以解決礦山復(fù)雜系統(tǒng)控制、智能無人開采所需的技術(shù)支撐問題。信息物理系統(tǒng)CPS的本質(zhì)[8]如圖3所示。

圖3 信息物理系統(tǒng)CPS的本質(zhì)

智能礦山“6+1+1”建設(shè)模型融合了CPS信息物理體系架構(gòu)，是CPS系統(tǒng)的典型應(yīng)用，本文定義為礦山信息物理系統(tǒng)M-CPS(Mine-Cyber Physical Systems)。M-CPS系統(tǒng)是由“6+1+1”中的各項(xiàng)構(gòu)成的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)四大核心技術(shù)要素的復(fù)雜系統(tǒng)，集成了礦山多源信息智能感知、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一傳輸、信息融合交互、協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，使礦山物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同，其功能技術(shù)架構(gòu)可分為支撐域、融合域、業(yè)務(wù)域和安全域。M-CPS系統(tǒng)功能技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 M-CPS系統(tǒng)功能技術(shù)架構(gòu)

(1)在支撐域，“一張網(wǎng)”“一個(gè)庫”“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”為信息空間和物理空間的數(shù)據(jù)融合提供基礎(chǔ)支撐。

(2)在融合域，“一系列智能化設(shè)備”構(gòu)成物理空間，“一張圖”與“一個(gè)平臺(tái)”包括各類三維仿真軟件、數(shù)字孿生體[9]，構(gòu)成信息空間。融合域?qū)崿F(xiàn)信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)交互映射與深度融合，從而實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)活動(dòng)信息的智能感知、分析決策、工業(yè)自動(dòng)化控制和安全生產(chǎn)監(jiān)控等。

(3)在業(yè)務(wù)域，基于“一個(gè)運(yùn)營管理中心”與“一朵云”，把大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術(shù)充分運(yùn)用在煤炭企業(yè)的管理和生產(chǎn)活動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理、設(shè)備健康管理、安全風(fēng)險(xiǎn)防控、生態(tài)環(huán)保等最優(yōu)化的管控[10]。

(4)在安全域，主要包括互操作安全、協(xié)同安全、網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、環(huán)境安全和物理安全。

CPS系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性和延展性，可不斷向更高層級(jí)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)人才、技術(shù)、資金等資源和要素的高效整合。在M-CPS系統(tǒng)建設(shè)中，可構(gòu)建單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)(SOS)、SOS擴(kuò)展級(jí)應(yīng)用[11]，分別對(duì)應(yīng)于煤礦子系統(tǒng)級(jí)、礦級(jí)、集團(tuán)級(jí)、行業(yè)級(jí)的M-CPS系統(tǒng)。在子系統(tǒng)級(jí)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的智能感知、分析決策與控制；在礦級(jí)主要實(shí)現(xiàn)全礦井安全生產(chǎn)管控；在集團(tuán)級(jí)主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營決策管理；在行業(yè)級(jí)主要面向行業(yè)設(shè)計(jì)、運(yùn)維服務(wù)、上下游產(chǎn)業(yè)鏈、政府監(jiān)管等，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云端的服務(wù)與管理。在整個(gè)層級(jí)中，集團(tuán)級(jí)服務(wù)于礦級(jí)，行業(yè)級(jí)服務(wù)于集團(tuán)級(jí)，最終圍繞礦級(jí)進(jìn)行管理與決策。礦級(jí)是整個(gè)層級(jí)擴(kuò)展的核心，也是其他層級(jí)的基礎(chǔ)，是M-CPS系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)。M-CPS系統(tǒng)層級(jí)如圖5所示。

圖5 M-CPS系統(tǒng)層級(jí)

4 煤礦智能化建設(shè)步驟

一般一個(gè)煤礦大概有30～50個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。要科學(xué)合理地建設(shè)智能化煤礦，應(yīng)在“6+1+1”建設(shè)模型中，遵循“頂層設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)先行、重點(diǎn)突破、全面接入”的建設(shè)步驟。

4.1 基礎(chǔ)先行

“一張網(wǎng)”與“一張圖”是煤礦智能化建設(shè)的重要新基建內(nèi)容，在煤礦生產(chǎn)和安全管理中發(fā)揮著重要作用。

“一張網(wǎng)”是煤礦重要的基礎(chǔ)設(shè)施，承載著煤礦所有智能化系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行，它的建設(shè)不像地面工廠一樣，直接可以使用運(yùn)營商現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)，而是需要根據(jù)煤礦特點(diǎn)構(gòu)建井下特殊的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，要考慮井下限定空間無線信號(hào)的傳輸問題、網(wǎng)絡(luò)的承載能力、傳輸速度、移動(dòng)互聯(lián)性?！耙粡埦W(wǎng)”以“光纖骨干網(wǎng)+寬帶無線網(wǎng)絡(luò)(4G/5G)+窄帶物聯(lián)網(wǎng)”的多網(wǎng)融合為特點(diǎn)，為智能礦山建設(shè)提供高效的傳輸平臺(tái)與數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在“一張網(wǎng)”中的統(tǒng)一傳輸，解決目前行業(yè)中普遍存在的“信息孤島”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)礦井高帶寬、低時(shí)延、高可靠性的通信要求。其萬兆級(jí)的主干光纖環(huán)網(wǎng)為礦山安全生產(chǎn)的大量數(shù)據(jù)傳輸提供了技術(shù)支撐；寬帶無線網(wǎng)絡(luò)(4G/5G)的應(yīng)用，可解決井下移動(dòng)語音通信、數(shù)據(jù)、視頻共網(wǎng)傳輸，解決生產(chǎn)過程中移動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制問題；窄帶物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)大量低功耗移動(dòng)無線傳感器的接入和數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)?！耙粡埦W(wǎng)”的建設(shè)能夠減少井下線纜的鋪設(shè)量，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，為煤礦智能化建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！耙粡埦W(wǎng)”基礎(chǔ)設(shè)施如圖6所示。

圖6 “一張網(wǎng)”基礎(chǔ)設(shè)施

“一張圖”是礦山井巷工程的數(shù)字化描述。由于煤層是分布于三維地理空間的地質(zhì)實(shí)體，礦山生產(chǎn)的一切過程都與三維空間密切相關(guān)。煤層地質(zhì)體具有隱蔽性、復(fù)雜多變性，因此開采環(huán)境數(shù)字化是煤礦智能化建設(shè)的基礎(chǔ)。以煤礦地理信息系統(tǒng)(GIS)為基礎(chǔ)的“一張圖”，可提供智能化開采過程的全面地圖服務(wù)，根據(jù)煤礦生產(chǎn)需求，構(gòu)建地質(zhì)圖、采掘圖、機(jī)電圖、通風(fēng)圖等各類不同的圖層。在不同的圖層，顯示不同的專業(yè)內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)煤礦可視化開采和可視化展示?！耙粡垐D”基礎(chǔ)設(shè)施如圖7所示。

圖7 “一張圖”基礎(chǔ)設(shè)施

4.2 重點(diǎn)突破

(1)以“一系列智能化設(shè)備”中與生產(chǎn)安全直接相關(guān)的子系統(tǒng)為重點(diǎn)，優(yōu)先建設(shè)。在煤礦各類子系統(tǒng)中，采、掘工作面是生產(chǎn)的直接環(huán)節(jié)，也是危險(xiǎn)作業(yè)場所，輔助運(yùn)輸、主運(yùn)輸是瓶頸環(huán)節(jié)，通風(fēng)、排水是安全保障環(huán)節(jié)，供電是最基本的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)節(jié)，因此對(duì)“采、掘、運(yùn)、提、排、通、供”等環(huán)節(jié)智能化系統(tǒng)要優(yōu)先建設(shè)和重點(diǎn)突破，剩下的各子系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況逐步建設(shè)接入。

(2)以“一個(gè)平臺(tái)”為核心，提供數(shù)據(jù)支撐。煤礦安全生產(chǎn)管控一體化平臺(tái)包含調(diào)度中心，既要完成調(diào)度任務(wù)，也要完成控制任務(wù)，是煤礦安全生產(chǎn)的“大腦”，所有安全生產(chǎn)問題都要在平臺(tái)上解決，因此是智能化建設(shè)的核心，要重點(diǎn)建設(shè)?！耙粋€(gè)平臺(tái)”集成匯聚井上下各分支系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)的視頻流、數(shù)據(jù)流和信息流，與礦區(qū)各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫連接，將安全生產(chǎn)管理和控制運(yùn)行在一個(gè)管理平臺(tái)，基于統(tǒng)一的編碼標(biāo)準(zhǔn)和采集標(biāo)準(zhǔn)，采用工業(yè)軟件、地理信息系統(tǒng)、人工智能、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)分析等新一代智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、多源數(shù)據(jù)融合、生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)維、決策分析管理、故障聯(lián)動(dòng)報(bào)警、信息引導(dǎo)發(fā)布、移動(dòng)互聯(lián)App等功能。煤礦安全生產(chǎn)管控一體化平臺(tái)功能構(gòu)成如圖8所示。

圖8 煤礦安全生產(chǎn)管控一體化平臺(tái)功能構(gòu)成

(3)以“生產(chǎn)安全、網(wǎng)絡(luò)安全”為保障，提供安全服務(wù)。目前煤礦生產(chǎn)安全保障系統(tǒng)是智能煤礦的重要建設(shè)內(nèi)容，如“六大避險(xiǎn)系統(tǒng)”以及“風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控[12]系統(tǒng)”都已作為礦井安全的建設(shè)重點(diǎn)，但在信息化時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)安全也是重中之重，要與生產(chǎn)安全放在同等地位。煤礦要建設(shè)安全生產(chǎn)控制專網(wǎng)，在生產(chǎn)控制專網(wǎng)與企業(yè)辦公網(wǎng)之間，構(gòu)建工業(yè)安全隔離區(qū)，實(shí)現(xiàn)礦山信息的安全性。在企業(yè)經(jīng)營管理層、企業(yè)安全生產(chǎn)管控層形成以工業(yè)信息安全防護(hù)為重點(diǎn)的縱深防御，利用工業(yè)隔離網(wǎng)閘、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)審計(jì)、工業(yè)態(tài)勢感知等技術(shù)手段，幫助礦山實(shí)現(xiàn)工業(yè)信息安全保障能力建設(shè)。煤炭企業(yè)典型網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)拓?fù)鋱D如圖9所示。

4.3 全面接入

在基礎(chǔ)設(shè)施和重點(diǎn)子系統(tǒng)建設(shè)完成后，基本可實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)層的智能化運(yùn)行。而后向上應(yīng)建設(shè)并接入“一個(gè)運(yùn)營管理中心”與“一朵云”，助力經(jīng)營決策管理。其他智能化子系統(tǒng)可分期分批全面接入。

在上述智能礦山“6+1+1”建設(shè)模型中，“一個(gè)運(yùn)營管理中心”與“一朵云”是接入互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但在安全生產(chǎn)層建設(shè)完成的基礎(chǔ)上它才能發(fā)揮作用。只有在信息化、智能化、大數(shù)據(jù)不斷深化應(yīng)用后，云計(jì)算才有價(jià)值。因此在煤礦智能化建設(shè)的初期階段，應(yīng)重點(diǎn)考慮安全生產(chǎn)層的建設(shè)。

圖9 煤炭企業(yè)典型網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)拓?fù)鋱D

5 結(jié)語

(1)煤礦在智能化開采階段其生產(chǎn)要素和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生了本質(zhì)變化，智能化系統(tǒng)將是其第一生產(chǎn)要素，網(wǎng)絡(luò)是其新增的基礎(chǔ)設(shè)施，在煤礦智能化建設(shè)過程中要重點(diǎn)考慮和建設(shè)。

(2)煤礦智能化建設(shè)需要頂層設(shè)計(jì)，本文提出了“6+1+1”智能礦山建設(shè)模型，融合了CPS信息物理系統(tǒng)，定義為礦山信息物理系統(tǒng)M-CPS。其中“一系列智能化設(shè)備”“一張網(wǎng)”“一張圖”“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”“一個(gè)庫”“一個(gè)平臺(tái)”構(gòu)成了礦井安全生產(chǎn)管控層，“一個(gè)運(yùn)營管理中心”與“一朵云”面向經(jīng)營決策管理和礦山云服務(wù)進(jìn)行部署。在礦井安全生產(chǎn)管控層與經(jīng)營管理層之間須部署工業(yè)非軍事隔離區(qū)(IDMZ安全隔離區(qū))，實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)與工控網(wǎng)的安全隔離。智能礦山“6+1+1”建設(shè)模型是以安全生產(chǎn)層為核心的礦級(jí)、集團(tuán)級(jí)、行業(yè)級(jí)的M-CPS系統(tǒng)。

(3)煤礦智能化建設(shè)要遵循頂層設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)先行、重點(diǎn)突破、全面接入的實(shí)施步驟?！耙粡埦W(wǎng)”“一張圖”是基礎(chǔ)，應(yīng)先行建設(shè)；“一系列智能化設(shè)備”中的關(guān)鍵子系統(tǒng)以及“一個(gè)平臺(tái)”“生產(chǎn)安全、網(wǎng)絡(luò)安全”是建設(shè)重點(diǎn)；最后要將各智能化子系統(tǒng)全面接入，才能形成完整的智能礦山系統(tǒng)。

(4)煤礦智能化建設(shè)是煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇，最終目標(biāo)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(shù)基礎(chǔ)和手段，無人值守是技術(shù)結(jié)果，無人員傷亡是愿景，最終目標(biāo)是達(dá)到綠色、安全、高效。