智能矿山为云南煤炭高质量发展赋能

智能矿山为云南煤炭高质量发展赋能

李 伟 亮 1 殷 泽 苍 2

（ 1 、 曲靖市能源局 ，云南 　曲靖 655000； 2 、 昆明煤炭科学研究所，云南 昆明 650000）

摘 要：目前，云南省内大、中型煤矿企业正如火如荼地开展煤矿智能化建设工作。通过分析智能矿山建设现状及目前面临的发展机遇，指出煤矿智能化是煤矿发展必然阶段和最终目标。对智能煤矿建设内容进行了较详尽的描述，提出了建设“一个平台、一个系统、三个网络、五个中心”的智能煤矿建设模式。对煤矿企业实施智能煤矿建设中存在的一些疑惑给予解答，并给出因地制宜推进煤矿智能建设的一些建议。结合实际，总结了智能矿山建设过程中的认知体会。

关键词：智能矿山；煤矿智能化；工业组态；煤矿辅助系统；煤矿生产系统

Intelligent mines empower the high-quality development of Yunnan coal

Li Weiliang ¹ Yin Zecang ²

(1, Qujing Energy Bureau, Qujing, Yunnan 655000; 2. Kunming Institute of Coal Science, Kunming, Yunnan 650000)

Abstract: At present, large and medium-sized coal mining enterprises in Yunnan Province are carrying out intelligent construction of coal mines in full swing. By analyzing the present situation of intelligent mine construction and the development opportunities it is pointed out that intelligent coal mine is the inevitable stage and the ultimate goal of coal mine development. The content of intelligent coal mine construction is described in detail, and the intelligent coal mine construction mode of "one platform, one system, three networks and five centers" is put forward. This paper gives answers to some doubts existing in the implementation of intelligent coal mine construction in coal mine enterprises, and gives some suggestions on promoting intelligent coal mine construction according to local conditions. Combined with the actual situation, the cognitive experience in the process of intelligent mine construction is summarized.

Key words: intelligent mine; Intelligent coal mine; Industrial configuration; Coal mine

0 引　言

智能矿山是当前云南矿山行业中的一个新兴名词，属于前沿研究领域，全省现有的222个矿山中仅有1个矿山基本实现自动化开采，与实现智能矿山要求差距还较大，其余矿山还处于观望及智能化探索阶段，但推进智能矿山建设又是产业发展的必然趋势。鉴此，笔者从宏观角度出发，对云南智能矿山的建设和发展方向提出几点想法。

1 云南智能矿山建设现状与面临的发展机遇

1.1 云南智能矿山建设现状

煤矿智能化建设是一个多学科交叉融合的复杂问题，是涉及多系统、多层次、多技术、多专业、多领域、多工种相互匹配融合的复杂巨系统^[1]，总体来说，当前云南煤矿智能化发展尚处于初级阶段。云南大部分矿山智能化建设，依然以综合自动化为主，其余领域还没有形成有效数据融合，“信息孤岛”现象突出，主体表现在4个方面。

1）数据融合共享困难

由于矿山众多子系统由不同时期、不同厂家实施集成，设备间的通信协议、数据格式等缺乏统一的标准，采集的海量数据难以有效利用，导致各子系统独立封闭运行形成了数据孤岛，难以实现互联互通与智能联动。

2）安全监测及设备监测系统局限于被动参数监测或故障报警

现有安全监测及设备监测系统大多只能进行相关参数监测，对灾害或事故的事后响应，缺少事件预警模型或设备健康诊断模型应用。

3）系统协调联动应用缺失

矿山现场监测监控、业务管理各系统独立运行，缺少智慧大脑，无法实现矿山安全、生产过程的智能协同联动。

4）缺少大数据分析及AI应用

矿山现有系统普遍偏重于数据采集和单一的数据监测，轻视数据挖掘和数据分析，缺少对各类数据的有效分析和行业AI应用。

1.2 智能矿山建设面临的发展机遇

近年来，随着物联网、云计算、大数据、人工智能、工业互联网、5G、机器人化装备等技术与现代矿山开发技术深度融合发展，为煤矿智能化相关痛点问题的解决提供了有效技术手段。同时，随着人口老龄化、劳动人口比重下降，劳动力短缺、煤矿人员流失、人才短缺已成为矿山企业目前面临的最紧迫的客观问题。推进煤矿智能化建设，用机械化换人、自动化减人、智能化提质增效来提升企业的综合竞争力，实现减人增效是企业解决“用工荒”问题的根本途径。为此，2020年3月，国家发展改革委等8部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，云南省出台了《云南省加快煤矿智能化发展实施意见》，为推动智能矿山建设按下了快进键。

2 智能矿山建设内容

2.1 智能矿山系统架构

智能矿山应基于一套标准体系、构建一张全面感知网络、建设一条高速数据传输通道、形成一个大数据应用中心、开发一个业务云服务平台，面向不同业务部门实现按需服务。一般由智能设备泛在感知与控制层、有线、无线多协议接入层、信息传输层、平台层、应用层组成。

2.2 智能矿山建设目标

1）利用工业互联网、物联网技术，实现矿山“人、机、环、管”各环节数据智能化精准采集、网络化传输、规范化集成。

2）基于GIS一张图的安全生产管控一体化智能控制平台，实现企业生产全过程一体化智能控制。

3）基于大数据的安全生产云服务系统，实现企业各级管理人员、技术人员按需获取相关数据、按权限下达网络指令。

4）实现煤炭无人（少人）开采与灾害防控一体化的智能化采矿。

5）实现原煤运输、供电、排水、通风、压风等辅助生产环节远程智能控制、无人值守。

2.3 智能矿山建设主要内容

智能矿山建设包括基础设施、生产监控系统、安全监测系统、生产经营管理系统等系统的建设，更基于大数据和人工智能的智能决策系统建设。各煤矿企业因矿山地质条件、开采条件、生产规模的不同，建设内容会有所差别，建设单位可参考“一个平台、一个系统、三个网络、五个中心”模式进行建设。同时，煤矿企业要根据自身需求和信息化现状有选择、分步骤地进行智能煤矿建设^[2]。

2.3.1 建设“一个平台”

“一个平台”是指管控一体化智能平台。大型煤炭企业（集团）应建设基于GIS一张图的安全生产管控一体化智能平台，实现“人、机、环、管”各类异构系统的全面集成。在一张图的平台上，通过缩放定位，即可展示“热点”中上述生产要素的实时状态信息，同时对矿山众多子系统进行有效管控。管控一体化智能平台应能实现智能生产、智能调度、智能安全、智能管理、移动互联等功能，通过管控一体化智能平台整合企业所有资源，实现矿山生产方式的转变，管理模式的变革。

2.3.2 建设“一个系统”

煤矿大数据及云服务系统是智能矿山的大脑。系统以大数据分析技术为支撑，以行业、集团、矿井制定的各类安全生产规范、规程为依据，结合综合自动化、在线监测以及煤矿安全生产日常获取的动态和历史数据，对煤矿安全生产的各类信息进行展示、分析、推理，挖掘历史数据中蕴含的模式和知识，诊断并概括当前安全状态，预测未来安全形势，实现煤矿安全生产的动态诊断和辅助决策，为领导指挥生产、战略决策提供帮助。

2.3.3 建设“三个网络”

通讯网络是矿山的“生命线”，工业网络系统是智能矿山的“基础设施”。因此，矿山要建设通讯联络网、工业互联网、企业管理网三个网络。它们是实现智能煤矿建设的基础，形成覆盖全矿井的统一传输网络平台。

工业互联网、企业管理网建设应遵循万兆骨干、千兆汇聚、百兆到桌面，办公生活区WIFI覆盖；网络结构应采用“工业以太环网+现场总线+WIFI/4G、5G”模式，采用标准TCP/IP传输协议；保证环网光纤资源冗余，做到矿井、地面建筑物和井下生产环节的全覆盖。大型煤矿企业的工业互联网应做到工业控制网络、安全监控网络、视频监控网络物理上独立成环网。通信网络在物理层面上与外部公共信息网应有安全隔离。

通讯联络网建设应把矿井有线调度通信系统和矿井行政通信系统分别设置，并应能互通；矿井有线调度通信系统的通信线缆应分设两条，从不同的井筒或一个井筒保持一定间隔的不同位置进入井下配线设备；交换机的处理机、电源应采用热备份结构，具有告警、故障自动诊断、倒换等功能；具有备用电源，电网停电后，系统中设备的备用电源连续工作时间应不小于2h；系统最大通信距离应不小于15km。

移动通信选用WIFI或4G、5G等技术，矿用通信系统应能自动识别手机终端，对未经认证的手机不提供服务功能，对未经许可带入的手机，系统应具有报警提示功能。

矿井有线调度通信系统应与移动通讯网、安全监控网、人员定位网、应急广播网、局部扩播网等深度融合。

2.3.4 建设“五个中心”

智能煤矿建设将引起生产、管理模式大变革，大部分工作人员将从传统的现场作业、现场调度指挥、现场监管转移到网络化作业。统一数据中心、调度指挥中心、智能控制中心、安全监测中心、生产运营管理中心等“五个中心”是实现管理模式转变的手段。统一数据中心是基础；调度指挥中心是协同；智能控制中心是核心；安全监测中心是保障；生产运营管理中心是效率。

“数据中心”要与矿山智能化建设规模相匹配，应配置足够算力的服务器和足够容量的存储设备，并配置一套满足云环境运行的防病毒系统。

“调度指挥中心” 一般设调度中心、会议中心。调度中心为调度通信指挥平台，设信息显示区、调度人员工作区；会议中心为综合调度指挥、应急指挥决策场所，应集音响、通讯、自动控制、多媒体等多种现代科技于一体，实现多媒体会议功能。

“智能控制中心”是对煤矿生产各环节进行集中智能控制，使各子系统协同工作。常设综采工作面分控中心、综掘工作面分控中心、主煤流运输分控中心、辅助运输分控中心、供配电分控中心及生产辅控分控中心等六个分控中心。

“安全监测中心”是煤矿危险源智能预警和消灾系统。煤矿根据自身可能存在的灾害，对不同类型的危险源进行实时在线监测，利用危险源风险指数评价算法对矿井各区域发生灾害的风险进行实时在线评估，确定风险类型、等级及解决方案。监测中心应包含安全监测监控系统、井下人员精确定位管理系统、高清工业电视系统等共性监测监控系统，还应设置顶板与矿压监测系统、井下火灾束管监测系统等个性化监测监控系统。

“生产运营管理中心”一般基于GIS 的“一张图”协调服务，实现多专业在线协同工作。建设内容包括地测管理系统、机电设备全周期管理系统、生产衔接管理系统、生产调度管理系统、生产成本管理系统等。

3 智能矿山建设存在的问题

1) 严重缺乏相关标准。由于一开始就缺乏顶层设计与规划，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^[3]。

3) 重硬件轻软件。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^[4]。

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^[4]。

4 智能矿山建设如何推进

4.1 智能矿山建设过程中的疑惑

4.1.1 智能矿山建设过程中的错误认知

1）智能化等于自动化

部分矿山企业对智能化建设认识不足，加之成本投入因素的考虑，认为只要实现生产自动化、辅助系统自动化监测，就实现了矿山智能化建设。其实，自动化仅仅是智能化改造最具代表性的一步，智能矿山体系自下而上包括设备层、控制层、生产执行层、管理层和决策支持层等关键层次的智能化建设，还需要统一架构的矿山数据库、规范的数据接口、标准化的作业流程，以及智能系统的支撑。

2）智能化可以一步到位

煤矿智能化建设是一个逐步实现、持久完善的过程，要以企业现有基础为起点、从自身实际需求出发，不能一蹴而就。它涉及智能化建设的全面认识、专业化执行团队、系统性设计、智能系统的匹配、智能化管理和决策体系、长期的优化完善等各个方面。

3）高投入可实现高智能

矿山智能化过程是一个系统工程，需要全方位的投入和配置统筹。前期的系统性规划设计是基础保障。要根据矿山特点，通过多专业、多领域的技术融合，形成系统性的智能化建设规划，高投入并不意味着高智能。

4.1.2 智能矿山建设中的困惑

现实中，煤矿企业领导对智能矿山建设都非常重视，但由于信息不对称，许多领导不知道如何重视，如何推进。企业技术部门不了解矿山信息化、智能化，无法提供有效的需求信息，而信息部门不懂专业，仅靠厂家诱导需求和游说需求。因此，多数煤矿企业的普遍认识是等待观望。智能矿山建设的目标是明确的，就是应用新技术，实现少人无人智能开采，但在实际推进中，下手困难，按照大目标推进，遥遥无期很难实现愿景，按照小目标推进，又觉得不是智能化矿山。

4.2 智能矿山建设过程中的认知体会

1）关键在于领导重视

智能矿山建设就是“一把手工程”，提升一把手的认识，引起一把手的重视至关重要，为此，矿山技术部门要发挥沟通与桥梁的作用，主动对接智能设备生产厂商，了解设备性能，提出解决方案，并及时向一把手沟通汇报，必要时请一把手亲自带队出去考察相关煤矿企业成功案例，让领导有更直观的认识。

2）做好总体规划

智能化建设最大的风险是规划风险，在建设中，要制定切实可行，方便操作的总体规划。大型矿山集团要按照大目标统一推进，坚持统一规划、统一标准、统一设计、统一投资、统一建设、统一管理。

中小型煤矿可根据国家政策、资金实力按照总体规划，因地制宜，分步实施方式推进比较稳妥。

3）稳步推进

智能矿山建设不能搞一刀切，大型矿山集团应在已建设完矿井综合自动化子系统的基础上构建矿井“一张图”GIS平台；建立统一管控一体化平台；对实时动态数据进行融合处理；实现矿井一张图可视化展示，各级技术和管理人员基于一张图协同工作。中小型矿井应先完善矿井综合自动化子系统建设，然后实现地面对井下主要系统设备的远程控制，达到无人值守的水平，并集成到统一的工业组态软件平台，实现统一管控。

4）避免重复投资

大多数矿井前期建设了矿井综合自动化系统，各子系统相对健全，在推进智能化矿山建设时，迭代系统的利弊不能准确把握。其实，是面临如何对异构数据进行融合处理，搭建统一平台的问题。目前国内很多集成厂商都有比较成熟的处理方案可供选择。当然，对部分技术十分落后的子系统进行升级改造也是必须的，是技术进步的标志。实力雄厚的矿山遇到技术难题，可与有实力的科研院所、集成厂商联合进行课题研究，还可争取国家科研经费支持。当然投资新的煤机装备和系统也是必然。

5）管理重构与人员素质

煤矿智能化建设能否发挥应有的作用，关键在于后期管理模式的变革与人员素质的提高。煤矿智能化会带来煤矿管理模式的变革，必须对矿山的管理流程进行再造。要推进制度创新，解决管理制度和系统应用脱节的问题，确保制度、流程同智能矿山建设相适应。与此同时，对人才、技术力量的要求也将比现阶段要高得多，需要一批既懂煤矿又懂信息技术的复合型人才作支撑。企业要通过多种渠道，推进复合型人才的引进与培养。

6）制定相关技术规范和标准

建设未动，标准先行。在智能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，主要包括智能矿山指标体系及评价标准、智能矿山架构及数据交互规范、智能矿山决策平台及架构设计规范、智能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、智能矿山元数据标准、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。

5 结　语

智能矿山的发展是一个不断进步的过程，随着科技水平的提高，智能化的程度也将不断提升,目前正处于数字矿山向智能矿山的过渡期。现阶段煤矿智能化建设重点应考虑在煤矿井下受限空间的特殊工况条件下，将现有的物联网、5G、机器人控制、人工智能、边缘计算、大数据分析等技术应用到煤矿安全生产的各个环节中去，实现互联互通，数据共享，让上述新技术能适应煤矿、服务煤矿、为煤矿赋能，真正实现煤矿井下固定岗位的无人化和移动岗位的少人化，保障煤矿安全生产，提升煤矿安全生产效率，促进煤矿高质量发展。

参考文献:

[1] 王国法，刘 峰，孟祥军等．煤矿智能化(初级阶段)研究与实践[J]．煤炭科学技术，2019，47(8)：1～36．

[2] 钱建生，胡青松．智能煤矿建设路线与工程实践[J]．煤炭科学技术，2020，48(7)：105～117．

[3] 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．

[4] 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．

作者简介：李伟亮（1981-10-），男，傣族，本科，云南楚雄人，工程师，长期从事煤矿安全监管及煤矿生产技术指导研究工作。