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)，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” “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。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 PhysicalSysＧ tems)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)。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)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)MCPS (Mine Cyber PhysicalSystems)。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。MCPS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,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。
(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 MCPS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,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MCPS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MCPS系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)。MCPS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。 “一張網(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)線傳感器的接入和數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。“一張網(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)。“一張網(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。“一張圖”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)。“一 個(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。
圖9 煤炭企業(yè)典型網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)拓?fù)鋱D
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)。
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) MCPS 。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 MCPS 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. “一張網(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。
本文發(fā)表于《中國煤炭》雜志，2020·第46卷·第12期。
