智慧礦山理論與關(guān)鍵技術(shù)探析

智慧礦山理論與關(guān)鍵技術(shù)探析譚章祿;吳琦期刊名稱】《《中國煤炭》》年(卷),期】2019(045)010【總頁數(shù)】11頁(P30-40)【關(guān)鍵詞】智慧礦山;指導(dǎo)理論;關(guān)鍵技術(shù);信息化建設(shè)【作者】譚章祿;吳琦【作者單位】中國礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院北京市海淀區(qū)100083【正文語種】中文【中圖分類】TD-918煤炭行業(yè)為了應(yīng)對工業(yè)發(fā)展的新趨勢和新要求，正在積極推行智慧礦山建設(shè)。目前，智慧礦山的實踐已經(jīng)在多個省、市、礦山企業(yè)、科研單位和設(shè)備研發(fā)制造企業(yè)推行，智慧礦山已經(jīng)成為煤炭行業(yè)學(xué)界、政界和煤炭企業(yè)耳熟能詳?shù)脑~匯。但客觀看，智慧礦山建設(shè)剛剛起步，至今國內(nèi)尚未建成完整的智慧礦山系統(tǒng)。智慧礦山的研究與實踐在“困惑”中前行，“困惑”大致可歸結(jié)為幾個基本問題：一是為什么要建設(shè)智慧礦山？二是智慧礦山到底是什么？三是如何建設(shè)智慧礦山？四是智慧礦山建設(shè)的障礙和建成的關(guān)鍵有哪些？本文主要圍繞上述問題展開討論，進(jìn)而探索智慧礦山的理論與關(guān)鍵技術(shù)。對于到底什么是智慧礦山、如何構(gòu)建智慧礦山等問題缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識，智慧礦山的建設(shè)亟需在指導(dǎo)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面得到突破。完整的理論體系可為智慧礦山的規(guī)劃、設(shè)計提供理論指導(dǎo)，關(guān)鍵技術(shù)的突破是智慧礦山落地的基礎(chǔ)。1智慧礦山綜述進(jìn)入21世紀(jì)，全球經(jīng)濟(jì)面臨經(jīng)濟(jì)增長緩慢、全球工業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、人口老齡化導(dǎo)致的勞動力低下和經(jīng)濟(jì)全球化導(dǎo)致的發(fā)展中國家產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張以及發(fā)達(dá)國家實體經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新不足等四大突出問題。面對上述問題各國紛紛采取積極的戰(zhàn)略對策，西方發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體都針對各國國情提出了具體的智能制造業(yè)發(fā)展的策略框架，例如德國的工業(yè)4.0參考模型RAMI4.0、美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)模型IIRA和日本的智能制造參考框架IVRA。我國面對全球工業(yè)體系轉(zhuǎn)型，積極應(yīng)對經(jīng)濟(jì)全球化下的工業(yè)新發(fā)展階段帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，于2015年提出了“中國制造2025”并重點實施“兩化”融合戰(zhàn)略。在“中國制造2025”和“兩化”融合的發(fā)展策略下，數(shù)字化車間、智能制造等信息技術(shù)不斷滲透，將會加快工業(yè)數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的進(jìn)程。煤炭作為我國最大的能源支撐，在整個工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展中具有舉足輕重的作用。煤炭工業(yè)作為國家能源基礎(chǔ)行業(yè)，在國際經(jīng)濟(jì)大趨勢和國家發(fā)展戰(zhàn)略要求下，大力推進(jìn)“兩化”融合，為貫徹“中國制造2025”戰(zhàn)略，使得智慧礦山建設(shè)成為安全生產(chǎn)礦山開采的必然選擇。煤炭開采過程實際上是非常復(fù)雜的力學(xué)過程，其力學(xué)各向異性，可以說駕馭該過程的難度不亞于航空航天的空氣動力學(xué)過程。時至今日，由于存在地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜、煤層賦存條件的多變、巖石力學(xué)性質(zhì)的難解以及瓦斯的涌出等問題，煤炭開采仍然不能很好地解決安全生產(chǎn)問題、職工職業(yè)壓力問題、環(huán)保問題和成本控制等全行業(yè)普遍面臨的問題。為了實現(xiàn)安全高效開采，煤炭行業(yè)經(jīng)過長期努力，從手工作業(yè)逐步實現(xiàn)了機(jī)械化、自動化和初步數(shù)字化開采，近20年的信息化建設(shè)推動了礦山的進(jìn)步和發(fā)展，又在數(shù)字礦山的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了感知礦山的突破伴隨著新需求以及云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信技術(shù)成熟與應(yīng)用，智慧礦山成為自然的合乎科學(xué)發(fā)展邏輯的正確選擇。礦山信息化建設(shè)發(fā)展階段如圖1所示圖1礦山信息化建設(shè)發(fā)展階段過去20年，大多數(shù)礦井都實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)以及綜合自動化平臺的構(gòu)建，通過各個工業(yè)自動化系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)了井下自動化管控，從技術(shù)上實現(xiàn)了礦井自動化[1]。1999年，國際數(shù)字地球大會首次提出了數(shù)字礦山的概念。2000年，吳立新等研究人員參考數(shù)字地球，提出了數(shù)字礦山(DM)相對較完整的概念，所謂數(shù)字礦山，是在統(tǒng)一的時空框架下，對真實礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一理解、表達(dá)與數(shù)字化再現(xiàn)，是數(shù)字礦區(qū)和數(shù)字中國的一個重要組成部分[2]。數(shù)字礦山是以礦山空間數(shù)據(jù)與模型為中心，是空間信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及可視化技術(shù)在礦山企業(yè)綜合應(yīng)用的集中體現(xiàn)[3]。對于數(shù)字礦山階段的建設(shè)，這一階段主要實現(xiàn)了管理信息化與工程數(shù)字化的初步建設(shè)[4]。2009年后，智慧地球理念催生了感知礦山、智慧礦山等概念，2010年，中國礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心張申等研究人員提出了感知礦山概念，指出“感知礦山是通過各種感知手段，實現(xiàn)對真實礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的可視化、數(shù)字化及智能化[5]。感知礦山主要著眼于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)成礦山中人與人、人與物、物與物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，其核心是分布式感知[6]。隨著煤炭行業(yè)信息化水平不斷提高，對其信息技術(shù)要求也隨著需求不斷增加。為了應(yīng)對全球與國家發(fā)展戰(zhàn)略，由智慧地球的理念衍生出了適應(yīng)于信息化潮流的智慧礦山。智慧礦山相較于數(shù)字礦山和感知礦山來說，是一個技術(shù)更為先進(jìn)的礦山發(fā)展階段，是未來礦山企業(yè)發(fā)展的一個新方向[7]。礦山綜合自動化和數(shù)字化是智慧礦山的基礎(chǔ)，自動化系統(tǒng)通過自動化技術(shù)實現(xiàn)了無人采礦和遙控采礦，數(shù)字化實現(xiàn)了對真實礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一認(rèn)識與數(shù)字化再現(xiàn)，智慧化則表現(xiàn)為礦山的高度信息化、自動化、智能化與高效安全開采，是數(shù)字礦山和感知礦山的進(jìn)一步升華[8]因此，智慧礦山建設(shè)以礦業(yè)發(fā)展和礦山開采的現(xiàn)實需求為動力，以數(shù)字礦山和感知礦山的成就為基礎(chǔ)，當(dāng)前科學(xué)成就和技術(shù)發(fā)展又為智慧礦山建設(shè)提供了技術(shù)保證。智慧礦山作為當(dāng)前礦山信息化建設(shè)的重要方向，是多學(xué)科交叉融合的前沿領(lǐng)域，在理論性和實踐性方面都有很重要的研究價值。我國針對智慧礦山的研究發(fā)展，當(dāng)前現(xiàn)狀為“實踐先行”，眾多煤炭企業(yè)、煤機(jī)制造廠商以及研究院所都在積極響應(yīng)國家政策，從實踐角度對智慧礦山的建設(shè)進(jìn)行探索。例如，由中國職業(yè)安全健康協(xié)會牽頭，北京龍德時代科技發(fā)展有限公司承辦，國家能源集團(tuán)、中煤能源集團(tuán)、中國礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院等法人單位聯(lián)合發(fā)起成立了智慧礦山聯(lián)盟，旨在攻克智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)，建立智慧礦山示范工程等。然而，智慧礦山理論研究仍處于起步階段，相關(guān)學(xué)者根據(jù)自身的理解，分別從智慧礦山的定義［9］、建設(shè)框架［10］、核心問題［11］、關(guān)鍵技術(shù)［12］、發(fā)展趨勢［10］［13］等方面展開了深入研究，但在理論概念方面仍未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，實踐探索不斷增多，當(dāng)前智慧礦山在實踐中仍存在許多困惑，歸根到底還是因為在理論方面，學(xué)界仍未對智慧礦山給出統(tǒng)一完整和科學(xué)的理論體系，指導(dǎo)實踐的關(guān)鍵技術(shù)也沒能得到突破。因此，迫切需要對智慧礦山建設(shè)的指導(dǎo)理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，以開辟智慧礦山信息化建設(shè)的前進(jìn)道路。智慧礦山的構(gòu)成與特征正確理解智慧礦山是研究和實踐的前提。與機(jī)械化取代人工作業(yè)的目的是延伸人類的四肢功能不同，智慧礦山延伸的是人類的大腦功能。雖然迄今為止，我們并未完全揭示人類大腦智慧的發(fā)生機(jī)理，但對大腦智慧的基本功能，如記憶、表達(dá)、推理、聯(lián)想和學(xué)習(xí)等功能已達(dá)成共識。因此，智慧礦山建設(shè)的目的就是試圖通過機(jī)器及其技術(shù)工程，使礦山系統(tǒng)獲得有關(guān)礦山開采和經(jīng)營相關(guān)知識的記憶、表達(dá)、聯(lián)想、推理和學(xué)習(xí)的功能。如果這種能力完全由非人類承載，則稱智慧礦山為完美智慧礦山，完美智慧礦山可作為目標(biāo)去追求，但現(xiàn)實難以達(dá)到?！叭齻€世界”概念的提出為了更好地理解智慧礦山，引入信息世界(Informationworld)、意識世界(Consciousworld)和物理世界(Physicalworld)"三個世界”概念，信息世界描述物理和意識世界的所有對象的狀態(tài)、運(yùn)動及其變化規(guī)律的體系，可以表現(xiàn)為數(shù)據(jù)模型、算法或軟件等；意識世界描述人對物理世界的認(rèn)知，包括人的價值觀、思想意志、愿景和智慧；物理世界描述現(xiàn)實世界中客觀存在的事物，例如井下作業(yè)設(shè)備材料、建筑物、構(gòu)筑物、管網(wǎng)設(shè)施、煤層、水、瓦斯、地壓等等，他們共同構(gòu)筑了智慧礦山建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的礦山主要由物理世界與意識世界組成，礦山的生產(chǎn)經(jīng)營活動依靠人的意識去驅(qū)動物理世界的運(yùn)動進(jìn)而實現(xiàn)礦山開采。然而在實際作業(yè)中，人的意識世界存在不足，難以保證物理世界能夠按照人們意志客觀、準(zhǔn)確、即時地進(jìn)行自動運(yùn)行。其不足主要體現(xiàn)在易疲勞、記憶有限、知識不足、理解偏差，在生產(chǎn)實踐中的表現(xiàn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：看不見：體現(xiàn)在地質(zhì)、水文、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛鹊葼顟B(tài)不明；產(chǎn)品質(zhì)量、作業(yè)進(jìn)度、工作績效等性質(zhì)不清；違規(guī)行為、安全隱患、設(shè)備故障等風(fēng)險不知;算不準(zhǔn)：體現(xiàn)在工藝設(shè)計、機(jī)器調(diào)節(jié)、設(shè)備參數(shù)、趨勢監(jiān)測、資源配量等無法精確計算;控不?。后w現(xiàn)在安全隱患、超限預(yù)警報警等問題不能及時控制風(fēng)險和危險。有別于傳統(tǒng)礦山，智慧礦山通過建設(shè)一個新世界——信息世界，同時改造物理世界和意識世界，以彌補(bǔ)人類意識世界的不足，使得礦山系統(tǒng)獲得上述人類智慧的基本功能?？梢娭腔鄣V山將傳統(tǒng)礦山的“意識世界+物理世界”二元世界改造升級成了“意識世界+物理世界+信息世界”的三元世界。智慧礦山“三個世界”的相互關(guān)系如圖2所示。從實踐角度直觀看，智慧礦山運(yùn)行將呈現(xiàn)這樣的圖景：操作人員坐在寬大的調(diào)度控制室，只需操作鼠標(biāo)和鍵盤輸入生產(chǎn)任務(wù)或經(jīng)營目標(biāo)，系統(tǒng)喚醒物理世界的掘進(jìn)機(jī)采煤機(jī)、支架、通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)和機(jī)器人自動作業(yè)，各機(jī)器自適應(yīng)于工作面條件，優(yōu)化自己的工作參數(shù)和工況，并與相關(guān)設(shè)備保持協(xié)作和聯(lián)動，將源源不斷的從地下采出原煤。與此同時，智慧礦山系統(tǒng)悄無聲息地不斷自動采集全部數(shù)據(jù)返回信息世界，通過信息世界算法和智能模型處理，發(fā)出指令對物理世界實施干預(yù)和控制，如此循環(huán)下去不斷更新信息世界的數(shù)據(jù)和算法，完成深度學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。圖2智慧礦山“三個世界”相互關(guān)系“三個世界”的運(yùn)動及其關(guān)系物理世界與意識世界。在智慧礦山還沒有提出，信息化建設(shè)還沒有成為發(fā)展的必由之路之前，礦山建設(shè)只存在物理世界與意識世界，二者相互作用進(jìn)行簡單的生產(chǎn)經(jīng)營活動。隨著礦山建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大與數(shù)據(jù)量的劇增，物理世界的構(gòu)建對人的意識世界要求越來越高，從而引入了信息世界的建設(shè)。信息技術(shù)的引進(jìn)，確實使得礦山建設(shè)和運(yùn)營更加便利和高效，但在不完美的智慧礦山建立過程中，人的意識世界在作用于物理世界方面仍起著至關(guān)重要的作用，例如直接通過行動作用于設(shè)備、裝備、構(gòu)筑設(shè)施和原材料等旨在構(gòu)筑一個完善的物理世界，為智慧礦山建設(shè)打造堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。意識世界與信息世界。智慧礦山通過建設(shè)信息世界、改造物理世界、提升意識世界，完全打通“三個世界”的聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)換，但強(qiáng)調(diào)的仍然是“人”，而非“無人”，物理世界、信息世界、人的意識世界三者相互作用反饋，人作用于信息世界才能賦予物理世界智慧。意識世界與信息世界相互作用的接口便是依靠鍵盤的輸入與數(shù)字化界面的輸出，人通過鍵盤將意識世界的想法與需求輸入給由信息系統(tǒng)構(gòu)成的信息世界，信息世界則通過數(shù)字化界面將接收與加工處理后的信息以可視化的方式展示給管理人員，以便管理人員進(jìn)一步構(gòu)筑意識世界，對礦山的整體運(yùn)行狀況有所感知并做出正確的決策。信息世界與物理世界。通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，建立物理世界到信息世界的聯(lián)系。從數(shù)字礦山階段開始，礦山建設(shè)就已經(jīng)倡導(dǎo)實現(xiàn)數(shù)據(jù)感知技術(shù)，且在此階段具備了部分感知的能力，例如部署了一些感知環(huán)境參數(shù)、地壓、瓦斯的傳感器等，但是總體感知能力尚不充分［11］。到了感知礦山階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則成了支持礦山發(fā)展的核心技術(shù)之一。智慧礦山的重要特點之一則為深度感知，通過構(gòu)建礦山物聯(lián)網(wǎng)云計算平臺解決實時異構(gòu)數(shù)據(jù)快速可靠交換、多元多層次數(shù)據(jù)快速接入、分布式協(xié)同處理及服務(wù)等難題，實現(xiàn)礦山物聯(lián)網(wǎng)從感知到應(yīng)用的互聯(lián)互通和信息智能交換［14］。由此可見，智慧礦山是一個由人的意識世界、礦山的物理世界和信息世界構(gòu)成的有機(jī)整體，傾向于用機(jī)器或技術(shù)工程延伸部分或全部人類大腦諸如記憶、表達(dá)、聯(lián)想推理和學(xué)習(xí)功能，用于礦山資源勘探、規(guī)劃、設(shè)計、開采和加工利用全過程，以實現(xiàn)礦山資源的安全、高效、精益開采和利用。如何將意識世界的智慧功能賦予物理世界和信息世界，并延伸至整個礦業(yè)開發(fā)過程，這是智慧礦山的核心。因此，智慧礦山建設(shè)的根本任務(wù)是構(gòu)建一個具有人類智慧能力的信息世界，相應(yīng)改造物理世界和意識世界，同時搭建“三個世界”無縫連接的橋梁。智慧礦山理論初探智慧礦山理論構(gòu)建旨在通過總結(jié)礦山信息化建設(shè)的經(jīng)驗及其發(fā)展規(guī)律，探索智慧礦山的規(guī)劃、設(shè)計、實施與運(yùn)行維護(hù)等上述各環(huán)節(jié)思想框架和實施策略與方法。本文從智慧礦山頂層設(shè)計和各階段理論分析的角度，按照“總-分”的方式對智慧礦山理論體系進(jìn)行構(gòu)建和闡述。智慧礦山參考模型經(jīng)過多年的煤炭企業(yè)信息化建設(shè)實踐，筆者在多個大型項目（如鐵峰煤業(yè)感知礦山項目司馬煤業(yè)企業(yè)資源計劃系統(tǒng)CERP、汾西基于物聯(lián)網(wǎng)的煤炭運(yùn)銷調(diào)度指揮系統(tǒng)、綜合可視化集成平臺等）研發(fā)上取得成功，以此為基礎(chǔ)，總結(jié)提煉出智慧礦山參考模型。參考模型從層、級、鏈三大維度入手，旨在從宏觀角度引導(dǎo)智慧礦山的理解與建設(shè)。智慧礦山參考模型如圖3所示。圖3智慧礦山參考模型其中，“層”是指活動層，按照煤炭企業(yè)實際生產(chǎn)運(yùn)營過程中涉及到的業(yè)務(wù)活動進(jìn)行層次性劃分，將智慧礦山的業(yè)務(wù)活動與業(yè)務(wù)邏輯由下到上劃分為資產(chǎn)層、作業(yè)層管控層、決策層與商業(yè)層；“級”是指組織級，只要依據(jù)煤炭企業(yè)內(nèi)外環(huán)境中涉及到的不同組織層級，按照其不同的權(quán)責(zé)和職能進(jìn)行劃分，最終將組織級由下至上劃分為班組、科室、礦井、集團(tuán)、行業(yè)和社會；“鏈”是指價值鏈，價值鏈的劃分立足于產(chǎn)品的生命周期，圍繞產(chǎn)品生產(chǎn)過程中涉及的相關(guān)行動所形成的一條價值鏈，體現(xiàn)了煤炭行業(yè)中生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品從無到有，不斷增值的全過程。主要將價值鏈劃分為勘探、設(shè)計、基建、開采、洗選加工、運(yùn)輸和礦區(qū)修復(fù)。在該參考模型中，各維度中刻度劃分為示意性而非完全性列舉，各煤炭企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身實際情況進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)與精確劃分。智慧礦山建設(shè)主要理論參考模型的構(gòu)建從頂層設(shè)計的角度指出，智慧礦山是涉及整個系統(tǒng)的人、物、信息等多元要素的復(fù)雜系統(tǒng)，智慧礦山建設(shè)是一項涉及礦山活動、礦物價值鏈以及組織層級三大維度紛繁復(fù)雜因素的、長期的系統(tǒng)工程。因此，以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，以實現(xiàn)智慧礦山作為建設(shè)目標(biāo)，即具備更透徹的感知、更深度的互聯(lián)互通、更廣泛的智能應(yīng)用［8］的礦山形式。智慧礦山的前期規(guī)劃旨在制定比較長遠(yuǎn)的發(fā)展計劃，設(shè)計未來整套信息化建設(shè)的行動方案，這些都是為智慧礦山建設(shè)目標(biāo)的實現(xiàn)而服務(wù)透徹感知是智慧礦山的技術(shù)基礎(chǔ)，通過引入無線射頻識別技術(shù)和傳感技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，利用感知、測量與控制設(shè)備，實現(xiàn)對礦山數(shù)據(jù)的實時獲取與實時監(jiān)測。智慧決策對于數(shù)據(jù)的需求隨信息化水平不斷提高而日益增加，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于煤炭企業(yè)井下和井上生產(chǎn)運(yùn)營與管理可以實現(xiàn)井下人員實時監(jiān)測、保障人員安全、及時發(fā)現(xiàn)不安全隱患并預(yù)警、智能控制、形成新的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及井下無人化作業(yè)等［16］。深度互聯(lián)是智能處理的基礎(chǔ)。智慧礦山應(yīng)具備“人-人”、“人-物”、“物-物”無障礙互聯(lián)互通的能力［17］。這就需要智慧礦山參考模型中涉及到的每個主體、每一個生產(chǎn)單元之間相互協(xié)同運(yùn)作。這里就需要運(yùn)用協(xié)同理論的思想，改造物理世界和意識世界。通過企業(yè)自身內(nèi)部的協(xié)同作用，使得系統(tǒng)可以自適應(yīng)地在各環(huán)節(jié)、各階段以及功能上實現(xiàn)有序的協(xié)同結(jié)構(gòu)?；诘V山企業(yè)自身環(huán)境的特殊性以及系統(tǒng)的復(fù)雜性，智慧礦山信息系統(tǒng)應(yīng)按照“四橫三縱”的整體框架來構(gòu)建?！八臋M”包括應(yīng)用層、數(shù)據(jù)及應(yīng)用支撐層、網(wǎng)絡(luò)通信層和感知控制層?！叭v”則為“三個體系”，分別是信息化標(biāo)準(zhǔn)化體系、信息安全體系和管理運(yùn)維體系。智慧礦山整體框架如圖4所示。智能應(yīng)用是智慧礦山區(qū)別于數(shù)字礦山與感知礦山的核心所在。智慧礦山擁有主動感知、自動分析能力，能夠依據(jù)深度學(xué)習(xí)的知識庫，形成最優(yōu)決策，并對礦山設(shè)計、生產(chǎn)、安全、經(jīng)營管理等各個環(huán)節(jié)實施自動調(diào)控［19］。智慧礦山的本質(zhì)就是使得礦山建設(shè)智能化、智慧化，而“智慧”則主要體現(xiàn)為使得信息世界擁有人的意志，可以按照意識世界的思想去指導(dǎo)物理世界根據(jù)具體的場景選擇正確合理的行動，以實現(xiàn)自動化、智能化運(yùn)行。這個目標(biāo)的實現(xiàn)需要以人工智能理論為指導(dǎo)，運(yùn)用礦業(yè)學(xué)科專業(yè)知識發(fā)展地質(zhì)、采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)和洗選加工各個專業(yè)和工藝的智能算法和模型，建立一種更有效的智能控制和智能管理方法，以實現(xiàn)系統(tǒng)的智慧化應(yīng)用。人工智能其本質(zhì)是一種計算機(jī)程序，程序使其有了“自主”選擇判斷的能力，這種能力除了復(fù)制模仿人類智能，還包含超越人類的各種計算性的能力［18］。人工智能可以支持信息世界的構(gòu)筑，彌補(bǔ)人類意識世界存在的缺陷。設(shè)計階段與實施階段智慧礦山信息系統(tǒng)的設(shè)計以系統(tǒng)論和信息論為理論指導(dǎo)，采用軟件工程的設(shè)計方法，按照傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方式進(jìn)行需求分析、業(yè)務(wù)分析、流程再造、系統(tǒng)功能設(shè)計、劃分子系統(tǒng)等。由于設(shè)計階段沿襲了傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計流程，故本文不再贅述。圖4智慧礦山整體框架智慧礦山實施的“三一”理念在實施階段，以“三一”理念為指導(dǎo)，即一套系統(tǒng)、一支隊伍和一個模式，為行業(yè)智慧礦山的發(fā)展提供可復(fù)制可推廣的建設(shè)模式。一套系統(tǒng)即煤炭企業(yè)在信息化、智能化發(fā)展中，信息系統(tǒng)不能東拼西湊，一套成功、高效的管理信息系統(tǒng)應(yīng)該是一個完整的管理體系中管理模式的體現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)模式是礦山建設(shè)智慧化的基礎(chǔ)和重點。東拼西湊的系統(tǒng)易形成信息孤島，難以實現(xiàn)信息化集成所帶來的效果。一支隊伍即建立一支信息化人才隊伍，為智慧礦山的建設(shè)提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)要靠人去合理運(yùn)用，需要人員去升級和維護(hù)。因此創(chuàng)建一支信息化隊伍，以智慧礦山發(fā)展建設(shè)和解決建設(shè)過程中出現(xiàn)的行業(yè)難題為研究內(nèi)容和重點，培養(yǎng)一批智慧礦山的研究型人才。針對我國礦業(yè)信息化的狀況提出，要深化高校采礦工程專業(yè)的改革，培養(yǎng)面向礦業(yè)未來的創(chuàng)新型人才。這支隊伍的打造對智慧礦山建設(shè)的成功實現(xiàn)起到了至關(guān)重要的作用。一個模式即建立一個優(yōu)化的煤炭企業(yè)管理模式。隨著煤炭企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大、業(yè)務(wù)形式、技術(shù)手段的更新，傳統(tǒng)的管理模式效率較低，礦山建設(shè)智慧化的過程必然涉及到管理模式的改進(jìn)與創(chuàng)新，新的生產(chǎn)、管理模式意味著更高效的生產(chǎn)力，這也是煤炭企業(yè)進(jìn)行智慧礦山建設(shè)的初衷與最終目標(biāo)?！叭弧崩砟畹慕ⅲ瑥?qiáng)化了智慧礦山發(fā)展的綜合集成和智能應(yīng)用，使得礦山的智慧化建設(shè)更多地關(guān)注數(shù)據(jù)的感知、共享和互聯(lián)，最終實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)部研究成果的整合共享和延伸。“三一”理念從豐富的項目經(jīng)驗中總結(jié)出來，能夠有效地指導(dǎo)智慧礦山建設(shè)與實施。微觀運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、認(rèn)知心理學(xué)、信息安全等理論微觀上從智慧礦山實施過程中涉及數(shù)據(jù)的分析與挖掘、分析結(jié)果的展示以及信息的安全性3個方面對相關(guān)指導(dǎo)理論進(jìn)行闡述。在綜合自動化、工程數(shù)字化與管理信息化的信息系統(tǒng)建設(shè)下，通過物聯(lián)網(wǎng)等感知技術(shù)實時傳輸至信息系統(tǒng)中，礦山企業(yè)信息系統(tǒng)內(nèi)的各類主題數(shù)據(jù)庫已經(jīng)存儲了海量數(shù)據(jù)，如何運(yùn)用這些數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)背后存在的規(guī)律與問題，是維護(hù)礦山實施過程中的核心任務(wù)，也是實現(xiàn)智慧礦山智能應(yīng)用這一重要目標(biāo)的核心策略。要想實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的清洗、融合、挖掘以及智能搜索就需要依靠大數(shù)據(jù)的相關(guān)理論方法作為指導(dǎo)。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、估值和預(yù)測，對無特定關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行相關(guān)性分析和聚類分析，尋找其中蘊(yùn)含的關(guān)聯(lián)。管理者每天面對龐雜的數(shù)據(jù)信息，在短時間內(nèi)無法及時吸收和發(fā)現(xiàn)企業(yè)運(yùn)作中存在的異常，針對這類問題，就需要運(yùn)用認(rèn)知心理學(xué)的相關(guān)理論指導(dǎo)信息的可視化展示可視化管理是基于信息技術(shù)、人類認(rèn)知規(guī)律而進(jìn)行的能夠有效促進(jìn)管理者認(rèn)知、利用信息資源的管理模式，與傳統(tǒng)管理模式相比，它更突出管理內(nèi)容透明、數(shù)據(jù)流程監(jiān)控、信息圖解、知識分享、問題跟蹤、決策支持以及業(yè)務(wù)協(xié)同等管理功能。大數(shù)據(jù)雖是智慧礦山信息化建設(shè)的核心技術(shù)，但當(dāng)前大數(shù)據(jù)仍處于初級發(fā)展階段，相關(guān)技術(shù)不夠成熟、法律法規(guī)以及標(biāo)準(zhǔn)也不夠完善，所以對于大數(shù)據(jù)來說，信息安全問題是當(dāng)前公認(rèn)的一個關(guān)鍵問題。在大數(shù)據(jù)的清洗、處理、加工、挖掘、分析的各個環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)信息安全的問題，針對大數(shù)據(jù)的安全性、保密性、可用性等應(yīng)該以信息安全理論作為指導(dǎo)，建立信息安全標(biāo)準(zhǔn)確保信息的高效安全傳輸。智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)智慧礦山中關(guān)鍵技術(shù)涉及的環(huán)節(jié)可見圖4智慧礦山整體框架中圈紅部分。智慧礦山建設(shè)過程中具體應(yīng)該突破的關(guān)鍵技術(shù)主要有5個，即智慧礦山的管理模型、數(shù)據(jù)模型、標(biāo)準(zhǔn)化體系以及煤機(jī)裝備的網(wǎng)絡(luò)化與智能化改造和數(shù)據(jù)處理智能模型構(gòu)建4.1智慧礦山管理模型由上述智慧礦山參考模型可知，煤炭企業(yè)的組織、業(yè)務(wù)與活動應(yīng)按照層級鏈三大維度進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)作。在運(yùn)行的過程中，對于不同的組織職級所涉及到的每一個業(yè)務(wù)的組織、流程和制度都應(yīng)該得到有效地管控。這就需要按照企業(yè)實際的需求，針對管理過程中各個環(huán)節(jié)流程與業(yè)務(wù)，例如資產(chǎn)管理、人力資源管理、設(shè)備管理等各個方面都應(yīng)該建立對應(yīng)的管理模型。通過具體實現(xiàn)業(yè)務(wù)與流程的技術(shù)方法和指導(dǎo)理論，構(gòu)建不同類型的管理模型，使得各個部門、管理者涉及的責(zé)、權(quán)、利統(tǒng)一起來，管理運(yùn)作中涉及的資源分配、消耗和使用的時空屬性透明化的展示出來。智慧礦山以透徹感知、深度互聯(lián)和智能應(yīng)用為基本特征，旨在要實現(xiàn)更透徹的感知、更深度的互聯(lián)互通、更廣泛的智能應(yīng)用［8］?；谥腔鄣V山的基本特征，應(yīng)構(gòu)建可視化管理模型以指導(dǎo)智慧礦山的運(yùn)行?？梢暬芾砟Ｐ椭荚诶肐T系統(tǒng)使得各個管理環(huán)節(jié)實現(xiàn)透明化和可視化，在此基礎(chǔ)上針對管理過程中涉及的所有業(yè)務(wù)流程按照其管理需求和目的構(gòu)建管理模型，以達(dá)到復(fù)雜系統(tǒng)可視化的目的。例如，史后波［19］從可視化管理系統(tǒng)的信息控制模型入手，構(gòu)建了可視化管理VOFA模型，設(shè)計了煤炭企業(yè)可視化管理系統(tǒng)；劉屹［20］構(gòu)建了煤炭企業(yè)成本管控LUBA模型，以可視化的方式揭示隱藏在成本信息背后的成本動因和成本責(zé)任主體間的關(guān)聯(lián)性。LUBA模型即將煤炭企業(yè)所發(fā)生的成本劃分為區(qū)成本(A)、塊成本(B)、線成本(L)、單元成本(U)的方式，建立了LUBA可視化成本管理模型，目的也是為了更好地實現(xiàn)可視化成本管理。智慧礦山管理模型如圖5所示。智慧礦山數(shù)據(jù)模型在物理世界中包含大量的主體、設(shè)備、材料等成千上萬的管理與操作對象(如采煤機(jī)、工作面、錨桿等)，每個對象又包含描述其特征的基本屬性(如型號、功率、長度、預(yù)緊力等)，對象與屬性共同構(gòu)成成千上萬的數(shù)據(jù)單元。針對礦山的復(fù)雜、海量、異質(zhì)、異構(gòu)、時變、隨機(jī)、多態(tài)數(shù)據(jù)，智慧礦山應(yīng)根據(jù)不同的主題分類構(gòu)建不同的主題數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)提供的數(shù)據(jù)應(yīng)遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。這些數(shù)據(jù)單元分布存儲在不同主題的數(shù)據(jù)倉庫中，然而在業(yè)務(wù)邏輯上和專業(yè)知識中不同數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)之間是相互聯(lián)系的。為了明確對象之間以及屬性之間的聯(lián)系，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。例如地質(zhì)數(shù)據(jù)、瓦斯數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)的存放需要進(jìn)行數(shù)據(jù)建模分類，構(gòu)建不同的數(shù)據(jù)庫來對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。數(shù)據(jù)模型旨在提取物理世界中包含的所有對象及其屬性，構(gòu)造屬性之間的邏輯關(guān)系，以解決礦山模型中數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的問題，為數(shù)據(jù)的存儲和組織提供依據(jù)。實際操作中主要通過統(tǒng)一建模語言UML進(jìn)行業(yè)務(wù)流程分析，進(jìn)而提取其中包含的所有有效屬性，按照三大范式的原則對屬性進(jìn)行分類和系統(tǒng)設(shè)計，構(gòu)建表中數(shù)據(jù)元素的關(guān)系模式，構(gòu)成數(shù)據(jù)庫中各種表，建立數(shù)據(jù)庫表之間的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步更新。數(shù)據(jù)建模就是通過將生產(chǎn)和各類管理活動的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系、數(shù)據(jù)邏輯等進(jìn)行邏輯的整理進(jìn)而轉(zhuǎn)換成信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)流，形成相應(yīng)的礦山管理模型和礦山數(shù)據(jù)模型，便于快速高效地分析和利用數(shù)據(jù)。迄今為止，煤炭行業(yè)還未見構(gòu)建出完整的數(shù)據(jù)模型，導(dǎo)致煤炭行業(yè)的數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)共享，信息系統(tǒng)的功能實現(xiàn)受到制約。為了滿足智慧礦山的所涉對象及其屬性關(guān)系的紛繁復(fù)雜特征描述和智能處理的要求，礦山數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建是智慧礦山建設(shè)繞不開的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。智慧礦山數(shù)據(jù)模型如圖6所示。圖5智慧礦山管理模型智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)化體系智慧礦山建設(shè)的層、級、鏈三大維度的集成是實現(xiàn)智慧礦山的關(guān)鍵所在，鏈的集成是煤炭生產(chǎn)整個流程中活動的集成，通過鏈的集成解決了系統(tǒng)多、數(shù)據(jù)庫分離、信息查看不方便的問題；級的集成是煤炭經(jīng)營生態(tài)環(huán)境的整合，進(jìn)而實現(xiàn)了組織間的信息系統(tǒng)連接和數(shù)據(jù)共享。在三大維度集成的過程中，標(biāo)準(zhǔn)體系起著至關(guān)重要的作用。由于價值鏈活動主要基于煤炭開采、生產(chǎn)、銷售等活動的信息化、數(shù)字化手段開展，所以鏈的集成主要的標(biāo)準(zhǔn)需求是煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。級的集成是各個組織層級到整個社會的整合，因此級的集成應(yīng)該基于國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)體系制定。在標(biāo)準(zhǔn)的制定中，應(yīng)立足于現(xiàn)有的國際、國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本國煤炭行業(yè)的國情以及智慧礦山建設(shè)的目標(biāo)和任務(wù)，充分考慮標(biāo)準(zhǔn)的實用性、適用性和專業(yè)性。智慧礦山建設(shè)國際標(biāo)準(zhǔn)參考見表1。圖6智慧礦山數(shù)據(jù)模型表1智慧礦山建設(shè)國際標(biāo)準(zhǔn)參考序號標(biāo)準(zhǔn)號標(biāo)準(zhǔn)名稱1IS0/IEC15288:2008系統(tǒng)和軟件工程:系統(tǒng)生命周期過程2ISO/IEC12207:2008系統(tǒng)和軟件工程:系統(tǒng)生命周期過程（更注重系統(tǒng)成為軟件產(chǎn)品后的過程）3ISO/IEC/IEEE15289-2011系統(tǒng)和軟件工程:生命周期信息產(chǎn)品內(nèi)容4IEC62264企業(yè)信息集成標(biāo)準(zhǔn)5IEC61512批量控制標(biāo)準(zhǔn)6IEC62890工業(yè)流程測量、控制和自動化系統(tǒng)及產(chǎn)品生命周期管理標(biāo)準(zhǔn)7IEC61918工業(yè)控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)安裝8IEC62714工程數(shù)據(jù)及其他煤機(jī)裝備的網(wǎng)絡(luò)化與智能化改造近10年來，我國在礦井建設(shè)、巷道掘進(jìn)、綜采設(shè)備、輔助運(yùn)輸、露天開采、煤炭洗選等方面的裝備研發(fā)取得重要突破，但設(shè)備的智能化和信息化水平較低，技術(shù)水平落后于國際同行近10年［21］。由于煤礦井下工作面環(huán)境惡劣，目前的傳感和感知設(shè)備存在覆蓋面窄、監(jiān)測點不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)存在偏差、存在感知死角等問題，井下未實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)信號無死角覆蓋，缺少或者未建立無線分站，未實現(xiàn)無線感知設(shè)備主動推送數(shù)據(jù)。因此，煤機(jī)裝備網(wǎng)絡(luò)化改造對于改善井下通訊環(huán)境具有重要意義。我國作為世界最大的煤炭生產(chǎn)、消費(fèi)大國，煤機(jī)裝備制造發(fā)展迅速，機(jī)械產(chǎn)品在市場中的競爭力也日益增加。然而，我國煤機(jī)裝備中低端產(chǎn)品過剩，高端高可靠性產(chǎn)品緊缺，核心競爭力和創(chuàng)新力不足，一些關(guān)鍵元部件仍需依靠進(jìn)口［22］。由于井下掘進(jìn)與綜采工作面煤礦裝備的系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要控制的動作較多，因此對部分動作的邏輯性、準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度等要求較高。目前煤機(jī)裝備多為單機(jī)人工操作，不能與工作面的其他裝備實現(xiàn)協(xié)同控制，無法充分發(fā)揮煤機(jī)裝備的性能和提高掘進(jìn)與綜采工作面的掘進(jìn)效率。因此，需要組建一套具有掘、支、運(yùn)等功能的高效率作業(yè)的成套裝備智能化控制系統(tǒng)，所有裝備協(xié)同控制，提高整個井下工作面的工作效率。在煤機(jī)裝備的智能化改造中，應(yīng)該讓專業(yè)人才、煤機(jī)制造企業(yè)和煤炭開采企業(yè)相互聯(lián)合，由煤炭開采企業(yè)提出需求并提供實驗場地，由行業(yè)科研院所進(jìn)行針對性的研究，形成包含有煤機(jī)制造企業(yè)、煤炭企業(yè)和科研院所多方面機(jī)構(gòu)的行業(yè)聯(lián)盟將有助于加快網(wǎng)絡(luò)化、智能化改造。煤機(jī)裝備的網(wǎng)絡(luò)化與智能化改造整體框架如圖7所示。圖7煤機(jī)裝備的網(wǎng)絡(luò)化與智能化改造整體框架數(shù)據(jù)處理智能模型構(gòu)建智慧礦山智慧的核心源于智能模型，不同的業(yè)務(wù)需要構(gòu)建多個智能模型，智能模型的構(gòu)建建立在數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)之上。只存在大量的數(shù)據(jù)是無法實現(xiàn)“智慧”的，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行智能運(yùn)用，從而推動智能決策。智能模型是數(shù)據(jù)模型的進(jìn)一步發(fā)展和深入挖掘，綜合利用數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)算法對不同的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行多維在線分析，構(gòu)建基于不同數(shù)據(jù)模型的綜合性智能模型體系。海量數(shù)據(jù)實現(xiàn)智能化運(yùn)用，使得數(shù)據(jù)得到進(jìn)一步增值，是“智慧”的重要體現(xiàn)，也是衡量礦山建設(shè)智能化水平的重要指標(biāo)和依據(jù)。智能模型正是物理世界、意識世界與信息世界相互作用的重要體現(xiàn)，通過智能模型的構(gòu)建使得信息系統(tǒng)具有人類大腦的功能，從而實現(xiàn)物理世界的設(shè)備自適應(yīng)聯(lián)動、自動學(xué)習(xí)和自動模擬決策。數(shù)據(jù)處理智能模型如圖8所示。圖8數(shù)據(jù)處理智能模型圖8為數(shù)據(jù)處理智能模型的具體實踐舉例，其中?；鶊D中每個分支都代表了信息流（即詞頻），分支寬度反映信息流量大小，從左至右分別流經(jīng)生產(chǎn)單位、隱患問題與事故要素，不同的責(zé)任主體和事故要素以顏色區(qū)分（黃色分支為根據(jù)主題挖掘結(jié)果統(tǒng)計后識別的包含更多隱患細(xì)分的隱患問題）。通過數(shù)據(jù)處理智能模型的構(gòu)建可以分析出隱患信息與隱患問題責(zé)任主體之間的聯(lián)系，針對責(zé)任主體找到問題的源頭，從根本上解決隱患問題。5結(jié)論與展望智慧礦山是大勢所趨，然而實現(xiàn)全面的智慧礦山還有差距，智慧礦山建設(shè)是一個循序推進(jìn)的過程。智慧礦山是在信息化技術(shù)推動下，依靠大數(shù)據(jù)智能模型、管理模型、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及傳感設(shè)備高度集成的一種礦山信息化發(fā)展新階段，也是信息化建設(shè)的新形態(tài)。智慧礦山的建設(shè)是未來礦山實踐和理論研究的前沿方向，對建設(shè)綠色礦山，實現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。未來智慧礦山的發(fā)展將集中在理論體系和關(guān)鍵技術(shù)突破兩個層面：第一個層面是理論體系，運(yùn)用現(xiàn)有的采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等各個學(xué)科的存量知識，發(fā)展智慧礦山理論是學(xué)界努力的方向，因為理論體系在宏觀層面為智慧礦山的發(fā)展提供了整體規(guī)劃，使智慧礦山的建設(shè)道路日益清晰；第二個層面是關(guān)鍵技術(shù)突破，各個省市及企業(yè)應(yīng)該積極響應(yīng)國家政策的號召，在