智慧矿山基本内涵、核心问题与关键技术.pdf

工矿自动化 Ind ustr ya nd MineAuto ma tio n Vo l 45No 9 Sep82019 第45卷第9期 2019年9月 i分析研究t 文章编号1671-251X201909-0061-04 DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2019020046 智慧矿山基本内涵、核心问题与关键技术 罗香玉s 李嘉楠1 郎丁2 1.西安科技大学计算机科学与技术学院，，陕西西安710054 2. Co l l eg e o f Ener g y Eng ineer ing , Xia n Univer sity o f Sc ienc e a nd Tec h no l o g y, Xia n 710054, Ch ina Abstract Ba sic c o nno ta tio ns o f wisd o m mine wer e summa r ized , wh ic h wer e h a ving a c tive per c eptio n a b il ity , a uto ma tic a na l ysis a b il ity a nd quic k pr o c essing a b il ity , d ig ita l mine wa s th e fo und a tio n a nd suppo r t o f wisd o m mine, wh il e unma nned mine wa s th e a d va nc ed sta g e a nd ul tima te g o a l o f wisd o m mine. Th r ee c o r e pr o b l ems to b e so l ved in wisd o m mine wer e po inted o ut, wh ic h wer e d eep per c eptio n o f mine sta te, d eep mining o f mine d a ta a nd d ec isio n suppo r t fo r mine sa fety pr o d uc tio n a nd ma na g ement. Th r ee key tec h no l o g ies th a t wisd o m mine r el ied o n wer e a na l yzed , na mel y c o a l mine Inter net o f th ing s tec h no l o g y, c o a l mine b ig d a ta tec h no l o g y a nd c o a l mine intel l ig ent d ec isio n suppo r t tec h no l o g y. Key words wisd o m mine; d ig ita l mine; unma nned mine; d eep per c eptio n ； d a ta mining ； Inter net o f th ing s_b ig d a ta _intelig entd ec isio nsuppo r t 0引言 未来与空间信息相关的高科技发展有三大方 向，即航空航天、深海探测与采矿工程⑴。目前，国 内外在航空航天和深海探测领域已取得巨大突破, , 但采矿工程高科技含量相对较低。矿山地质环境复 杂多变，且随着矿山机械化和信息化的变革，掘进、 开采、运输、安全、管理等系统日益庞大复杂，矿山生 产和安全面临的问题极具挑战性，亟需借助高科技 创新途径来实现矿山生产的高效性和安全性。另 收稿日期019-02-26； ；修回日期2019-08-12 ；责任编辑盛男盛男. . 基金项目国家自然科学基金项目51634007.. 作者简介罗香玉1984 ， ，女，河北那台人，讲，讲师，博士，主要研究方向为分布式计算和大数据， ，E-ma il l uo xia ng yuxust. ed u. c n. . 引用格式罗香玉，李嘉楠，郎丁.智慧矿山基本内涵、核心问题与关键技术].工矿自动化，2019,459 6164. LUO Xia ng yu，，LI Jia na n，，LANG Ding . Ba s ic c o nno ta tio n，，c o r e pr o b l ems a nd key tec h no l o g ies o f wisd o m mine[J*. Ind us tr y a nd Mine Auto ma tio n, 2019,459 61-64. 62 工矿自动化2019年第45卷 外，我国经济发展已步入新常态，依靠资源要素投 入、规模扩张的粗放式发展难以为继，创新驱动成为 能源行业新的发展主题 随着智慧化成为继工业化、自动化、信息化之后 科技革命的新突破,能源行业提出智慧矿山的理念, 以为矿山的高效、安全生产带来新的助益。智慧矿 山的理念虽已提出多时，但人们对其基本内涵尚未 形成统一认识3，对智慧矿山建设面临的关键问题 和需要进行科技攻关的关键技术亦不十分明确。这 些因素直接阻碍着智慧矿山理念的真正落地和智慧 矿山建设的快速发展。本文在调研大量文献和综合 分析的基础上，对智慧矿山的基本内涵、核心问题和 关键技术进行探讨，有助于准确把握智慧矿山的发 展方向，推动智慧矿山建设更快发展。 1智慧矿山基本内涵 把握智慧矿山基本内涵，需要厘清智慧矿山与 数字矿山及无人矿山的联系与区别数字矿山是智 慧矿山的基础，离开矿山的数字化，矿山的智慧化就 无从谈起;无人矿山则是智慧矿山的高级阶段和终 极目标;无人矿山必须建立在矿山高度智慧化的基 础上才能实现。 1 数字矿山是智慧矿山的基础和依托。数字 矿山的核心要义是在统一的时间参照和空间框架 下，通过三维可视化表达等不同手段获取海量、异 质、异构、多维、动态的矿山信息，并对其进行科学有 序的组织、管理、维护，进而建立矿山信息的分布式 共享、协同和利用机制由此可见，数字矿山的核 心目标是矿山相关各类信息的数字化表征、存储与 共享。这些信息是实现智慧化决策的根本依据。 2 智慧矿山的核心要义在于“智慧”。数字矿 山实现了生产、安全和管理数据的集中采集、存储与 展示，但未考虑数据价值的深度挖掘,对数据的综合 利用能力欠缺，为煤矿精细化管理提供决策支持的 能力不足5。智慧矿山则强调对数据的深度利用能 力，借助大数据、人工智能等技术，由数据上升为“智 慧”，使整个矿山具有自我分析和决策的能力，为煤 矿安 生 与管 提供强大 决策 ， 矿山 “人、机、环、管”处在高度协调的统一体中运行。 3 无人矿山是智慧矿山的高级阶段和终极目 标。随着矿山智慧化水平的进一步提升，矿山掘进、 开采、运输、安全、管理等各类决策对人的依赖程度 进一步降低，最终借助机器人等技术实现无人矿山 的目标。无人矿山是矿山安全的根本保障。地下完 全无需人工作业，代之以机器人作业。少量高素质 从业人员则主要工作在矿山调度指挥中心。 智慧矿山是 建 基 上， 知技术、传输技术、信息处理、智能计算等与现代采 矿技术紧密结合,实现对真实煤矿的全面感知，构成 煤矿中人与人、人与物、物与物相联的网络，动 态、详尽地描述并控制煤矿安全生产与运营全过程, 实现矿井开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保 护、生产管理等全过程智能化运行8 ,并最终实现少 人以至无人矿山。智慧矿山是解决矿山安全问题、 管理问题和效益问题的必然选择，是多学科交叉融 合的前沿研究领域3，有着广阔的发展前景。 2智慧矿山建设核心问题 从智慧矿山的基本内涵出发，有助于聚焦智慧 矿山建设的核心问题。智慧矿山的“智慧”包含对矿 山主动感知能力、自动分析能力及快速处理能力。 以开采工作面为例，要能主动感知煤岩层变化及支 架受力变化等，自动分析支护强度是否达标,并能实 时给出支护方案的调整策略。从主动感知能力、自 动分析能力及快速处理能力出发,建设智慧矿山需 要着力解决如下三方面的核心问题。 1 矿山状态深度感知。数字矿山阶段已经具 备部分感知能力，如部署了一些感知环境参数的传 感器等10*，但总体感知能力尚不充分。智慧矿山 的第一项能力便是主动感知能力，只有在感知的基 础上才能进行自动分析与快速处理。这种感知应该 是更加全面和深入的感知,涉及矿山的人员、设备、 环境、管理等各方面参数的动态变化。同时,这种感 知应该是更精准的感知，能够确认变化发生的具体 部位，如巷道形变发生的具体位置。 2 矿山数据深度挖掘。原始的感知数据体现 出量大而价值密度低的特点，必须通过数据分析和 挖掘获知对设备和环境状态的判断、对异常事件的 监测及对潜在危险的预警等。矿山数据类型繁 多⑴* ,如反映各类设备工作状态的数据，反映温度、 瓦斯浓度、压强等环境参数的数据，反映工作面支架 受力、煤岩层状态的数据，反映工作人员地理位置等 信息的数据，因此矿山数据深度挖掘必须具备对多 源数据的挖掘能力。此外，矿山数据深度挖掘尤其 要注重对不同数据之间关系的挖掘。 3 矿山安全生产与管理决策支持。在状态判 断、异常监测、危险预警的基础上，必须结合矿山专 业知识，自动做出合理决策，以实现对人员、设备和 2019年第9期罗香玉等智慧矿山基本内涵、核心问题与关键技术 63 环境的调整与控制，从而保证生产的高效性与安 全性。 3智慧矿山关键技术 与智慧矿山的三大核心问题相对应，智慧矿山 的关键技术包括煤矿物联网技术、煤矿大数据技术 及煤矿智能决策支持技术。 1 煤矿物联网技术。煤矿物联网技术主要解 决矿山状态深度感知问题，核心在于获取更全面数 据，为“智慧”的产生提供源泉。矿山数据来源复杂， 包括地质、采矿、测绘、生产、机器设备、人员、财务等 方面，数据类型包括影像、图形、文字、表格等12 ,在 矿山开采过程中数据呈动态变化。煤矿物联网要在 扩展网络、存储等设施的基础上，采用智能传感器、 智能摄像头.RFID读写器、三维激光扫描仪13*等设 备进一步拓宽数据采集的方位。借助煤矿物联网技 术，可实现对矿山各方面状态深度、动态感知，最终 汇聚为海量数据。 2 煤矿大数据技术。要由数据上升为“智 慧”，必须依赖煤矿大数据技术，该技术主要用于预 测地质环境的变化、检测设备工作状态的异常及预 测环境中可能发生的危险事件等[14-16]。煤矿大数 据技术应重点考虑所分析数据的全面性，并基于该 要求设计一种能够容纳结构化、非结构化各类数据 共同参与的分析平台，将传感器数据、监控视频流、 音频流和人工产生的数据相结合，共同参与到大数 据分析平台中，7*。允许不同的大数据分析应用在 同一个集群内共享计算资源，但在逻辑上又互相隔 离，保证异构业务的正常运行。利用大数据技术，可 分析矿山地质环境变化趋势，检测生产设备状态异 常，预测环境中危险事件发生等，有助于更科学地进 行安全生产管理[18]。 3 煤矿智能决策支持技术。在捕获环境变化 趋势、设备状态异常和危险事件发生后，智慧矿山必 须自动快速地进行处理和响应，如进行煤与瓦斯突 出危险区的自动报警，完成设备、线路和通风系统的 自动故障诊断，实现应急预案和救援方案的自动生 成和动态更新等，这些需要依赖煤矿智能决策支持 技术。该技术具体包括3个方面①借助煤矿专家 的经验构建矿山安全、生产、洗选、设备维保、经营管 理等各种专家知识库19* ,形成煤矿自动诊断与响应 系统，保障智慧矿山决策的可靠性；②通过虚拟现 实和增强现实技术，对掘进工艺、瓦斯抽放工艺、应 急救援和人员疏散等进行模拟仿真，从而积累新的 经验，以不断扩充知识库；③通过识别煤矿领域的 本体并抽取本体之间关系0*，构建煤矿领域知识图 谱，有利于构建更完善的专家系统，为煤矿安全生产 与管理提供强大支撑。 4结语 智慧矿山在数字矿山的基础上，融合物联网、云 计算、大数据、人工智能等技术,具备全面感知、趋势 预测、 预警 生 管 与安 管 智能决策 持等能力，是实现少人或无人化矿山的必经阶段。 未来应紧密围绕矿山状态深度感知、矿山数据深度 挖掘、矿山安全生产与管理决策支持这3个智慧矿 山核心问题，综合运用煤矿物联网技术、煤矿大数据 技术及煤矿智能决策支持技术，形成对智慧矿山的 强大支撑，为最终实现无人矿山奠定坚实基础。 参考文献References 1 毛善君.高科技煤矿”言息化建设的战略思考及关键 技术煤炭学报，2014,39815721583. MAO Sh a nDun8Str a teg ic th inking a nd key tec h no l o g y o finfo r ma tiza tio nc o nstr uc tio no fh ig h -tec h c o a l mine J*.Jo ur na l o f Ch ina Co a l So c iety， 2014， 39 8 1572-1583. [2 *李梅，杨帅伟，孙振明，等智慧矿山框架与发展前景 研究煤炭科学技术，2017,451121128 LIMei，YANGSh ua iwei，SUNZh enming，eta l 8Stud y o n fr a mewo r k a nd d evel o pment pr o spec ts o f intel l ig ent mine [J*. Co a l Sc ienc e a nd Tec h no l o g y, 2017,451121-128 3 *何敏.智慧矿山定义探讨*.工矿自动化，2017, 43912-168 HE Min. Disc ussio n o n d efinitio n o f wisd o m mine[J*. Ind ustr ya nd MineAuto ma tio n，2017，43912-168 4 *贺耀宜.智慧矿山评价指标体系及架构探讨工矿 自动 ，2017，43916-20 HE Ya o yi Disc ussio no neva l ua tio nind exsystema nd a r c h itec tur e o f sma r t mine [J*. Ind ustr y a nd Mine Auto ma tio n，2017，43916-20 [5 *高文.智慧矿山智能决策支持技术架构设计工矿 自动 ，2017，43921-25 GAO Wen Desig n o f intelig ent d ec isio n suppo r t tec h no l o g y a r c h itec tur e fo r wisd o m mine*. Ind ustr y a nd MineAuto ma tio n，2017 ，43 9 21-25 [6 *杨韶华，周昕，毕俊蕾.智慧矿山异构数据集成平台设 计工矿自动化，2015,4152326. YANGSh a o h uaZHOU XinBI Junl ei Desig n o f h eter o g eneo usd a ta integ r a tio npl a tfo r mo fsma r tmine 64 工矿自动化2019年第45卷 [J*. Ind ustr y a nd Mine Auto ma tio n, 2015 ,415 20171692-948 LIU Sh ua ng yuePENG Li8Ana l ysis o f c o a l mine 23-268 [14* 7 *张旭平，赵甫胤,孙彦景.基于物联网的智慧矿山安全h id d end a ng er c o r r el a tio nb a sed o nimpr o ved a pr io r i 生产模型研究煤炭工程，2012,4410 123125.a l g o r ith m[C*//Th e4th Inter na tio na l Co nfer enc eo n ZHANG Xuping ,ZHAO Fuyin, SUN Ya njing . Stud yIntel l ig ent Systems Desig n Eng ineer ing o nsa fetypr o d uc tio nmo d el o fintelig entmineb a seo n Appl ic a tio nsZh a ng jia jie2014112-1168 Inter net o f th ing s [J*. Co a l Eng ineer ing, 2012,[15*LIU Sh ua nh o ngSHAO Lia ng sh a nLU Lin8Resea r c h 4410 123-125o nfo r ec a stmeth o d o fc o a l mineemer g enc iesb a seo n [8*王国法，王虹，任怀伟，等.智慧煤矿2025情景目标和r o ug h sets-neur a l netwo r k a nd c a se-b a sed r ea so ning 发展路径煤炭学报，2018,432 295-305.[C*//Th e3r d Inter na tio na l Co nfer enc eo nIntelig ent WANG Guo fa, WANG Ho ng, REN Hua iwei, eta lSystem Desig n a nd Eng ineer ing Appl ic a tio nsHo ng 2025 sc ena r io s a nd d evel o pment pa th o fintelig ent Ko ng ,20131171-1174. c o a l mine[J*8Jo ur na l o fCh ina Co a l So c iety,2018,[16*LIGua ng r o ng 8Resea r c h o n c o a l mine sa fety r isk 432295-3058 a ssessmentb a sed o nART-2neur a l netwo r k[C*//Th e [9 * HU Sh ush a n, TANG Cunc h en, YU Riji, et l 5th Inter na tio na l Co nfer enc e o n Intelig ent Huma n- Intelig entc o a l mine mo nito r ing system b a sed o n th e Ma c h ine Systems a nd Cyb er netic s, Ha ng zh o u, 2013 Inter net o f th ing s [ C *//Th e 3r d Inter na tio na l 424-428 Co nfer enc eo nCo nsumer El ec tr o nic s,Co mmunic a tio ns[17*LIU Xia ng l a n Dig ita l c o nstr uc tio n o fc o a l mine b ig a nd Netwo r ks, Xia nning,2013 380-384.d a ta fo r d ifer entpl a tfo r msb a sed o nl ifec yc l e[C*// 10* YE Ya l in, ZHANG Lin,SONG Xia o feng,et a l 8A IEEE 2nd Inter na tio na l Co nfer enc e o n Big Da ta no vel c o a l minesec ur ity mo nito r ing system b a sed o n Ana l ysisBeijing 2017 456-459 Zig Bee [ C*//Inter na tio na l Co nfer enc e o n Intel l ig ent[18*张长鲁基于对应分析的煤矿隐患时空分布特征研究 Tr a nspo r ta tio n, Big Da ta a nd Sma r t City, Ha l o ng[J* 矿安 2017482230-233 Ba y,201539-42.ZHANG Ch a ng l u Stud y o n tempo r a l a nd spa tia l [11* YU Wa njun, WANG Jia n, ZHAO Hua il in. Resea r c h d istr ib utio nc h a r a c ter s o fc o a l mine h id d entr o ub l es o n r isk ma na g ement o f g a s sa fety b a sed o n b ig d a tab a sed o nc o r r espo nd enc ea na l ysis[J* Sa fetyin Co a l [ C *//Inter na tio na l Co nfer enc e o n Intelig entMines2017 482230-233 Info r ma tic s a nd Bio med ic a l Sc ienc es, Ba ng ko k, 2018 [19*何敏.智慧矿山重要特征与实现途径工矿自动 90-92. 2018 44331-35 [12*王莉，杜久升，景海涛.智慧矿山空间数据库建设研究HE Min Impo r ta nt c h a r a c ter istic s a nd r ea l iza tio n 工矿自动化，2014,4012 25-30.wa ys o f wisd o m mine [J * Ind ustr y a nd Mine WANG LiDU Jiush engJING Ha ita o 8Stud y o f Auto ma tio n 2018 44331-35 spa tia l d a ta b a se c o nstr uc tio n o f sma r t mine [J * 8[20*杜嘉，刘思含，李文浩，等基于深度学习的煤矿领域 Ind ustr ya nd MineAuto ma tio n 2014 401225-308 实体关系抽取研究智能计算机与应用，2019, 3*雷斌，李俊，雷磊.三维激光扫描测量技术在智慧矿山91114-118 中应用世界有色金属201716 92-94.DUJiaLIU Sih a nLI Wenh a oet a l Resea r c h o n LEIBinLIJunLEI Lei8Th ea ppl ic a tio n o fth r ee-entity r el a tio nsh ip extr a c tio n in c o a l mine b a sed o n d imens io na l l a s er sc a nning a nd sur veying tec h no l o g yd eep l ea r ning [J * Intelig ent Co mputer a nd o nintelig ent mine [J*8Wo r l d No nfer r o us Meta l sAppl ic a tio ns 2019 91114-118