煤矿信息化建设回顾与展望.pdf

第4 6 卷第7 期 工矿 自动化 v 0 1 ．4 6N o ．7 2 0 2 0 年7 月 I n d u s t r ya n dM i n eA u t o m a t i o n J u l ．2 0 2 0 文章编号1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 2 0 0 7 0 0 0 5 0 7D O I 1 0 ．1 3 2 7 2 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 2 5 1 x ．1 7 6 2 4 煤矿信息化建设回顾与展望 丁恩杰1 ’2 ，廖玉波3 ，张雷4 ，刘忠育1 ’2 1 ．中国矿业大学物联网 感知矿山 研究中心，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 3 ．淄博矿业集团有限责任公司装备环保部，山东淄博2 5 5 0 0 0 ； 4 ．徐州工程学院信息工程学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要从煤矿信息化的定义出发，回顾了煤矿信息化建设经历的单机 系统 自动化、综合自动化、矿山物 联网、智能矿山、感知矿山等阶段的特征、典型问题及具有代表性的解决方案，指出单机 系统 自动化矿山 仅能够对单一设备或单一系统进行简单控制，属于煤矿信息化建设的初级阶段；综合自动化矿山实现了多系 统间的自动化控制，解决了信息孤岛问题，属于煤矿信息化建设的中级阶段；物联网矿山、智能矿山分别实现 了人与人、人与物和物与物相联及深度相联，感知矿山实现了矿山信息与状态的认知与知识集成，属于煤矿 信息化建设的高级阶段。梳理了煤矿信息化、数字化、虚拟化和智慧化之间的关系，指出煤矿信息化包括矿 山数字化、虚拟化和智慧化的所有内容；物理矿山、数字矿山、虚拟矿山通过物的集成、数据集成和语义集成 形成一个完整的闭合体，智慧矿山是该闭合体的核心。分析了目前煤矿信息化建设在感知层、网络层、平台 层、应用层存在的主要问题，探讨了煤矿信息化技术的发展趋势自治设备大量涌现；煤矿透明化与精准控 制；边缘计算与云平台协同；智能A P P 大量涌现。 关键词煤矿信息化；数字矿山；虚拟矿山；矿山物联网；感知矿山；智能矿山；智慧矿山 中图分类号T D 6 7文献标志码A R e v i e wa n dp r o s p e c to fc o a lm i n ei n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o n D I N GE n ii e l 一，L I A OY u b 0 3 ，Z H A N GL e i 4 ，L I UZ h o n g y u l ，2 1 ．I n t e r n e to fT h i n g s P e r c e p t i o nM i n e R e s e a r c hC e n t e r ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y X u z h o u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；2 ．T h eN a t i o n a la n dL o c a lJ o i n tE n g i n e e r i n gL a b o r a t o r yo fI n t e r n e t T e c h n o l o g yo nM i n e ，X u z h o u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；3 ．E q u i p m e n ta n dE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nD e p a r t m e n t Z i b oM i n i n gG r o u pC o ．，L t d ．，Z i b o2 5 5 0 0 0 ，C h i n a ；4 ．C o l l e g eo fI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ， X u z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n 0 1 0 9 y ，X u z h o u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ed e f i n i t i o no fc o a lm i n e t h e i rr e p r e s e n t a t i v es o l u t i o n si nd i f f e r e n ts t a g e s i n f o r m a t i z a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t y p i c a lp r o b l e m sa n d o f c o a lm i n ei n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o na r er e v i e w e d ， w h i c hi n c l u d e s i n 9 1 em a c h i n e s y s t e m a u t o m a t i o n ，i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ， m i n eI n t e r n e to ft h i n g s ， i n t e U i g e n tm i n ea n dp e r c e p t i o nm i n e ． I ti sp o i n t e do u tt h a t S i n g l em a c h i n e s y s t e m a u t o m a t i o nm i n e ， w h i c ho n l yc a r r i e so ns i m p l ec o n t r 0 1t oas i n 9 1 ed e v i c eo rs y s t e m ， b e l o n g st ot h ei n i t i a ls t a g eo fc o a lm i n e i n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o n ； I n t e g r a t e da u t o m a t i o nm i n e ， w h i c hr e a l i z e sa u t o m a t i cc o n t r 0 1a m o n gm u l t i s y s t e m sa n ds o l v e si n f o r m a t i o ni s l a n d ，b e l o n g st ot h em i d d l es t a g e ； I n t e r n e to ft h i n g sm i n e ， i n t e l l i g e n t m i n ea n dp e r c e p t i o nm i n eb e l o n gt ot h es e n i o rs t a g e ，i nw h i c hI n t e r n e to ft h i n g sm i n ea n di n t e l l i g e n tm i n e 收稿日期2 0 2 0 0 6 1 5 ；修回日期2 0 2 0 一0 7 1 4 ；责任编辑李明。 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 8 0 4 4 0 1 。 作者简介丁恩杰 1 9 6 2 一 ，男，山东青岛人，教授，博士，研究方向 e d u ．c n 。 引用格式丁恩杰，廖玉波，张雷，等．煤矿信息化建设回顾与展望口] D I N GE n j i e ，L I A OY u b o ，Z H A N GL e i ，e ta 1 ．R e v i e wa n d A u t o m a t i o n ，2 0 2 0 ，4 6 7 5 1 1 ． 为监测监控与现场总线、信号处理、矿山物联网，P m a i l e n j i e d c u m t 工矿自动化，2 0 2 0 ，4 6 7 5 1 1 ． p r o s p e c to f c o a lm i n ei n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i 。n [ J ] ．I n d u s t r ya n dM i n e 万方数据 6 工矿自动化第4 6 卷 s e p a r a t e l yr e a l i z ec o n n e c t i o na n dd e e pc o n n e c t i o no fp e r s o np e r s o n ，p e r s o no b je c ta n do b je c to b je c t ， a n d p e r c e p t i o nm i n er e a l i z e sc o g n i t i o na n dk n o w l e d g ei n t e g r a t i o no fm i n ei n f o r m a t i o na n ds t a t u s ．I 之e l a t i o n s h i p s a m o n gc o a lm i n ei n f o r m a t i z a t i o n ，d i g i t i z a t i o n ， v i r t u a l i z a t i o na n di n t e l l i g e n c ea r ec o m b e d ．I ti sp o i n t e do u t t h a t C o a lm i n ei n f o r m a t i z a t i o ni n c l u d e sa l lc o n t e n t so fm i n ed i g i t i z a t i o n ，v i r t u a l i z a t i o na n di n t e l l i g e n c e ； P h y s i c a lm i n e ，d i g i t a lm i n ea n dv i r t u a lm i n ef o r ma ni n t e g r a lc l o s e dp o l y g o nt h r o u g ho b j e c ti n t e g r a t i o n ， d a t ai n t e g r a t i o na n ds e m a n t i c si n t e g r a t i o n ，w h i l es m a r tm i n ei st h ec o r eo ft h ec l o s e dp o l y g o n ．T v I a i n p r o b l e m se x i s t e di nc u r r e n tc o a lm i n ei n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o na r ea n a l y z e df r o ma s p e c t so fp e r c e p t i o n 1 a y e r ， n e t w o r k1 a y e r ， p l a t f o r ml a y e ra n da p p l i c a t i o n1 a y e r ． F u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d so fc o a lm i n e i n f o r m a t i o n z a t i o nt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e d ，w h i c ha r ea1 a r g ea m o u n to fa u t o n o m o u sd e v i c e s ，c o a lm i n e t r a n s p a r e n c ya n dp r e c i s ec o n t r 0 1 ， c o o r d i n a t i o no fe d g ec o m p u t i n ga n dc l o u dp l a t f o r m ，a n da1 a r g ea m o u n t o fi n t e l l i g e n tA P P ． K e yw o r d s c o a lm i n ei n f o r m a t i o n z a t i o n ； d i g i t a lm i n e ； v i r t u a lm i n e ；m i n eI n t e r n e to f t h i n g s ； p e r c e p t i o nm i n e ；i n t e l l i g e n tm i n e ； s m a r tm i n e 0 引言 煤矿安全一直是安全生产的重要领域，任务艰 巨，责任重大。信息化是当今世界发展的大趋势，是 推动经济社会变革的重要力量。煤炭工业信息化建 设可以提高煤矿企业安全管理的预测、预防和防控 能力，推动安全从静态管理向动态管理、从被动管理 向主动管理、从程序管理向智能化管理的转变，从而 推动企业安全生产的创新。根据2 0 0 6 2 0 2 0 年国 家信息化发展战略提出的“以信息化带动工业化、 以工业化促进信息化，走中国特色的信息化道路”指 导思想，本文探讨和分析了信息化的起源及内涵，概 括了我国煤矿企业信息化建设历史和现状，总结了 煤矿信息化内涵，并指出了我国煤矿信息化建设存 在的问题和发展趋势。 1 煤矿信息化定义 信息化的概念最早出现在2 0 世纪6 0 年代的日 本，直到2 0 世纪7 0 年代后期才被西方社会普遍使 用[ 1 ] 。而我国首次明确给出信息化定义是在1 9 9 7 年召开的首届全国信息化工作会议上，该会议明确 指出“信息化是指培育、发展以智能化工具为代表的 新的生产力并使之造福于社会的历史过程”。 煤矿企业的信息化建设同其他企业相比，既有 相似性，又有其特殊性。企业在生产经营过程中既 要和上下游产业之间进行大量的能量、物质和信息 交换，又要在企业内部以信息流为核心推动工作流、 资金流和物流的高效运转。然而，煤矿企业尤其是 井工类煤矿，由于生产环境受水文、地质、瓦斯等诸 多因素的影响，生产过程不确定因素增多，导致事故 风险和事故带来的经济损失远远高于一般企业。因 此，煤矿企业更加需要通过有效的信息化手段来降 低生产过程中的不确定性，进而保障煤矿安全、高效 和绿色生产。提高信息能力，不但能够有效减少煤 矿企业生产过程中面临的诸多不确定性，还能够提 升企业的运营和管理水平，进而增强企业核心竞争 力[ 2 ] 。据此，对煤矿信息化内涵界定如下以提高安 全生产和管理运营能力为核心，培养信息化人才，利 用现代信息、计算机和人工智能等技术，对煤矿企业 的生产、管理、运营等各个方面、各个环节进行信息 采集、传输、存储、处理和综合利用，保障煤矿企业安 全生产和运营管理，其最终目标是提升煤矿企业的 核心竞争力和与环境的协同性[ 3 ] 。 2 煤矿信息化建设概况 煤炭工业信息化工作起始时间是2 0 世纪8 0 年 代初。原煤炭工业部在1 9 8 4 年成立了煤炭工业部 通信信息中心，其目的是实现全国各煤矿企业的信 息联网与信息共享。这是煤炭工业信息工作起始的 重要标志。与国外相比，我国煤矿信息化建设总体 而言是起步晚、发展快。从2 0 世纪8 0 年代中期到 现在，我国煤矿信息化建设先后经历了单机 系统 自动化、综合自动化、矿山物联网、智能矿山和感知 矿山等阶段[ 4 “] ，如图1 所示。随着物联网、云计算、 人工智能等技术的发展，我国煤矿信息化的发展趋 势将向矿山智慧化方向演化。就各阶段的信息化程 度而言，单机 系统 自动化矿山的信息化程度较低， 仅能够对单一设备或单一系统进行简单控制，属于 信息化建设的初级阶段。综合自动化矿山采用多种 信息处理、通信和控制方法，实现了多系统间的自动 化控制，解决了信息孤岛问题，属于煤矿信息化建设 的中级阶段。物联网矿山是综合自动化矿山向智慧 矿山转型的过渡阶段，目的是实现人与人、人与物和 物与物相联，形成网络下移，解决认知孤岛问题。该 万方数据 2 0 2 0 年第7 期丁恩杰等煤矿信息化建设回顾与展望 7 阶段以人T 智能、大数据和云计算技术为核心支撑。 是智慧矿山的初级阶段。由于煤矿信息化技术发展 巾主要强调了装备与系统的发展，也取得了傲人的 成绩，但是在人机环信息语义捕述与交互上发展缓 慢，因而在2 0 1 92 0 2 0 年提出智能矿山的概念，并 赋予了智能矿山新的内涵。智能矿山融合物联网、 大数据、人工智能和云计算等技术。实现了矿山中人 与人、人与物及物与物的深度相联。属于智慧矿山的 中级阶段。预计2 0 3 02 0 3 5 年煤矿信息化技术发 展进入智慧矿山高级阶段，即对矿山信息与状态的 认知与知识集成阶段。中国矿业大学提出的感知矿 山概念是对矿山信息与状态感传、认知的缩写，因此 属于智慧矿山发展的高级阶段。 煤矿信息化程序 篓兰L兰兰三兰一|； 初级阶段1．皇 丛墨丝2 旦塾些 ． ．年份 图l我国煤矿信息化建设概况及趋势 F i g ．1S u r v e ya n dt r e n do fc o a lm i n ei n f o r m a t i z a t i o n c o n s t r u c t i o ni nC 1 1 i n a 2 ．1单机 系统 自动化 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，随着微机技术的 发展和普及，我国煤矿进入了单机自动化阶段。该 时期矿用自动化设备类型不断增多，如北京煤机厂 现中煤北京煤矿机械有限责任公司 B M J 型、煤炭 科学研究总院太原分院 现中国煤炭科工集团太原 研究院有限公司 Z Z 5 2 0 0 型电控液压支架在液压支 架上集成位移和压力传感器实现自动升降控制一7 1 ； 中国矿业大学和煤炭科学研究总院等先后将P L C 和单片机用于掘进机、带式输送机、排水泵和通风机 等设备的控制。这些技术的应用不但解决了传统控 制器件体积大、成本高等问题，而且提升了控制设备 的可靠性、安全性。使得我国煤矿安全状况得到初步 改善，百万吨死亡率由1 9 8 0 年的4 ．5 下降到1 9 9 3 年的1 ．1 7 。但新技术应用也衍生出新的问题由于 采集的信息基本上都是模拟信号，导致信息传输距 离有限、信号噪声较大，所以均为本地采集、处理并 直接用于单机就地控制。 到2 0 世纪9 0 年代中后期，随着数字信息技术 和网络技术的发展，煤矿自动化开始出现单系统地 面监控，如中国矿业大学研制的K J 6 3 型刮板输送 机监测监控系统，将计算机微电子自动控制和传感 器等技术融为一体，实现了地面远程监控井下刮板 输送机。随后由于较多的单系统自动化希望实现地 面监测监控，所以采用各系统布置独立的传输线路 到地面的方式。系统内部的信息传输以简单的调制 方式为主，如模拟形式、基带形式、载波形式等，传输 速率为6 0 0 ～96 0 0b i t ／s ，采用的传输电缆为矿用屏 蔽电缆。矿井通信以数字程控调度通信系统为主， 井下装机容量可达数百门，远不能满足自动化和 监测监控的需求。另外，各系统间很少有信息交换， 往往是各系统独立工作，如图2 所示。这样就逐步 形成了信息孤岛或子系统孤岛格局，即一个矿山有 多个不同类型的窄带通信线路并行，导致总成本高、 信道不能共用、维护量大、备品备件多、维护人员多、 可靠性差、信息不能集成等问题。 吲2 信息刁R 岛 F 嘻2 I n f o r n l a t i o ni s l a n d 2 ．2综合自动化 进入2 0 0 0 年，煤矿企业单机 系统 不断完善， 各系统之间协调越来越困难，企业对各系统之间互 联互通的需求越来越强烈。借助通信、工业总线及 工业以太网技术飞速发展的契机，一些企业推出专 用网络来实现煤矿不同系统的集成。在神华神东煤 炭集团大柳塔煤矿使用双C 。n t r o l N e t 总线，首次实 现了胶带运输、排水泵房、通风机监控等系统集成， 然而随着使用时问的增长，总线带宽受限的问题日 益突m 。为了克服该问题，兖矿集团济宁三号煤矿 对C o n t r 0 1 N e t 总线进行升级改造，使用C o n t r 0 1 N e t 环网进行系统网络建设，提高了系统冗余度。2 0 0 4 年，山东能源龙矿集团北皂煤矿首次尝试利用百兆 工业以太网实现综合自动化系统，然而由于井下网 络流量分布不均匀，百兆工业以太网不能满足“三网 合一”的需求。2 0 0 5 年，兖矿集团兴隆庄煤矿开始 使用干兆工业以太网实现“三网合一”。在此基础 上，郑煤集团按综合自动化运营模式，制定了一系列 操作规范和标志，从制度和标准方面保障了综合自 动化的安全运行，实现了矿井各类安全信息 瓦斯浓 度、风速、负压、温度、C 浓度等 、煤仓煤位、水仓 水位及主要机电设备生产工况参数等的采集、处理 和统一传输，并且实现了信息的网络共享 如通过 I E 浏览 ．进而对各个子系统现场设备进行远程控 制。短短几年内，该模式成为许多煤矿特别是新建 煤矿的首选一⋯。 综合自动化实现了各系统之间的网络化集成， 万方数据 8 工矿自动化第4 6 卷 使得各系统能够相互联系，解决了信息孤岛问题。 然而系统的认知孤岛 图3 问题并没有解决，这主 要是由于各系统中传感器信息只能用于本系统，系 统问协同管控能力弱，缺少相互联动和信息融合。 图3 认知孤岛 F i g ．3C o g n i t i o ni s l a n d 2 ．3矿山物联网 物联网的概念由麻省理T 学院在19 9 9 年首先 提出，美国、日本和欧盟各国均开展了物联网技术与 产业的研究。在矿山领域，许多专家对矿山物联网 的概念进行了探讨和界定，目前还没有统一的定义。 但是对矿山物联网的架构 图4 、功能、目标等已基 本达成共识。张申∞1 将工业和信息化部对物联网的 定义加以引申，提出了矿山物联网的定义矿山物联 网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利 用感知技术与智能装置对矿山物理世界进行感知识 别．通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘， 实现矿山人与物、物与物信息交互和无缝连接，达到 对矿山物理世界实时控制、精确管理和科学决策的 目的，发展方向是矿山开采的无人化、智能化和智 慧化。 甯圆圈圆圈圈圈 层团匝壅圃匝巫圃 簇o ①籍 望三兰旦j 岁 层田回回 感圆圆圆圆圆圆 翟圈圈囡囡 层 l 采煤ll 掘进ll 提升l l 通风l 倒倒倒倒 图4 矿山物联网架构 F i g ．4 S t r u c t u r eo fm i n eI n t e r n e to ft h i n g s 中国矿业大学物联网 感知矿山 研究中心于 2 0 1 0 年提出了“感知矿山物联网”的理念，形成了较 为完整的矿山物联网技术体系””。2 0 1 1 年1 1 月， 首个物联网示范T 程夹河煤矿矿山物联网示范 丁程通过国家安全生产监督管理总局的鉴定和验 收。这是我国煤矿企业进入煤矿物联网应用阶段的 重要标志之一。孙继平u 1o 提m 了煤矿物联网的特 点并指明了煤矿物联网需解决的关键技术问题。华 钢等”o 从结构、性能、T 作原理、分层架构及关键技 术等方面。探讨了物联网环境下的煤矿安全监控系 统，并指出要实现物联网监控系统还需要解决规程 和标准、传感器的低功耗等问题。刘统玉等口3 ] 以煤 矿安全监控系统中的激光甲烷传感器、矿山微震监 测系统巾的光纤加速度传感器及采空区火灾监测预 警系统中的光纤分布式温度传感器为例．介绍了矿 用光纤传感器在矿山安全物联网中的应用情况。卢 新明等_ 1 1 阐述了矿山物联网云计算平台的关键技 术、核心目标及主要功能。赵小虎等1 ⋯总结了矿山 网络现状，结合矿山物联网的发展目标及未来矿山 在信息处理方式上的变化趋势，提出了扁平化、智能 化、资源抽象化等矿山物联网网络设计原则。袁 亮[ 】6 1 提出了煤炭精准开采的科学构想，并在此基础 上进一步凝练出了面向煤炭精准开采的5 种关键技 术和实现未来无人矿山的两大技术体系。 物联网技术推动了物物相联，为解决认知孤岛 问题提供了手段。2 0 1 02 0 2 0 年为物联网技术发 展的第一阶段，主要研究内容包括物联网平台技术， 中心化的安全架构，物理、数字和虚拟融合技术，工 业物联网技术及物联网生态的形成。2 0 2 02 0 3 0 年是物联网技术发展的第二阶段，称之为自治网络 化的智慧物联网，其主要特征是物联网 人丁智能， 全分布式、异构网络架构，云、边、端融合的协同，离 散式平台，区块链分布式存储技术，自治化物与 系统。 2 ．4矿山智慧化 以人工智能为代表的新技术在算法、算力和大 数据等方面取得了突破性进展，计算机在视觉、语音 和自然语言处理的部分任务巾的表现已经超越人 类。5 G 移动通信技术已经成功在部分国家和地区 商用，极大提升了海量多源信息的实时、互联、共享 能力。借助这些新兴技术，矿山智能化成为时代和 历史的必然选择[ 17 “] 。目前，学术界、工业界和政 府高度重视我国矿山智能化技术的发展，并在多个 省、市的矿山企业进行实践，初步形成了科研攻关、 产品研发、技术落地的良性格局。 自2 0 0 8 年美国I B M 提出“智慧地球”的概念 后，煤炭行业由“智慧地球”理念衍生m 了适应于信 息化潮流的“智慧矿山”概念，众多专家学者立足于 自己的观点，阐述了“智慧矿山”的内涵。智慧矿山 联盟认为，“智慧矿山”以矿山的数字化和信息化为 万方数据 2 0 2 0 年第7 期丁恩杰等煤矿信息化建设回顾与展望 9 基础，能够实现多角度多层次的主动感知、分析和处 理。谭章禄等口胡认为“智慧矿山”是指在矿山资源 利用全过程中，人的意识世界、矿山的物理世界和信 息世界三者构成的有机整体。除了“智慧矿山”外， 很多专家和政府文件中也使用了“智能化煤矿”的概 念。王国法等口明给出了“智能化煤矿”的定义基于 现代煤矿智能化理念，将物联网、云计算、大数据、人 工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等与 现代矿山开发技术深度融合，形成矿山全面感知、实 时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的 完整智能系统，实现矿井开拓、采掘、运通、分选、安 全保障、生态保护、生产管理等全过程的智能化运 行。其技术体系如图5 所示。 3 竺 信批数字化、虚拟化和智慧化之间的竺墨翕嚣蓁磊淼妄戮亨掣笨娄 关系 薹磊二善覆 斋；蕃i i ；i 5 ≤芸蔷；葆磊簇心。一。 矿山智慧化是物联网、云计算、人工智能及数字 化技术发展到一定程度的必然产物，也被称为感知 矿山或智慧矿山。张申等[ 9 1 首先给出了感知矿山的 定义。从定义上可以看出，感知矿山的基础是“感” 但重在“知”，即通过矿山物联网技术形成对矿山所 有实体的泛在感知后，结合人工智能、云计算、大数 据和增强现实等技术，实现矿山安全生产过程和实 体状态演变过程透明化，进而对矿山安全态势进行 判识、预测和预警等。感知矿山是在综合自动化矿 山、数字矿山的基础上，对矿山人、机、环等动态实体 进行全面和详尽描述[ 2 ⋯，是对综合自动化矿山、数 字矿山等概念的升华。有专家预测，2 0 4 0 年左右我 国将完成感知矿山关键理论和相关技术的研发，并 在部分煤矿进行示范和应用；也有专家预测关键时 间节点为2 0 5 0 年。 由矿山信息化的内涵可以看出，煤矿信息化包 括矿山数字化、虚拟化和智慧化的所有内容，其关系 图6 煤矿数字化、虚拟化和智慧化之间的关系 F i g ．6R e l a t i o n s h i p sa m o n gc o a lm i n ed i g i t i z a t i o n ， v i r t u a l i z a t i o na n di n t e l l i g e n c e 4 我国煤矿信息化存在的问题和发展趋势 我国煤矿信息化发展道路已经走过了3 0 多年 的历程，虽然取得了丰硕成果，但仍存在不少问 题[ 2 “。而物联网、大数据和人工智能等技术的发 展，也会产生一些新的问题需要解决。 1 感知层问题。随着物联网技术发展，信息 技术的发展重点逐步下移，“物”端将产生巨大的变 化①传感检测装置与装备将逐步由简单智能装备 万方数据 1 0 工矿自动化第4 6 卷 演变为自治 智慧 “物”。②大量自治物的不断涌 现，从信息编码和描述上均会产生本质的变化，需要 制定新的编码和信息统一描述方法。③智能传感 和泛在无线网络技术的飞速发展，要求传感检测装 置的功耗和体积大幅度降低，以满足泛在、移动需 求。④大量“物”产生的数据是海量的，全部实时上 传数据中心，既增大了网络压力，又降低了数据应用 的实效性，如何将“物”的计算能力提升是亟待解决 的问题。 2 网络层问题。①工业网络的安全性。物 联网是一个开放的网络，如何在开放网络中保证数 据的安全性和可靠性一直是难题。工业网络对安全 性要求更高，如何提高工业物联网的数据安全性也 是面临的问题之一。②物联网条件下，节点I D 成 为数据路由的重要参数，该条件下多网融合、自治交 互的开放协议、智能交互算法也需要进一步研究。 ③数据缓存问题。物联网通过物体、传感设备与网 络的关联来实现物体自动、实时识别、定位、追踪和 监控，并触发相关事件。面对持续采集或到达的数 据流，物联网移动终端问需要进行大量的数据交互， 在节点缓存空间有限的条件下，设计合理的节点缓 存管理机制可以在提高消息投递成功率的同时，减 少网络开销，降低终端能耗。 3 平台层问题。经过多年的研究，大数据和 云计算技术已经得到了大力发展，且有多个业界厂 商开始提供针对物联网大数据处理的云计算平台， 如亚马逊的A W SI o T 、北方工业大学的D e C l o u d 等。“十三五”期问，面向矿山安全生产行业的物联 网云交互服务平台也有了长足发展。随着工业互联 网在各行各业落地应用，相关标准、体系和架构正日 趋完善，然而单一的云计算架构在不同领域应用中 暴露出来的问题日益明显。通过分析从数字矿山到 智能矿山建设进程中所采用的主流架构，发现目前 主流架构无法满足日益增长的煤矿智能化需求，因 此需要研究具有实时特性、适合矿山安全生产需求 的实时云边协同计算服务架构。 4 应用层问题。缺乏基于人工智能驱动的物 联网与大数据聚合的数据分析、设备管理与智能调 度应用系统；缺乏矿山人、机、环高效运行协同管控 系统；缺乏矿山特种设备远程在线诊断与综合服务 系统；缺乏基于大数据的矿山安全态势分析与预测 预警系统；缺乏矿山安全生产状态演化的实时再现、 智能交互动态分析及可视化系统。 针对上述问题，借助人工智能、大数据、物联网 和云计算等新技术，煤矿信息化技术的发展呈现出 以下趋势 1 自治设备大量涌现。具备自主学习和进化 功能的煤矿机器人、新型智能检测装置、智能网关等 边缘计算设备，将根据需求自动执行安全生产任务， 并从独立的智能设备转变为协作智能设备群，最终 形成采、掘、机、运、通、排等系统协同运转的智能 体系。 2 煤矿透明化与精准控制。数字孪生技术应 用于煤矿人、机、环、管各环节，多学科交叉融合，采 用各领域知识与机理、大数据和人工智能技术形成 煤矿各环节的透明化，利用人机智能协同实现煤矿 的精准控制和各种灾害的预警防控。 3 边缘计算与云平台协同。根据简单问题边 缘化、复杂问题集中化原则，边缘计算设备受能耗和 计算资源等的限制，将主要承担较为简单的数据计 算任务，而计算量大、能耗高的任务由云平台完成。 边缘计算和云平台协同为自治设备状态管理与煤矿 各环节透明化与精准控制提供重要支撑。 4 智能A P P 大量涌现。在数字孪生、专家系 统和云边协同计算等技术的基础上，矿山各种生产 要素的历史和当前状态及发展演化趋势，将以智能 A P P 的方式精准、实时地呈现给相关矿山生产者和 管理者。大量涌现的智能A P P 为煤矿安全生产和 新兴智能化管理提供创新型的解决方案。 参考文献 R e f e r e n c e s 杨阳，赵森．煤矿安全生产信息化建设研究[ J ] ．山东 工业技术，2 0 1 9 3 9 5 ． Y A N GY a n g ，Z H A 0S e n ．R e s e a r c ho ni n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o no fc o a lm i n e s a f e t yp r o d u c t i o n [ J ] ． S h a n d o n gI n d u s t r i a lT e c h n o l o g y ，2 0 1 9 3 9 5 ． 孙继平．中国煤炭学会煤矿自动化专业委员会工作报 告[ R ] ．南昌江西鼎异国际大酒店，2 0 1 9 ． S U NJ i p i n g ．W o r k i n gr e p o r to fc o a lm i n ea u t o m a t i o n p r o f e s s i o n a lc o m m i t t e eo f c h i n ac o a ls o c i e t y [ R ] ． N a n c h a n g J i a n g x iD i n g s h e n g I n t e r n a t i o n a l H o t e l 。2 0 1 9 ． 袁亮．我国煤炭工业高质量发展面临的挑战与对策 [ J ] ．中国煤炭，2 0 2 0 ，4 6 1 6 1 2 ． Y U A NL i a n g ．C h a l l e n g e sa n d c o u n t e r m e a s u r e sf o r h i g hq u a l i t yd e v e l o p m e n to fc h i n a ，sc o a li n d u s t r y [ J ] ． C h i n aC o a l ，2 0 2 0 ，4 6 1 6 1 2 ． 朱晓鹏．数字矿山与矿区资源绿色开发探析[ J ] ．内蒙 古煤炭经济，2 0 1 9 1 9 9 6 ． Z H UX i a o p e n g ．P r o b ei n t ot h eg r e e nd e v e l o p m e n to f d i g i t a l m i n e sa n dm i n i n ga r e ar e s o u r c e s [ J ] ．I n n e r M o n 9 0 1 i aC o a lE c o n o m y ，2 0 1 9 1 9 9 6 ． 彭赐灯，杜锋，程敬义，等．美