高科技煤矿信息化建设的战略思考及关键技术.pdf

第３９卷第８期煤炭学报Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．８２０１４年８月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＩＮＡＣＯＡＬＳＯＣＩＥＴＹＡｕｇ．２０１４毛善君．“ 高科技煤矿” 信息化建设的战略思考及关键技术［Ｊ］．煤炭学报，２０１４，３９（８）１５７２－１５８３．ｄｏｉ１０．１３２２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｃｃｓ．２０１４．０７５８ＭａｏＳｈａｎｊｕｎ．Ｓｔｒａｔｅｇｉｃｔｈｉｎｋｉｎｇａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｃｏａｌｍｉｎｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１４，３９（８）１５７２－１５８３．ｄｏｉ１０．１３２２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｃｃｓ．２０１４．０７５８ “ 高科技煤矿” 信息化建设的战略思考及关键技术毛善君（北京大学地球与空间科学学院，北京１００８７１）摘要在相当长的时间内，煤炭仍将是我国的主要能源，逐步实现对我国煤炭工业的现代化改造，最终形成少人或无人的高科技矿山就是时代赋予我们的艰巨任务。基于先进的机电一体化技术、计算机技术、通讯技术、空间信息技术、煤矿专有技术是实现煤矿现代化管理和安全生产的惟一道路。以高科技采矿的理念为指导，结合我国煤炭工业信息化建设取得的成果、存在的问题以及行业发展的战略规划，阐述了数字煤矿、智慧煤矿、少人或无人煤矿的科学内涵和系统架构，并对高科技采矿涉及的部分核心技术和关键问题进行了探讨，为高科技煤矿建设提供了可供研讨的思路和方法。关键词高科技采矿；数字煤矿；智慧煤矿；少人或无人煤矿；安全生产中图分类号ＴＤ６７文献标志码Ａ文章编号０２５３－９９９３（２０１４）０８－１５７２－１２收稿日期２０１４－０６－０８责任编辑张晓宁基金项目国家高技术研究发展计划（８６３）资助项目（２０１２ＡＡ１２１００３）；国家“ 十二五” 科技重大专项资助项目（２０１１ＺＸ０５０４０－００５－００１）作者简介毛善君（１９６４），男，四川成都人，教授，博士生导师。Ｅ－ｍａｉｌｓｊｍａｏ＠ｐｋｕ．ｅｄｕ．ｃｎＳｔｒａｔｅｇｉｃｔｈｉｎｋｉｎｇａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｃｏａｌｍｉｎｅＭＡＯＳｈａｎ－ｊｕｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥａｒｔｈａｎｄＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＣｏａｌｗｉｌｌｂｅｓｔｉｌｌｔｈｅｍａｉｎｅｎｅｒｇｙｉｎＣｈｉｎａｄｕｒｉｎｇｑｕｉｔｅｌｏｎｇｐｅｒｉｏｄｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．ＩｔｉｓａｒｄｕｏｕｓｔａｓｋｆｏｒｕｓｔｏｃｏｎｄｕｃｔｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎｏｎｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｙｏｆＣｈｉｎａｓｔｅｐｂｙｓｔｅｐ，ａｎｄｆｏｒｍｍａｎｌｅｓｓｏｒｕｎｍａｎｎｅｄｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｍｉｎｅ．Ｔｈｅｏｎｌｙｗａｙｔｏｒｅａｌｉｚｅｍｏｄｅｒｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｓａｆｅｔｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｉｓｕｓｉｎｇｔｈｅｔｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｓｐａｔｉａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏａｌｍｉｎｅｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎ．Ｇｕｉｄｅｄｂｙｉｄｅａｓｏｆｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｍｉｎｉｎｇ，ａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｓｔｒａｔｅｇｉｃｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｉｎｄｕｓｔｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｉｎｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｄｉｇｉｔａｌｃｏａｌｍｉｎｅ，ｓｍａｒｔｃｏａｌｍｉｎｅ，ａｎｄｍａｎｌｅｓｓｏｒｕｎｍａｎｎｅｄｃｏａｌｍｉｎｅ，ａｎｄｄｉｓ－ｃｕｓｓｅｄａｂｏｕｔｔｈｅｃｏｒｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓｃｏｎｃｅｒｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｍｉｎｉｎｇ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｉｄｅａｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｃｏａｌｍｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｍｉｎｉｎｇ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏａｌｍｉｎｅ；ｓｍａｒｔｃｏａｌｍｉｎｅ；ｍａｎｌｅｓｓｏｒｕｎｍａｎｎｅｄｃｏａｌｍｉｎｅ；ｓａｆｅｔｙｐｒｏ－ｄｕｃｔｉｏｎ煤矿信息属于空间信息的范畴。笔者认为，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、采矿工程。目前，国内外在航空航天、深海探测领域已经取得巨大的进步，但采矿工程在高科技领域则才刚刚起步。在相当长的时间内煤炭仍将是我国的主要能源，而目前我国煤炭工业无论是教学、科研体系，还是生产矿井的管理架构都是基于传统的人工管理模式，无法适应信息化社会之数字煤矿、智慧煤矿、少人或无人煤矿的具体需求，严重制约了煤炭工业的健康发展第８期毛善君 “ 高科技煤矿” 信息化建设的战略思考及关键技术和向高科技型企业的转型。随着我国现代化进程的不断加快，煤炭工业同样面临科学发展的问题。目前，我国煤炭工业存在如下几个问题①重大安全生产事故时有发生，小的安全生产事故层出不穷；②从业人员，特别是生产一线人员总体知识水平低下；③井下作业环境差或很差，而且高科技在生产和装备体系中所占的比例不高。这些问题的存在与现代社会人们对生活质量的要求不相称，这就可能造成高层次人才对煤炭行业的却步，最终导致存在的问题无法得到根本解决，可能步入恶性循环的轨道。显然，这与我国建立和谐社会、现代化社会的目标背道而驰。通过数十年的发展，航空航天工业已经成为高科技的象征，不仅已经形成较为成熟的高科技教学科研队伍和先进的装备体系，而且从业人员的待遇、工作环境、社会地位都得到社会的认可和追捧。作为古老而又年轻的采矿学科， “ 知识如何改造学科以满足科学采矿和能源发展的需求，如何使煤炭行业全面进入科学发展，成为既安全又高效、受人尊敬的行业 ” ［１］就是摆在全体煤炭科技工作者面前的艰巨任务。 “ 人少就是安全” 已经成为行业的共识。为了达到这一目标，就必须用高科技武装煤炭工业，最终达到少人或无人采矿的目的。２０世纪末，现代高新技术为采矿业带来了前所未有的发展机遇，传统矿业正迈入信息化、自动化、智能化的高科技发展领域， “ 数字矿山” 、 “ 智能矿山” 等诸多新概念和先进技术不断涌现。从２０世纪９０年代开始，南非、芬兰、瑞典、澳大利亚等国为取得在采矿工业中的竞争优势，都先后制定了“ 数字矿山” 、 “ 智能化矿山” 或“ 无人化矿山” 的发展规划，相关核心技术的研发成果显著［２－７］。加拿大还制订出一项拟在２０５０年实现的远景规划，即在加拿大北部边远地区建设一个无人化矿山；芬兰在１９９２年宣布了智能化矿山技术规划，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等２８个专题；瑞典也制定了向矿山自动化进军的“Ｇｒｏｕｎ－ｔｅｅｋｎｉｋ２０００” 战略计划［８］。作为开采技术条件更为复杂的采煤大国，到目前为止还没有形成系统的高科技采矿战略规划、科技攻关和人才培养计划。我国煤炭工业从“ 低技术” 一路走来，虽然其信息化的发展道路已经走过了２０多年的历程，取得了丰硕的成果［９－１４］，但仍存在不少问题（图１）。图１煤矿高科技发展存在的主要问题Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｆｉｅｌｄｓ３７５１煤炭学报２０１４年第３９卷１高科技采矿信息化建设的途径科学技术的发展不可能一蹴而就，是一个长期发展的过程。根据对高科技采矿的理解，其历程应该分为３个阶段。１．１数字煤矿数字煤矿就是以先进的煤矿机电及一体化技术、计算机和通讯技术、３Ｓ（ＧＩＳ，ＧＰＳ，ＲＳ）技术、其他煤矿专用技术以及与信息化相适应的现代企业管理制度为基础，以网络技术为纽带，煤矿安全高效、绿色开采、可持续发展为目标，实现多源煤矿信息的采集、输入、存储、检索、动态修正、查询与专业空间分析，并实现多源信息的多方式输出、实时联机分析处理与决策、专家会诊煤矿安全事故与调度指挥等。归纳起来，数字煤矿包括三大部分综合自动化和在线数据监测、办公自动化、安全生产信息化。数字煤矿是实现高科技采矿的第１步，但它主要是煤矿日常生产事务和管理的现代化，属于“ 空间事物处理系统” 和“ 空间管理信息系统” 的范畴，主要是针对传统的手工或办公数据处理和管理模式而言，是基于信息技术对现有管理模式的改良，但它缺乏决策支持系统的强大功能（具备部分决策支持功能），人为参与或人机交互的工作还占有很大的比重，人的因素仍然起决定作用，高科技复合型人才（即精通信息技术和煤矿专业技术）在职工队伍中所占比例较低，绝大部分员工只要会利用计算机完成本职工作即可。此外，对ＧＩＳ的使用以二维地理信息系统和三维可视化系统为主。数字煤矿的工作主体仍然是人，对机电设备的远程控制功能较弱，但调度室的职能增强，调度室变为调度指挥中心，其工作人员由与煤矿安全生产技术相关的专业技术人员组成，他们能够及时处理井上、井下出现的各种问题。数字煤矿是一个典型的多部门、多专业、多管理层次的开放复杂系统，主要目的是实现办公管理集约化、生产过程自动化与安全生产技术管理现代化。具体结构体系如图２所示。到目前为止，我国数字煤矿的核心技术和软硬件系统开发已经取得了阶段性的成果，部分成果已经在现代化的矿区得到了很好的应用，取得了明显的社会效益和经济效益，为高科技采矿奠定了坚实的基础。图３～８展示了数字煤矿的部分应用成果。１．２智慧煤矿智慧煤矿就是采用最新的数字矿山技术、云计算和大数据数据处理技术、３ＤＧＩＳ、ＴＧＩＳ和虚拟矿井技术、动态决策支持和专家系统技术实现煤矿生产流程的智能化管理。智慧煤矿可以分成３个关键部分物联化、互联化、智能化。①物联化，更透彻的感知。矿山生产流程的任何事物，这里包括各种机电设备及其状态、煤矿井下重大危险源（如水、火、瓦斯、顶板等）的相关信息或工程技术与管理人员都可以被感知和分析到。②互联化，更全面的互联互通，人与人、人与物和物与物之间都可以无障碍地互联互通。这里主要包括煤矿综合自动化和在线数据采集系统、井上下高速通讯系统、人员定位系统、海量数据库管理系统、专业数据处理系统（包括地测、一通三防、采矿、运输、机电、调度、灾害预警、应急救援、监测监控、办公自动化等等）、决策支持系统等的互联互通。③智能化，更深入的煤矿安全生产流程的智能分析，通过ＩＴ手段使互联互通更加智能，确保煤矿的安全生产和高产高效。智慧煤矿是实现煤矿高科技采矿的第２步，此时，生产技术和管理模式与现在相比有很大不同，是管理模式的革命，工作人员大大减少，人员素质大大提高，安全能够得到极大地保障。具体来说就是煤矿的调度室犹如“ 北京航天指挥中心” ，是煤矿生产的心脏，是高技术的综合体（设备和人员）。智慧煤矿的工作主体是人和物的并行，而且全面实现对井下机电设备的远程控制和设备工作状态诊断，调度室变为调度指挥控制中心。从世界范围来看，与智慧煤矿有关的信息技术已经取得进展，而对与煤矿相关的专业核心技术的研究才刚刚起步。除了实现数字煤矿的基础功能外，智慧煤矿能够全面感知、预测趋势、优化决策，是管理模式的革命，是高科技人才的聚居地。智慧煤矿的高科技应用将会使煤矿安全生产状况得到极大改善。这里需要特别指出的是，具有完整“ 物联化、互联化、智能化” 的智慧矿山是一个复杂的系统工程，可以总体设计、分步实施。在分步实施过程中，逐步实现相关子系统或子系统间的智能化处理，完成智能矿山的建设。１．３少人或无人煤矿少人或无人采矿是高科技采矿的最高形式，其技术基础是智慧煤矿系统，手段是机器人、地面遥控以及先进的井上、井下导航系统等。对于地下采矿，少人或无人采矿将使井下采矿作业的零人身事故成为可能；少量的井下工作人员就犹如飞行员和航天员，可以穿戴特制的采矿服完成井下的工作任务。数字煤矿、智慧煤矿等是高科技采矿的具体体现，是数字中国、智慧中国的有机组成部分，也是确保４７５１第８期毛善君 “ 高科技煤矿” 信息化建设的战略思考及关键技术图２数字煤矿子系统划分Ｆｉｇ．２Ｄｉｇｉｔａｌｃｏａｌｍｉｎｅｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ５７５１煤炭学报２０１４年第３９卷图３专题图形处理储量计算Ｆｉｇ．３Ｓｐｅｃｉａｌｇｒａｐｈｉｃｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｅｒｖｅｓ图４基于Ｗｅｂ的安全生产技术综合管理Ｆｉｇ．４ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｓａｆｅｔｙａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎＷｅｂ图５井下巷道机电设备的三维可视化Ｆｉｇ．５Ｔｈｅ３Ｄｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｒｏａｄｗａｙｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ煤矿安全生产、减员增效的重要举措。按照国务院办公厅关于进一步加强煤矿安全生产工作的意见（国办发〔２０１３〕９９号）关于煤矿建设和生产“ 机械化、自动化、信息化、标准化” 的四化精神以及党的十七大提出“ 两化融合（工业化和信息化） ” 的新战略、新思维，加快我国数字煤矿、智慧煤矿建设，实现煤炭工业的现代化管理是确保煤炭工业稳步和安全发展的必由之路，也是改变煤炭工业形象的惟一道路。目前，我国煤炭科学技术体系建设与２０ａ前没图６井下泵房监测自动化组态Ｆｉｇ．６Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｕｍｐｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｕｔｏｍａｔｉｏｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ图７地层、断层、巷道、工作面的可视化Ｆｉｇ．７Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｔｕｍ，ｆａｕｌｔ，ｒｏａｄｗａｙａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ图８移动终端专题图形的查询Ｆｉｇ．８Ｔｈｅｍｏｂｉｌｅｔｅｒｍｉｎａｌｓｐｅｃｉａｌｇｒａｐｈｉｃａｌｑｕｅｒｙ有本质区别，仍然沿用传统的管理模式和方法，无法适应“ 数字煤矿” 、 “ 智慧煤矿” 、 “ 少人或无人煤矿” 的管理和技术要求，煤炭高等院校和专业研究机构的科研团队仍然是各自为政，以完成自己承担的独立科学研究问题或单一任务为最高目标，没有在一个统一目标下（如智慧煤矿）完成自己的本职工作，为一体化的集成系统添砖添瓦。显然，如果航空航天系统的科研院所没有统一的规划、没有在统一的规划下完成相关科学和技术问题的攻关，我国的大飞机和登月工程只能是“ 水中月，镜中花” 。根据我国煤炭工业的发展现状，目前的主要任务是进行数字煤矿的建设，同时要加强智能煤矿、智慧煤矿、少人或无人煤矿的技术攻关和储备。６７５１Ｆ第８期毛善君 “ 高科技煤矿” 信息化建设的战略思考及关键技术２高科技煤矿信息化建设的架构和系统设计２．１统一平台的特点统一平台是高科技煤矿建设成功与否的基础和关键，其特点为（１）统一的网络传输。除了瓦斯监测系统外，井上、井下企业管理、综合自动化、在线监测、安全生产技术综合管理，采用统一的网络传输平台。（２）统一的数据仓库。生产矿井经营管理、综合自动化、安全生产在线监测管理、安全生产技术综合管理、决策支持采用统一的数据仓库，实现数据共享。（３）统一的ＧＩＳ、三维管理和组态平台。对“ 采、掘、机、运、通” 整个安全生产流程空间数据和属性数据的管理，采用统一的ＧＩＳ以及三维可视化平台；对综合自动化系统采用统一的组态软件平台。（４）统一的管理平台。生产矿井经营管理、安全生产在线监测管理、安全生产技术综合管理、决策支持采用统一的管理平台，实现数据矿山软硬件系统的集成操作、分析和管理。２．２数字矿山、智慧矿山的６层架构数字矿山、智慧矿山的总体架构如图９所示［１５］（本文作者是文献［１５］的主要参与者之一）。图９数字煤矿、智慧煤矿总体架构［１５］Ｆｉｇ．９Ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｄｉｇｉｔａｌａｎｄｓｍａｒｔｃｏａｌｍｉｎｅ［１５］（１）数据采集与执行层。本层主要设备既是数据的采集者，也是决策信息的执行者，包括３个层次的内容①安全生产井上、井下动态实时在线信息的采集。主要包括生产环境在线监测系统（如水、火、瓦斯、顶板、人员定位等）、综合自动化系统（如综采工作面控制系统、胶带机集控７７５１煤炭学报２０１４年第３９卷系统等）、其他生产指挥信息采集系统（井下工业电视系统等）。②生产技术和运营管理数据的采集。要包括非实时的生产数据（如钻孔、地震、机电设备、通风阻力测定成果等）和经营管理的数据（如财务管理、运销管理、人力资源管理等）。③执行决策支持信息。通过管理决策层的分析、处理，其结果通过控制层、传输层达到执行层，完成对设备的控制、矿体的空间形态和属性的修正。（２）数据传输层。由高性能工业网路和企业管理网构成，是一个由有线和无线组成的全覆盖网络。（３）数据存储层。构建包括从数据采集、传输、存储、分析、反馈、发布全过程的元数据标准和元数据库；构建数字矿山编码体系和标准；安全生产分析和决策支持的知识库和模型库（如“ 水、火、瓦斯、顶板” 决策支持模型库）的组织和管理；在线监测、综合自动化、生产技术、经营信息的存储和管理。（４）系统控制层。包括对设备、矿体等的控制或动态修正。①原煤生产控制中心。实现对掘进系统、综采工作面系统、运输系统等与原煤生产流程相关的子系统的集中远程控制，包括根据三维地质模型远程调整掘进机和采煤机的空间姿态。②机电设备控制中心。实现对井上、井下变电所等矿井动力系统的集中远程控制；实现对井下排水、矿井水处理、主副井提升等各类系统的远程控制。③通风系统控制中心。实现对瓦斯抽放系统、压风机监控系统、主扇通风控制系统、安全监控系统、风门等与通风管理相关的系统集中控制。 ④地测动态修正中心。执行对采掘工程平面图或三维图形的动态更新操作；根据最新的掘进、回采、物探、补探等信息，执行对高精度或精细化透明三维地质模型进行动态修正的操作。⑤应急响应指挥中心。根据决策支持信息对救援过程进行动态指挥。 ⑥辅助设备控制中心。实现对井下车辆监控系统、机房环境监测系统、工业电视系统等各类辅助监测系统的集中控制。（５）管理决策层。包括经营管理系统、生产技术综合管理系统、三维综合管理系统、安全管理与决策支持系统。①经营管理系统。基于企业管理网络平台和数据仓库，实现对产、供、销、人、财、物等办公自动化的网络化管理。②生产技术综合管理系统。实现对“ 采、掘、机、运、通” 整个生产业务流程中地质、测量、水文、储量、 “ 一通三防” 、采矿辅助设计、机电设计、设备选型等的完全信息化、网络化管理。③三维综合管理系统。基于三维ＧＩＳ或三维可视化系统或虚拟矿井平台，实现矿山主要管控过程的可视化展示、查询、分析、操作、决策和培训。④安全管理与决策支持系统。基于在线监测系统、综合自动化系统、知识库和模型库等，完成对危险源（水、火、瓦斯、顶板等）、作业环境、地质构造、设备故障等的动态分析和预测，完成安全生产的调度指挥。（６）表现层。通过网络、固定或移动设备对煤矿多媒体信息进行发布和展示。２．３数字煤矿、智慧煤矿管控一体化的系统设计对于生产矿井的安全生产技术而言，数字矿山、智慧矿山管控一体化的系统设计如图１０所示。系统的要求和特点（１）无论是四级架构（集团、二级公司、生产矿井、科室和班组）、三级架构（集团、生产矿井、科室和班组）还是两级架构（生产矿井、科室和班组），都是一个满足“ 四统一” 的集成系统。（２）是一个管控一体化和协同工作的系统，所有的管理、技术和其他业务人员都在这个系统上完成自己的本职工作。（３）是一个自适应的系统，形成“ 采集传输存储分析决策控制采集” 的闭环管理。３数字煤矿、智慧煤矿涉及的部分核心技术和关键问题（１）管理模式的研究和创新。以现代企业管理制度为基础，研究与信息化、网络化相适应的现代化煤矿企业集团或生产矿井的管理模式和组织架构，以保证系统的集成和专业、信息的惟一和共享、工作的协同和高效。（２）煤矿元数据库和信息资源目录体系建设。以实现数字煤矿、智慧煤矿的目标为目标，对煤矿生产流程相关数据的内容、格式、说明等进行规范化和标准化，以利于数据的交换、更新、检索、数据库集成以及系统的二次开发利用等。随着数字煤矿、智慧煤矿的建设，数字化的信息资源不断丰富，海量的矿山多媒体信息需要深入的数据挖掘以尽量保障煤矿的安全生产，为此，需要研究煤炭信息资源目录服务的总体框架，建立信息资源目录服务体系，实现来自不同部门对信息资源的迅速获取和共享。此时，高等院校、科研部门以及煤矿各级管理部门可以通过网络和权限实时获取自己所需的历史和最新的信息资源，而无需千里迢迢到现场收集资料。（３）煤矿信息化标准的建立。８７５１第８期毛善君 “ 高科技煤矿” 信息化建设的战略思考及关键技术图１０数字矿山、智慧矿山管控一体化的系统设计Ｆｉｇ．１０Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｏｆｄｉｇｉｔａｌａｎｄｓｍａｒｔｃｏａｌｍｉｎｅ标准化、互操作是信息共享、系统集成与协作工作的基础。制定基于数字煤矿、智慧煤矿的行业标准是在研究现有国家和行业标准规范的基础上，基于最新的自动化、通讯、计算机、空间信息和采矿技术并针对煤炭行业信息变化的动态性、业务流程的复杂性、数据处理过程的集成性进行的，其最终成果是制定和颁布中国数字煤矿、智慧煤矿从数据采集、表达、传输、存储、分析、服务、输出或发布的标准。（４）智慧矿山模型研究。 ①智慧管理模型。根据矿山资源（人、财、物）和生产现状，监测并预测其发展，加强生产过程的宏观管理与预警，从而达到合理开发煤炭资源，实现煤炭企业的可持续发展。 ②智慧生产模型。生产全过程所有生产环节的自动规划和协同，如作业规程编制、采区衔接等。 ③智慧科技模型。建立生产矿井生产过程最新海量数据的分析需求与矿、集团、科研院所和社会专家的分级关联模型，实现双向的选择和过程决策。 ④智慧数据模型。主要指不同部门对相同数据的自适应修正。（５）面向智慧矿山的遥感和物探关键技术研究。通过先进的遥感技术，实现对地表沉陷、土地复垦、非法小煤窑开采等的动态监测；利用全球定位和虚拟矿山技术，实现露天矿开采的可视化智能调度；研究先进的传感器技术，实现对露天矿边坡稳定的动态监测；研究先进的物探或传感器技术，实现对井下重大危险源（如水、瓦斯、顶板、冲击地压）的探测，特别是对前兆信息的采集和分析。（６）ＧＩＳ核心技术的研发和软件平台的开发。煤矿安全生产技术综合管理信息系统是围绕地９７５１煤炭学报２０１４年第３９卷质、测量、采掘、设计、通风、安全、监测监控以及调度等多专业数据组织管理、综合处理与实时分析处理的信息共享协作平台。不同部门、专业和管理层次需要获取的信息可能是不同的，但是基础信息是相同的，即指导生产第一线的信息日常安全、生产和基础地理信息。日常安全、生产和地理信息是一个动态积累的过程，是一种时间序列数据，不仅多专业共享，而且需进行综合分析和应用。显而易见，系统平台和应用均不能孤立存在，必须基于分布式网络环境，实现安全生产技术的协同工作。 ①煤矿空间数据仓库。煤矿空间数据仓库主要由煤矿空间数据库和煤矿空间元数据库两部分组成。前者主要是煤矿图形库、图象库、属性库（包括综合自动化和在线监测系统获取的海量数据）以及专业模型库的组织、管理、综合分析和事务处理等；而煤矿空间元数据库完成煤矿空间数据库组织、管理、分析等元数据的组织与管理，同时还有专业应用ＧＩＳ程序元数据库和空间服务的元数据库。煤矿空间数据仓库是煤矿分布式多源异构信息共享协作平台的基础与核心。对海量数据的组织、多事务处理、多用户并发性和安全性的研究是工作的基础；对地质模型库、测量模型库、水文模型库、通风防尘模型库、采矿模型库、设计模型库、重大危险源识别和预测预警模型库、日常生产安全状况评估模型库等专业模型库的研究是实现煤矿安全生产信息化的重要内容。 ②煤矿专用ＧＩＳ平台。煤矿安全生产的信息化管理不仅涉及众多专业和部门，而且具有不同的应用层次，但总体上是围绕掘进、回采过程中采矿信息的变化而逐步更新煤矿空间数据仓库，联动或动态更新不同专业部门的应用信息以实现科学、安全指导实际生产。目前，ＧＩＳ技术的发展日新月异，虚拟现实技术（ＶＲ）和３ＤＧＩＳ技术的研究和开发在国内外已是空间信息技术、数字矿山技术的研究前沿。对煤矿生产和管理而言，无论是２ＤＧＩＳ，３ＤＧＩＳ还是虚拟矿井平台，首先必须实现基础数据的完全共享，基于采掘工程图形的“ 一张图” 服务，其次是实现多专业分布式协同工作。作为矿山安全培训、应急演练的３ＤＧＩＳ或虚拟矿井平台，必须具有强大的可视化、脚本描述、角色定制、动态修正等功能。由于煤矿空间信息具有动态变化和灰色的特征［１６］，灰色或智能地理信息系统（ＧＧＩＳ或ＳｍａｒｔＧＩＳ）、实时地理信息系统（Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅＧＩＳ）和时态地理信息系统（ＴＧＩＳ）的平台设计和关键技术也是以后高科技煤矿的研究重点。 ③煤矿专用组态软件平台。无论是ＩＦＩＸ还是组态王，都不是为煤矿量身开发的，无法满足煤矿多媒体信息和多维地理信息的表达需求。开发煤矿专用组态软件平台，实现机电设备组态、通信组态、数据库组态、表格组态、曲线组态、动画图形组态、ＧＩＳ图形组态、井下人员定位组态、数据处理组态、语音组态、图象组态、预警组态等。（７）物联网、云计算、大数据技术。研究并设计井上、井下，特别是集井下人、机电设备、危险源（水、火、瓦斯、顶板等）于一体的物物相联的传感网络，构建以云计算ＳＡＡＳ软件应用模式为基础的数据处理架构，实现具有数据管理、分析挖掘和决策支持等强大计算能力的关键技术和软件系统，为生产矿井管理和技术人员、能源集团管理人员、研究机构或高等院校提供私有或公有的服务平台，最终实现全行业服务平台的统一，充分发挥全行业技术人员的积极性，确保生产矿井安全问题的正确决策和快速处理，实现煤矿的安全高效。（８）高精度的传感器和较为精确的井下人员定位系统技术。煤矿井下是一个特殊的工作环境，有瓦斯等易燃、易爆性气体，有硫化氢等腐蚀性气体，环境潮湿、空间狭小、粉尘大，电磁干扰严重、电网电压波动大，恶劣的环境造成了目前矿用传感器的精度低、使用寿命短等现状。为了保证高科技煤矿对实时在线数据的需求，必须研究精度高、使用寿命长的传感器技术。此外，应进一步研究在线监测水化学参数的传感器技术，以实现水文地质问题的动态实时分析。目前，广泛使用的基于射频技术的井下人员定位技术属于区间定位的范畴，定位精度较低，无法满足矿山的实际需求。为此，需要研究精确的井下人员定位技术和地理信息系统技术，结合危险源（已知危险源和决策支持系统实时分析出的危险源）实现对人的不安全行为的预警，结合应急预案尽量减少物的不安全行为造成的人员伤亡。（９）矿井或矿区地层环境稳定性整体诊断技术。如果没有矿井开采，排除地震等因素，矿井煤系地层将处于稳定状态；矿区内单对矿井之间的开采活动会有或多或少的相互影响，特别会造成具有区域性的水文等参数的关联反映和变化。所以，把矿区或矿井作为一个整体来诊断，研究单对矿井井上下以及相邻矿井之间水文等传感器的空间布置构型、数据传输、数据集成处理的技术方法和算法。（１０）安全生产综合管理系统核心技术的研究和开发。这涉及到与安全生产有关的所有专业应用，如地０８５１第８期毛善君

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