智慧矿山顶层架构设计及其关键技术.pdf

第48卷第7期 2020年 7月 煤炭科学技术 Co a l Sc ienc e a nd Tec h no l o g y Vo l . 48 No . 7 Ju l y 2020 回回 移动扫码阅读 吴群英，蒋 林,王国法，等.智慧矿山顶层架构设计及其关键技术[J].煤炭科学技术,2020,48780- 91. d o i 10. 13199/j. c nk i. c st . 2020. 07. 007 WU Qu nying, JIANG Lin,WANG Gu o f a ,a /.To p-l e vel a r c h it ec t u r e d esig n a nd k ey t ec h no l o g ies o f sma r t mine[ J]. Co a l Sc ienc e a nd Tec h no l o g y,2020,487 80-91. d o i 10. 13199/j. c nk i. c st . 2020. 07. 007 智慧矿山顶层架构设计及其关键技术 吴群英I,蒋林2,王国法3,叶鸥彳,蒋泽军,董立红彳,郭建军彳,符立梅2,史晓楠2,习晓薜忠新 1.陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西榆林719000；2.西安科技大学，陕西西安710054；3.中煤科工开采研究院 有限公司，北京100013；4.西北工业大学，陕西西安710072；5,陕西陕煤陕北张家昴矿业公司，陕西神木719300 摘要智慧矿山建设目标是在工业互联网技术的基础上，能够完成对矿山“人、机、环”数据进行精 准化采集、网络化传输、规范化集成，从而实现可视化展现、自动化操作和智能化服务的矿山智慧体。 目前，智慧矿山的建设主要以单一的业务逻辑为基础，较少从数据运营、技术服务和业务逻辑等多方 面，深入研究智慧矿山的体系架构问题，难以实现通用性和扩展性较强的智慧矿山建设目标。为解决 上述问题，基于已有智慧矿山的基本概念及内涵，在对国内外智慧矿山研究现状分析的基础上，提出 智慧矿山的基本内涵及其建设原则，并引入数据标准化、网络协同化、系统一体化和技术智能化的建 设理念。提出智慧矿山顶层架构体系及其关键技术。该顶层架构体系主要包括智慧矿山总体架构、 业务逻辑架构、技术架构和数据架构4个部分，从总体设计、业务分析、技术实现和数据流转的不同角 度，可以较为综合和全面地构建智慧矿山。之后，探讨和研究了智慧矿山顶层架构体系建设过程中涉 及到的智能控制技术、通信网络技术、三维可视化技术、空间信息技术、大数据分析与挖掘技术、物联 网技术、机器学习理论方法、媒体智能技术等关键智能技术。最后，在总结智慧矿山顶层架构设计及 关键技术内容的基础上，指出了未来智慧矿山建设过程中需要解决的一些关键理论问题及系统设计、 优化问题,为不断完善智慧矿山顶层架构的设计和智慧矿山的深入发展明确了研究方向和实现目标。 关键词智慧矿山；顶层架构；业务逻辑；技术服务;数据运营;煤矿智能化 中图分类号TD67 文献标志码A 文章编号0253-2336 2020 07-0080-12 Top-level architecture design and key technologies of smart mine WU Qu nying1, JIANG Lin2, WANG Gu o f a3, YE Ou2, JIANG Zeju n4, DONG Lih o ng2, GUO Jia nju n2, FU Limei2, SHI Xia o na n2, XI Xia o1, XUE Zh o ng x in5 Northern Shaanxi mining Co., Lid., Yulin 719000, CAina； 2. XV an University of Science and Technology ,Xif an 110054 f China； 3.Coal Mining Research Institute,China Coal Technology Engineering Group, Beijing 100013, China;4.Northwestern Polytechnical University fXiJ an 710072,CAina； 5.Shenmu Z hangjiamao Mining Co., Lid., Shenmu 719300,C加no Abstract Th e g o a l o f int el l ig ent mine c o nst r u c t io n is t o be a bl e t o c o mpl et e t h e pr ec ise c o l l ec t io n, net w o r k t r a nsmissio n a nd st a nd a r d ized int eg r a t io n o f mine “h u ma n, ma c h ine a nd envir o nmentM d a t a o n t h e ba sis o f ind u st r ia l Int er net t ec h no l o g y, so a s t o r ea l ize t h e mine int el l ig enc e o f visu a l d ispl a y, a u t o ma t ic o per a t io n a nd int el l ig ent ser vic e. At pr esent, t h e c o nst r u c t io n o f int el l ig ent c o a l mines is ma inl y ba sed o n a sing l e bu siness l o g ic, l ess in-d e pt h r esea r c h o n t h e syst em a r c h it ec t u r e o f int el l ig ent c o a l mine f r o m d a t a o per a t io ns, t ec h nic a l ser v ic e s, bu siness l o g ic s a nd o t h er a spe c t s, so it is d if f ic u l t t o a c h ieve a g o a l o f int el l ig ent c o a l mine w it h st r o ng ver sa t il it y a nd sc a l a bil it y. In o r d er t o a d d r ess t h e a bo ve issu e s, t h e ba sic c o nno t a t io ns a nd c o nst r u c t io n pr inc ipl es o f int el l ig ent mines w er e f ir st pr o po sed, ba sed o n t h e c o nc ept s, c o nno t a t io ns a nd a na l ysis o f t h e c u r r ent st a t u s o f int el l ig ent mine r esea r c h a t h o me a nd a br o a d, a nd t h e c o nst r u c t io n c o nc ept o f d a t a st a nd a r d iza t io n, net w o r k c o o r d ina t io n, syst em int eg r a t io n a nd t ec h no l o g y int el l ig enc e w er e int r o d u c ed . Sec o nd l y, t h is pa per pr o po sed t h e t o p-l eve l a r c h it ec t u r e syst em o f int el l ig ent c o a l mines a nd k ey t ec h no l o g ies・ Th e t o p-l eve l a r c h it ec t u r e syst em ma inl y inc l u d es f o u r pa r t s t h e o ver a l l a r c h it ec t u r e, t h e bu siness l o g ic a r c h it ec t u r e, t h e t ec h nic a l a r c h it ec t u r e a nd t h e d a t a a r c h it ec t u r e o f int el l ig ent c o a l mine. 收稿日期2020-04-12；责任编辑赵 瑞 基金项目国家自然科学基金资助项目61834005；陕西省自然科学基础研究计划资助项目2019JLM-11,2018JQ5095 作者简介吴群英1968-,男，陕西韩城人，正高级工程师，博士研究生，现任陕西陕煤陕北矿业有限公司董事长。E-mailw u qu nying 68 163.c o m 80 吴群英等智慧矿山顶层架构设计及其关键技术2020年第7期 Fr o m d if f er ent per spec t ives o f o ver a l l d esig n, bu siness a na l ysis, t ec h nic a l impl ement a t io n a nd d a t a t r a nsf er, t h e a ppr o a c h c a n bu il d a mo r e int eg r a t ed , a nd c o mpr eh ensive int el l ig ent c o a l mine. Af t er t h a t , t h is pa per d isc u ssed a nd st u d ied t h e int el l ig ent c o nt r o l t ec h no l o g y, c o mmu nic a t io n net w o r k t ec h no l o g y, t h r ee-d imensio na l visu a l iza t io n t ec h no l o g y, spa t ia l inf o r ma t io n t ec h no l o g y, big d a t a a na l ysis a nd min ing t ec h no l o g y, Int er net o f Th ing s t ec h no l o g y, ma c h ine l ea r ning t h eo r et ic a l met h o d s, med ia int el l ig ent t ec h no l o g ies a nd o t h er k ey int el l i g ent t ec h no l o g ies invo l ved in t h e c o nst r u c t io n o f t h e t o p-l evel a r c h it ec t u r e syst em o f int el l ig ent c o a l mine. Fina l l y, o n t h e ba sis o f su mma r izing t h e t o p-l e vel a r c h it ec t u r e d esig n a nd k ey t ec h nic a l c o nt ent o f int el l ig ent c o a l mine, t h is pa per po int ed o u t so me k ey t h eo r et ic a l pr o b l ems, syst em d esig n a nd o pt imiza t io n pr o bl ems t h a t need t o be a d d r essed in t h e f u t u r e c o nst r u c t io n pr o c ess o f int el l ig ent c o a l mine, a nd c l a r if ied t h e r esea r c h d ir ec t io n a nd r ea l iza t io n g o a l f o r t h e c o nt inu o u s impr o vement o f t h e t o p-l evel a r c h it ec t u r e d esig n a nd t h e in-d e pt h d evel o pment o f int el l ig ent c o a l mine. Key wordssma r t mine； t o p-l evel a r c h it ec t u r e； bu siness l o g ic； t ec h nic a l ser vic es； d a t a o per a t io n； c o a l mine int el l ig enc e 0引 言 长期以来，煤炭作为我国的主体能源，是保障国 家经济发展的重要矿产资源。随着我国国民经济由 高速增长阶段转向高质量发展阶段，煤炭的需求增 速放缓、产能过剩以及煤炭工业结构性调整等问 题⑴凸显，依靠资源要素投入、规模扩张的粗放式 发展已经难以为继，如何在深度“两化融合”的形势 下,促进煤矿企业转型升级,加大创新驱动能力已经 成为煤炭行业新的发展主题03］。 近年来,随着信息化技术的快速发展，云计算、 大数据、人工智能、物联网、虚拟现实、三维可视化和 智能采矿等领域的理论方法和先进技术已经开始逐 步应用于煤矿行业，为数字化矿山转向智能化矿山 提供了理论支撑和技术支持。将智能化理论方法及 相关技术与煤矿行业传统技术装备、管理方式和网 络建设等方面相结合，已成为煤炭行业越来越重要 的发展趋势和研究热点⑷。在此背景下，智慧矿山 的概念被广泛提出。通过智慧矿山建设理念，采用 智能化理论方法可以提升煤矿企业的信息化和智能 化水平，从而为推动传统矿业的可持续发展提供源 动力，也可以在日益激烈的国际市场竞争中保持核 心的竞争力。 智慧矿山的相关理念最早可追溯到20世纪90 年代美国IBM公司提出的“智慧地球”的概念⑸。 此后,加拿大、英国和澳大利亚等国家也纷纷提出相 关的智能采矿技术，并进一步推出了采矿设计、测绘 图像等方面的矿用产品化软件工具。例如，2001 年,澳大利亚利用VRML和Ja va编程语言实现了采 矿数据的四维可视化功能，可以用于煤矿井下瓦斯、 水文和矿压等方面数据的可视化展示,有利于煤矿 井下的数据分析和数据挖掘。MAPTEK公司开发 T Vu l c a n软件,利用地质统计学方法进行采矿设计 和生产。2018年澳大利亚Ko o d a id er i矿启动了“纯 智能化矿山”项目国。此外,英国矿山计算公司开 发了 Da t a mine软件系统，可解决地质勘探数据分析 和矿山调度等问题。Su r pa c公司通过开发三维交互 式图形软件系统，可进行地表测量数据和地质勘探 数据的分析岡。在理论研究方面,CHEN等⑺提出 一种基于非线性规约的动态模型，用于煤矿数据的 宏观分析。文献［8］提出一种粗糙集与支持向量机 分类器相结合的RS-SVM模型，用于煤矿安全的风 险预测。近年来，日本、美国和新加坡等国家也在通 过开发智能采掘系统等带有智能化的信息系统不断 深入智慧煤矿的建设工作。由于国外采矿技术和计 算机理论研究的起步较早，在智慧矿山领域的理论 研究和技术应用较为领先。 在我国国内,20世纪末开始智慧煤矿的相关研 究。文献［9］提出采用智能化等技术加速从劳动密 集型产业转向技术密集型产业的煤矿行业发展之 路。此后，孟磊等［训通过开发的智慧煤矿信息平台 进行数据融合，并在此基础上提出利用机器学习和 数据挖掘的理论方法分析融合的静态和动态信息, 进行煤矿井下的突水预警。在文献［11］中,提出利 用可视化三维场景仿真和数据编码管理等方法实现 煤矿的遥感式无人智能开采和综合智慧通信。文献 ［12］通过元数据的自动抽取,可实现煤层气的数据 管理工作。文献［13］提出构建整合煤矿采、掘、提、 运等环节数据的大数据处理，为智慧煤矿建设提供 大数据技术的支撑。李树刚等⑶］将射频识别技术、 Zig bee网络协议和定位系统相结合，通过云数据中 心的构建,对煤矿底层数据进行挖掘,为改善煤矿安 全提供理论依据［⑷。文献［15］通过利用大数据、 云计算和人工智能等理论方法研究和分析了人员安 全感知、姿态监控和防碰撞等煤矿生产中的问题。 文献［4］利用信息技术优化物质流、控制流和知识 流，构建了复杂的智慧矿山系统。文献［16］结合煤 矿信息化与智能化的特点，从通信层、安全生产管理 层和决策支持层面构建煤矿智能化的基本框架和建 设思路。此外，国内研发的DIMINE、3DMINE和GIS 81 2020年第7期 媒尖科学技术 第48卷 等采矿设计软件也为推动我国的智慧矿山建设提供 了技术支持［句。通过上述研究可知,我国正在借助 各种智能化理论方法和技术不断完善智慧矿山的 建设。 总的来说,针对智慧矿山建设的研究是一个综 合性的研究领域,涉及多学科交叉融合的理论方法, 具有较强的理论性和实践性。目前，国内外针对智 慧矿山建设的研究还处于起步阶段，并没有对智慧 矿山的概念、框架设计和技术方案等具有统一和完 整的科学认知。此外，已有研究还存在以下3个方 面问题①目前智慧矿山架构设计主要以业务逻辑 为基础。然而，由于煤矿企业之间业务的差异性，造 成所提架构的通用性和扩展性会受到一定的局限; ②已有研究较少从数据运营、技术服务和业务逻辑 等多方面,深入研究智慧矿山的体系架构问题,造成 单一架构设计难以满足技术和数据等不同维度的设 计要求;③已有研究较少考虑以智慧矿山架构设计 的标准化为着力点，推动通用一体化的智慧矿山建 设问题。 鉴于此，笔者在分析已有智慧矿山建设理论的 基础上，通过引入数据标准化、网络协同化、系统一 体化和技术智能化的建设理念，探讨和研究智慧矿 山的顶层架构设计及其关键技术。 1智慧矿山基本内涵 目前,尽管针对智慧矿山的理解并没有得到统 一的认识,但是研究人员已经从不同角度针对智慧 矿山进行了深入研究。文献［2］以数字化矿山建设 为基础，提出智慧矿山是利用各种信息化技术全面 感知煤矿中的事物,并在此基础上实现智能化煤矿 安全生产和管理的全过程［17-18］ o文献［19］从智慧 生产系统的角度，提出将多种智能技术进行融合，形 成矿山感知、互联、分析、自学习等具有完整智能的 矿山系统，可实现智能化煤矿安全生产管理和环境 保护的全过程。文献［20］基于现代智慧理念，提出 将各种智能化技术与现代煤矿开发技术深入融合, 通过自主学习和动态预测等功能实现矿区完整的智 慧系统和全面的智能运行。文献［21］将已有的智 慧矿山概念进行对比分析,并针对信息孤岛和系统 架构不清等问题提出智慧矿山建设的总体技术架 构。文献［22］从大数据应用的角度，提出了智能矿 山大数据的相关概念。此外，文献［6］从露天矿山 生产要素角度考虑,提出智慧露天矿山可通过各种 信息化手段实现矿山生产管理的智能感知、记忆、分 析和决策评估等功能，最终达到矿山无人化或少人 化的绿色开采。 通过上述研究可知,从不同的角度针对智慧矿 山具有不同的理解,并且智能化方法是构建智慧矿 山的核心要素之一。然而，因多源异构数据造成的 信息孤岛问题、因网络协议不兼容造成的通信问题、 因多系统叠加造成的功能冗余问题和因不同矿区情 况造成智能化方法的泛化问题等是制约智慧矿山建 设的重要因素。如果不能解决上述问题，会影响到 智慧矿山建设的深入发展和智能化技术的深入应 用。为此，在建立智慧矿山时，需要引入数据标准 化、网络协同化、系统一体化和技术智能化的综合性 建设理念。 1） 数据标准化是智慧矿山建设的基本要求。 针对数据冗余、数据孤岛和多源异构数据的分布式 存储等问题,只有利用如数据编码、数据纠错和数据 清洗等方法进行数据的标准化处理，才能从数据模 式层消除冗余或者孤立的数据属性，进而减少甚至 消除实例层的数据孤岛问题。 2） 网络协同化是智慧矿山建设的通信保障。 由于不同的网络通信协议之间缺乏良好的兼容性, 造成实际应用过程中因网络协议的兼容性问题，使 得部分设备或技术较难直接应用,不利于数据共享 和智能化技术的深入应用。通过将不同网络协议接 口进行标准化处理和协同化管理，可实现对外访问 的统一网络接口平台，进而减少网络兼容性问题对 系统应用层的影响。 3） 系统一体化是智慧矿山建设的实现方式。 目前煤矿企业业务系统之间存在兼容性低、功能耦 合度高的问题，容易产生因信息系统堆叠造成的功 能冗余问题，影响数据访问和存储等功能。此外，已 有智慧矿山仍以数据获取为核心架构,而不是以数 据利用为核心架构［地如，因此需要通过系统一体化 的建设，加强系统间的兼容性,并减少系统内功能模 块的耦合度。 4） 技术智能化是智慧矿山建设的核心要素。 智慧矿山建设必须借助机器学习、神经网络等智能 化理论方法及相关技术，才能实现业务系统的智能 化管理、分析、预测和决策等功能，从而真正从数字 矿山转向智慧矿山。 在此基础上，笔者认为智慧矿山是指以煤炭开 采的相关领域知识为基础，利用数据标准化、网络协 同化、系统一体化和技术智能化的综合性建设理念, 借助人工智能、数据科学、物联网等领域的理论方法 及技术，通过高度集成化的信息系统,实现矿山生产 和管理的智能感知、分析预测和智能决策等功能，最 82 吴群英等智慧矿山顶层架构设计及其关键技术2020年第7期 终达到少人化或无人化的智能化绿色矿山开采。 2智慧矿山建设原则 智慧矿山建设应该按照“总体规划、分布实施、 因地制宜、效益优先”的整体要求，遵循前瞻性、先 进性、可靠性、实用性和开放性相结合的总体设计原 则，实现分布式统一架构的智能化系统体系架构设 计模式。具体建设原则如下 1 标准先行原则。在充分整合已有信息资源 的基础上，结合实际煤矿生产和管理的业务需求,通 过数据标准化和系统开发流程标准化等标准化建 设，实现各信息系统之间的高度集成和数据共享的 目的。具体的标准化工作首先需要满足国家标准 化体系建设发展规划2016-2020年和关于加 快煤矿智能化发展的指导意见等相关文件提出的 要求;其次,基于实际的发展现状，借助前沿的理论 方法、先进的科学技术、标准体系的主体架构和管理 模式，遵循标准化的主要原则、制定范围、修订期限 等程序，从数据运营、技术服务和业务逻辑等方面综 合考虑，分别制定数据标准化、接口标准化、通信网 络标准化和架构标准化等具体方案;最后，在实践过 程中迭代细化和完善标准化建设的具体工作。 2 先进性原则。在满足煤矿企业信息化系统 建设的前提下，应利用人工智能和数据科学等领域 的最新理论方法和先进技术，不断提高系统的整体 智能化水平，并同时能够保障系统运行的可靠性和 稳定性。 3 体化原则。智能矿山建设不仅是各个子 系统或专业系统的建设，而是各系统与硬件的高度 集成和扩展应用。此外，各子系统建设要满足一体 化系统框架设计的要求,尽可能地减少冗余功能模 块的开发，最大程度上实现各系统“高内聚、低耦 合”的特性,并满足智慧矿山架构的可扩展性。 4 网络协同性原则。针对煤矿企业具有的不 同网络，需要利用网络协同组网策略进行网络的综 合协同管理。此外，针对不同接口的网络通信协议, 需要建立对外访问的统一接口，以便在应用层减少 网络通信协议的兼容性问题。 5 分步实施原则。由于智慧矿山是一个综合 性很强的多学科交叉领域，也是集管理控制、决策处 理和数字虚拟于一体，并与智能化方法高度结合的 产物。因此，较难一次实施完成，需要分步对其进行 建设。具体需从系统的体系结构设计总体目标出 发，把任务逐步向下分解。在具体实施过程中，按照 由底向上的原则，先考虑底层的实现，再逐步向中层 与高层推进，这样做信息来源有保证，信息处理有 依据。 6安全性原则。智慧矿山建设中各系统的安 全性涉及到煤矿设备安全、网络安全和软件应用安 全等多方面内容。煤矿井下使用的相关设备必须要 符合煤矿安全规程的要求,达到本质安全或防爆 安全要求;通用型网络和软件产品必须配备完善的 安全保密措施,以保证系统安全稳定地运行。 3智慧矿山顶层架构设计 笔者以上述数据标准化、网络协同化、系统一体 化和技术智能化的综合性智慧矿山建设理念为指 导,以前瞻性、先进性、可靠性、实用性和开放性相结 合的总体设计为原则，从数据运营、技术服务和业务 逻辑等多方面,深入研究智慧矿山的顶层架构建设 问题，并分别提出智慧矿山的总体架构、业务逻辑架 构、数据架构和技术架构，如图1图4所示，从不 同的角度可以较为综合和全面地构建智慧矿山。 如图1所示，智慧矿山的总体架构基于云计算 架构体系，主要包括基础设施服务层IAAS,Inf r a st r u c t u r e a s a Ser vic e、平台服务层PAAS, Pl a t f o r m a s a Ser vic e和软件服务层SAAS, So f t w a r e a s a Ser vic e o此外,该架构支持大数据分析能力和边缘 计算的能力，并且融合“ 1 4”体系结构，即1个数 据中心和4类业务场景下的软件服务综合体系 结构。 在智慧矿山的总体架构中,基础设施服务层主 要针对数据中心、调度中心、网络中心等其他部门， 提供与大数据分析、信息安全和边缘计算相关的网 络资源、计算资源、存储资源及其他硬件设备资源, 并可实现上述资源的智能部署、管理和运维等相关 服务。 平台服务层主要由业务中台、数据中台和技术 中台3个部分组成。其中，技术中台主要包含与智 慧矿山建设相关的底层技术平台,例如可视化应用 平台、物联网应用平台、针对不同智能化服务需要的 算法模型平台和与智慧矿山其他应用相关的支撑平 台,可以起到技术支撑的作用;在数据中台中，主要 针对智慧矿山建设中涉及到的主数据、基础数据、多 媒体数据、元数据和大数据等不同类型数据，进行与 各系统业务逻辑相关的数据操作和管理;在业务中 台中，主要围绕档案中心、项目中心和人员中心等服 务中心，进行业务逻辑的统一管理,并提供与业务逻 辑相关的边缘计算能力,包括设备接入、协议解析和 边缘数据处理能力等。 83 2020年第7期媒農科学技术第48卷 智能采煤智能掘进智能运输 智能通风智能安全其他智能服务 数据中心 （数据仓库、人数据） 1安全管控 2.生产运行 3.调度协同 4.经营管理 风险 管理 - 豔一 重大隐患 管理 质量 标准化 管理 “三违” 管理 生产指标 跟踪 生产运行 监测 生产作业 管理 生产智能 控制 生产安防 管理 生产运维 管理 综合耗能 管理 生产指挥 1与协调 调度报表 台账管理 协同互 和安全 监管 设备亦同 调度 T程周期 过程协同 管理 应急管理 协同调度 设备协同 健康管理 人力 资源 煤炭 运销 协同办公 管理 经营 分析 一 一一 一 一 - 一尤 一 中 一 案 一 当 一未 一 一 一 一 一 一心 一 中 一 HI 一 H 一项 一 一 一 一 一 一 一 一 一住 一 - i 一 / 一备 一设 一 一 一 一 - 一 一 一 d 一尤 一 中 一 员 一 2 一丿 一 一 一 一业务 - 中台 -- -- -- -- -- -- -- - 「 主数据服务基础数据服务媒体数据服务元数据服务大数据服务 1 砧1 中1 1 口 1 拐 术1 中1 可视化应用平台应用支撐平台Io T平台算法平台 ・・ 媒体数据 矿井视频 数据 音频通话 数据 三维可视 化数据 文件文本 数据 元数据 地质信息 元数据 煤气层 元数据 煤矿应急资 源元数据 一上二二 唱 基础设施1AAS（数据中心、调度中心、融合通信网络、信息安全、边缘计算） 设备接入协议解析 边缘数据处理 基础数据 地理倍息 基础数据 通风网络 基础数据 瓦斯基础 数据 图1智慧矿山总体架构 Fig. 1 Overall architecture of smart mine 软件服务层主要实现智慧矿山的应用服务功 能。其中，在应用前台，主要实现煤矿企业中4类业 务场景下（安全管控、生产运行、调度协同和经营管 理）不同软件系统的功能模块，并以统一接口的形 式对不同具体功能模块进行封装和管理。此外，该 部分功能模块和接口设计可满足系统一体化和技术 智能化的服务方式。在此基础上，通过对外统一的 软件服务接口，针对具体不同的业务场景和应用需 求，可提供智能采煤、智能挖掘、智能安全和智能通 风等智能化软件服务，最终实现智慧矿山的深入 应用。 此外,由于传统数据和大数据在数据存储、数据 访问和数据读写等方面具有明显的差异性，因此在 数据中心，分别针对不同类型的传统规模数据和大 数据,进行数据存储、访问、读写和保护等与数据管 理、数据运营和数据维护相关的具体服务。 上述智慧矿山总体架构是一种粗粒度的体系架 构，较难细粒度地描述智慧矿山建设中业务逻辑关 系等信息。为此，笔者在智慧矿山总体架构的基础 上,通过业务场景的划分，建立智慧矿山的业务逻辑 架构，如图2所示。智慧矿山的业务逻辑架构主要 描述的是智慧矿山不同业务场景下各信息化系统之 间的业务逻辑关系。 由图2可见，该架构以云计算和大数据平台为 基础，通过实现一体化的综合管控业务功能,以便减 少因系统互操作、标准化不健全和缺乏统一的标准 化平台等因素引起的数据孤岛和信息烟囱问题，最 终实现智慧矿山的智能化管控服务。具体在生产运 84 吴群英等智慧矿山顶层架构设计及其关键技术2020年第7期 智能决策分析 决策支持 I I O ； 知识推理 I I ■ I ■ I ；人数据预测； 分析 7V7Y r l r l 协同调度 L L 生产搖 与协1 r 1 1 1 1 r 1 1 1 1 1 1 赢理 一度管 r i 1 1 1 1 r i 1 1 1 1 1 1 「 ■ 「 - 表 - 报理 一度管 一事故处理 一生产指令发送 一调度会议管理 一煤炭产虽台账管理一 一掘进开拓进尺 一安全台账 一调度日报管理 一调度月报管理 一调度年报管理 三 三 L L - - 三 三 J J - - 三 三 i度 备调 数据挖掘 应急救援管理 监督监察 质量标准化管型 不安全行为管 纠违管理 事故管理 I I 项口风险管理 安冷隐患管理 安全凤险预控 I I 安全管控 备用 / 废理 设停报管 设备调拨管理 设备移装管理 资源协调调度 数据协同管理 部门协同调度 工面程生周过协司 箔作丁全命期程 F F 个作工全命期程同 单工面程生周过协 个目程生周过协讨 单项 全命期程 F F 生产运行平台 生产 管理 煤质11机电11辅助| I7ZZI |地测11考核11安全11三维| 管理| |管理| |设计||看五| |管理| |管控| |可视化| 能耗 管理 班组 管理 排 生产运行 ；调度 ；管理 生产装备管理 一生产衔接计划药 综合耗能管理 工业视频监控 瓦斯突出监控 矿山压力监控 煤矿火灾监控 瓦斯抽采 / 抽放监控 煤矿安全监测监控 矿井水文监测 井下作业人员管理 一煤矿输送带运输监控 煤矿轨道运输监控 通风机监控 选煤厂集中控制 供电监控 综掘工作而监控 综采工作而监控 云计算大数据半台支撑 图2智慧矿山的业务逻辑架构 Business logic architecture of smart mineFig.2 行业务场景下，主要涵盖2类信息化系统平台智能监 测控制云平台和生产管理系统平台。其中，智能监测 控制云平台主要包括生产监控系统和安全监控系统。 前者侧重于监测监控煤炭生产的全过程，主要包括综 采工作面监控系统、煤矿输送带运输监控系统、综掘工 作面监控系统等;后者侧重于监测监控有关煤矿生产 的安全信息，主要包括井下水文监测系统、煤矿火灾监 控系统和瓦斯突出监控系统等。生产管理系统平台涵 盖与生产和安全监控相关的管理类信息系统,主要包 括综合耗能管理系统、生产衔接计划管理系统和生产 装备管理系统等。在此基础上,通过建立综合性的生 产运行平台可以实现生产管理、机电管理和地测管理 等方确关生宓行的具体业务。 为了能够协同调度生产运行过程中的各种资 源，保障煤矿安全生产的顺利进行，需要建立协同调 度业务场景下的各类信息化系统平台，主要包括生 产指挥与协调系统平台、调度台账管理信息系统平 台、调度报表管理信息系统平台、工程周期过程协调 调度系统平台、应急管理协调调度系统平台和设备 协调调度系统平台等。通过实现上述不同方面的业 务功能，可以实现生产运行过程中各类资源和安全 应急等方面的协调调度与管理。 此外，在安全管控业务场景下，通过安全风险预 控系统、安全隐患管理系统、事故管理系统和纠违管 理系统等有关应急救援和安全质量管理方面的信息 化系统,可实现煤矿生产的安全管控。 最后，在经营管理业务场景中，主要通过人力资 源管理系统、财务系统、成本管理系统和设备资产管 85 2020年第7期媒農科学技术第48卷 理系统等可实现煤矿企业的资源管理和商业运营等 相关业务。其中，需要借助智能决策分析模型实现 系统的决策支持、知识推理、大数据分析及数据挖掘 等智能化功能，最终实现智慧矿山建设中各种业务 的智能化管控。 为了能够实现上述智慧矿山的业务逻辑,需要 进一步明确智慧矿山建设的技术需求，并在此基础 上,组织和构建智慧矿山的技术架构。为此,在已有 智慧矿山总体架构和业务逻辑架构的基础上，建立 了智慧矿山的技术架构，如图3所示。 应用 服务 安全管理资产管理三维可视化故障预测运维大数据决策预测分析数据共享 r _ _ _ 界面设计 UI 安全控制管理配置 ASRNET Fo r ms Wind o w s Fo nns Wind o w s Ser vic es RFID 手持终端 Mo bil e Ph o ne ----------