智慧煤矿2025情景目标和发展路径.pdf

第4 3卷第 2期 2 0 1 8年 2月 煤 炭 学 报 J OUR NAL 0F C HI N A C 0AL S O CI E T Y Vo 1 ． 4 3 No ． 2 F e b ． 2 0 1 8 王国法， 王虹， 任怀伟 ， 等． 智慧煤矿 2 0 2 5情景 目标和发展路径[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 8 ， 4 3 2 2 9 5 3 0 5 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j c c s ． 2 01 8． 01 5 2 WA N G G u o f a ， WA N G H o n g ， R E N H u a i w e i ， e t a 1 ． 2 0 2 5 s c e n a r i o s a n d d e v e l o p m e n t p a t h o f i n t e l l i g e n t c o a l m i n e [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 8 ， 4 3 2 2 9 5 3 0 5 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 8 ． 0 1 5 2 智慧煤矿 2 0 2 5情景 目标和发展路径 王国 法 ， 王 虹 ， 任怀 伟 ， 赵国 瑞 ， 庞 义辉 ， 杜 毅博 ， 张 金 虎 ， 侯 1 ． 天地科技股份有 限公 司 开采设计事业部 ， 北京1 0 0 0 1 3 ；2 ． 中国煤炭科工集 团有 限公司 ， 北京1 0 0 0 1 3 ；3 ． 煤炭科学研 究总 院 开采研 究分 院 ， 北京1 0 0 0 1 3 摘要 智慧矿 山是煤炭行业转变发展方式、 提升行业发展质量的核心驱动 力， 是矿山技术发展 的 最高形式。基于数字矿山技术发展现状， 结合生产 系统智慧化特征及要求， 给 出了智慧矿 山概念及 内涵 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 术融合 ， 形成矿山感知、 互联、 分析、 自学习、 预测、 决策、 控制的完整智能 系统； 到 2 0 2 5年， 实现 煤矿单个 系统智能化向多系统智慧化方向发展 ， 建立智慧生产、 智慧安全及智慧保障系统的基本运 行框 架， 初步形成 空间数字化、 信 息集成化、 设备互联化 、 虚 实一体化和控制网络化的智慧煤矿第二 阶段 目标。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。 资源开发利用水平显著提 高， 煤矿职业健康和工作环境根本改善 ， 矿山生态恢复和保护全面实施。 关键词 智慧煤矿 ； 数字矿 山； 情景 目标 ； 大数据 ； 人工智能 中图分类号 T D 9 8 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 8 0 2 0 2 9 5 一 l 1 2 0 2 5 s c e n a r i o s a n d de v e l o pme nt pa t h o f i n t e l l i g e n t c o a l mi n e W ANG Gu o f a ，。 ，W ANG Ho n g ， REN Hua i we i ， ZHAO Gu o r ui ， PANG Yi h ui 。， DU Yi b o ， Z HANG J i n h u ， HOU G a n g 1 ． C o a l Mi n i n g T e c h n o l o g y De p a r t m e n t ， T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o ．， L t d ．， B e ifi n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ； 2 C h i n a C o a l T e c h nol o g y＆E n g i n e e r in g G r o u p C o r p ． ， B e ifi n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a ；3 ． Mi n i n g D e s i g n I nst i t u t e ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ifi n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a Abs t r a c t T he i n t e l l i g e n t mi n e i s t h e c o r e d r i v i ng f o r c e f o r t h e c o a l i n d us t r y t o c ha n g e t h e wa y o f d e v e l o pme n t a n d t o i mp r o v e t h e qu a l i t y o f t he i n d u s t ry． I t i s t h e h i g he s t f o r m o f t he de v e l o p me n t o f c o a l mi n e t e c h n o l o g y． Ba s e d o n t h e d e v e l o p me n t o f mi n i n g t e c h n o l o g y a n d c o mbi n e d wi t h i n t e l l i g e n t g e n e r a t i o n s y s t e m wi t h c h a r a c t e ris t i c s a nd r e q u i r e me n t s ， t h e c o n c e p t a n d i n t e r c o n ne c t i o n o f t h e wi s do m o f mi n e a r e g i v e n． Ba s e d o n d i g i t a l mi n e， n e t wo r k i n g， c l o u d c o mp u t i n g， b i g d a t a， a r t i fic i a l i n t e l l i g e nc e a n d mo de r n mi ni ng t e c h n o l o g y a s t h e c o r e t e c h no l o g y， i t wi l l a c hi e v e t h e wi s d o m o f s e l f - l e a r ni ng， p r e d i c t i o n， de c i s i o n， c o n t r o l o f t h e wh o l e i n t e l l i g e n t s y s t e m． By 2 0 2 5， t h e i n t e l l i g e n t s y s t e m wi l l r u n f r o m s i n g l e s y s t e m t o mu l t i ． s y s t e m i n t e l l i g e n t l e v e l ， t h e b a s i c o p e r a t i n g fra me wo r k o f wi s d o m p r o d u c t i o n， wi s d o m s e c u rit y a nd wi s do m g u a r a nt e e s y s t e m wi l l b e e s t a b l i s h e d． Th e s p a t i a l d i g i t i z a t i o n， i n t e g r a t i o n o f i n f o r ma t i o n， i n t e r n e t ， v i r t ua l e q u i p me n t i n t e g r a t i o n a n d c o n t r o l ne t wo r k wi l l b e f o rm e d i n i t i a l l y a s t h e g o al o f i n t e l l i g e n t c o a l mi n e for t h e s e c o n d s t a g e ． I t wi l l r e a l i z e t h e i n t e l l i g e n t o p e r a t i o n o f c o a l mi n e d e v e l o p me n t ， mi n i n g， t r a n s p o rta t i o n， wa s h i n g， s a f e t y， e c o l o g i c a l p r o t e c t i o n， p r o d uc t i o n ma na g e me n t a n d S O o n． Th e l e v e l o f e x p l o i t a t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f r e s o u r c e s wi l l b e g r e a t l y i mp r o v e d， 收稿 13期 2 0 1 7 - 1 2 1 0 修 回 日期 2 0 1 8 0 1 2 5 责任 编辑 常明然 基金项目 国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 5 ； 国家重点基础研究发展计 9 7 3 资助项目 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 2 ； 国家自 然科学基金 资助项 目 U 1 6 1 0 2 5 1 作者简介 王 国法 1 9 6 O 一 ， 男 ， 山东烟 台人 ， 中国工程院院士。T e l 0 1 0 8 4 2 6 2 0 1 6， E - ma i l w a n g g u o f a t d k c s j ． c o i n 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年第4 3 卷 t he o c c u p a t i o n a l h e a l t h a nd wo r ki ng e n v i r o nme n t o f c o a l mi n e s wi l l b e f u n d a me n t a l l y i mp r o v e d， a n d t h e e c o l o g i c a l r e s 。 t o r a t i o n a n d p r o t e c t i o n o f mi ne s wi l l be f u l l y i mpl e me n t e d． Ke y wor ds i n t e l l i g e nt c o a l mi n e； d i g i t a l mi n e； s c e n e t a r g e t ； l a r g e d a t a； a r t i fic i a l i n t e l l i g e n c e 当前 ， 我国国民经济已由高速增长阶段转 向高质 量发展阶段 ， 正处在转变发展方式、 优化经济结构 、 新 旧动能转换的攻关期。在“ 两化” 深度融合的大形势 下 ， 工业领域正迎来产业发展 的巨大变革。2 l世纪 的前 1 5年 ， 互联网、 人工智 能技术 飞速发展 ， 给许多 传统行业都带来了颠覆性变革。将高新技术与传统 技术装备 、 管理融合 ， 实现产业转型升级正成 为越来 越重要的发展趋势 。智慧矿 山正是在这样 的背景 下提 出和快速发展起来 的。 煤炭资源 开采是人类在地下进行 的生产活动。 矿山地质条件复杂多变， 为创建适于设备运行与人员 工作 的安全可靠 的开采环境 ， 井下需 同时运行探测 、 通风 、 排水 、 防火 、 供电、 工作面开采装备 、 运输等多达 9 0多个子系统 J 。这些 子系统 就像人 体的器官 ， 共 同形成 了一个大规模复杂运行体系。经过多年发展 ， 这一体系先后经历了机械化、 单机自动化、 综合自动 化 、 数字化等 阶段。 目前 ， 煤矿安全高效矿井系统的 机械化程度达到 9 0 ％以上 ， 单机 自动化也 日趋完善 ， 建成 了一批千万吨级矿井群 ， 并开发了初级的多系统 数字矿山综合 自动化 系统 J 。然 而 ， 目前煤矿总体 的信息化程度还有待进一步提高 ， 生产过程 中的各种 数据和信息还无法实现有效关联， 还缺乏“ 智慧的大 脑” 对所有子系统实施协调 、 联控 ， 因而生产 的过程 控制 、 设备健康管理 、 安全风险防控 、 生态环保等都还 没有实现最优化的管控。 智慧化是矿山技术发展的最高形式 ， 只有实现了 智慧化才能从根本上实现最优的生产方式 、 最佳 的运 行效率和最安全 的生产保障。那么 ， 什么是智慧 呢 智慧矿山又该如何定义、 智慧矿 山的构成框架以及发 展 目标又是什么学者们对此开展 了大量的研究 ， 不 单单是煤炭领域相关学者及企业积极投 身于智慧矿 山的研究与应用 ， 大量的非煤矿 山企业和研究者也都 加入智慧化建设之 中。他们各 自都根据 自身的理解 及研究基础 、 特长提 出了智慧矿 山的各种定 义和架 构 ， 但未达成统一认识。 随着技术和实践的飞速发展 ， 若没有对智慧矿山 统一 、 完整及科学一致的认识 ， 则无 法规划煤矿未来 的发展方 向， 必然直接影 响煤炭产业转型升级 ， 并可 能使我们错 过一次产业 大发展、 大提升 的 良机。因 此 ， 迫切需要深入研究智 慧矿山的定义 、 情景 目标及 发展路径 ， 规范概念、 引领方向， 推动煤炭行业 由数字 煤矿向智慧煤矿方 向发展 ， 引领地下工程、 深地资源 开采 、 绿色开发与利用等领域 的科技发展。 1 智慧矿山概念、 内涵及组成 1 ． 1 智慧矿山定义及内涵 数字矿山是基于信息数字化、 生产过程虚拟化、 管理控制一体化 、 决策处理集成化为一体 ， 将采矿科 学、 信 息科 学、 计算机技术 、 3 S 遥感技术 、 地理信息 系统 、 全球定位系统 技术发展高度结合的产物。于 润沧院士 将数字化矿 山分 为 3个层 次 第 1个层 次是矿山数字化信息管理系统， 这是初级阶段； 第 2 个层次是虚拟矿山 ， 是把真实矿 山的整体 以及和它相 关的现象整合起来 ， 以数字的形式表现 出来 ， 从而 了 解整个矿山动态的运作和发展情况 ； 第 3个层次是远 程遥控和 自动化采矿的阶段。 数字化矿山主要是从信息表现形式角度， 强调人 类从事矿产资源开采的各种动态 、 静态的信息都能够 数字化 ， 目前 国内比较先进 的矿井正走在实现第 2层 次虚拟矿山的路上。智慧矿 山的提出主要是从信息 相互关联性的角度 ， 强调矿山系统 自主功能的实现程 度。 在定义智慧矿山概念之前 ， 首先需要明确什么是 智慧对于人类 ， 智慧是大脑深刻地理解人、 事、 物 、 社会 、 现状 、 过去 、 将来 ， 是思考 、 分析 、 探求真理的能 力 ， 是智力器官的终极功能 ； 而对于一个 生产 系统而 言 ， 智慧可定义 为 通 过不断地收集 、 学 习和分析数 据 、 知识和经验 ， 具有 自动运行 、 自我分析和决策 、 自 学习能力 ， 使系统 的人 、 机 、 环境处在高度协调的统一 体中运行； 可以不断吸取最新的知识， 实现自我更新 和自我升级， 使系统不断优化、 更加强大。 基于对生产系统智慧的理解 ， 给出智慧矿山的定 义 智慧矿山是基 于现代智 慧理念 ， 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融合 ， 形成矿 山感知、 互联、 分析、 自学习、 预测、 决策、 控制的完整智能系 统， 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 。 智慧矿 山的技术 内涵是将 现代信 息 、 控 制技术 与采矿技术融合 ， 在纷 繁复杂 的资源开采信 息背后 找出最 高效 、 最安全 、 最环保 的生产 路径 ， 对矿井系 统进行最佳 的协同运行控制 ， 并根据地质环境 及生 第 2期 1 国法等 宵慧煤矿 2 0 2 5情景 目标和发展路径 产要求变化 自动创造 全新 的控制 流程 。与数 字矿 山相比， 智 慧矿 山不仅 仅是 数据采 集 、 数据 处理 和 自动系统 的集成 ， 更 多的是 大数据 、 人 工智 能技术 的运用 ， 需要智能化地响应生 产过程 中的各种变化 和需求 ， 做到智能决策 支持 、 安全生产 和绿 色开采。 这 需要明 确 的是 ， 智 慧矿 山并非 是云计 算 、 物联 网 、 人 L 智能 、 大数据等技 术的简单堆积 ， 而是如何 采用这些技 术手段解决煤 矿开采 中的效率 问题 、 安 全问题 和效益 问题 。 智慧矿山的技术特征是建立在矿井数 字化基础 ．．卜， 如 l 所示， 采朋现代智慧理念完成矿 山企业所 有信息的精准适时采集 、 网络化传输 、 规范化集成、 可 视化展现 、 自动化运行和智能化服务的智慧体 。 智能 集成 l訇 1 智慧矿 【 1 1 技 术特 F i g ．1 F e e ’ hn i c a l f e a l ur e s o t ’ i n t e l l i g e n t mi n e s 1 ． 2 智慧煤矿构成 智慧矿山的理念和技术应用于煤矿 ， 形成智慧煤 矿。智慧煤矿涉及到 9 0多 个子系统 ， 可以分为 3部 分 智慧生产系统 、 智慧职业健康与安全系统 、 智慧技 术与后勤保障系统 。 1 智慧生产系统。 包括主要生产系统 和辅助生产系统。主要生产 系统包括采煤工作 面的智慧化和掘进工作面的智慧 化 ． 主要包括以无人值守为主要特征的采煤工作面和 掘进工作面系统 。辅助生产系统就是以无人值 守为主要特征的智慧运输系统 含胶带运输 、 辅助运 输 智慧提升系统 、 智慧供 电系统 、 智慧排 水系统 、 智 慧压风 系统 、 智慧通风系统 、 智慧调度指挥系统 、 智慧 通讯 系统等。 2 智慧职业健康与安全系统。 包含 r 环境 、 防火 、 防水等多个方面， 子系统众多 包含如下子系统 智慧职业 健康 安全环境系统 ， 智慧 防火火系统 、 智慧爆破监控 系统 、 智慧洁净生产监控 系统 、 智慧冲击地压监控系统 、 智慧 人员监控系统 ， 智 慧通风系统 、 智慧水害监控系统 、 智慧视频监控系统 ， 智慧应急救援系统 ， 智慧污水处理系统等等。 3 智慧后勤保障系统 。 保障系统分为技术保障系统 、 管理和后勤保障系 统。技术保障 系统 是指地 、 测 、 采 、 掘 、 机 、 运 、 通 、 调 度 、 计划 、 设计等的信息化 、 智慧化系统等。管理和后 勤保障系统 ， 是指针对矿山的智慧化 E R I 系统 、 办公 自动化系统 、 物流系统 、 生活管理 、 考勤系统等。 2 2 0 2 5年智慧煤矿 目标及情 景描 述 2 ． 1 智慧煤矿 目标 智慧煤矿的发展是一个不断进步的过程 ， 随着科 技水平 的提高 ， 智慧化 的程度也将 断提升 ， 曰前』 l 处于数字煤矿向智慧煤矿的过渡期。 智慧煤矿的发展 目标可分为 3阶段。 智慧煤矿第 1阶段 日标 构建一个初步钾慧煤矿 系统框架 ， 实现采掘运主要 环节单 个系统 、 单项技术 的智能化决策和自动化运行 ， 即实现一个系统 、 一个 岗位的“ 点 的无人作业” ； 目前一 先进矿井 实 现第 1阶段 目标。 智慧煤矿第 2阶段 日标 构建一个多系统信息融 合的智慧煤矿综合架构 ， 实现丁作f 『 I f 开采 、 主煤流运 输等系统的区域化智能决策和自动协同运行， 达到 “ 面上无人作业” 。 智慧煤矿第 3阶段 目标 构建枢个煤矿及全矿区 多单元 、 多产业链 、 多系统集成的智慧煤矿体系， 全而 实现生产要素和管理信息的数字化精准实时采集 、 网 络化实时传输 、 呵视化展现 ， 采 、 掘 、 运 、 通 、 洗选 等全 部主要生产环节的智能决 策和 自动运行 ， 达到“ 令矿 井一线无人化作业” 。 在未来 5一l 0年 ， 即到 2 0 2 5年左右 ， 在 单个系统 的智能化取得突破的基础 J ． ， 实现智慧煤矿第 2阶段 目标 ， 即实现区域化智能决策和自动协刚运行。在达 到技术目 标的同时， 开采效率、 安全和效益也随之大 幅提升。到 2 0 2 5年， 通过智慧矿山建设 ， 使全国煤炭 科学先进产能大幅度提高 ， 煤炭产业从 、 人员总数下 降一半 、 工效提高一倍以 f ， 资源开 发利用水平 著 提高 ， 煤矿职业健康和 作环境得到根本改善 ， 矿【 【 I 生态恢复和保护全面实施。 2 ． 2 2 0 2 5年智慧矿山情景 依据智慧矿 山 2 0 2 5年 的发展 目标 ， 给 出 2 0 2 5 年智慧矿山情景描述 ， 如图 2所示 。到 2 0 2 5年 ， 智 慧煤矿 可以实现单 个系统智能化 ， 开始向多系统智 慧化方 向发展 ， 建立“ 感知一 互联一分 析一 自学 一 预测一决 策一控 制” 的基本运行 框架 ， 初步 形成 空间数字化 、 信息集成化 、 设备互联化 、 虚实一 体化 和控制网络化的智慧矿山第 2阶段 目标其中 ， 安 全系统对生产的支持 、 以及保障 系统埘生产 的支持 基本可以实现 ， 但保障 系统与安 全系统 的结合还需 2 9 8 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年第4 3 卷 要人工智能技术 的支持 ， 将在智慧矿 山的第 3阶段 完成。此外 ， 智能化管控平 台在大数据技 术的支持 下可 以对整个矿l I J 运行 的状况进行分析 ， 并通过互 一一 上_ ⋯一 亏 煤矿井下 、 顶扳 瓦斯 安全 、 感矢 l l f 联一分 联 网上传 到 云平 台， 但真 正做到 云计算 、 达 到 为生 产决策和管理服务还需进一步 突破 数据结构优 化 、 分布式计算 等核心技 术。 一 技 术 图 2 2 0 2 5年智 慧矿L 情景逻辑 3 智慧煤矿关键技术及发展 路径 3 ． 1 物联网、 大数据及人工智能、 云计算技术支撑的 智慧 矿 山 如前所述 ， 智慧煤矿是在数字化煤矿基础上提 出 来的， 智慧煤矿与数字化煤矿的区别就在于它应用了 物联网 、 大数据及人工智能 、 云计算 3项关键技术解 决系统架构和互通 、 数据 处理决策 及高级计算问题。 智慧煤 矿在数字化煤矿 的 D C S 、 ME S和 E R P 3层架 构基础上 ， 升级为基于云计算和物联网为核心的智慧 决策支持平台。3项技 术的研究及应用程度直接影 响智慧煤矿的发展水平 。 3 ． 1 ． 1 基于互联 网 的物联网平台 堪于互联 网 的物联 网是智 慧煤 矿的信息高速 公路 ， 将 承担大数据的稳定 、 可靠传输任务， 起到了精 确 、 及时上传下达的作用 ， 决定了智慧煤矿系统整体 的稳定性和可靠性 。因此 ， 智慧煤矿的物联网平台必 须具有精确定位 、 协同管控 、 综 合管控 与地理信息一 体化的特点。 前的精确定位技 术有 R F I D定位技术 、 Wi fi定 化技术 、 蓝 纤定位技术 、 Z i g B e e定位技术和超宽带定 位技术等 。每种定位技 术各有优缺点 ， Z i g B e e定 位技术和超宽带定位技术 以各 自在定位精度 和时 问 分辨率方面的优势将会是未来井下无线定位 的发展 打 向 在协 同管控方面 ， 将 实现物联 网和传 感 网的融 合， 实现井下的智能感知。传统的传感网均是被动接 收数据 ， 各感知点之间没有相互协调关系。智慧矿山 下将传感网 与物联 网相融合 ， 将传统各 自独立 的监测 控制系统进行关联和集成 ， 主动发送井下危险区域的 监测和控 制 信息 ， 实 现煤 矿 危 险源 和 空 问对 象 状 态 如水 、 火 、 瓦斯 、 顶板 、 地表沉降 、 人员位置 等 的 实时数据诊断和预测预警。 智慧煤矿将综合管控数据和地理信息 I s平 台 进行融合 ， 形成基于真实地理信息的综合 自动化管控 平 台。将所有的生产 、 监测和控制信息在矿井采掘地 理位置图上以虚拟现实 的方式实时显示 、 交互 ， 实现 集中控制 、 数据管理分析 ， 为生产决策提供数据依据 3 ． 1 ． 2 大数据处理及人工智能技术 智慧煤矿的核心技术之一便是大数据 的挖掘 与 知识发现 。大量传感器的应用必将产生海量 的数据 ， 数据的规模效应给存储 、 管理及分析带来_ r极大的挑 战。需要充分利用大数据处理技术挖掘数据 背后的 规律和知识 ， 为安全 、 生产 、 管理及决策提供及时有效 的依据。例如， 在矿山安伞管理领域 ， 安令监控 系统 及其监测联网已经相当普遍 ， 构建了完善的灾害监控 和预测预警体系 ， 达到 了对矿井 瓦斯 、 水害 、 火灾 、 冲 击地压等事故的防控 。 人工智能是近年来发展最为迅速和最 为热 门的 科技领域之一 ， 它足在大数据处理 的基础上研究 、 开 发用于模拟 、 延伸和扩展人的智能 的理论 、 方法 和技 术。从原来的 自动规划 、 语音识别到最近的谷歌 人 智能 A L P H A G O、 人脸识 别等都属于这一范畴。深度 学习是人工智能 智慧化 的核心 ； 能够实现 系统 自 主更新和升级是其 显著特征。智慧矿 ⋯要成为一个 数字化智慧体就必须要有深度学习能力。 未来 ， 在云平 台和大数据平台_ I ， 融合 多源往线 监测数据 、 专家决策知识 库进 行数据挖 掘与 知识 发 处 T『 ㈠ ] Il 删| 昌 ， 一 ■丁 。． ～ ～ 第2 l 9 J E 围法等 智慧煤矿 2 0 2 5情景f I 标和发展路径 现， 采用人工智能技术进行计算 、 模拟仿真及自学习 决策， 甚于 G I S的 间分析技术实现 没备 、 环境 、 人员 及资源的协调优化， 实现丌采模式的 自动生成 和动态 更新 。 3 ． 1 ． 3 计算技术 智慧煤矿物联 网使得物和物之问建立起连接 ， 伴 随着 联网覆盖范围的增大 ， 整个信息网络中的信源 和信宿也越来越多； 信源和信宿数 目的增 长， 必然使 网络中的信息越 来越多 ， 即在 网络 中产生大数据 ； 大 数据处 技术广泛而深入的应用将数据所隐含的内 在关系揭示的也越清晰 、 越及时。而这些大数据 内在 价值的提取 、 利 则需要用超大规模 、 高可扩展的云 汁算技术来支撑 。特别是 对煤 矿井下环境 、 生产 、 灾 售 、 人员活动高度祸合 的大系统而 言， 数据越 多， 系统 模型维数也就更高 ， 监测控制也就越准确。而高维的 智慧煤矿模型需要计算能 力高且具有弹性 的云计算 技术。 3 ． 2 建立智慧煤矿八大系统 将 』 述物联 网、 大数据及人工智能 、 云计算技术 与生产 、 安全及保障系统的现有技术装备结合 ， 共 同 发展和建立智慧煤矿的八大系统。 3 ． 2 ． 1 琏于北 斗系统的精准地质信息系统 煤矿地质信息是一种 随着采掘活动在时间与空 间不断发生变化的四维动态资料 ， 随着信息技术 、 遥 感技术、 网络技术等数据采集、 储存、 管理与传输技术 的发展 ． 以北斗系统定位导航 、 G I S 、 三维地质建模 、 虚 拟现实等为基础的实时空 间一 地 质信息技术将 形成 天地一体化的智能信息传感网， 从而实现矿山地质信 息的实时智能采集 、 存储 应用， 如图3所示 。 3 川 E 斗 系统 的精准地 质信息 系统 F i g ． 3 A [ 1 1‘a I g e o l o g i ’ d i i n f o r ma t i o i l s y s t e m ] L Is e d 0 [ 1 t l 1 P l h i l l l , u S v s t c q l l 北斗一 卫星导航系统 简称 I L - t ． 系统 ， B D S 是我国 自主研发的全球卫星导航系统 ， 通过 5颗静止轨道卫 星、 3颗倾斜同步轨道卫星 和 2 7颗 中 轨道卫 星实 现准确导航与精准定位 。利用北 斗 ． 系统定位 导航 技术可 以实现煤矿地表地质信息 的准确定位与实时 监测 ， 充分结合遥感 、 数字影像 、 地面物探 、 井下钻探 及三维地震勘探等立体化地质勘探技术 ， 可以实现对 煤矿井 上 、 井 下 地 质 信息 的 实 时 、 精 准 狭 取。利 用 G I S对煤矿地质信息等资料进行采集 、 分析 、 l杏询 与存储管理 ， 将矿 井所有的 础信息呈现 于一张 中， 并将煤矿井上、 井下的地质信息进行可视化、 图形 化管理 ， 实现宏观信息到微观信息的快速切换 。、结合 三维地质建模技术 与虚拟现实技术将 矿井的采掘 信 息 、 煤矿地质 、 水文地质 、 瓦斯 、 矿⋯ 力等多源地 质 信息进行有效融合 ， 并 以图 、 文 、 声 、 数 影像等方式 在地面实时展现 ， 实现对煤矿多种资源环境信息的实 时智能管理 。 3 ． 2 ． 2 智能矿井通风排运系统 智能通风系统主要是利用现代通信技术 、 测监 控技 术及 自动化控制技术进行矿井通风网络 、 实施方 案的优化及风量 、 风速的智能实时控制 通过布设矿 井环境 、 风阻、 风压 、 风量 等智能监测传感器 ， 实现对 矿井不同区域通风环境与通风状态 的伞面在线实时 感知。基于煤矿安全规程中矿井环境的参数指标要 求 ， 对矿井各风点处的需求风量进 行超前计算 ， 利用 风量智能调控系统对矿井风量进行实时调节 ， 实现矿 井通风系统的智能调控 。 智能排水系统 主要是通过建立矿 外排水网络 的 三维智能管控平台， 绘制 各排水节点的三维坐标图 ， 在排水点安没摄像头及水位 、 水量 、 水 嗌测传感器 ， 对各排水点的水量 、 水位等进行实时监测， 当水位 、 水 量达到预设值 时， 自动开启一 台或 多台水泵进 行排 水 ； 当水位 、 水量超出警戒值时， 进行声光报警并启动 应急设备； 当水泵工作参数 出现异常时， 进行智能报 警 ； 当发生水害时， 自动启 动应急设 备， 进 行声光报 警 ， 并对排水量 、 水仓容量等进行智能解析 ， 智能 示 应急救灾预案。 智能运输 系统 主要是 对带式输送 机的带速 、 运 量 、 滚筒温度 、 胶带状 态等进 行远程集 中智能控 制。 通过在带式输送机上安装智能激光煤艟扫描仪 ， 对带 式输送机的煤量进行实时监测 ， 根据 卜 一级带J I 输送 机煤量的实 时监测结 果， 实现下一级带式输 送机运 量 、 带速的智能控制 ； 对带式输送机的运行参数 、 状态 进行实时监测 ， 当带式输送机出现故障 、 胶带撕裂 、 烟 雾等问题时 ， 带式输送机 自动停机并进行声光报警 ； 3 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年第4 3 卷 具备带式输送机主要结构件运行参数的智能统计与 分析， 对丰要结构件 的使用寿命进 行分析预测 ， 并对 主要结构件的更换进行预警提示 ； 能够实现对带式输 送机运量进行数据采集、 上传 、 统计与智能分析决策， 并具有各种统计数据查询 、 图表展示等功能 。 3 ． 2 ． 3 危险源智能预警和消灾系统 根据危险源的致灾机理 与致灾因素不同 ， 可以将 煤矿井下的危险源分为 3类 ① 煤矿系统 中存在 且lf 『 可能 发生突然释放 的物质或能量 ， 如 冲击地压 、 煤 与瓦斯突出等 ； ② 由于约束 、 限制能量 的措施失效 或破坏等小安全因素导致灾害性事故 ， 如液压支架压 架 、 顶板 胃顶等； ③ 由于组织管理失误 、 人员违章等 人为冈素 导致灾害性 事故 ， 如作业规程不符合要求 、 1 人违规操作等。 危险源智 能 预警 和消 灾 系统是 以风 险预警 为 核心 ， 通过对上述 不同类型的危险源进行 实时在线 监测 ， 利川危险源风 险指数评价算法对 矿井各 区域 发， 卜 灾害的风险性进行实 时在线评 估 ， 确定风险类 型 、 等级 及解决办案。通过对井下易 发生 能量释放 型 、 约束失效 刑危 险源 的区域 布设 各类传 感器 ， 实 现对各种危险源 的致 灾指标进 行实时监测 、 分析 与 传 ， 利川 已经掌握 的危险源 致灾 机理 、 触发 条件 判据、 矿井T况及致灾因素监测指标值等对危险源 的风险等级进 行实 时智能 分析 ， 判 断风 险类型 、 等 级 ， 进 行井下声光报警 ， 井 卜 在线预警 。对于第 3 类危险源建 井下 人员电子监控体 系， 利用人 员精 确定位系统对外下人 员 、 车辆 的位置 及行进轨迹进 行精确定位 ， 当人 员 、 车辆进 入 风险指 数较高 的 区 域时 ， 进行 声光预 警 ， 当工 人进行 风 险性 指数 较高 的作 、 I 时 ， 进行预警 。 3 ． 2 ． 4 智能快速掘进和采准系统 实现智能快速掘进是解决采掘接续矛盾 、 快速形 成采准系统和智能化开采 的先决条件 ． 智能快速掘进 需要解决“ 掘一 行统 一”、 “ 掘一支一 体” 和 “ 掘 一 运 连 续”二 大核心难题。通过在掘进机机身增 加环境 、 位 置等感矢 7 己 器件和执行元器件， 基于智能远程遥控系 统实观捌进机的远程及就地 H J ‘ 视化控制 、 防撞 、 智能 定位 、 行走速度调节 、 故障告警并与带式输送机 、 局部 通风机等实现联动闭锁控制 ” 。 智能 化快速 掘进 的指 挥 系统 即主控 单 元是智 能快速 掘进 和采准 系统 的大 脑。负责掘 进工 艺编 制 、 遥控指挥控制 、 逻辑 关系协调控制 、 协 同指挥调