智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)探討

　　摘 要：針對智慧礦山建設(shè)過程中存在的信息孤島、數(shù)據(jù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)信息安全等問題，分析了智慧礦山建設(shè)技術(shù)架構(gòu)現(xiàn)狀，對比了智慧礦山建設(shè)與煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)系，采用以 ISO/IEC/IEEE42010 系統(tǒng)與軟件工程標(biāo)準(zhǔn)為主要方法論，提出了智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，包括設(shè)備層、邊緣層、企業(yè)層和產(chǎn)業(yè)層的“網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)識、平臺、安全”四大系統(tǒng)建設(shè)，提出了智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)五層架構(gòu)，分析了各層構(gòu)建的主要內(nèi)容和相互關(guān)系，包括①現(xiàn)場層，提供工業(yè)設(shè)備與業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)來源與流程優(yōu)化場景;②邊緣層，構(gòu)建基于 OPC UA 與 TSN 融合的邊緣云計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)感知、互連與計(jì)算的邊緣側(cè)應(yīng)用閉環(huán);③IaaS 層，構(gòu)建基于邊云協(xié)同的存儲與計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、存儲、CPU 等資源虛擬化與池化;④工業(yè) PaaS 平臺層，包括通用資源部署與管理、礦山大數(shù)據(jù)引擎、礦山機(jī)理與大數(shù)據(jù)建模分析、礦山數(shù)字孿生信息模型建模引擎和基于微服務(wù)框架及組件開發(fā)環(huán)境; ⑤工業(yè) SaaS 應(yīng)用層，調(diào)用和封裝工業(yè) PaaS 平臺上的開發(fā)工具、礦山機(jī)理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型等服務(wù)開發(fā)智慧礦山業(yè)務(wù)運(yùn)行與礦山智能化應(yīng)用 APP。并探討了基于智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) PaaS 平臺構(gòu)建“智慧礦山大腦”賦能智慧礦山建設(shè)，主要有礦山資源勘察、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、礦井施工管理、綜合自動化集成、智能開采、快速掘進(jìn)、地測管理、故障診斷、智能物流、智能通風(fēng)、精準(zhǔn)感知、重大危險源辨識與控制等賦能應(yīng)用場景，最后進(jìn)行了總結(jié)和展望。

　　張建中; 郭軍， 煤炭科學(xué)技術(shù) 發(fā)表時間：2021-08-05

　　關(guān)鍵詞：智慧礦山、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、技術(shù)架構(gòu)、工業(yè) PaaS 平臺、云邊協(xié)同

　　0 引 言

　　煤炭資源開采是在地下受限空間內(nèi)進(jìn)行的生產(chǎn)活動，礦山地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，保障設(shè)備與人員工作安全的可靠環(huán)境包括采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等多達(dá) 90 多個子系統(tǒng)[1]，這些子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯、業(yè)務(wù)邏輯、運(yùn)行邏輯交織在一起構(gòu)成了一個大規(guī)模復(fù)雜的運(yùn)行體系。在新一代的采礦科學(xué)、信息科學(xué)及 3S 技術(shù)的飛速發(fā)展下，這一運(yùn)行體系也經(jīng)歷著從機(jī)械化、自動化、數(shù)字化到智能化和智慧化的發(fā)展，并且取得了較為顯著的成果。然而在眾多研究成果之中，被廣泛提及的并且難以解決的問題主要包括如下幾個方面：一是信息和數(shù)據(jù)無法有效關(guān)聯(lián)，存在大量信息孤島、業(yè)務(wù)鴻溝和系統(tǒng)煙囪，無法進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、人工智能深度應(yīng)用，缺乏“智慧的大腦”對所有子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)、聯(lián)控。二是數(shù)據(jù)采集、傳輸及質(zhì)量問題，受礦山惡劣環(huán)境因素制約，礦山網(wǎng)絡(luò)鏈路、傳輸協(xié)議等普遍存在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性差、誤碼率高、傳輸環(huán)節(jié)多和數(shù)據(jù)質(zhì)量差等問題[2]，難以實(shí)現(xiàn)基于“智慧大腦”的遠(yuǎn)程強(qiáng)實(shí)時控制等應(yīng)用。三是安全問題，包括網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全，煤炭生產(chǎn)較多重視環(huán)境、設(shè)備、人員的安全，而對網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全重視不夠，導(dǎo)致礦井信息化、自動化系統(tǒng)整體安全水平不高，系統(tǒng)防護(hù)薄弱，進(jìn)而引發(fā)礦井管理者和操作者對信息化系統(tǒng)全流程、全周期應(yīng)用是否安全可靠的信任問題。

　　為解決上述問題，業(yè)內(nèi)專家學(xué)者以“智慧礦山” 頂層設(shè)計(jì)、建設(shè)框架、技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和信息化標(biāo)準(zhǔn)等方向進(jìn)行探索研究實(shí)踐[3-8]，其中，毛善君提出了以知識模型庫、數(shù)據(jù)倉庫和元數(shù)據(jù)庫為核心的數(shù)字煤礦、智慧煤礦 6 層總體架構(gòu)[3];霍中剛、武先利提出“一網(wǎng)一站”的綜合智慧通信架構(gòu)[4];王莉提出了智慧礦山 7 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[5];韓建國提出面向區(qū)域礦井群的 5 層智能礦山架構(gòu)[6];許金提出了設(shè)備層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層 4 層智慧礦山技術(shù)架構(gòu)[7];賀耀宜提出了智慧礦山分級評價方法和分為物聯(lián)感知、協(xié)同管控、礦端智能決策和云端決策支持 4 層架構(gòu)[8]。這些研究提出了相關(guān)問題的解決方案，推動了行業(yè)進(jìn)步。然而，筆者從相關(guān)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，雖然在智慧礦山建設(shè)總體架構(gòu)、業(yè)務(wù)架構(gòu)和思路上達(dá)成了共識，但在具體關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用層面還存在不夠清晰、體系化不完善等問題，尤其是在利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)在智慧礦山建設(shè)信息融合應(yīng)用層面存在一定差異、各有側(cè)重。

　　與此同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，其理念及技術(shù)體系正逐步在煤炭行業(yè)推廣應(yīng)用，尤其是 2020 年 3 月，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)列入“新基建”的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，工信部、應(yīng)急管理部隨后組織召開煤炭行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工作座談會，這些發(fā)展背景和舉措表明，煤炭行業(yè)兩化深度融合已經(jīng)進(jìn)入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)建設(shè)與應(yīng)用的新階段。基于此，筆者在分析智慧礦山技術(shù)架構(gòu)和煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理念與體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，探討了智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及賦能應(yīng)用場景。

　　1 智慧礦山技術(shù)架構(gòu)現(xiàn)狀

　　煤炭行業(yè)兩化融合從數(shù)字化礦山邁入了智能礦山、智慧礦山建設(shè)階段，技術(shù)架構(gòu)也隨著信息技術(shù)的進(jìn)步在逐步迭代。2009 年，呂鵬飛、郭軍提出數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)需要建立以礦井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以礦用對象庫為核心的統(tǒng)一的數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺作為核心支撐[9];張夏林等基于 QuantyMine 數(shù)字礦山系統(tǒng)為核心，建立以主題式對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方法與應(yīng)用軟件層疊式復(fù)合模式[10];毛善君等提出以 GIS 平臺為核心的“一張圖”協(xié)同分布式管理平臺解決煤礦信息化過程中的數(shù)據(jù)孤島、智能分析水平差等問題[11]。此外，一些專家學(xué)者提出以信息化五層架構(gòu)模型為參考建設(shè)數(shù)字化礦山，分為設(shè)備層、控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、經(jīng)營管理層、決策支持層[12] 等，這些建設(shè)思路和實(shí)踐為礦山數(shù)字化基礎(chǔ)打下了很好的基礎(chǔ)。

　　進(jìn)入智慧礦山建設(shè)階段，業(yè)內(nèi)專家學(xué)者普遍認(rèn)為智慧礦山是數(shù)字化礦山的概念升華[13]，智慧礦山階段擁有更加精準(zhǔn)全面的井上下環(huán)境感知能力、更加強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、更加準(zhǔn)確的多學(xué)科融合的智能應(yīng)用，并將能有效改善目前我國礦山信息化建設(shè)中存在的諸多問題[14-15]。智慧礦山技術(shù)架構(gòu)方面普遍提出以物聯(lián)感知、深度互連和智能應(yīng)用三層為主，基于此三層向底層或頂層進(jìn)行擴(kuò)展。智慧礦山并非是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的簡單堆積，而是如何采用這些技術(shù)手段解決煤礦開采中的效率問題、安全問題和效益問題[2]。其中，張良、李首濱等提出闡述了煤礦最核心的綜采工作面數(shù)字化、信息化、自動化、智能化和無人化的關(guān)系[16]，并提出了綜采工作面無人化開采系統(tǒng)架構(gòu)。智能化開采體系化方面李首濱提出了智能化開采 4 個階段，并提出了智能自適應(yīng)無人開采控制模型，包括執(zhí)行層、感知層、控制層和分析決策層等 4 層關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)[17]。譚章祿提出了智慧礦山總體架構(gòu)“四橫三縱”，“四橫”包括應(yīng)用層、數(shù)據(jù)及應(yīng)用支撐層、網(wǎng)絡(luò)通信層和感知控制層;“三縱”分別為信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化體系、管理運(yùn)維體系和信息安全體系[18]。姜德義等在煤炭行業(yè)內(nèi)首次提出了以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)架構(gòu)為參考，架構(gòu)面向智慧礦山應(yīng)用的邊緣云協(xié)同計(jì)算技術(shù)架構(gòu)，該架構(gòu)將“非實(shí)時、長周期數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策數(shù)據(jù)”和“實(shí)時性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策”兩類數(shù)據(jù)從架構(gòu)層面進(jìn)行分類處理，形成新的邊緣云協(xié)同計(jì)算體系，從頂層設(shè)計(jì)層面保證了智慧礦山的建設(shè)基礎(chǔ)[2]。

　　綜上所述，由數(shù)字化礦山到智慧礦山主要體現(xiàn)出三種主要技術(shù)路線：其一是以綜采工作面自動化控制、數(shù)字化和無人化為核心智慧礦山建設(shè);其二是以全礦井綜合自動化平臺為核心技術(shù)路線的智慧礦山建設(shè);其三是以 GIS 為基礎(chǔ)的礦井生產(chǎn)技術(shù)“一張圖” 智慧礦山建設(shè)。目前，這三種技術(shù)路線正逐步進(jìn)行融合，而關(guān)鍵在于形成一個標(biāo)準(zhǔn)的、開放的技術(shù)架構(gòu)將這些技術(shù)進(jìn)行有機(jī)組織，充分的融合，筆者基于這些背景，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系對此進(jìn)行了梳理，以供探討。

　　2 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

　　2.1 煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念與內(nèi)涵

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三個部分構(gòu)成，其中網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)、平臺是核心、安全是保障[19]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)三大要素的提出較為契合目前智慧礦山建設(shè)過程中遇到的三大問題，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系從總體上給出了較為全面、開放的架構(gòu)，來解決工業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的互聯(lián)互通和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

　　煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)內(nèi)涵是通過構(gòu)建精準(zhǔn)、實(shí)時、高效的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系，建立面向煤炭行業(yè)的大數(shù)據(jù)存儲、集成、訪問、分析、管理的開發(fā)環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境，支撐相關(guān)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、知識模型化、軟件化、復(fù)用化，以數(shù)據(jù)的有序自動流動解決復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的不確定性，不斷優(yōu)化勘探設(shè)計(jì)、開采洗選、運(yùn)營管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進(jìn)的煤炭行業(yè)生態(tài)。

　　2.2 智慧礦山與煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)比較分析

　　煤炭行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心是通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺把設(shè)備、開采、洗選、運(yùn)銷和客戶緊密地連接起來，幫助煤炭行業(yè)拉長產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備、跨系統(tǒng)、跨礦區(qū)、跨地區(qū)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

　　智慧礦山的技術(shù)內(nèi)涵是將現(xiàn)代信息、控制技術(shù)與采礦技術(shù)融合，在復(fù)雜的資源開采信息背后找出最高效、最安全、最環(huán)保的生產(chǎn)路徑，對礦井系統(tǒng)進(jìn)行最佳的協(xié)同運(yùn)行控制，并根據(jù)地質(zhì)環(huán)境及生產(chǎn)要求變化自動創(chuàng)造全新的控制流程。

　　煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是為煤炭行業(yè)、產(chǎn)業(yè)賦能，智慧礦山是為單一煤礦企業(yè)、集團(tuán)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理賦能。智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是利用煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)互連形成的基礎(chǔ)設(shè)施和資源能力，賦能智慧礦山建設(shè)過程中煤炭開采涉及的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理的方方面面。同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)為智慧礦山技術(shù)架構(gòu)提供了參考和借鑒意義。

　　2.3 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

　　智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)采用以 ISO/IEC/ IEEE 42010 系統(tǒng)與軟件工程標(biāo)準(zhǔn)為主要方法論，借鑒 2020 年 4 月工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)(版本 2.0)》中總體實(shí)施框架，提出智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[20]，如圖 1 所示：包含“網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)識、平臺、安全”四大系統(tǒng)的建設(shè)。其中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)注煤炭開采全要素、全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈互聯(lián)互通新型基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建;標(biāo)識系統(tǒng)關(guān)注煤炭開采要素的標(biāo)識資源、解析系統(tǒng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)的構(gòu)建;平臺系統(tǒng)關(guān)注智慧礦山建設(shè)涵蓋的邊緣系統(tǒng)、企業(yè)平臺和產(chǎn)業(yè)平臺交互協(xié)同的實(shí)現(xiàn);安全系統(tǒng)關(guān)注生產(chǎn)安全和信息安全管控、安全態(tài)勢感知、防護(hù)能力等建設(shè)。其中企業(yè)級、邊緣系統(tǒng)是智慧礦山建設(shè)主要內(nèi)容，企業(yè)級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) PaaS 平臺是實(shí)現(xiàn)新一代智慧礦山操作系統(tǒng)的核心，企業(yè)級平臺與邊緣系統(tǒng)形成邊云協(xié)同的架構(gòu)及計(jì)算體系。

　　2.4 智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)架構(gòu)

　　智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是在云計(jì)算平臺的基礎(chǔ)上疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，建立“感知→互聯(lián)→分析”的基本運(yùn)行框架，形成空間數(shù)字化、信息集成化、設(shè)備互聯(lián)化、虛實(shí)一體化和控制網(wǎng)絡(luò)化，結(jié)合人工智能、標(biāo)識解析等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)“自學(xué)習(xí)→預(yù)測→決策→控制”閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)煤炭開采過程中海量異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚與建模分析、工業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識軟件化與模塊化、新型工業(yè)軟件開發(fā)與運(yùn)行，支撐煤炭生產(chǎn)智能決策、業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置、產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育，提高煤炭產(chǎn)業(yè)鏈抵御風(fēng)險、抗市場波動能力。

　　技術(shù)架構(gòu)如圖 2 所示：從下至上分為現(xiàn)場層、邊緣層、IaaS 層、工業(yè) PaaS 平臺層和工業(yè) SaaS 應(yīng)用層五個層次，以智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)為引領(lǐng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全 體系為保障，面向礦山勘探設(shè)計(jì)、建井開拓、采掘運(yùn)輸、通風(fēng)安全、供電保障、地質(zhì)測量、壓風(fēng)供液、倉儲洗選等全流程、全要素為研究對象，將傳統(tǒng)的礦山運(yùn)營業(yè)務(wù)流程、系統(tǒng)部署、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行解耦和重構(gòu)，梳理并建立數(shù)據(jù)流、信息流、業(yè)務(wù)流等運(yùn)行規(guī)范，優(yōu)化礦山要素資源配置，全面提升礦山安全生產(chǎn)輔助和經(jīng)營決策能力，同時為企業(yè)、行業(yè)和政府機(jī)構(gòu)提供統(tǒng)計(jì)分析、安全監(jiān)管、應(yīng)急處置和產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化提供支撐，促進(jìn)礦山企業(yè)和行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

　　(1)現(xiàn)場層

　　包括礦山工業(yè)現(xiàn)場和業(yè)務(wù)管理現(xiàn)場，以煤炭井工開采為例，工業(yè)現(xiàn)場包括勘探、建井、掘進(jìn)、開采、支護(hù)、運(yùn)輸、洗選等井上下的生產(chǎn)環(huán)境設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境和人員狀態(tài)等;業(yè)務(wù)管理包括地測管理、通風(fēng)設(shè)計(jì)、物資管理、調(diào)度管理等。現(xiàn)場層為上層提供數(shù)據(jù)來源和應(yīng)用下發(fā)環(huán)境，是智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地應(yīng)用的承載場景。

　　(2)邊緣層

　　邊緣層通過協(xié)議轉(zhuǎn)換、邊緣計(jì)算等構(gòu)建精準(zhǔn)、實(shí)時、高效的數(shù)據(jù)采集體系，本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)物理空間隱性數(shù)據(jù)在賽博空間的顯性化。通過對開采機(jī)械、運(yùn)輸設(shè)備、洗選設(shè)備等的網(wǎng)絡(luò)化改造，將嵌入式控制、獨(dú)立式控制、智能網(wǎng)關(guān)、邊緣分布式網(wǎng)關(guān)和邊緣分布式服務(wù)器進(jìn)行解耦與重構(gòu)，基于 OPC UA 架構(gòu)與 TSN (時間敏感網(wǎng)絡(luò))融合構(gòu)建邊緣云計(jì)算架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)智能開采優(yōu)化控制、安全態(tài)勢感知等業(yè)務(wù)編排與聯(lián)接計(jì)算，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)的應(yīng)用閉環(huán)，通過匯聚層的匯集、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲與共享服務(wù)為工業(yè) PaaS 平臺提供全樣本數(shù)據(jù)來源，并為基于 PaaS 云計(jì)算平臺產(chǎn)生的模型提供應(yīng)用環(huán)境。

　　(3)IaaS 層

　　IaaS 層包括邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施和中心云基礎(chǔ)設(shè)施兩部分，邊緣側(cè)通過 5G、NB-IoT、LoRa、IPv6、WiFi6、 TSN 等新一代通信技術(shù)在近設(shè)備端和控制器端的應(yīng)用，基于邊緣云計(jì)算架構(gòu)打造礦山企業(yè)工業(yè)控制網(wǎng)、管理信息網(wǎng)和無線網(wǎng);中心云用于智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺承載基礎(chǔ)設(shè)施，通過云邊計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源的虛擬化，實(shí)現(xiàn)信息基礎(chǔ)設(shè)施的資源池化。IaaS 層提供所有計(jì)算需要的基礎(chǔ)設(shè)施，包括處理 CPU、內(nèi)存、存儲、網(wǎng)絡(luò)和其它基本的計(jì)算資源，根據(jù) PaaS 層的運(yùn)算需要部署和運(yùn)行相應(yīng)的軟件，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等，并形成云邊協(xié)同的存儲與計(jì)算架構(gòu)模式。

　　(4)PaaS 層

　　工業(yè) PaaS 層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)核心，從下至上分為：

　　①通用 PaaS 平臺資源部署與管理，包括結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化等數(shù)據(jù)庫服務(wù);中間件、容器、模板等應(yīng)用服務(wù)，代碼托管、鏡像倉庫應(yīng)用構(gòu)建等應(yīng)用開發(fā)服務(wù)和資源調(diào)度、負(fù)載均衡、彈性伸縮等運(yùn)行環(huán)境管理等。

　　②礦山大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)引擎服務(wù)，a.數(shù)據(jù)處理服務(wù)：數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)裝載等;b.數(shù)據(jù)存儲計(jì)算：由實(shí)時數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)、分布式文件等構(gòu)成的數(shù)據(jù)湖(DL)經(jīng)面向主題的操作性數(shù)據(jù)(ODS)集成，建模形成數(shù)據(jù)倉庫(DW)，面向礦山運(yùn)營和智能化應(yīng)用建立數(shù)據(jù)集市(DM)及其應(yīng)用服務(wù);c. 數(shù)據(jù)管理：數(shù)據(jù)模型管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)安全管理、數(shù)據(jù)共享管理等;d.數(shù)據(jù)分析：并行計(jì)算、可視化編排和算法庫等;e.數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)等。

　　③礦山機(jī)理與大數(shù)據(jù)建模分析引擎，包括面向采礦工藝?yán)碚摗⒃磉^程和仿真實(shí)驗(yàn)的機(jī)理建模和面向人工智能應(yīng)用的數(shù)據(jù)建模、訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)引擎等。

　　④礦山 BIM+GIS 數(shù)字孿生引擎，包括基于礦山管理殼的數(shù)字清單、組件管理器的資產(chǎn)優(yōu)化配置與管理，數(shù)字孿生信息模型建模與模擬仿真等。

　　⑤智慧礦山應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺基礎(chǔ)開發(fā)框架和工業(yè)微服務(wù)組件整合礦山大數(shù)據(jù)服務(wù)引擎、數(shù)據(jù)建模與分析引擎、數(shù)字孿生引擎能力，搭建面向智慧礦山應(yīng)用 APP 開發(fā)環(huán)境、工業(yè)智能化服務(wù)和礦山標(biāo)識解析服務(wù)等。

　　PaaS 層實(shí)現(xiàn)以“搭積木”的方式提供礦山工業(yè) APP 創(chuàng)建、測試和部署的開發(fā)環(huán)境，本質(zhì)上是一個向下可以調(diào)用設(shè)備、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等軟硬件資源，向上可以承載工業(yè) APP 等應(yīng)用服務(wù)的“工業(yè)操作系統(tǒng)”。

　　(5)SaaS 層

　　SaaS 層是通過調(diào)用和封裝工業(yè) PaaS 平臺上的開發(fā)工具、礦山機(jī)理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型等服務(wù)開發(fā)形成的應(yīng)用服務(wù)，本質(zhì)是面向智慧礦山業(yè)務(wù)運(yùn)行場景的一個個數(shù)字化解決方案。智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的 SaaS 層利用平臺層積累沉淀的各類型數(shù)據(jù)模型，以工業(yè)微服務(wù)為基礎(chǔ)，煤炭資源開采的各環(huán)節(jié)、各業(yè)務(wù)可打造定制化、高可靠、可擴(kuò)展的應(yīng)用。通過智慧礦山互聯(lián)網(wǎng)平臺可實(shí)現(xiàn)對安全、生產(chǎn)和經(jīng)營數(shù)據(jù)的實(shí)時分析和實(shí)時決策，為礦山企業(yè)提供安全、生產(chǎn)、管理及經(jīng)營方面的智慧化應(yīng)用，以此方式在確保應(yīng)用服務(wù)的個性化基礎(chǔ)上，提升智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用靈活性，保證平臺的整體技術(shù)敏感性，以此為基礎(chǔ)面向礦山企業(yè)人員、科研人員、高校學(xué)生和自由開發(fā)者均可基于該平臺進(jìn)行礦山智慧化應(yīng)用的開發(fā)、運(yùn)維和應(yīng)用，從而產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

　　此外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全體系是整個智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全可信運(yùn)行的基本保障，通過打造滿足工業(yè)需求的安全技術(shù)體系和相應(yīng)管理機(jī)制，提供應(yīng)用邊界防護(hù)、訪問控制、入侵防范、安全審計(jì)等安全技術(shù)，識別和抵御來自內(nèi)外部的安全威脅，化解各種安全風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全與物理安全的真正融合。

　　3.智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能應(yīng)用場景

　　基于智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建智慧礦山工業(yè) PaaS 操作系統(tǒng)，覆蓋從礦山設(shè)計(jì)、建設(shè)、生產(chǎn)、運(yùn)營、安全、運(yùn)銷等全產(chǎn)業(yè)鏈條，具備端到端的服務(wù)能力，形成“智慧礦山大腦”，優(yōu)化和賦能智慧礦山建設(shè)的全要素、全流程和全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用場景，如圖 3 所示。

　　綜合分析目前行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用場景，主要包括如下幾方面：

　　(1)礦井地質(zhì)資源勘察保障應(yīng)用場景

　　利用地質(zhì)精準(zhǔn)探測技術(shù)、三維動態(tài)高精度地質(zhì)建模技術(shù)，結(jié)合智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺大數(shù)據(jù)分析方法與 GIS 組件，開發(fā)適應(yīng)資源儲量管理、采掘接續(xù)規(guī)劃設(shè)計(jì)、瓦斯抽采設(shè)計(jì)優(yōu)化與效果評價、水害防治、主要隱蔽致災(zāi)因素風(fēng)險評估等應(yīng)用。形成基于三維 GIS 地測信息平臺的跨系統(tǒng)、跨部門協(xié)作的有效一體化協(xié)同管理平臺，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)、測量及生產(chǎn)動態(tài)信息的一張圖管理，服務(wù)于智能礦山建設(shè)的需要。

　　(2)礦山工程數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)賦能

　　在現(xiàn)有礦山工程數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用 BIM 技術(shù)將傳統(tǒng)煤炭采礦工程設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)知識提煉重構(gòu)并云化處理，利用智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺匯聚相關(guān)設(shè)計(jì)知識庫及資源，并形成覆蓋煤礦采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、洗選等全產(chǎn)業(yè)鏈的系列化微服務(wù)組件，為煤礦從初設(shè)、建井到生產(chǎn)采掘接續(xù)運(yùn)營全業(yè)務(wù)過程提供云端設(shè)計(jì)知識及工具服務(wù)，更好的解決受限空間內(nèi)的采掘部署和復(fù)雜工藝協(xié)同設(shè)計(jì)問題，從而實(shí)現(xiàn)基于平臺知識共享的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)全新模式。

　　(3)礦井建設(shè)施工管理賦能

　　在礦井設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，利用智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)架的 BIM 設(shè)計(jì)及施工協(xié)同平臺及組件，并結(jié)合平臺提供的豐富的設(shè)計(jì)、建井、施工工藝知識及資源，實(shí)時進(jìn)行礦井建設(shè)施工過程仿真，并利用平臺地質(zhì)保障 SaaS 應(yīng)用及時洞察受限空間內(nèi)的地質(zhì)擾動，解決施工過程中的異常事件、隱蔽工程等因素導(dǎo)致的施工計(jì)劃變動、工程量不準(zhǔn)確和成本不可控等問題，實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)、設(shè)計(jì)單位、施工單位等多方、多部門的協(xié)同施工，實(shí)現(xiàn)智慧礦山建井施工精益管控目標(biāo)。

　　(4)礦井綜合自動化集成控制賦能

　　基于智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺賦能新一代 SCADA 集控平臺，集成打通多個信息化體系，將礦井各生產(chǎn)子系統(tǒng)接入統(tǒng)一控制平臺，實(shí)現(xiàn)礦井各生產(chǎn)子系統(tǒng)的高度集中與控制，數(shù)據(jù)資源的合理利用與共享;有效解決了以往生產(chǎn)過程中生產(chǎn)組織不平衡，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)不共享，冗余數(shù)據(jù)不優(yōu)化等問題。為煤炭企業(yè)經(jīng)營管理者提供設(shè)計(jì)研發(fā)、經(jīng)營管理、生產(chǎn)管控等多方面綜合性的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵大型設(shè)備健康狀況預(yù)警、生產(chǎn)安全追溯、生產(chǎn)進(jìn)程把控、生產(chǎn)工藝靈活轉(zhuǎn)換，全面降低煤炭企業(yè)生產(chǎn)管理成本、反應(yīng)時間和提升生產(chǎn)效率、質(zhì)量安全等。

　　(5)煤礦智能化開采賦能

　　煤礦智能化開采是智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最主要組成部分，也是智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)的主要目標(biāo)。依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，加快煤炭生產(chǎn)設(shè)備、系統(tǒng)的智能化改造，針對日益復(fù)雜的煤炭資源地下開采環(huán)境，深入分析工作面開采存在的問題，研究智能化開采所需的工藝方法、環(huán)境感知、裝備可靠性保障、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器人、智能化控制及成套裝備技術(shù)，發(fā)新材料、新裝置、新設(shè)備，全面提升綜采煤機(jī)裝備的工作性能、壽命、自動化程度及環(huán)境適應(yīng)性，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺匯聚的工業(yè)機(jī)理與大數(shù)據(jù)分析模型優(yōu)化開采成套設(shè)備的協(xié)同控制方法，大幅提升開采的效率、水平和安全程度，最終目標(biāo)是“井下機(jī)器人操作，井上遠(yuǎn)程決策控制”。

　　(6)礦井開拓快速掘進(jìn)賦能

　　井巷工程掘進(jìn)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，掘進(jìn)效率制約著煤炭生產(chǎn)進(jìn)度，基于傳統(tǒng)的掘進(jìn)工藝及裝備現(xiàn)狀，利用智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、AI 等關(guān)鍵技術(shù)及組件，將成套掘進(jìn)裝備、圍巖地質(zhì)條件等信息進(jìn)行集成，構(gòu)建狀態(tài)感知、實(shí)時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)時發(fā)現(xiàn)未知地質(zhì)空間的危險源及隱患信息，及時進(jìn)行掘進(jìn)方案調(diào)整，解決掘進(jìn)過程中跨系統(tǒng)、跨業(yè)務(wù)協(xié)同問題，并實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)“無線遙控、遠(yuǎn)控、掘錨一體、一次成巷”目標(biāo)，優(yōu)化掘進(jìn)工藝流程、提高礦井掘進(jìn)效率。

　　(7)礦井地測應(yīng)用場景

　　地質(zhì)測量應(yīng)用場景是煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，地測數(shù)據(jù)和圖件是煤礦最重要的技術(shù)資料，對于指導(dǎo)生產(chǎn)、采礦設(shè)計(jì)、編制采掘計(jì)劃等有重要作用。傳統(tǒng)地測工作方式消耗大量的人力物力，通過智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)新型技術(shù)架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施，開發(fā)適用現(xiàn)代化礦山需求的地測地理信息系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理(地質(zhì)、測量、三儲量、防治水)、地測 CAD 輔助制圖、三維地質(zhì)建模、三維地測聯(lián)網(wǎng)等幾部分組成，完成從巷道測量、鉆孔勘探、水文和儲量普查管理，到各類礦用圖件輔助編制，再到井上下三維虛擬場景創(chuàng)建和分析，實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)集團(tuán)、生產(chǎn)礦井、業(yè)務(wù)科室多級單位地測數(shù)據(jù)成果的一體化管理解決方案。

　　(8)設(shè)備故障預(yù)測診斷賦能

　　設(shè)備預(yù)測性維護(hù)是工業(yè) IoT 的典型場景，主要面向高價值、高數(shù)據(jù)量、高故障損失、部署位置分布廣泛的工業(yè)設(shè)備。依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供的通用故障預(yù)測模型和云端機(jī)器學(xué)習(xí)成果，通過設(shè)備預(yù)測性維護(hù)服務(wù)，對分析出來的異常數(shù)據(jù)再次進(jìn)行分析，得出設(shè)備故障原因與嚴(yán)重程度，為應(yīng)急控制、維修管理、安標(biāo)設(shè)備故障溯源提供準(zhǔn)確依據(jù)，節(jié)約維修費(fèi)用，有效提高設(shè)備可靠性，避免重大事故發(fā)生。

　　(9)井下智能物流保障賦能

　　面向礦山生產(chǎn)物料運(yùn)輸種類眾多、點(diǎn)多、面廣、回空管理難度大等問題，基于井下空間位置精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，建設(shè)井下物流系統(tǒng)，依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，打通倉庫管理、承運(yùn)單位、作業(yè)面用戶、生產(chǎn)調(diào)度連接，實(shí)現(xiàn)礦車、物資、位置、時間、用戶等物流屬性信息化管理，使用戶和物資管理單位精確掌控生產(chǎn)物資物流信息，優(yōu)化配置物流資源，提高輔助運(yùn)輸運(yùn)行效率。

　　(10)井下智能通風(fēng)保障賦能

　　面向一通三防穩(wěn)定運(yùn)行、礦井按需通風(fēng)等核心需求，基于安全監(jiān)控系統(tǒng)、智能通風(fēng)設(shè)施、主風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，采集通風(fēng)系統(tǒng)海量實(shí)時數(shù)據(jù)，依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，融合數(shù)據(jù)模型開發(fā)智能通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法，構(gòu)建礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)，打通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)設(shè)施、安全監(jiān)控系統(tǒng)等通風(fēng)系統(tǒng)，優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量實(shí)時動態(tài)解算，真正實(shí)現(xiàn)井按需通風(fēng)，從根本上保障礦井安全運(yùn)行。

　　(11)井下精準(zhǔn)感知賦能

　　在現(xiàn)有煤礦安全生產(chǎn)“人-機(jī)-環(huán)”感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用低功耗、高靈敏度、寬量程、易維護(hù)傳感器技術(shù)，利用智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)架的物聯(lián)網(wǎng)、5G、WiFi6、IPv6 等新一代信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下生產(chǎn)者之間、井下生產(chǎn)設(shè)備與設(shè)備之間、井下設(shè)備與操作人員之間、井下設(shè)備與井上管理人員間的互聯(lián)互通和精準(zhǔn)感知，開創(chuàng)低成本、廣覆蓋、低時延的井下信息感知通信新模式。

　　(12)重大危險源辨識與風(fēng)險控制賦能

　　依托智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) PaaS 平臺，形成多因素風(fēng)險分析能力，賦能轄區(qū)、礦區(qū)煤礦，指導(dǎo)監(jiān)管監(jiān)察部門、礦山生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)防控。通過實(shí)時采集采掘工作面地質(zhì)條件、礦井水文、沖擊地壓、自然發(fā)火、瓦斯、設(shè)備等風(fēng)險信息，并接入視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與消防監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)一展示在監(jiān)測評估“一張圖”上，基于安全科學(xué)理論和引發(fā)煤礦安全風(fēng)險的主要因素，通過平臺提供的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對影響礦山安全的風(fēng)險因素進(jìn)行歸類整理與分析，構(gòu)建礦山安全風(fēng)險指標(biāo)體系，提出煤與瓦斯突出事故風(fēng)險分析模型、沖擊地壓事故風(fēng)險分析模型、煤自然發(fā)火事故風(fēng)險分析模型、噸煤成本風(fēng)險分析模型、電力消耗風(fēng)險分析模型、井下環(huán)境風(fēng)險分析模型、井下超員風(fēng)險分析模型、產(chǎn)量風(fēng)險預(yù)警模型、設(shè)備故障風(fēng)險分析模型等，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測預(yù)警，提高安全生產(chǎn)決策水平。

　　此外，圍繞礦井級、企業(yè)級和行業(yè)級視角還有很多應(yīng)用場景、APP 及機(jī)理模型，限于篇幅不一一列出。

　　4.結(jié)語與展望

　　(1)近年來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新基建重點(diǎn)領(lǐng)域正在各行各業(yè)火熱發(fā)展，智慧礦山是礦山兩化融合新階段的高級形態(tài)，筆者提出了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)下的智慧礦山五層技術(shù)架構(gòu)，并對五層架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，以供參考。

　　(2)針對智慧礦山建設(shè)遇到的數(shù)據(jù)和信息孤島、數(shù)據(jù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)、信息安全三大問題，筆者提出基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的平臺、網(wǎng)絡(luò)和安全三部分技術(shù)體系對現(xiàn)有礦山要素進(jìn)行解耦和重構(gòu)，通過邊云協(xié)同存儲和計(jì)算架構(gòu)、工業(yè) PaaS 操作系統(tǒng)、工業(yè)智能化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，形成新的礦山業(yè)務(wù)運(yùn)營和智能化分析 APP 應(yīng)用開發(fā)生態(tài)，以解決目前存在的問題，以供借鑒。

　　(3)面向智慧礦山建設(shè)應(yīng)用場景，提出以基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的工業(yè) PaaS 云平臺構(gòu)建“智慧礦山大腦”，賦能礦山勘探、設(shè)計(jì)、建井、開采、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、運(yùn)銷等全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用場景。

　　(4)隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系演進(jìn)和面向行業(yè)的深入發(fā)展，智慧礦山建設(shè)亟需與該技術(shù)體系架構(gòu)融合，并開展相關(guān)探索實(shí)踐，主要包括①智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)標(biāo)識與標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)一步完善;②全面的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲與分析，并資產(chǎn)化;③企業(yè)級、行業(yè)級智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè);④示范企業(yè)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系形成;⑤傳統(tǒng)礦山產(chǎn)業(yè)與上下游融通發(fā)展，挖掘產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)價值，反哺產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新發(fā)展，加速推進(jìn)礦山行業(yè)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化與交易等。