数字矿山

智慧矿山理念创新构想

摘要：在我国现代化进程中，传统的煤矿矿山企业在现代化信息建设之中遇

到了如行业内部没有足够的信息化标准、各企业之间信息封闭等问题，成为了现

代化进程的阻碍。为了建设信息化矿山、智慧矿山，本文通过从数据采集到数据

分析、执行乃至后期的指挥决策等多方面、多环节的架构体系来描述每个体系中

具体所对应的环节，并且利用空间信息、智慧煤矿以及三维模型等具体信息技术

的应用来建设现代矿山、智慧矿山。

关键词：智慧矿山建设；人工智能体系；大数据分析

随着煤矿安全生产问题越来越受到国家和社会各界的高度重视，如何确保煤

矿的安全生产，是各级领导和全体员工关心的首要问题。煤矿安全生产应坚持

“管理、装备、培训”三并重原则，全国各个煤炭生产企业为了改善煤矿安全生

产条件都在大规模地更新和提高煤矿的技术装备水平。其中数字化矿山建设，实

现煤矿信息化、自动化、智慧化是提高煤矿安全生产的最主要的方法之一，数字

化矿山技术的推广也是一种安全管理趋势。数字化矿山是指采用现代信息技术、

数据库技术、传感器技术、网络技术和过程智能化控制技术等，对矿山安全、生

产、经营与管理的各个环节进行网络化、集成化、模型化、数字化、可视化和科

学化管理，本文通过对绿色智慧数字化矿山实现的基础设施、大数据预警与决策

支持分析、智慧化生产系统、安全监测、平台软件、机器人系统等的阐述，提出

未来绿色智慧矿山发展的方向和趋势，供相关技术人员参考。

1智慧矿山基本概念

从煤矿生产实际出发，将智慧理解为智慧分析、智慧决策、智慧行为3点。

智慧分析是对煤炭企业在生产、管理及日常经营过程中产生的数据信息进行自动

的筛选整理并进行分析，能够智能地以历史数据为依据对煤炭企业的运作过程进

行思考，获取有用的信息或合理的推断。智慧决策是模仿人类做出决定判断的过

程，是指系统能够根据对数据分析思考获得知识，自动找出应对煤炭企业运作过

程中产生的问题的方案。智慧行为指的是生产、管理行为自动化。模拟人类行为

模式，由思维控制行为，通过智能分析、智能决策的过程，对生产过程中管理系

统的行为、生产设备的行为进行自动化、智能化的控制。

2智慧矿山关键技术

2.1泛在网络

《规范》中对基础网络的描述是：“应采用高速、宽带的工业以太网、现场

总线、无线通信网络、透地通信设备……在正常时期，应保证矿山所有信息……

的准时、可靠、安全传输；在灾变时期，网络链路应满足K-2（网络中的K条线

路任何2条出故障）可靠传输，井巷链路应满足N-1（网络中的N条巷道任何1

条不通）可靠传输……”在矿井自动化阶段，普遍采用的是有线网络为骨干，无

线网络和现场总线作为分支和辅助，通过网关接入到有线网中。

2.2智能感知

在矿井自动化阶段，传感器、执行器等只能被某个子系统单独使用，难以按

实际需要构建灵活实用的逻辑系统；不能直接接入主干网络，必须通过网络控制

器接入；没有采用集成传感器，一个传感器只能采集一种物理量；没有进行网络

化分布式测量，缺乏传感层面的信息融合。智慧矿山通过泛在网络应实现泛在的

感知、智能感知和就地决策控制。传感器和执行器可以不通过子系统的控制器，

而是以有线或者无线的方式直接接入泛在网，这样可根据应用需求组成逻辑上的

应用系统，并为服务与数据协议及网络元素的解耦提供了可能。应研究泛在传感

感知与机器学习的结合，由单一目标监测向多维度感知发展；过程数据处理方法

由传统的预置处理流程向事件关联智能分析、自主决策转变；监控由井下分散采

集、井上集中处理反馈向现场就地分析、决策、执行转变。应研究雾计算、边缘

计算在智慧矿山的应用。雾计算的处理能力放在包括IoT设备的LAN里，和云计

算相比延迟更短，更适合需要现场就地分析、决策、执行的场合，也可以实现子

系统的监测控制和子系统间的数据级计算与协调。边缘计算进一步推进了雾计算

的LAN内的处理能力，处理能力更靠近数据源，通过把传感器连接到PAC（可编

程自动控制器）上，使控制和通信的把握成为可能。应研究智能、可靠、具备矿

井环境能量捕获的新一代无线传感器。智能是指传感器可以动态注册、自动分配

地址、即插即用，可就地决策控制；可靠是指抗电磁干扰、防中毒、无零点漂移、

免标校；能量捕获是指利用通风产生的风能、带式输送机等产生的动能等为传感

器节点充电。应推广OPCUA（OPC统一架构）的应用。在矿井自动化阶段，各子

系统都采用OPC的方式进行数据通信。作为新一代数据交换技术，OPCUA可实现

底层IoT到ERP的全方位集成，保证通信不丢失数据，支持复杂的数据结构，生

成统一数据模型等优点，为下一步实现数据挖掘有天然的优势。

2.3基于SOA架构DDS规范的数据仓库

数据不是为了存储而存在的，只有对数据进行了合理的分析、重组、管理才

能实现数据真正的价值。在矿井自动化阶段，各个子系统都有各自的关系型数据

库或实时数据库。这些异构源数据库无法集成一个统一接口，无法满足数据处理

多样化的要求，只能做本系统内的信息检索而不是数据挖掘。而数据仓库是数据

挖掘的主要对象，数据挖掘是发现数据仓库价值的方法。通过数据清洗等操作形

成数据仓库，建立单独的分析处理环境，为下一步的大数据挖掘打好基础。《规

范》中明确规定了应建设“基于SOA构架、OPC规范和DDS规范”的矿山数据仓

库，并至少包含实时数据库在内的地形地貌数据库、地质勘探数据库、生产经营

数据库等主题数据库。面向服务的架构SOA是一种通过服务整合来解决系统集成

的一种思想。其实现的常见方式是企业服务总线ESB；而数据分发服务DDS是专

门面向分布式实时系统的服务，能很好满足智慧矿山大规模、分散控制和动态改

变的要求，不仅支持设备之间的数据分发和设备控制，还能实现设备和云端的数

据传输。因此，在实现了智能感知，传感器和执行器直接接入泛在网后，各个逻

辑系统也可以不需要构建各种上位的应用系统，而是从底层出发，构建出各种服

务，应用可以通过搭建服务来实现，这就是SOA的主要思想。因此，研究实现基

于SOA构架、OPC规范和DDS规范的矿山数据仓库是成功建设智慧矿山的又一关

键技术。

4结论

智慧矿山是大势所趋，然而实现全面的智慧矿山还有差距，智慧矿山建设是

一个循序推进的过程。智慧矿山是在信息化技术推动下，依靠大数据智能模型、

管理模型、物联网技术以及传感设备高度集成的一种矿山信息化发展新阶段，也

是信息化建设的新形态。智慧矿山的建设是未来矿山实践和理论研究的前沿方向，

对建设绿色矿山，实现矿山可持续发展具有重要意义。

参考文献

1.

吴立新，汪云甲，丁恩杰，等.三论数字矿山：借力物联网保障矿山安全与

智能采矿[J].煤炭学报，2016，37（3）：357-365.

2.

吴立新.数字地球、数字中国与数字矿区[J].矿山测量，2016（1）：6-9.

[3]吴立新，殷作如，邓智毅，等.论21世纪的矿山：数字矿山[J].煤炭学

报，2015，25（4）：337-342.