华晋焦煤有限责任公司 山西吕梁 033000
摘要：随着当前我国社会的不断发展以及不断进步，我国的科学技术水平也在不断进步，而矿山建设就属于比较重要的建设，目前，智慧矿山建设已经取得了初步的发展成绩，但是已有的多套智慧矿山平台没有很好的实现企业信息资源交换、应用管理系统的敏捷功能开发和快速产品上线、资源的使用弹性和可伸缩及企业自动化管理运维。为了有效解决这些问题，以一些大数据为基础，本文率先提出了中国智慧矿山研发平台整体架构，有效地实现了敏捷功能开发、持续功能集成、弹性功能扩展及资源全方位动态监控。在网络信息共享方面，提出了能够便于用户实现网络信息系统共享和通信系统相互融合的新型共享网络技术，包括客户端与服务器之间的网络通信、微服务之间的网络通信、大量使用异构软件系统之间进行通信的系统融合等技术。基于软件平台的架构体系和软件功能管理视图，对目前主流企业软件的功能优劣进行分析，实现了技术架构的资源管理层、内核架构层、应用系统层。通过对传统业务上计算平台运行途径、分布式计算平台业务架构的基础建设运作方式进行分析总结，验证了本文提出的平台架构具有可用性和可持续性。
关键词：智慧矿山；架构体系；智能决策
引言
智慧矿山这个概念是由1992年ibmc所提出的"智慧地球"这个理念直接衍生而来。智慧矿山相较于传统自动化工业矿山、信息化工业矿山、数字化工业矿山，是一个矿业技术更为先进的新型矿山企业，是未来我国矿山企业持续发展的新发展方向。智慧矿山项目建设是一个多层次学科交叉、相互融合的前沿科学研究领域，我国目前在这几个方面的标准研究还只是处于矿山理论标准研究的起步阶段，一些专家学者已从我国智慧矿山标准定义、框架、关键技术、信息化技术标准等多个方面进行了大量探索，但是仍存在一些框架体系建设、关键技术标准提炼不够深入等一些突出问题。鉴于此，笔者在出目前关于我国大型矿山企业信息化建设仍然存在一些问题的基础上，探讨了我国智慧矿山建设的基本架构及其中的关键技术。
一、智慧能源矿山的基本特征
（1）具有可持续性。前三个发展阶段的矿山生产管理模式都更注重提高矿产整体的质量管理，呈现出从单一提高矿产整体生产效率到通过综合管理提高包括矿产质量与矿山经营的整体效率的发展趋势。到了我国智慧矿山发展阶段，不仅更加关注智慧矿山企业生产，还更加综合性地考虑了企业生产与矿山内部经营管理的综合协调、企业与矿工人的管理协调、资源综合开采与生态环境的管理协调，关注矿山企业的稳定、可持续发展，从而能够使智慧矿山企业具有更持久的生命周期。
（2）具有自动化的特点。矿山动态管理模式的发展过程实际上是生产工具不断发展和演变的过程。智能矿山利用智能遥感技术和智能控制技术，可以实现对当前矿山生产经营的自动实时信息感知。并能将矿山数据信息进行自动存储和实时归类分析，形成基于特定工作场景的动态响应数据处理，形成数据接收、分析、响应的动态闭环管理过程，具备了矿山生物管理智能。人工对于矿山参与的程度直接地反映了智慧矿山发展对于我们的重要程度，有国外学者将其称作是"无人"，这是中国智慧矿山发展的一个标志。
（3）具有整体协同性。强调各服务系统的有效开放、信息的有效整合、运作的有效协同，发挥企业矿山生产管理的一个整体服务功能。根据企业经营管理通过电子商务平台所接收到的商品订单产销数量、产品规格指标等，对其中的问题进行定期分析并及时反馈到生产管理部门，根据企业历史商品产销数量关系、产品规格指标与生产产品配方关系等历史数据，相应对生产配方的数量进行控制，并协助生产部门生产产品配方，进而达到企业产销平衡的目的。
二、矿山发展现状及形势
在过去的几十年里，我国矿业企业的信息建设逐渐转变为初步自动化，从过去到未来的发展趋势大致可以分为下面4种阶段：①信息电子化。利用单一的电子部件进行收集数据资料，通常以文本、电子表格等样式记录统计，使生产信息迈向电子化阶段。②矿山数字化。将矿井的日常安排、生产设备的管理、运营等信息通过矿山数字化信息系统进行入库统计，利用数据库储存大批量的业务数据资料，形成生产信息的数据库化，以系统的方式呈现和掌握整个矿山的生产和发展状况。③虚拟矿山。把整个真实矿山和它有关的东西都联合起来，连接视频监控系统、安全生产监测系统等达到井下真实场景虚拟重现和视频可见，与模拟仿真的矿区场景结合在一起，完成辅助分析功能。④智慧矿山。在虚拟矿山的基础上，通过物联网技术手段系统地融合信息形成管理、监测、监控三者的一体化，使用人工智能实现科学的和智能的决策，并采用跟踪和导航定位技术实现生产的远程操控和无人化。近年来，我国对于矿业企业安全生产和信息自动程度的要求不断提高，矿业企业自身对安全生产、生产效率及管理标准的需求也越来越高，已有的落后的发展模式很难前进，一定会被先进科学的矿山物联网技术所代替，基于物联网的数字化智慧矿山建设会去的巨大的成功，确保安全、可靠、智能、的煤炭生产管理。
三、矿山信息化建设中仍然存在的问题
随着当前我国各项技术快速发展，在矿山企业信息化建设中仍旧存在缺乏建立相应技术标准的问题，导致各类信息在矿山数据库的存储、描述以及矿山分类编码中仍然存在较大技术差异。我国多数贫困地区在推进矿山工程建设过程中只重视矿山硬件，对矿山软件建设处于高度忽视状态。致使部分企业各种信息资源难以得到全面有效地开发。现阶段我国矿山企业建设中诸多系统已经基本实现了走向网络化以及集成化的发展，但是由于较多环境因素相互影响，矿山信息化构成系统难以有效互相对应，导致矿山信息化构成的系统结构组成非常复杂，系统管理工作难以进行，有诸多大型矿山企业对于信息化构成系统在实际应用中的功效仍然未能全面发挥，在矿山信息化构成系统长期化的建设以及维护中仍然需要持续消耗较多时间和技术，并投入大量的人力资源。
四、智慧矿山建设架构体系分析
在推进智能矿山项目建设的过程中，需要全面深入地保证智能矿山项目在多个领域的全面发展。在推进智能矿山项目建设的过程中，必须完成以推广云计算、大数据、物联网、人工智能等新技术为主的任务，集中各类矿山传感器、控制器、传递器和网络等，建立各种感知综合能力与自动化分析能力较强的矿山数据知识库，进而完善矿山决策模型结构并有利于自动化组织执行，使得矿山设计、生产、管理等多个关键环节相互整合统一，能利于建立高效率和绿色化的智慧矿山建设体系。下面针对现阶段我国智慧矿山信息化产业建设过程中普遍存在的各项问题一并进行数据集中、分析优化。
第一层建设的主要任务是建立数据采集与管理决策执行层。此层在项目建设过程中的主要工作目的是全面收集各项矿山决策信息相关数据并对其进行整合管理，保障各项矿山决策相关信息能有效、准确地执行。在这其中有一些比较重要的内容，比如安全生产管理、经营财务管理以及系统相关信息的收集以及获取等。在大型工程自动化管理系统中的主要应用有技术开发、决策、机电设备生产、水文、探测等。在工业环境污染监控管理系统中主要应用有作业人员环境定位、水环境污染监控、大气环境污染监测、各类工业废弃物回收处理环境监控等。
在矿山生产的安全管理系统中，要充分结合矿山企业不同生产管理阶段实际现状，强化矿山企业安全生产管理、调度控制管理、设备维护管理等。在安全生产管理制度系统化的建立中也有效地加强了应急抢险救援安全管理、质量安全规范化监控管理、安全发生问题及时排查通报管理、工种安全管理等。在企业经营资源服务系统中主要应用有企业人力资源管理、物资供应商和保障服务管理等。
在第二层建设中主要指的是传输层，在此层建设中我们需要依照传输层与设计一体化技术标准进行统筹规划设计，整合一些多种形式的传输资源，这样使传输覆盖面的范围相较于之前来说取得很大扩展。
第三层使存储数据层中，储存数据层中要根据所有矿山相关信息及存储全过程实现矿山元数据标准化与存储规范化，在不断提升矿山数据安全性的基础上还能应用矿山云数据存储，对所有矿山相关数据进行实时高效化管理与存储。并且还要基于统一化、开放化程度较高的服务平台上，完善智慧矿山安全生产与管理，并促进智慧矿山服务知识平台的建立。
第四层次是智慧矿山决策与风险控制管理层，这是我国智慧工业矿山安全建设架构管理体系中重要的一层，其中覆盖了智慧矿山安全运行中各个关键阶段的智慧软件管理系统。不仅要对各项大型智慧城市数据信息进行深度梳理分析，还需要加快建立综合指挥机动调度、综合实战演练、应急综合救援等四大系统。发挥矿山云计算与矿业大数据各项关键创新性信息技术综合应用价值，实现多技术系统、多个技术专业有效联合，对我国智慧矿山建设阶段多项关键决策进行自动调控，使得各项决策实施能得到自动化准确执行。
同时该系统还需要充分具备自动化学习库的功能，从而不断优化拓展，存储不同层次的知识库，对知识库进行完善。
第五层是信息展示综合层，借助三维成像、虚拟现实等技术，对通过图像处理的矿山动态信息，应用移动网络平台或是利用移动网络显示器等设备显示的动态进行集中展示。
五、智慧矿山建设涉及的关键技术
5.1空间信息技术与智慧采煤技术
空间信息技术主要是以空间遥感技术、地理位置信息采集系统、定位仪等技术领域为研究核心，为全面实现矿山空间信息技术综合应用提供了重要的技术保障。矿山信息行业正在发展中，因此需要对矿山信息管理技术及其相关的各项信息技术应用进行深度研究分析，再通过整合矿山调度指挥系统与办公自动化管理系统以使应用发挥价值，对矿山数据相关信息需要进行快速收集分析与综合整理，尽快建立较为完善的矿山企业空间信息技术管理机制，建立三维立体的空间信息技术展示平台。在各种智能智化采煤设备与各项监控技术融合中，主要应用有智能记忆式切割式采煤监控技术、远程控制采煤技术、智能采煤识别监控技术、工作面远程监控监测系统、输送机远程控制监测系统、地理位置信息监控系统、煤层开采生产过程跟踪监控系统等。
5.2采切方面的应用
数字化工业矿山在采切应用中能够为采切工程提供更加全面的设计功能，包括多种参数底部井层结构设计、井巷结构设计等。数字化矿山自动投影能够根据不同矿床的实际切割情况，对煤矿开采后的切割情况进行自动模拟，并且还能够沿着任意一个方向将开采切割后的实体进行投影，生成实体投影后的轮廓和曲线，方便现场工作人员确定每个巷道口的位置。数字化回采系统可以准确设计各种回采控制单元，包括顶部结构优化参数控制设计、自动材料切割、底部部件结构优化参数控制设计、可视化参数设计等，并且还能够准确计算回采工程量、金属回采量、储量等。
5.3矿山真三维地质模型与集成技术
当前在巷道设计中已经可以广泛应用三维地质模型，对各项物探作业以及物探测量管理过程进行地质数据分析过滤与信息整合，实现物探数据库及信息库的动态化管理调整，对煤矿物探生产中物探作业环境进行展示。矿井安全生产过程中诸多关键环节往往会产生较多不同的安全问题，针对此类安全问题我们需要进行强化立体仿真物理模拟，以自然地质体系作为模拟基础可以构建有限的单元剖面成分物理模型。再通过分析不同矿井经营环境以及不同监控，监测系统中所获取到的具有一定针对性的监控数据，对企业生产经营环境中的危险性因素进行综合分析评价。
5.4虚拟现实技术
虚拟现实技术是指利用传统虚拟化和现实技术可以实现的各种多源码和信息技术融合、交互式的用户动态三维化的可视化虚拟应用场景和实体用户行为交互体验，该项技术在很多领域中都取得了受社会关注很高的研究成果。在我国当前的矿山行业发展中，已成功开发的以虚拟现实技术技术为基础的一些系统包括：安全管理培训模拟系统、开采监控模拟系统、车辆安全运行监控模拟系统、灾害发生过程监控模拟系统、三维矿山地震灾害可视化数据分析监控系统、带式物料输送计算机远程安全监控管理系统等多种应用监控系统。随着工业技术的不断进步，虚拟现实技术必将在工程设计、生产过程管理、风险评价、安全生产管理与技术培训、数据分析可视化展现以及各类矿井数据分析等方面提供更加完善的解决方案。
5.5煤矿瓦斯综合利用技术
目前，国内在瓦斯利用方面已基本形成了瓦斯蓄热和二氧化瓦斯利用、提纯和风能发电等紧密结合的煤矿瓦斯利用技术，针对排放出来的不同浓度的绿色瓦斯资源进行节能、高效利用。主要产品包括低（超低）及高浓度瓦斯蓄热性硫氧化物及热能综合利用、瓦斯风力发电或热能提纯、高浓度天然煤层气直接冶炼加工热能利用、低浓度瓦斯安全热能输送及自动热能混配等配套系列化发电技术与配套装备，为客户提供能源治理、开发、利用一体化发电系统解决方案。尤其是对多数燃煤矿井来说瓦斯排放浓度低、瓦斯的可利用矿井规模小，可大力推广蓄积于热氧化铝的燃煤动力锅炉技术，在我国北方的冬季还可以实现对地板进行保温加热的作用。
5.6数据通信技术与云网融合技术
通过自主研制一套便于实现矿山多个云网、多通信系统相互融合的数据通用协议；规范矿山数据传输格式，使不同生产厂商的传输设备与通信系统之间能实现无缝数据互换，通过逐渐淘汰落后生产技术与装备，遴选出先进生产技术与装备，从而有效保障矿山数据传输获取的信息准确性与数据可靠性。云网融合技术是一个将智能云计算与矿业物联网技术进行深度融合的全新矿业研究领域，通过利用云网融合技术率先建立"人—人、人—物、物—物"互联的矿井传感网络、形成矿井信息高效获取与资源共享的协作机制，再通过融合各种具有强大数据分析能力的企业云计算技术，以及有机结合各类型的矿山管理软件，将为企业矿山的经营管理和专业人员对矿井信息进行数据采集和数据分析等方面提供高效的解决工具。
5.7组件式矿山软件
在矿山设计、生产运行、经营管理、安全管理与决策等各个运行环节，矿山企业管理和技术人员都需要功能适宜的应用软件来辅助进行工作。为满足不同的应用场景的多样性需求，有针对性地开发功能合理的组件式软件是大势所趋.
5.8做好智慧矿山日常管理工作，重视新技术综合应用
其一，智慧矿山的日常管理工作。智慧矿山的管理系统在进行综合运行期间，必须要专门派遣相关管理人员来前去负责管理和指挥。专人负责管理与实时指挥，可以及时准确掌握各煤矿经营运行和安全生产企划的信息衔接情况。在整个智慧矿山的管理工作中，应设置一个综合指挥部和命令控制中心，把其设置为整个智慧矿山运行技术管理中的司令部，去负责指挥和组织协调整个矿山的实际技术应用与管理运行。此外，在日常运行管理期间，也需要及时做好日常系统维护以及及时升级系统。如，及时对企业数据中的信息资源进行采集处理、利用并对gps以及其他信息处理技术手段进行实时性的监控，存储，确保数据资源的利用实效性。再比如，电脑软件以及其他硬件如果出现了问题，第一时间介入解决问题。
其二，智慧矿山的各种紧急情况如何处理。众所周知，矿山的井下挖掘作业具有多种动态化工作特点，不安全因素相对较多，如果在井下进行作业期间，出现突发事件，很难有效保证井下作业的安全性。如果工程出现问题包括墙体塌陷裂缝问题、透水渗漏问题、岩爆爆炸问题等，对建筑人员及人身健康会带来较大伤害。因此，相关岗位工作人员必须深刻认识到这一点，注重日常的安全生产管理，构建安全智能化管理系统，确保井下作业的每个岗位工作人员的生命安全，实现最终需要实现的目标
其三，基于物联网的智慧矿山控制系统的应用。在建设智慧矿山控制系统的过程当中，可以通过结合物联网的思想，将巡检机器人、信息采集系统、组网设计、视觉导航、自主导航等这些创新性的设备运用到矿井环境数据采集以及矿山开采项目当中去，将这些设备运行状态参数系统运行的信息感知，对于信息的分析处理嵌入到设备当中，这样就能让矿山智慧系统自主研发自动化生产系统装备以及大型设备故障诊断系统，以此来实现远程控制，研发智慧矿山的远程故障诊断，提高整个系统运行的可靠性和稳定性。
结语
近年来，许多行业掀起了“智能化”建设的热潮，这仍是继工业化、电气化、自动化和信息化之后世界科技革命的新突破。经过多年的科技研究和工程实践，我国煤炭行业在信息化建设方面取得了许多积极成果，但与智能矿山仍有很大差距。为了实现小规模采矿甚至无人采矿，建造“智能”矿井是一种可靠的方法。根据智能矿山的新概念，提出了智能矿山建设的五层架构体系，并对涉及的相关关键技术进行了总结，以期为智能矿山建设提供参考。
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