基于層級(jí)鏈參考模型的智慧礦山建設(shè)問(wèn)題分析

譚章祿吳琦

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院,北京 100083

1992年,芬蘭首次提出建設(shè)智能礦山的計(jì)劃。29年后的今天,在政府密切關(guān)注和信息化發(fā)展的大背景下,建立智慧型礦山已經(jīng)成為我國(guó)未來(lái)煤炭企業(yè)礦山建設(shè)的大趨勢(shì)。智慧礦山的構(gòu)建目標(biāo)旨在將透徹感知、深度互聯(lián)、智慧決策的思想融入煤炭企業(yè)信息化建設(shè)進(jìn)程中,實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采的信息化和智能化。由于地質(zhì)采礦條件復(fù)雜、生產(chǎn)體系龐大、采掘環(huán)境多變等特點(diǎn),煤炭企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理具有不同于其他行業(yè)的特殊性。因而,在自動(dòng)化礦山、數(shù)字化礦山的基礎(chǔ)上,迫切需要?jiǎng)?chuàng)新管理模式和技術(shù)手段,建設(shè)綠色、智能和可持續(xù)發(fā)展的智慧礦山[1]。在“工業(yè)4.0”的發(fā)展潮流和背景下,智慧礦山開(kāi)創(chuàng)了采掘業(yè)利用信息技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的新時(shí)代,在行業(yè)信息化過(guò)程中具有里程碑意義。然而,智慧礦山的認(rèn)識(shí)、建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,自智慧礦山理念提出至今,其理念與概念仍沒(méi)有形成共識(shí),更沒(méi)有任何一個(gè)組織建成過(guò)一個(gè)真正意義上完整的智慧礦山,智慧礦山的建設(shè)剛剛起步且任重道遠(yuǎn)。

當(dāng)前全球工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略,從德國(guó)的“工業(yè)4.0”到美國(guó)的“重振制造業(yè)計(jì)劃”,再到日本的“再興戰(zhàn)略”以及我國(guó)的“中國(guó)制造2025”,均表現(xiàn)出各國(guó)政府對(duì)于制造業(yè)的關(guān)注程度正不斷加強(qiáng)。在此背景下,各國(guó)針對(duì)自身的實(shí)際情況,提出了符合各自國(guó)情的智能制造業(yè)發(fā)展的參考模型,以謀求行業(yè)領(lǐng)域的信息化和智能化發(fā)展。

德國(guó)在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式提出了“工業(yè)4.0”的概念,標(biāo)志著德國(guó)工業(yè)發(fā)展進(jìn)入智能化時(shí)代。“工業(yè)4.0”旨在利用信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的變革,進(jìn)入一個(gè)產(chǎn)業(yè)智能化的時(shí)代。在此戰(zhàn)略背景下,德國(guó)“工業(yè)4.0”平臺(tái)發(fā)布了《工業(yè)4.0 參考架構(gòu)模型》,即RAMI 4.0[2]。參考架構(gòu)模型立足于全局式的思考視角,從系統(tǒng)級(jí)別、生命周期與價(jià)值流和活動(dòng)層三個(gè)維度構(gòu)建并關(guān)聯(lián)了“工業(yè)4.0” 中的各個(gè)基本單元,即“工業(yè)4.0” 組件[3-4]。通過(guò)這個(gè)模型,各個(gè)企業(yè)都可以在模型架構(gòu)中準(zhǔn)確定位自己的業(yè)務(wù)位置。

2015年,美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)推出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)模型( Industrial Internet Reference Architecture,IIRA)V1.0。隨后,IIC 一直致力于不斷完善和細(xì)化參考架構(gòu)模型,目前模型已經(jīng)更新到了V1.9。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)不止局限于制造業(yè),它是一個(gè)跨行業(yè)的參考架構(gòu),涉及行業(yè)非常廣泛,例如能源、醫(yī)療、運(yùn)輸?shù)?。從系統(tǒng)的利益相關(guān)者和確定適當(dāng)?shù)年P(guān)注點(diǎn)來(lái)看,架構(gòu)模型提供了業(yè)務(wù)層、使用層、功能層和實(shí)施層4 個(gè)層面的描述。從功能角度,將普通的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分成了控制域、操作域、信息域、應(yīng)用域和業(yè)務(wù)域5 個(gè)功能域,各功能域在數(shù)據(jù)和控制流方面相互關(guān)聯(lián)、相互作用,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的循環(huán)[5]。

2016年12月,日本工業(yè)價(jià)值鏈促進(jìn)會(huì)(Industrial Value Chain Initiative,IVI)正式發(fā)布了日本工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)( Industrial Value Chain Reference Architecture,IVRA)[6],標(biāo)志著日本智能制造策略正式落地,形成了具有日本制造優(yōu)勢(shì)的智能工廠互通互聯(lián)的基本模式。通過(guò)IVRA 的構(gòu)建,可以有效地分析和定位出制造過(guò)程中存在的問(wèn)題,并能夠根據(jù)問(wèn)題找準(zhǔn)解決方案所在的系統(tǒng)范圍。相比于德國(guó)的RAMI 4.0 和美國(guó)的IIRA,IVRA 最突出的特征在于通過(guò)智能制造單元提高了現(xiàn)場(chǎng)的參與感,這一新智能工廠建設(shè)的參考架構(gòu)嵌入了“日本制造業(yè)”特有的價(jià)值導(dǎo)向,日本期望其能成為世界智能工廠的參考標(biāo)準(zhǔn)[7]。

為了融入新的工業(yè)革命的發(fā)展潮流,積極應(yīng)對(duì)全球“工業(yè)4.0”和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn),中國(guó)基于人口紅利消失、勞動(dòng)力價(jià)格要素不斷上升、人口結(jié)構(gòu)變化、低質(zhì)低價(jià)“中國(guó)制造”急需向中高端轉(zhuǎn)型等國(guó)情,于2015年提出了《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略[8-9]。這一戰(zhàn)略承襲了一直以來(lái)國(guó)家對(duì)制造業(yè)的重視,在總結(jié)之前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上,旨在調(diào)整我國(guó)制造業(yè)格局及中國(guó)制造在國(guó)際分工中的地位[10]。

自20 世紀(jì)末至今,礦山信息化建設(shè)經(jīng)歷了數(shù)字礦山、感知礦山到智慧礦山的轉(zhuǎn)型。在此過(guò)程中,“中國(guó)加入WTO”“十二五規(guī)劃”“兩化融合”等政策規(guī)劃使得國(guó)家對(duì)煤炭企業(yè)信息化的要求和水平不斷提高。1999年,“數(shù)字礦山”這一概念在“國(guó)際數(shù)字地球”大會(huì)中被首次提出。吳立新等[11]將數(shù)字礦山定義為“在統(tǒng)一的時(shí)空框架下,對(duì)真實(shí)礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一理解、表達(dá)與數(shù)字化再現(xiàn),是數(shù)字礦區(qū)和數(shù)字中國(guó)的一個(gè)重要組成部分”。2010年,張申等[12]基于數(shù)字礦山的發(fā)展現(xiàn)狀以及智能化發(fā)展的迫切要求提出了“感知礦山”,指出感知礦山就是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)等感知手段實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山整體以及相關(guān)現(xiàn)象的可視化與智能化。與前兩個(gè)階段相比,智慧礦山不只是對(duì)礦山數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理和集成,更多的是通過(guò)構(gòu)建管理模型、智能算法對(duì)大數(shù)據(jù)的智慧化運(yùn)用,對(duì)礦山生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)的變化與需求進(jìn)行積極響應(yīng),最終超越人員的局限性實(shí)現(xiàn)智慧化決策。

本文基于我國(guó)國(guó)情,結(jié)合煤炭行業(yè)自身的特點(diǎn),參考德國(guó)、日本和美國(guó)的智能制造業(yè)建設(shè)模型,提出了以中國(guó)制造2025 為指導(dǎo)依據(jù)的智慧礦山信息化建設(shè)參考體系,從頂層設(shè)計(jì)的角度提出了智慧礦山信息化建設(shè)的各個(gè)維度,為未來(lái)煤炭行業(yè)內(nèi)各個(gè)組織加入智慧礦山建設(shè),并在智慧礦山建設(shè)過(guò)程中找準(zhǔn)定位提供理論支持。

1 智慧礦山參考模型

構(gòu)建智慧礦山參考模型,旨在引導(dǎo)如何建設(shè)智慧礦山。智慧礦山的信息化建設(shè)應(yīng)從分析煤炭開(kāi)采活動(dòng)與過(guò)程中的主體或組織,礦物產(chǎn)品增值過(guò)程以及信息和信息處理的需求入手。相應(yīng)的,可從層、級(jí)、鏈三個(gè)維度來(lái)搭建智慧礦山。本文提供的各個(gè)維度劃分是立足于目前煤炭企業(yè)信息化實(shí)踐的基礎(chǔ),旨在為智慧礦山建設(shè)提供參考借鑒。

1.1 層級(jí)鏈三維模型

煤炭開(kāi)采是由地質(zhì)勘探、測(cè)量、采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)、安全等多環(huán)節(jié)共同協(xié)作、高效安全開(kāi)發(fā)有用礦物的過(guò)程,因而礦山是一個(gè)由礦物資源、人、財(cái)、物、信息等要素構(gòu)成、受專業(yè)知識(shí)制約的復(fù)雜系統(tǒng)。智慧礦山的“智慧”,主要是指流動(dòng)于礦山這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)、多專業(yè)過(guò)程中的信息的處理方法,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自增值。因此,弄清流動(dòng)于礦山的信息產(chǎn)生及其分布、信息的流動(dòng)與信息之間的邏輯關(guān)系、信息需求與組織利益訴求,是建設(shè)智慧礦山的關(guān)鍵。據(jù)此本文提出從層(活動(dòng))、級(jí)(組織)和鏈(價(jià)值)三個(gè)維度構(gòu)建的智慧礦山信息化建設(shè)參考模型(圖1)。

圖1 智慧礦山參考模型Fig.1 Smart mine reference model

層是指礦山企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中的相關(guān)活動(dòng),智慧礦山從數(shù)據(jù)層面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)行為及行為間互動(dòng)的智慧化;級(jí)是指礦山生產(chǎn)過(guò)程中涉及的各級(jí)組織;鏈?zhǔn)侵敢缘V物產(chǎn)品的生命周期為基礎(chǔ)形成的價(jià)值鏈。

1.1.1 層(活動(dòng))

“層” 坐標(biāo)是按礦山企業(yè)相關(guān)業(yè)務(wù)活動(dòng)的組織層次和業(yè)務(wù)邏輯劃分的,實(shí)質(zhì)上是從數(shù)據(jù)層面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)行為及活動(dòng)的描述和管控。因此,企業(yè)的信息管理應(yīng)該根據(jù)信息的生命周期理論進(jìn)行分層規(guī)劃,各個(gè)層次最終能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的功能,同時(shí)又存在聯(lián)系,下層功能為上層提供結(jié)構(gòu),上層使用下層的服務(wù)。通過(guò)對(duì)層的劃分體現(xiàn)出了各層之間自上而下和自下而上的信息流動(dòng),這種信息流使煤炭企業(yè)內(nèi)不同層上的業(yè)務(wù)和活動(dòng)之間的邏輯更加明確,從而使煤炭企業(yè)的業(yè)務(wù)處理過(guò)程和生產(chǎn)管理活動(dòng)井井有條,同時(shí)為煤炭企業(yè)組織內(nèi)部權(quán)力的劃分與安排、責(zé)任的確定與分解提供參考依據(jù)。

層坐標(biāo)從下到上可分為資產(chǎn)層、作業(yè)層、管控層、決策層和商業(yè)層。

資產(chǎn)層:主要描述礦山人員、礦床資源、機(jī)械設(shè)備、工程建筑物、采場(chǎng)、工作面等現(xiàn)實(shí)作業(yè)場(chǎng)景中存在的人和物。處于最底層,為上層作業(yè)層提供作業(yè)決策支持,對(duì)各種資產(chǎn)進(jìn)行集成,為信息化實(shí)現(xiàn)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

作業(yè)層:包括基礎(chǔ)生產(chǎn)活動(dòng)與生產(chǎn)輔助活動(dòng)?；A(chǔ)生產(chǎn)活動(dòng)包括采掘機(jī)運(yùn)通、企業(yè)的資產(chǎn)管理、生產(chǎn)材料的采購(gòu)等;生產(chǎn)輔助管理包括財(cái)務(wù)、合同、預(yù)算、計(jì)劃等。

管控層:對(duì)資產(chǎn)層和作業(yè)層所產(chǎn)生的信息進(jìn)行集成、比較和目標(biāo)管控,以及進(jìn)行任務(wù)指派和資源配置。

決策層:進(jìn)行決策分析的活動(dòng)。決策層根據(jù)之前的信息獲取決策信息,找到?jīng)Q策依據(jù),并確定決策方案。

商業(yè)層:完成承接的業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)企業(yè)之間以及行業(yè)內(nèi)部的商業(yè)往來(lái)。

從“層”維度看,實(shí)現(xiàn)礦山“智慧化”的必要條件是:全面實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集,正確建立數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系和權(quán)限控制模型,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享并能與物理世界聯(lián)動(dòng),伴隨礦山開(kāi)采作業(yè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行,上述模型和聯(lián)動(dòng)方法能自學(xué)習(xí)自適應(yīng)。

1.1.2 級(jí)(組織)

“級(jí)”是指基于對(duì)信息需求、按責(zé)權(quán)利劃分的具有不同效應(yīng)訴求的組織。礦山企業(yè)處在一定的社會(huì)環(huán)境之中,并存在內(nèi)部蘊(yùn)含的組織層級(jí)。級(jí)坐標(biāo)可分為煤炭企業(yè)內(nèi)部支持組織以及外部關(guān)聯(lián)組織。內(nèi)部組織主要包括班組、科室、礦井和集團(tuán);外部組織包括地方行政、行業(yè)協(xié)會(huì)和其他社會(huì)組織。級(jí)的劃分,不僅體現(xiàn)了煤礦、集團(tuán)乃至整個(gè)煤炭行業(yè)內(nèi)各組織之間的相互聯(lián)系和影響,而且體現(xiàn)了相關(guān)的其他社會(huì)團(tuán)體或組織對(duì)煤炭企業(yè)、煤炭行業(yè)的信息訴求,以及這些社會(huì)團(tuán)體或組織對(duì)于整個(gè)煤炭行業(yè)以及行業(yè)內(nèi)組織的干預(yù)和影響。

從“級(jí)”維度看,實(shí)現(xiàn)“智慧”的必要條件是:法制制度完善健全,信息安全有保障,信息價(jià)值可實(shí)現(xiàn),煤炭大數(shù)據(jù)技術(shù)和平臺(tái)成熟可靠。

1.1.3 鏈(價(jià)值)

“鏈”立足于產(chǎn)品的生命周期,圍繞著產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中所需要的勘探、設(shè)計(jì)、基建、開(kāi)采、洗選加工、運(yùn)輸和礦區(qū)修復(fù)等相關(guān)活動(dòng),形成了一條關(guān)于煤炭企業(yè)產(chǎn)品的價(jià)值鏈,體現(xiàn)了煤炭行業(yè)內(nèi)部所涉及的相關(guān)產(chǎn)品的整個(gè)增值過(guò)程。在增值過(guò)程中,存在著企業(yè)合作、專業(yè)協(xié)作、信息共享和相關(guān)市場(chǎng)主體的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)以及利益關(guān)聯(lián)。

從“鏈”維度看,實(shí)現(xiàn)“智慧”的必要條件是:鏈上企業(yè)具有相同的信息化標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)放理念;企業(yè)間存在無(wú)利益沖突的協(xié)作協(xié)議;鏈上全部業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)的技術(shù)裝備可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通,建立有全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作優(yōu)化與資源調(diào)度配置模型,并具動(dòng)態(tài)自適應(yīng)能力。

綜上所述,參考模型從頂層設(shè)計(jì)的角度對(duì)影響智慧礦山建設(shè)的各個(gè)要素進(jìn)行了劃分和描述,并通過(guò)三維坐標(biāo)系的構(gòu)架方式將復(fù)雜的相互關(guān)系分解為更小、更簡(jiǎn)單的子模塊。該模型集成了煤炭行業(yè)內(nèi)部的不同組織視角,并建立在推動(dòng)智慧礦山信息化建設(shè)的共同目標(biāo)之上。

1.2 基于層級(jí)鏈的智慧礦山的特征分析

1.2.1 三個(gè)維度

智慧礦山是一個(gè)多維度的復(fù)雜系統(tǒng),包含了人、財(cái)、物、活動(dòng)、信息及各聯(lián)系和流程。假設(shè)m為層維度的水平個(gè)數(shù)、n為級(jí)維度的水平個(gè)數(shù)、k為鏈維度的水平個(gè)數(shù),則智慧礦山具有m×n×k個(gè)單元。每個(gè)單元代表一個(gè)子系統(tǒng),每一個(gè)子系統(tǒng)都是需要從層級(jí)鏈三個(gè)維度進(jìn)行協(xié)同建設(shè),只有這些子系統(tǒng)都得以完善,才能最終真正實(shí)現(xiàn)智慧礦山的建立。

1.2.2 三個(gè)集成

智慧礦山的建設(shè)需要從層級(jí)鏈三個(gè)維度進(jìn)行集成,需要各活動(dòng)層內(nèi)部和組織級(jí)與產(chǎn)業(yè)鏈之間的相互協(xié)作。從“層”維度看,智慧礦山涉及礦山開(kāi)發(fā)的一切事物及活動(dòng),因此應(yīng)按礦業(yè)專業(yè)邏輯理清要素屬性的內(nèi)在聯(lián)系。從“鏈”維度看,智慧礦山包含勘探、生產(chǎn)、礦區(qū)修復(fù)等整個(gè)產(chǎn)品生命周期的價(jià)值鏈活動(dòng),因此需要行業(yè)共同協(xié)作、同時(shí)發(fā)力。從“級(jí)”的維度看,智慧礦山建設(shè)涉及從隊(duì)組到行業(yè)、社會(huì)的多個(gè)組織層級(jí)。因此,智慧礦山建設(shè)不是單個(gè)組織的行動(dòng),需要鏈、級(jí)、層各維度理念和行動(dòng)上的相互協(xié)同。智慧礦山目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必須要求三個(gè)維度的集成。

1.2.3 三個(gè)世界

智慧礦山是物理世界、意識(shí)世界和信息世界同步建設(shè)和改造并相互協(xié)同驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。物理世界,即客觀存在的事物,如各類裝備、設(shè)備、材料等;意識(shí)世界,即人對(duì)于事物的認(rèn)知。在智慧礦山還沒(méi)有提出、信息技術(shù)還沒(méi)有引進(jìn)的時(shí)候,礦山的建設(shè)只存在兩個(gè)世界,即物理世界和意識(shí)世界,基于這兩個(gè)世界一直進(jìn)行著單一的、簡(jiǎn)單的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。在沒(méi)有信息技術(shù)支持的情況下,人的意識(shí)世界對(duì)物理世界認(rèn)知存在缺陷,難以保證客觀、準(zhǔn)確、即時(shí)和自動(dòng)化的處理。信息技術(shù)的引進(jìn)構(gòu)成的信息世界,彌補(bǔ)了意識(shí)世界的不足并緊密耦合物理世界,是架構(gòu)二者的橋梁。

智慧礦山通過(guò)建設(shè)信息世界、改造物理世界、提升意識(shí)世界,完全打通三個(gè)世界的聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)換,但強(qiáng)調(diào)的仍然是“人”,而非“無(wú)人”。人作用于信息世界才能賦予物理世界智慧,人的創(chuàng)造力決定了智慧礦山的建設(shè)程度。從發(fā)展過(guò)程來(lái)看,物理世界向信息世界轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是信息的透徹感知,級(jí)、鏈之間應(yīng)該實(shí)現(xiàn)深度互聯(lián),層之間管理決策智慧化。智慧礦山的建設(shè)內(nèi)容包含三個(gè)世界的同時(shí)建設(shè),最終實(shí)現(xiàn)三個(gè)世界的互聯(lián)互通。智慧礦山信息化建設(shè)參考模型將意識(shí)世界、物理世界、信息世界連接成雙向循環(huán)的閉合回路,如圖2 和圖3 所示。目標(biāo)是通過(guò)信息世界中的智能模型,實(shí)現(xiàn)物理世界物的自尋優(yōu)、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和聯(lián)動(dòng),促進(jìn)人的意識(shí)世界的更正和進(jìn)步。

圖2 三個(gè)世界Fig.2 Three worlds

圖3 完美智慧礦山三個(gè)世界及其聯(lián)系Fig.3 The three worlds of the perfect smart mine and their connections

1.2.4 智慧礦山的建設(shè)存在理論上的最佳策略

最佳策略,即自底向上的層策略、由左向右的鏈策略和由低向高的級(jí)策略。理論上,智慧礦山建設(shè)策略的制定應(yīng)該由底向上、由左向右、由低向高。但實(shí)踐中,企業(yè)往往按實(shí)用為先的原則,選擇生產(chǎn)、安全作為建設(shè)的重點(diǎn),實(shí)踐中的這種探索無(wú)可厚非,畢竟需求和建設(shè)條件是決策者必須首先考慮的。然而,這就帶來(lái)了前面生產(chǎn)前續(xù)的勘探、設(shè)計(jì)、基建等階段數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀,導(dǎo)致后面的生產(chǎn)等系統(tǒng)出現(xiàn)缺陷、不足而難以“智慧”,更遑論行業(yè)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研管的聯(lián)系、協(xié)作和共享。

1.3 智慧礦山建設(shè)目標(biāo)與根本任務(wù)

智慧礦山建設(shè)的任務(wù)包括三個(gè)方面:一是在現(xiàn)有的資源條件、產(chǎn)業(yè)條件、經(jīng)營(yíng)能力以及采煤、煤化工、發(fā)電等學(xué)科專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上,充分運(yùn)用云、大、物、移和人工智能等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建信息世界,同時(shí)改造物理世界和意識(shí)世界;二是最大限度地用機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化和智慧化去武裝礦山勘探、設(shè)計(jì)、開(kāi)采、洗選加工、煤化工、發(fā)電等生產(chǎn)過(guò)程及其管控,以克服人的心理局限、體力局限、能力局限和智力局限,形成具有透徹感知、深度互聯(lián)結(jié)構(gòu)特征和具備智能應(yīng)用、自主學(xué)習(xí)功能特征的智慧礦山體系;三是在礦山地質(zhì)保障、開(kāi)采、掘進(jìn)、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、洗選、煤化工、發(fā)電、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)有關(guān)資源配置、設(shè)備聯(lián)動(dòng)、組織協(xié)同、狀態(tài)分析、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、方案決策和目標(biāo)控制的自動(dòng)化、智能化和智慧化。

智慧礦山建設(shè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在少人或無(wú)人的情形下煤炭開(kāi)采、洗選、煤化工和發(fā)電等產(chǎn)業(yè)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效和綠色發(fā)展。

2 智慧礦山建設(shè)現(xiàn)狀與問(wèn)題分析

2.1 建設(shè)現(xiàn)狀

煤炭企業(yè)經(jīng)過(guò)數(shù)字礦山、感知礦山的建設(shè),從三維的角度分析,“層”維度初步實(shí)現(xiàn)了資產(chǎn)層、作業(yè)層和部分管控層的管理,“鏈”維度主要圍繞著生產(chǎn)相關(guān)的活動(dòng),“級(jí)”維度實(shí)現(xiàn)了班組到集團(tuán)的構(gòu)建。目前,正在進(jìn)行智慧礦山管理信息系統(tǒng)中綜合自動(dòng)化、工程數(shù)字化和管理信息化子系統(tǒng)的構(gòu)建。

大部分企業(yè)的信息化建設(shè)主要集中在生產(chǎn)和安全兩方面,對(duì)鏈維度的“頭”和“尾”都有所忽略。很多煤炭企業(yè)對(duì)信息化過(guò)程中的個(gè)別環(huán)節(jié)投入過(guò)高,如過(guò)于注重引入信息技術(shù)和信息系統(tǒng)輔助煤炭生產(chǎn)和安全管理,但不重視除生產(chǎn)和安全之外的各環(huán)節(jié)的信息化建設(shè)。這種煤炭企業(yè)信息化建設(shè)不協(xié)調(diào)、缺少整體效益,不利于信息化建設(shè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

在生產(chǎn)活動(dòng)層面大部分系統(tǒng)到達(dá)管控級(jí)別,極少數(shù)系統(tǒng)能完成決策活動(dòng)。煤炭企業(yè)的信息系統(tǒng)絕大多數(shù)僅僅是用來(lái)進(jìn)行財(cái)務(wù)管理、輔助簡(jiǎn)單的生產(chǎn)活動(dòng)、進(jìn)行井下環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)等。很少有信息系統(tǒng)能支持管理人員的管理決策,更少有能幫助煤炭企業(yè)進(jìn)行線上商業(yè)活動(dòng)的。

通過(guò)智慧礦山參考模型來(lái)分析考察,智慧礦山當(dāng)前的建設(shè)程度如圖4 所示。智慧礦山當(dāng)前建設(shè)規(guī)模在圖中用陰影部分表示,呈現(xiàn)出底面為長(zhǎng)方形的不規(guī)則四棱錐體。陰影部分面積占整體智慧礦山構(gòu)建模型的比重,可以表明當(dāng)前智慧礦山信息化建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀。

圖4 智慧礦山建設(shè)程度Fig.4 Schematic diagram of the construction level of smart mines

陰影部分是基于實(shí)際情況描繪出的在理想狀態(tài)下的一個(gè)概念圖,而目前實(shí)際煤礦狀態(tài)復(fù)雜,不同的煤礦面對(duì)的地質(zhì)條件、掘進(jìn)方式、采煤方式等均有不同,無(wú)法精確計(jì)算。

從圖4 中可知,陰影部分占整體比重較小,煤炭行業(yè)智慧礦山信息化、智能化的建設(shè)任重道遠(yuǎn)。

2.2 問(wèn)題分析

(1) 系統(tǒng)孤島。各維度的系統(tǒng)子模塊之間孤立存在,各模塊在功能上不能互聯(lián)、信息上不能共享,系統(tǒng)橫向縱向都存在孤島。智慧礦山的信息化建設(shè)需要各個(gè)子系統(tǒng)之間相互集成,但是由于系統(tǒng)孤島問(wèn)題的存在,導(dǎo)致各子系統(tǒng)各自為政、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,無(wú)法實(shí)現(xiàn)“1+1＞2”的效果。

(2) 礦區(qū)遠(yuǎn)不能達(dá)到深度互聯(lián)。首先,由于地理位置原因,很多偏遠(yuǎn)礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)欠發(fā)達(dá),不能與其他礦區(qū)、子公司、集團(tuán)公司聯(lián)網(wǎng),導(dǎo)致其生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中的信息不能與其他礦區(qū)、子公司、集團(tuán)公司互聯(lián)互通;其次,煤炭企業(yè)對(duì)很多設(shè)備的智能化改造力度不夠,導(dǎo)致設(shè)備間的傳感存在死角,影響煤炭企業(yè)的自動(dòng)化、信息化、智能化進(jìn)程。

(3) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失、標(biāo)準(zhǔn)制定滯后、擴(kuò)散效率低。迄今為止,有關(guān)工業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如《IEC 62890 工業(yè)過(guò)程測(cè)量控制和自動(dòng)化系統(tǒng)和產(chǎn)品生命周期管理標(biāo)準(zhǔn)》《IEC 62264 企業(yè)系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)》等,基本上只是從技術(shù)角度進(jìn)行定義,忽略了系統(tǒng)內(nèi)部的適應(yīng)與協(xié)同。針對(duì)智慧礦山自身的直接標(biāo)準(zhǔn)還未形成。

(4) 智慧礦山信息化建設(shè)側(cè)重點(diǎn)有偏差。主要體現(xiàn)在:

第一,重實(shí)踐,輕理論。各煤炭企業(yè)在進(jìn)行智慧礦山建設(shè)時(shí)沒(méi)有頂層設(shè)計(jì)做指導(dǎo),煤炭企業(yè)信息化建設(shè)項(xiàng)目都是因需而立,各項(xiàng)目間子系統(tǒng)林立但不成體系,信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重。

第二,重硬件,輕軟件。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示在煤礦信息化過(guò)程中,硬件投資比例遠(yuǎn)大于軟件投資。輕視軟件的作用,導(dǎo)致煤炭企業(yè)斥巨資引進(jìn)的硬件設(shè)備無(wú)軟件平臺(tái)提供支撐,不能發(fā)揮出最大功能和價(jià)值。

第三,重面子工程,輕落到實(shí)處。智慧礦山建設(shè)進(jìn)程中面子工程現(xiàn)象嚴(yán)重,落實(shí)不到位,許多專家學(xué)者提出的指導(dǎo)思想和方法論都流于形式。

(5) 合作導(dǎo)向上跟風(fēng)互聯(lián)網(wǎng)公司,盲目立項(xiàng)通用技術(shù)項(xiàng)目。智慧礦山建設(shè)進(jìn)程中,煤炭企業(yè)更傾向于與互聯(lián)網(wǎng)公司合作,這種合作過(guò)于強(qiáng)調(diào)商業(yè)層面的發(fā)展,忽視了基礎(chǔ)層面的建設(shè)。煤炭企業(yè)應(yīng)該更多地與高校、行業(yè)內(nèi)的機(jī)構(gòu)組織進(jìn)行聯(lián)盟,且合作組織應(yīng)該多元化,既要有高新科技企業(yè)還要有專業(yè)化研究組織,進(jìn)而提高整體的專業(yè)水平和人才素養(yǎng)。人是智慧礦山的主體,煤炭企業(yè)缺乏既具備信息化技術(shù)與能力又諳熟煤炭行業(yè)知識(shí)的復(fù)合型人才,煤炭行業(yè)人員的技能、素養(yǎng)和意識(shí)都不足以支持智慧礦山的建設(shè)。

3 智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)分析

黨的十九大和十九屆二中、三中、四中、五中全會(huì)精神均貫徹“四個(gè)革命,一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略,堅(jiān)持新發(fā)展理念,提出加快新一代信息技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)深度融合,推進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí),實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采利用方式的變革,提升煤礦智能化和安全水平,促進(jìn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。下面分別針對(duì)智能開(kāi)采、掘進(jìn)、綜合自動(dòng)化、綜合管控和數(shù)據(jù)治理五個(gè)環(huán)節(jié),對(duì)管理模型、數(shù)據(jù)模型、標(biāo)準(zhǔn)化體系、煤機(jī)裝備智能化改造以及智能模型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行描述,旨在為各行業(yè)對(duì)智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)的探討提供一些參考和研究思路。

3.1 智能開(kāi)采

智能開(kāi)采是結(jié)合機(jī)器視覺(jué)、三維激光掃描、多傳感器融合等信息感知技術(shù),采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)等數(shù)據(jù)傳輸方法,通過(guò)大數(shù)據(jù)分析與挖掘、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多智能體決策等,實(shí)現(xiàn)開(kāi)采工作面的少人或無(wú)人化[13]。智能開(kāi)采在經(jīng)歷了機(jī)械化、自動(dòng)化的過(guò)程之后,仍然在關(guān)鍵技術(shù)上存在眾多限制,而回采巷道本身又受到開(kāi)采動(dòng)壓的影響,問(wèn)題更加突出。例如,由于地質(zhì)狀況不清楚、缺少礦床模型等問(wèn)題,在回采過(guò)程中工作面狀態(tài)和地質(zhì)情況無(wú)法精確感知,導(dǎo)致采煤機(jī)不能進(jìn)行精準(zhǔn)導(dǎo)航;深部煤層所處地質(zhì)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜,礦體賦存條件差,容易造成突水等安全事故;薄煤層采高小,煤質(zhì)硬,開(kāi)采難度大,經(jīng)濟(jì)效益低等?；诖?智能開(kāi)采在實(shí)施過(guò)程中主要存在開(kāi)采裝備網(wǎng)絡(luò)化與智能化改造和標(biāo)準(zhǔn)化以及構(gòu)建智能開(kāi)采算法模型等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

(1) 開(kāi)采裝備網(wǎng)絡(luò)化與智能化改造和標(biāo)準(zhǔn)化。采煤機(jī)、液壓支架、工作面運(yùn)輸機(jī)(刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī))自身存在智能化改造需求。例如,采煤機(jī)缺乏自動(dòng)檢修、自動(dòng)截割作業(yè)等智能化問(wèn)題;液壓支架無(wú)法根據(jù)開(kāi)采條件(供液系統(tǒng)流量、壓力等)進(jìn)行自適應(yīng)控制;刮板輸送機(jī)由于定位導(dǎo)航精度低,自動(dòng)調(diào)直技術(shù)的改進(jìn)尤為重要。除了需要自身的智能化改造,還需要三者相互協(xié)調(diào)配合才能真正實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采。開(kāi)采過(guò)程中的地質(zhì)條件、開(kāi)采工藝、數(shù)據(jù)采集元數(shù)據(jù)要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(2) 構(gòu)建智能開(kāi)采算法模型。姿態(tài)識(shí)別、故障診斷、工作參數(shù)優(yōu)化等方面需要尋找合適的模型和算法。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中地質(zhì)條件、工作面狀況和所處位置、生產(chǎn)工藝過(guò)程中涉及的物理量等數(shù)據(jù),需要進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)采集。通過(guò)建立算法模型可以將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘,以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、支架和運(yùn)輸機(jī)的自適應(yīng)協(xié)同配合。

3.2 智能掘進(jìn)

智能掘進(jìn)是我國(guó)煤礦智能化發(fā)展的主要方向,被列入原國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》和發(fā)改委、國(guó)家能源局、應(yīng)急部等聯(lián)合研究制定的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中。我國(guó)井工煤礦每年新掘進(jìn)的巷道總長(zhǎng)度超過(guò)12 000 km,其中煤、半煤巖巷道占比80% 以上,是我國(guó)規(guī)模最大的地下工程。巷道掘進(jìn)速度、效率、成本顯著影響礦井的產(chǎn)量與效益[14]。當(dāng)前智能掘進(jìn)提倡的是掘、支、錨、運(yùn)的全機(jī)械作業(yè),以構(gòu)建邊掘邊錨的快速掘進(jìn)系統(tǒng)。井下掘進(jìn)過(guò)程中,通過(guò)攝像頭采集視頻流、通過(guò)圖像識(shí)別來(lái)找位置,需要消耗大量帶寬,所以對(duì)5G 需求迫切。井下的水、瓦斯、地壓、地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化如何處理,是保證掘進(jìn)作業(yè)正常運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。然而,當(dāng)前的地質(zhì)模型不足以解決這些問(wèn)題,所以地質(zhì)保障技術(shù)方面還存在大量的研究空間。

由于掘進(jìn)作業(yè)線上設(shè)備各自獨(dú)立,缺乏信息感知、交流、互通功能,實(shí)時(shí)協(xié)作能力差、人機(jī)交互性差,因此掘進(jìn)流水線無(wú)法形成[15]。為了解決作業(yè)工序以及數(shù)據(jù)采集存在的問(wèn)題,應(yīng)該構(gòu)建智能掘進(jìn)可視化管理模型與數(shù)據(jù)模型。除此之外,智能掘進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化體系、裝備改造和算法體系構(gòu)建同樣非常重要。

(1) 構(gòu)建智能掘進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化體系。工藝的改變導(dǎo)致生產(chǎn)的勞動(dòng)組織改變,崗位的設(shè)置需要進(jìn)一步優(yōu)化。根據(jù)目前智能化煤礦分類、分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及評(píng)價(jià)方法(《GB/T34679 智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》《GB/T 37722 信息技術(shù)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理系統(tǒng)功能要求》等),從規(guī)范中提取智能化礦井建設(shè)過(guò)程中對(duì)勞動(dòng)組織的需求,進(jìn)而對(duì)相關(guān)施工人員以及管理人員的年齡、學(xué)歷、專業(yè)技能、從業(yè)經(jīng)驗(yàn)等方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化,對(duì)崗位特征進(jìn)行詳細(xì)描述,以保證智能化掘進(jìn)的最優(yōu)運(yùn)行。除了崗位規(guī)范外,通信、數(shù)據(jù)采集、工作參數(shù)的調(diào)整與計(jì)算,同樣需要制定相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 掘進(jìn)裝備網(wǎng)絡(luò)化與智能化改造。由于井下綜采工作面存在著環(huán)境惡劣、事故頻發(fā)、工序繁雜、人員作業(yè)空間狹小封閉等問(wèn)題,導(dǎo)致掘進(jìn)設(shè)備的定位精準(zhǔn)性差,因此發(fā)展定位和導(dǎo)航技術(shù)是掘進(jìn)裝備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化與智能化改造的關(guān)鍵。其中,需要重點(diǎn)改造的掘進(jìn)裝備主要包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘支錨連續(xù)平行作業(yè)一體化、掘錨機(jī)組高效快速掘進(jìn)、巖巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)、全斷面煤/巖巷掘進(jìn)機(jī)等。

(3) 構(gòu)建智能掘進(jìn)算法體系?；谥悄芫蜻M(jìn)構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型,通過(guò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算分析處理技術(shù),對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和深入挖掘,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)智能掘進(jìn)計(jì)算模型。例如,根據(jù)掘進(jìn)斷面的大小、形狀以及煤巖力學(xué)性質(zhì)的不同,對(duì)掘進(jìn)機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,制定掘進(jìn)的工作規(guī)范;在進(jìn)行錨桿相關(guān)參數(shù)計(jì)算時(shí),與之有關(guān)的參數(shù)(密度、深度等)需要智能算法進(jìn)行計(jì)算,提高精度,矯正掘進(jìn)方向等。

3.3 智能綜合自動(dòng)化

智能生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)通信、處理、采集、控制、協(xié)調(diào)、綜合智能判斷、圖文顯示為一體的綜合數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)。它能在各種情況下準(zhǔn)確、可靠、迅捷地做出反應(yīng),及時(shí)處理、協(xié)調(diào)各系統(tǒng)工作,達(dá)到實(shí)時(shí)、合理監(jiān)控的目的。智能綜合自動(dòng)化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)包括:

(1) 構(gòu)建綜合自動(dòng)化可視化管理模型。模型旨在利用微機(jī)控制等技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)的光電接口,并依靠工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)將井下瓦斯抽放泵房監(jiān)控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、輸送帶/壓縮機(jī)/通風(fēng)機(jī)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整合匯總,最終可以實(shí)現(xiàn)全礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警及控制。

(2) 構(gòu)建綜合自動(dòng)化數(shù)據(jù)模型。智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中包含了礦井生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)輸、供電、通風(fēng)、排水等各個(gè)環(huán)節(jié),涉及眾多子系統(tǒng),而系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集大量對(duì)象,對(duì)象與屬性特征共同構(gòu)成成千上萬(wàn)的數(shù)據(jù)單元。因此,需要數(shù)據(jù)模型對(duì)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的對(duì)象和屬性構(gòu)建主題數(shù)據(jù)庫(kù),并分析數(shù)據(jù)庫(kù)表內(nèi)與表間的邏輯關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的同步更新。

(3) 構(gòu)建綜合自動(dòng)化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化體系。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)置過(guò)程中應(yīng)對(duì)所有的數(shù)據(jù)標(biāo)簽、數(shù)據(jù)模型以及畫(huà)面有一個(gè)統(tǒng)一的索引。實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的通信與協(xié)作,確保各監(jiān)控系統(tǒng)集成現(xiàn)場(chǎng)所采集的監(jiān)控內(nèi)容完整、全面,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的所有功能。標(biāo)準(zhǔn)化體系的構(gòu)建,可以使自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活,每個(gè)子系統(tǒng)都可獨(dú)立工作,結(jié)合在一起就是一個(gè)高度的集成方案。

(4) 礦井自動(dòng)化裝備網(wǎng)絡(luò)化與智能化改造。智慧礦山的一大目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)透徹感知[16],對(duì)礦山的需求就是無(wú)處不在的信息觸角和快速敏捷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際建設(shè)中,礦山物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備改造[17-18]和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧礦山的關(guān)鍵技術(shù)。目前,物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域雖然在RFID、各類傳感、M2M、定位等技術(shù)上已經(jīng)取得關(guān)鍵性突破[19],有些設(shè)備雖實(shí)現(xiàn)智能控制和情景分析,但是由于礦井的特殊性,網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在煤礦仍不能實(shí)現(xiàn)全面無(wú)死角覆蓋,井下設(shè)備缺乏自動(dòng)感知和自動(dòng)控制,不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)和設(shè)備自適應(yīng)。因此,需要通過(guò)智能算法模型的構(gòu)建,以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)。

3.4 智能綜合管控

通過(guò)對(duì)全礦井生產(chǎn)機(jī)電設(shè)備、生產(chǎn)與環(huán)境安全信息等進(jìn)行遠(yuǎn)程集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和應(yīng)急聯(lián)動(dòng),智慧礦山智能綜合管控可以實(shí)現(xiàn)全礦井的海量數(shù)據(jù)采集和處理,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,使生產(chǎn)調(diào)度、決策指揮更加信息化、科學(xué)化,為礦井安全生產(chǎn)、有效預(yù)防和及時(shí)處理各種突發(fā)事故和自然災(zāi)害提供有效手段,為企業(yè)信息化系統(tǒng)建設(shè)、企業(yè)現(xiàn)代化管理奠定基礎(chǔ)。綜合管控的現(xiàn)狀是:各個(gè)子系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)之間配合協(xié)同缺少智能算法模型支持;管理決策缺少管理模型和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化和協(xié)調(diào)。例如,瓦斯聚集后,供電管理如何進(jìn)行;瓦斯突出后,風(fēng)機(jī)應(yīng)該如何運(yùn)作等。這些問(wèn)題的安全決策都需要通過(guò)智能模型提供科學(xué)支持。同時(shí),當(dāng)前的分析手段與工具也存在嚴(yán)重缺失的問(wèn)題。

構(gòu)建智能化綜合管控平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)部門之間的業(yè)務(wù)流程化管理、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管理,提高精細(xì)化程度和企業(yè)信息流轉(zhuǎn)的時(shí)效性、透明化;同時(shí),可以將礦井的安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵信息實(shí)時(shí)傳遞到公司,保障公司對(duì)礦井管理和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)全面準(zhǔn)確地進(jìn)行指導(dǎo)與管控,提高全局“一盤(pán)棋”的運(yùn)營(yíng)效率。因此,智慧礦山智能化綜合管控的建設(shè)應(yīng)該從集團(tuán)和礦端兩個(gè)層面進(jìn)行綜合考慮,構(gòu)建全集團(tuán)與多礦井協(xié)同平臺(tái)?；谀壳暗难芯亢蛯?shí)踐,智慧礦山的綜合管控平臺(tái)可以按照“四橫三縱”[20]的整體框架來(lái)建設(shè)。“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?！叭v”分別是信息化標(biāo)準(zhǔn)體系、信息安全體系和管理運(yùn)維體系。

3.5 數(shù)據(jù)治理

煤礦企業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量正在以指數(shù)級(jí)的速度增長(zhǎng),并且向多元結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化)發(fā)展。面對(duì)如此海量的、多元結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù),必須利用有效的方法來(lái)管理。《煤礦智能化建設(shè)指南(2021)》中對(duì)煤礦智能化建設(shè)的數(shù)據(jù)規(guī)范提出要求,鼓勵(lì)建立完善的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理組織架構(gòu),明確數(shù)據(jù)權(quán)屬、管理者、使用者等,制定規(guī)范的數(shù)據(jù)質(zhì)量改善流程,形成面向多樣化煤礦數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理閉環(huán)。數(shù)據(jù)是一個(gè)企業(yè)或政府部門的核心資產(chǎn),數(shù)據(jù)治理是將一個(gè)企業(yè)或政府部門的數(shù)據(jù)作為戰(zhàn)略資產(chǎn)來(lái)管理,需要建立一套從數(shù)據(jù)采集到處理應(yīng)用的管理機(jī)制,以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)共享,最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值最大化。當(dāng)前關(guān)于數(shù)據(jù)治理的概念研究主要包含兩大主流框架,DAMA(國(guó)際數(shù)據(jù)管理協(xié)會(huì))框架[21]與DGI(Data Governance Institute,數(shù)據(jù)治理研究所)框架[22]。DAMA 對(duì)數(shù)據(jù)治理進(jìn)行了定義,認(rèn)為數(shù)據(jù)治理是對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的管理行使權(quán)力和控制的活動(dòng)集合(規(guī)劃、監(jiān)控和執(zhí)行),數(shù)據(jù)治理職能指導(dǎo)其他數(shù)據(jù)管理職能如何執(zhí)行。DGI 指出,數(shù)據(jù)治理是與信息相關(guān)過(guò)程的決策權(quán)與問(wèn)責(zé)制度體系,根據(jù)商定的模型執(zhí)行,確定誰(shuí)能夠?qū)κ裁葱畔⒉扇∈裁创胧?以及什么時(shí)候、在什么樣的情況下使用什么方法。

現(xiàn)階段,煤礦智能化建設(shè)存在的問(wèn)題有:基礎(chǔ)設(shè)施不完善,數(shù)據(jù)孤島嚴(yán)重;數(shù)據(jù)治理平臺(tái)數(shù)據(jù)融合度低,缺乏數(shù)據(jù)分析與深度挖掘;系統(tǒng)智能化程度低,無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面的智能決策與自動(dòng)控制;運(yùn)營(yíng)調(diào)度管理分散等。基于煤炭企業(yè)信息化發(fā)展的現(xiàn)狀和處境,數(shù)據(jù)治理的建設(shè)主要存在5 個(gè)方面的問(wèn)題:第一,系統(tǒng)“煙囪化”問(wèn)題嚴(yán)重,建設(shè)系統(tǒng)多,數(shù)據(jù)分散,共享困難。第二,元數(shù)據(jù)管理缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊。數(shù)據(jù)只保留在工藝環(huán)節(jié),系統(tǒng)不統(tǒng)一、缺乏標(biāo)準(zhǔn)、缺乏邏輯關(guān)聯(lián),無(wú)法形成共享數(shù)據(jù)庫(kù);同時(shí)數(shù)據(jù)治理本身也缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,影響智慧礦山各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)的貫徹。第三,數(shù)據(jù)存在不可知、不可控、不可取的問(wèn)題。第四,數(shù)據(jù)與知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)性弱,大型多樣化數(shù)據(jù)集的收集與分析能力差,數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)不完備,使得數(shù)據(jù)與知識(shí)難以快速轉(zhuǎn)換,從數(shù)據(jù)中獲得價(jià)值存在困難。第五,數(shù)據(jù)的獲得和使用缺少安全保障。

數(shù)據(jù)治理問(wèn)題是智慧礦山應(yīng)該攻克的最大障礙,應(yīng)該上升到集團(tuán)層面來(lái)進(jìn)行宏觀管控。

4 智慧礦山建設(shè)策略與建議

4.1 行業(yè)協(xié)會(huì)做好頂層設(shè)計(jì)

行業(yè)層面做好智慧礦山頂層設(shè)計(jì),分工協(xié)作開(kāi)展礦山數(shù)據(jù)模型、標(biāo)準(zhǔn)制訂、煤機(jī)裝備網(wǎng)絡(luò)化智能化設(shè)計(jì)與改造,制定行業(yè)內(nèi)組織開(kāi)放協(xié)議。

(1) 營(yíng)造良好的建設(shè)環(huán)境。行業(yè)協(xié)會(huì)出面組建智慧礦山專家組,以發(fā)揮智慧礦山建設(shè)交流等活動(dòng)的牽頭作用;鼓勵(lì)業(yè)內(nèi)自發(fā)組建智慧礦山發(fā)展聯(lián)盟,分工協(xié)作開(kāi)展礦山數(shù)據(jù)模型、標(biāo)準(zhǔn)制訂、煤機(jī)裝備網(wǎng)絡(luò)化智能化設(shè)計(jì)與改造;搭建一批交流平臺(tái),如智慧礦山示范礦、大數(shù)據(jù)共享交易平臺(tái)等;制定智慧礦山建設(shè)支持性的服務(wù)性政策。

(2) 推動(dòng)理念進(jìn)步,開(kāi)放心態(tài),合作共享。產(chǎn)學(xué)研結(jié)合實(shí)體模式有助于強(qiáng)化技術(shù)創(chuàng)新和人才培養(yǎng),但動(dòng)力不足;企業(yè)聯(lián)盟模式有助于項(xiàng)目的落地和智慧礦山建設(shè)實(shí)力的增強(qiáng),但穩(wěn)定性持續(xù)性不強(qiáng);政府主導(dǎo)型模式有助于政府的宏觀調(diào)控,但主動(dòng)性不足。各個(gè)模式有自身的優(yōu)缺點(diǎn),行業(yè)應(yīng)該推動(dòng)更有利于智慧礦山發(fā)展的組織模式的發(fā)展。引導(dǎo)煤炭企業(yè)開(kāi)放心態(tài)、合作共享的建設(shè)理念,并制定行業(yè)內(nèi)組織開(kāi)放協(xié)議;在推進(jìn)主體方面,行業(yè)可以結(jié)合實(shí)際發(fā)展選擇適合的主體模式,強(qiáng)化推進(jìn)動(dòng)力。

具備自己的創(chuàng)新型產(chǎn)品是國(guó)家發(fā)展的重要基礎(chǔ)。煤炭行業(yè)作為國(guó)家的重要能源基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè),更應(yīng)重視智慧礦山知識(shí)產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化。融入全球經(jīng)濟(jì)體系,不是被動(dòng)地接受國(guó)際分工,而是主動(dòng)地調(diào)整戰(zhàn)略,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí),增強(qiáng)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。

(3) 重視培養(yǎng)人才。智慧礦山建設(shè)需要具備大量安全、采礦、管理以及信息技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等多元知識(shí)體系的綜合性人才。煤炭行業(yè)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)等應(yīng)該進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng),形成集合“基本知識(shí)-實(shí)踐-科學(xué)研究”的成套培養(yǎng)模式,構(gòu)建適應(yīng)智能采礦的人才培養(yǎng)模式[23]。此外,還應(yīng)注意高端科技人才和團(tuán)隊(duì)的持續(xù)引進(jìn)和專業(yè)化培養(yǎng)。

4.2 企業(yè)基于頂層設(shè)計(jì),明確重點(diǎn),落實(shí)項(xiàng)目

煤炭企業(yè)應(yīng)該基于行業(yè)的頂層設(shè)計(jì),分析并明確礦山目前的建設(shè)現(xiàn)狀和問(wèn)題,進(jìn)行智慧礦山建設(shè)規(guī)劃。結(jié)合自身現(xiàn)狀和問(wèn)題,秉持發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、重點(diǎn)突出的原則,確定智慧礦山建設(shè)要突破的重點(diǎn),針對(duì)現(xiàn)有軟硬件進(jìn)行升級(jí)改造、放棄或轉(zhuǎn)換操作。在智慧礦山具體建設(shè)過(guò)程中,要考慮專業(yè)性和通用性,重點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)以礦業(yè)特色專業(yè)為主攻方向,頂層組件、網(wǎng)絡(luò)通信、云計(jì)算等一般具有通用性,可以直接借鑒運(yùn)用。此外,智慧礦山建設(shè)是“一把手工程”,需要礦領(lǐng)導(dǎo)直接參與并推進(jìn)建設(shè),在建設(shè)過(guò)程中還應(yīng)盡量尋找更多的合作伙伴,實(shí)現(xiàn)交流常態(tài)化、合作共贏的建設(shè)方式。

4.3 圍繞參考模型,明確建設(shè)和突破方向

從參考模型的三個(gè)維度來(lái)看,層集成是當(dāng)前重點(diǎn),尤其是業(yè)務(wù)邏輯的智能數(shù)據(jù)模型的研究;鏈集成是利益驅(qū)動(dòng)下的漸進(jìn)過(guò)程;級(jí)集成則是行政管理約束下的自然過(guò)程,責(zé)權(quán)利的明確極其重要。在實(shí)現(xiàn)路徑上,可遵循“從下向上的層策略、以生產(chǎn)/安全為中心的左拉右推的鏈策略、由低到高的級(jí)策略”,并且要抓住時(shí)機(jī)、控制成本、重視效果。重點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)以礦業(yè)特色專業(yè)為主攻方向,活動(dòng)頂層組件、網(wǎng)絡(luò)通信、云計(jì)算等一般具有通用性、不需要重復(fù)建設(shè),直接引入即可。

從內(nèi)容層面看,工程數(shù)字化、管理信息化和綜合自動(dòng)化要同步推進(jìn),三類系統(tǒng)之間應(yīng)相輔相成、相互關(guān)聯(lián),旨在構(gòu)筑一個(gè)數(shù)據(jù)高度集成的信息化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單的“物理整合”向“邏輯融合”的過(guò)渡。

5 結(jié) 論

智慧礦山是涉及整個(gè)系統(tǒng)的人、物、信息等多元要素的復(fù)雜系統(tǒng)。智慧礦山建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、涉及礦山活動(dòng)、礦物價(jià)值鏈以及組織層級(jí)三個(gè)維度紛繁復(fù)雜因素的系統(tǒng)工程。本文立足于煤炭企業(yè)信息化建設(shè),構(gòu)建了智慧礦山信息化建設(shè)的參考模型。參考模型分別從活動(dòng)層、價(jià)值鏈和組織級(jí)三個(gè)維度進(jìn)行闡述和分析。

(1) 針對(duì)當(dāng)前智慧礦山的建設(shè)程度低、建設(shè)難度大、信息化建設(shè)側(cè)重點(diǎn)偏差以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善等問(wèn)題,闡明了當(dāng)前智慧礦山建設(shè)的主要任務(wù),即運(yùn)用信息技術(shù)構(gòu)建信息世界,與此同時(shí)改造意識(shí)世界與物理世界,并構(gòu)建“三個(gè)世界”協(xié)同的橋梁,形成三個(gè)世界的聯(lián)通與相互反饋?zhàn)饔脵C(jī)制。

(2) 根據(jù)智慧礦山參考模型分析了煤炭行業(yè)信息化、智能化的現(xiàn)狀,以及當(dāng)前智慧礦山建設(shè)實(shí)踐中智能開(kāi)采、掘進(jìn)、綜合自動(dòng)化、綜合管控和數(shù)據(jù)治理5 個(gè)環(huán)節(jié)存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,并進(jìn)一步提出了智慧礦山建設(shè)的策略與建議。