面向智慧礦山的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)研究

楊 磊

中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

礦 山行業(yè)作為推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要“引擎”之一，國(guó)家已陸續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)政策來(lái)促進(jìn)其發(fā)展[1]。2016 年發(fā)布的《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，我國(guó)要建成一批具有數(shù)字化、智能化的智慧煤礦。隨后的幾年里，智慧礦山信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范落地，進(jìn)一步指導(dǎo)了行業(yè)人員對(duì)于智慧礦山信息化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。2019 年，中國(guó)職業(yè)安全協(xié)會(huì)依據(jù)相關(guān)政策指導(dǎo)意見(jiàn)成立了“產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，將智慧礦山作為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，全力推動(dòng)礦山產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。2020 年發(fā)布的《煤炭工業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中指出要建成智慧礦山 1 000 座以上，至此，我國(guó)智慧礦山的建設(shè)正式步入高潮。

與此同時(shí)，我國(guó)制造業(yè)智能設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)水平也在不斷提升，5G 通信技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)孿生等技術(shù)與智慧礦山產(chǎn)生新的交融[2]。面向智慧礦山發(fā)展需求，筆者分析現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的研究成果[3-4]，提出了一種四層礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，以滿足未來(lái)全自動(dòng)化智慧礦山建設(shè)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)承載的高質(zhì)量要求，推動(dòng)礦山行業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)性發(fā)展。

1 智慧礦山

智慧礦山指的是自動(dòng)化、安全、綠色、高效的礦山，是新一代信息技術(shù)與礦山產(chǎn)業(yè)深度融合的結(jié)果[5]。智慧礦山核心是圍繞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將礦山行業(yè)作業(yè)全過(guò)程緊密地連接在一起。通過(guò)新興技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的融合，挖掘在多維工業(yè)數(shù)據(jù)背后蘊(yùn)含的規(guī)律與更深層次的意義，輔助企業(yè)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，幫助礦山產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高安全、可持續(xù)、高效率的發(fā)展。

(1) 智能化地質(zhì)勘探 利用感知設(shè)備對(duì)建井地質(zhì)信息進(jìn)行全方位、高精度數(shù)據(jù)采集。隨后利用數(shù)字孿生等仿真技術(shù)，立體呈現(xiàn)出礦井區(qū)域的深度地質(zhì)情況，為企業(yè)提供進(jìn)一步的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)備評(píng)估、礦井建設(shè)設(shè)計(jì)等應(yīng)用支持。與傳統(tǒng)的地質(zhì)測(cè)量工作方式相比，減少了測(cè)繪費(fèi)用，提高了工作效率。

(2) 礦井建設(shè) 基于地質(zhì)勘探的分析結(jié)果，利用人工智能等技術(shù)為礦山施工環(huán)節(jié)賦能。協(xié)同多個(gè)施工部門進(jìn)行全方位數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)并優(yōu)化礦井建設(shè)的具體施工結(jié)構(gòu)和路線。在避免各種潛在突發(fā)事件的前提下，保證施工效率和礦山資源的最大利用率，為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。

(3) 智能化井下施工 智能化井下施工可以說(shuō)是智慧礦山最重要和最復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景之一。在智能化井下開(kāi)采過(guò)程中，工業(yè)人員使用智能化設(shè)備、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行井上遠(yuǎn)程施工，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下無(wú)人化開(kāi)采和智能化物流運(yùn)輸，是真正意義上的全自動(dòng)化智慧礦山應(yīng)用。

(4) 智能化預(yù)警 通過(guò)前端感知設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井地質(zhì)資源信息數(shù)據(jù)，對(duì)井下氣體、土質(zhì)、風(fēng)速、空間進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析，為企業(yè)提供礦井危險(xiǎn)源辨識(shí)、事故預(yù)警等服務(wù)，從而提升礦山施工作業(yè)的安全系數(shù)。

(5) 設(shè)備故障預(yù)測(cè) 設(shè)備故障預(yù)測(cè)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用。工業(yè)設(shè)備普遍造價(jià)昂貴、維修復(fù)雜、部署位置分散，針對(duì)打造無(wú)人化智慧礦山的目標(biāo)，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對(duì)智能設(shè)備提供云端故障預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)等服務(wù)，避免無(wú)目的的維護(hù)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，避免設(shè)備損壞影響礦山施工的進(jìn)度。

2 礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵

礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)等信息化技術(shù)，將礦山工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)采設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備、工業(yè)人員、工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境感知設(shè)備之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)采集體系，再通過(guò)對(duì)采集到的工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、處理、融合和計(jì)算，最后實(shí)現(xiàn)礦山工業(yè)作業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、企業(yè)管理決策最優(yōu)化等應(yīng)用服務(wù)智能化。由此可見(jiàn)，礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是智慧礦山建設(shè)的基石，合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠完美的契合礦山行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，有效推進(jìn)智慧礦山的發(fā)展，解決智慧礦山各生產(chǎn)要素，優(yōu)化智慧礦山產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

2.1 礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)均著重解決網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與可靠性等工業(yè)關(guān)鍵性能。然而，現(xiàn)有研究少有從網(wǎng)絡(luò)整體體系架構(gòu)進(jìn)行布局。

面向智慧礦山的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，將會(huì)從底層設(shè)備感知、中間層網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)支撐和高層服務(wù) 4 個(gè)方面提出新的挑戰(zhàn)。

馬來(lái)酸氟吡汀聯(lián)合美洛昔康用于前正中開(kāi)胸二尖瓣置換術(shù)患者術(shù)后鎮(zhèn)痛的臨床觀察 …………………… 林 濤等（22）：3142

(1) 信息感知 在成規(guī)模、成鏃部署的物理/邏輯感知單元中，數(shù)據(jù)獲取、傳輸、存儲(chǔ)、處理成為未來(lái)礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

(2) 異構(gòu)互連 異構(gòu)邊緣網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)設(shè)備是礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)永遠(yuǎn)的肢體，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的異構(gòu)設(shè)備互連互通成為工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

(3) 個(gè)性化業(yè)務(wù)需求 為了更好地為企業(yè)提供服務(wù)，需要深刻考慮到具體的業(yè)務(wù)服務(wù)和商業(yè)目標(biāo)需求。

2.2 礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)對(duì)技術(shù)

對(duì)于礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的這些挑戰(zhàn)，提出了多種應(yīng)對(duì)技術(shù)，包括虛擬技術(shù)、云計(jì)算、智能決策、大數(shù)據(jù)等。我們將這些技術(shù)可以歸結(jié)為以下 3 類：

(1) 虛擬化 虛擬化是為了解決互聯(lián)網(wǎng)的“僵化”問(wèn)題和刺激未來(lái)網(wǎng)絡(luò)研究的創(chuàng)新而被提出來(lái)，用于構(gòu)建健壯、可信、易于管理的虛擬環(huán)境，為各種各樣的虛擬網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求分配合適的虛擬資源，實(shí)現(xiàn)資源共享，提高基礎(chǔ)設(shè)施資源利用率。虛擬化既可實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)終端的屏蔽，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)多樣化服務(wù)的統(tǒng)一映射。虛擬化對(duì)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)泛在性和異構(gòu)性問(wèn)題的解決提供了支持。

(2) 云計(jì)算 云計(jì)算源于“Google 101 計(jì)劃”，它遷移存儲(chǔ)和計(jì)算到“云”，以構(gòu)建一個(gè)“計(jì)算公用設(shè)施”，創(chuàng)立了一個(gè)新的全球資源共享模式——“租用模式”。云計(jì)算主要解決泛在性問(wèn)題，同時(shí)為異構(gòu)性和智慧性問(wèn)題的解決提供支持。

(3) 機(jī)器學(xué)習(xí) 獲得感知與狀態(tài)信息數(shù)據(jù)以后，使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)分析獲取的知識(shí)，執(zhí)行智能決策，并根據(jù)決策結(jié)果采取行動(dòng)措施。機(jī)器學(xué)習(xí)主要解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧性問(wèn)題。

3 礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

基于傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)和思路，面向智慧礦山發(fā)展需求，提出由設(shè)備感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)支撐層和虛擬服務(wù)層組成的四層結(jié)構(gòu)模型，各層內(nèi)容及層間關(guān)系如圖 1 所示。

圖1 礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)四層結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Model of four-layer architecture of mine industrial internet

3.1 設(shè)備感知層

圍繞礦山作業(yè)人員、礦山現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和智能設(shè)備等對(duì)象，基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，為上層移動(dòng)設(shè)備定位、礦山作業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、井下視頻傳輸和人員狀態(tài)監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)提供狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)采集服務(wù)。同時(shí)，設(shè)備感知層還承載了上層應(yīng)用服務(wù)的響應(yīng)場(chǎng)景，例如：智能開(kāi)采設(shè)備的動(dòng)態(tài)路徑優(yōu)化、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境預(yù)警、工業(yè)設(shè)施故障預(yù)測(cè)等。

3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

面向智慧礦山的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是一種多種技術(shù)、多種設(shè)備共存的復(fù)雜分布式網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由核心網(wǎng)和邊緣網(wǎng)絡(luò)組成，其中邊緣網(wǎng)絡(luò)包含了工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等。網(wǎng)絡(luò)傳輸層的作用是基于以上邊緣異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將下層設(shè)備感知層采集到的前端感知數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)支撐層。

圖2 面向智慧礦山的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Topology of industrial internet for intelligent mine

3.3 數(shù)據(jù)支撐層

數(shù)據(jù)支撐層根據(jù)工業(yè)用戶信息、業(yè)務(wù)信息、物聯(lián)網(wǎng)信息和共享交換信息等提供以下幾種服務(wù)：

(1) 數(shù)據(jù)處理 對(duì)從網(wǎng)絡(luò)傳輸層獲取到的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、過(guò)濾等操作。

(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，儲(chǔ)備數(shù)據(jù)為上層應(yīng)用提供支持，包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)和面向上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫(kù)等。

(3) 數(shù)據(jù)融合 利用人工智能或大數(shù)據(jù)等技術(shù)，綜合分析多種信息源采集到的數(shù)據(jù)，以獲取更多有用的信息，輔助工業(yè)人員及工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行決策判斷和行動(dòng)規(guī)劃。

3.4 虛擬服務(wù)層

基于云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建虛擬服務(wù)層遷移工業(yè)應(yīng)用服務(wù)到“云”，并創(chuàng)建一個(gè)像“服務(wù)公共設(shè)施”一樣的工業(yè)服務(wù)資源提供模式，形成計(jì)算能力強(qiáng)、靈活性高的應(yīng)用服務(wù)層。虛擬服務(wù)層主要研究智能化應(yīng)用融合和工業(yè)應(yīng)用資源虛擬化。

(1) 智能化應(yīng)用融合 利用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提供定制化、智慧化、可拓展的應(yīng)用服務(wù)，在應(yīng)用服務(wù)的業(yè)務(wù)個(gè)性化保障基礎(chǔ)上，提升礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多元化，如：礦山設(shè)備故障診斷、故障預(yù)測(cè)、工業(yè)人員健康評(píng)估、礦井施工優(yōu)化控制、安全預(yù)警、企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理決策等智能化應(yīng)用服務(wù)。

(2) 工業(yè)應(yīng)用資源虛擬化 鑒于工業(yè)應(yīng)用的不斷增加和創(chuàng)新，需要對(duì)各種應(yīng)用資源進(jìn)行抽象，建立統(tǒng)一的虛擬服務(wù)標(biāo)識(shí)，便于服務(wù)資源的編址、訪問(wèn)和獲取。應(yīng)用資源虛擬化是為各種異構(gòu)的應(yīng)用資源建立統(tǒng)一虛擬標(biāo)識(shí)的過(guò)程。虛擬服務(wù)標(biāo)識(shí)能夠支持動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)用資源，以實(shí)現(xiàn)在服務(wù)層對(duì)應(yīng)用資源的統(tǒng)一管理和控制。采用虛擬服務(wù)標(biāo)識(shí)后，用戶通過(guò)服務(wù)標(biāo)識(shí)來(lái)獲取應(yīng)用服務(wù)，使得獲取服務(wù)不再依賴于傳輸過(guò)程，用戶只關(guān)心服務(wù)質(zhì)量，而不用關(guān)心服務(wù)的獲取方式、服務(wù)的提供位置等。服務(wù)資源虛擬化過(guò)程示意如圖 3 所示，需要對(duì)虛擬服務(wù)標(biāo)識(shí) Virtual Service Identifier (VSID) 進(jìn)行細(xì)化，形成一系列可單獨(dú)訪問(wèn)的服務(wù)原語(yǔ) (VSID1，VSID2，…，VSIDn)。

圖3 工業(yè)應(yīng)用資源虛擬化示意Fig. 3 Sketch of virtualization of industrial resource

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)智慧礦山建設(shè)發(fā)展需求引出了礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念和內(nèi)涵，提出了礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的四層體系架構(gòu)，并對(duì)內(nèi)容進(jìn)行了闡述。礦山互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，我們必須面向企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，確保礦山工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的安全、高效和綠色的發(fā)展，同時(shí)結(jié)合最新信息技術(shù)，提高智慧礦山的智能化水平。