干货：智慧矿山解决方案及其成功应用

来源：IntelMining智能矿业

华夏天信智能物联股份有限公司

华夏天信智能物联股份有限公司是拥有自主知识产权及核心技术的高新技术企业，是能源行业工业物联网技术的引领者之一。公司以自主开发且具有国际领先水平的智慧矿山操作系统平台为核心，主营业务包括智慧矿山操作系统平台，感知执行层的智能传动设备、智能控制终端、智能传感器、矿用特种机器人等产品，以及智能应用APP层的智慧安全、智慧生产等应用服务。

华夏天信是一个跨领域、跨专业的集团公司，拥有众多博士和煤炭领域资深专家，专业包括采矿、电力电子、通信网络、软件、大数据分析、人工智能等。相关核心研发博士团队，主要来自清华大学、北京大学、中国矿业大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学等。

华夏天信立足自主创新，应用云计算、大数据、物联网、人工智能、信息物理系统等相关前沿技术，定制开发了系列化的软硬件产品，致力于为能源行业具体应用场景提供智慧化转型升级、新旧动能转换的整体解决方案，重塑能源领域的经营决策和生产管理方式。公司通过构建开放式的深层次合作，和矿山用户及所有合作伙伴一起打造合作共赢的智慧矿山生态圈，促进行业标准制定，促进产学研协同创新，加快研发成果应用实施，携手努力为中国矿山行业技术发展和智慧化建设贡献力量!

华夏天信愿景：创新驱动，做能源领域智慧工业物联网（AI+IIOT）技术的领导者！

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概述

1.1背景

当前，我国国民经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，正处在转变发展方式、优化经济结构、新旧动能转换的攻关期。在“两化”深度融合的大形势下，工业领域正迎来产业发展的巨大变革。互联网、人工智能技术飞速发展，给许多传统行业都带来了颠覆性变革。将高新技术与传统技术装备、管理融合，实现产业转型升级正成为越来越重要的发展趋势。智慧矿山正是在这样的背景下提出和快速发展起来的。

井工煤炭资源开采是人类在地下进行的生产活动。矿山地质条件复杂多变，为创建适于设备运行与人员工作的安全可靠的开采环境，井下需同时运行探测、通风、排水、防火、供电、工作面开采装备、运输等多达90 多个子系统。这些子系统就像人体的器官，共同形成了一个大规模复杂运行体系。经过多年发展，这一体系先后经历了机械化、单机自动化、综合自动化、数字化等阶段。目前，煤矿安全高效矿井系统的机械化程度达到 90% 以上，单机自动化也日趋完善，建成了一批千万吨级矿井群，并开发了初级的多系统数字矿山综合自动化系统。然而，目前煤矿总体的信息化程度还有待进一步提高，生产过程中的各种数据和信息还无法实现有效关联，还缺乏“智慧的大脑”对所有子系统实施协调、联控，因而生产的过程控制、设备健康管理、安全风险防控、生态环保等都还没有实现最优化的管控。

智慧化是矿山技术发展的最高形式，只有实现了智慧化才能从根本上实现最优的生产方式、最佳的运行效率和最安全的生产保障。

2016年3月以来，国家发改委、国家能源局、自然资源部等相继出台了《能源技术革命创新行动计划》（2016-2030年）、《全国矿产资源规划（2016—2020年）》、《煤炭工业发展“十三五”规划》、《安全生产“十三五”规划》等众多纲领性文件，分别对矿山自动化、信息化、数字化、智能化提出了指导要求，为矿山企业今后的绿色发展指明了方向。

基于上述分析，可以明显看出智慧矿山建设是发展趋势与必然方向。智慧矿山是在矿山自动化、信息化、数字化的基础上，推动云计算、大数据、物联网、人工智能、移动通信等新一代网络信息技术在矿山领域的全面应用。

1.2智慧矿山定义

学者们对智慧矿山开展了大量的研究，不单单是煤炭领域相关学者及企业积极投身于智慧矿山的研究与应用，大量的非煤矿山企业和研究者也都加入智慧化建设之中。他们各自都根据自身的理解及研究基础、特长提出了智慧矿山的各种定义和架构但未达成统一认识。

综合国内外学者的研究成果，结合我司在矿山领域多年的经验，我们认为：智慧矿山是智能工业物联网及软件定义技术在矿山领域的全面应用，是典型的信息物理系统(Cyber Physical Systems，简称：CPS)。通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建矿山物理世界与信息世界中人、机、环、管等安全、生产要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统。

图1 智慧矿山的定义

智慧矿山具有四个方面的特征，即万物互联、时空服务、融合联动和智慧决策。

（1）万物互联：利用物联网技术，全面感知井下人、机、环等的位置、状态，并可以对设备进行控制。

（2）时空服务：利用GIS和BIM技术，构建基于统一数据标准的、以空间地理位置为主线、以分图层管理为组织形式、以打造矿山5D数字孪生为目标的矿山综合数据库，为智慧矿山应用提供二三维一体化的位置服务、协同设计服务、组态化服务、三维可视化仿真模拟、矿山工程及设备的全生命周期管理等服务和工具，实现一张图集成融合、一张图协同设计、一张图协同管理和一张图决策分析。

（3）融合联动：通过软件定义，实现井上下各业务系统的数据融合与智能联动，达到人、机、环、管信息的强实时关联。

（4）智慧决策：利用大数据与人工智能等技术，迭代升级煤矿安全、生产、经营的智能分析与辅助决策。

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智慧矿山整体架构

智慧矿山物联网开放平台(RED-IOT)是华夏天信为我国智慧矿山建设而研发的智慧化开放共享平台，是智慧矿山的顶层设计。RED-IOT基于开放共享的软件定义理念，集成应用GIM（GIS+BIM）时空一张图、工业物联网、云计算、大数据、人工智能、移动互联、虚拟化、网络通信等技术，对矿山信息化、自动化深度融合，能够完成矿山企业所有数据的精准实时采集、高可靠网络化传输、规范化集成融合、可视化展现和实时动态分析，实现生产过程自动化、安全监控数字化、数据应用模型化、生产管理可视化、过程管控智能化，并对人—机—环的隐患、故障和危险源提前预知、预防和应急联动处置，使整个矿山具有自学习、分析和决策能力。

智慧矿山整体架构基于华夏能源工业物联网四层架构体系，主要由感知执行层、网络传输层、智慧矿山操作系统平台层(RED-MOS)和智能应用APP层(RED-AppStore)组成，如图2所示。

图2 智慧矿山整体架构

（1）感知执行层：利用物联网技术，全面感知井下人、机、环等的位置、状态，并可以对设备进行控制。

（2）网络传输层：矿山有线和无线传输网络，除安全监控系统独立组网外，其它系统均采用现场总线融合组网模式，在网络资源统一协议的基础上实现高效可靠的数据传输。

（3）智慧矿山操作系统平台层(RED-MOS)：是基于矿山云数据中心的开放式、可扩展的智慧矿山内核与操作系统，向下实现各种感知数据的接入，向上为智慧矿山APP开发提供服务和工具。

（4）智能应用APP层(RED-AppStore)：面向矿井生产、安全、经营管理、决策分析实现自动化和信息化融合应用，同时可基于智能终端实现移动互联应用与服务。最终实现应用资源的集成融合、智能联动与动态扩展，真正做到用数据管理、用数据决策、用数据服务。

总之，智慧矿山建设通过对各子系统纵向贯通、横向关联、综合集成、融合创新，形成企业的安全、生产、经营管理的综合性智慧矿山管控平台。平台能够整体安全稳定可靠运行，子系统也能够独立运行，平台发生故障不得影响子系统运行，子系统发生故障不能影响平台运行。

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智慧矿山操作系统平台

公司对标ABB、西门子等国际知名企业的工业物联网平台，成功研发了智慧矿山操作系统平台（RED-MOS）。智慧矿山操作系统平台（RED-MOS）是智慧矿山建设的核心，不仅实现了多源异构感知数据的集成和融合，打通了感知数据和基于感知数据的智能应用之间的屏障，而且在一个平台内实现了信息化与自动化的深度融合，为能源行业实现两化融合提供了技术保障，如图3所示。平台于2018年10月，通过中国煤炭工业协会的科技成果鉴定，鉴定评委由网络及工业物联网领域专家刘韵洁院士与国内采矿及智慧矿山领域专家王国法院士等专家组成，专家委员会一致认为平台达到国际领先水平、填补了国内空白。

图3 智慧矿山操作系统平台界面

3.1平台主要功能

智慧矿山操作系统平台通过内置的平台和工具，面向集团、煤业与矿端三级管理的智慧矿山应用提供数据综合服务、时空位置服务、可视化展示、协同设计、业务流程自动化、大数据分析等平台服务和工具：

（1）数据综合服务：通过实时数据综合服务平台和后端即服务平台，提供安全生产实时监测监控数据和矿山业务数据的采集、存储、查询、统计、订阅与推送等全系列综合服务，为数据融合联动与大数据分析奠定了基础。

（2）时空位置服务：通过RED-GIS服务平台和GIM时空一张图平台，构建基于统一数据标准的、以空间地理位置为主线、以分图层管理为组织形式、以打造矿山5D数字孪生为目标的矿山综合数据库，为智慧矿山应用提供全时全域时空位置服务。

（3）可视化展示工具：通过RED-GIS服务平台、GIM时空一张图平台、组态化平台和BI及报表服务平台，为智慧矿山应用提供二三维一体化、组态图形、自定义可视化组件等丰富的可视化展示工具。

（4）协同设计：通过GIM时空一张图平台、协同设计和工作流引擎，实现地质、测量、水文、采掘、供电、生产等部门的数据共享与协同设计。

（5）业务流程自动化：通过设计协同平台、后端即服务平台、大数据分析服务平台和工作流引擎，实现业务流程的协同管理与自动化，为实现矿山回采、掘进、运输、通风、压风、排水、供电等主要生产环节的智能化决策和自动化运行奠定基础。

（6）大数据分析服务：通过实时数据综合服务平台、后端即服务平台、BI及报表服务平台和大数据分析服务平台，实现矿山业务的智慧化服务、设备故障与重大隐患的实时预警、主动预防和应急处置与联动，为创建高效与本质安全型矿山奠定基础。

3.2平台主要特点

智慧矿山操作系统平台（RED-MOS）是基于云计算的开放式、可扩展的智慧矿山核心系统，具有如下特点：

（1）采用了“一平台+多工业应用APP”的系统设计思想。通过协同调度与弹性伸缩技术、分布式数据共享同步及网内融合技术、以及高性能服务编排技术和具有隔离功能及资源控制功能的容器虚拟化技术，构建了面向矿山应用研发的微服务多层次混合架构。

（2）通过内置的平台和工具，为智慧矿山应用子系统提供数据综合服务、时空服务、可视化服务、协同设计服务、业务流程服务和大数据分析服务等服务和工具，为最终实现矿山万物互联、平台融合、系统联动与智慧运营提供支撑。

（3）为大数据分析提供了有力的支撑。支持全维度数据管理，实现同大数据分析应有的计算框架、可视化及数据应用迭代的对接，保障大数据分析的有效运行。

（4）采用软件定义网络技术，提高了智慧矿山网络系统的可管性、可控性和网络服务的安全性，预防和阻断了非法网络入侵与攻击，降低网络系统集成和运维成本。

（5）采用高性能强实时传输控制技术（RED-DDS），实现了智慧矿山操作系统的远距离强实时控制，满足了智慧矿山建设中分布式设备的互操作性、可扩展性、协同处理等要求。

（6）创造性地将全时全域数据关联与展示技术内置到RED-MOS平台中，能够为智慧矿山中的人员、设备、传感器等提供了动态、实时的空间位置服务。

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智慧矿山应用案例

华夏天信凭借拥有构建智慧矿山系统系列化前沿核心技术以及整体解决方案，包括

RED-MOS（智慧矿山物联网开放平台）、

RED-SDN（软件定义工业物联网）、

RED-DDS（强实时传输控制技术）、

RED-Cloud（端局/边缘云平台）、

RED-Coding （标准及映射编码技术）、

RED-GIM（GIS+BIM）时空一张图、

RED-GIS（智能井下动态北斗系统）、

RED-Sensing（泛在感知传感技术）、

RED-Defense （物联网天穹安防系统）、

RED-MagicV（智能视频监控分析系统）、

RED-ControlCenter （智能调度指挥中心）、

基于人工智能（AI）的安全生产大数据（RED-BigData）等，2018年开始已在全国煤炭行业诸如潞安集团高河能源有限公司等多个大中型矿井取得成功应用。

4.1高河能源简介

高河能源有限公司是由潞安集团和亚美大陆公司共同出资、潞安集团控股的中外合作企业，是潞安集团安全稳、产能高、成本低、效益好的主力生产矿井。矿井于2005年7月开工建设，设计能力为600万吨/年，2012年6月28日竣工投产，2013年达产，2014年核定年生产能力750万吨。2016年被国家煤炭工业协会评定为先进产能煤矿，2017年被评为国家首批一级安全生产标准化煤矿。始终坚持“安全第一、预防为主、综合治理”安全生产方针，始终坚持“管理、装备、素质、系统”并重，积极推进“369”大安全管理体系建设，以科技创新为引领，以智能化、信息化、自动化为发展，着力打造安全集约高效的本质安全型矿井。坚持智能开采、绿色开采，致力低碳循环发展，率先在潞安集团成功应用了“地下北斗精准定位+地理信息+智能化控制”系统，成为全球第一个实现精准定位的千万吨级井工矿山，为潞安集团的智慧矿山建设奠定了基础。

4.2项目基本情况

2018年1月，华夏天信与山西潞安矿业集团签订智慧矿山建设科研项目，以高河能源有限公司为试点。项目主要建设内容包括：智慧矿山操作系统平台、矿井“一张图”平台建设、安全生产智能管控平台建设、安全生产大数据分析与诊断建设、系统融合与联动建设与智能管控移动App建设。项目总体目标：

（1）通过RED-DDS技术、RED-SDN技术、RED-GIS技术与资源虚拟化技术构建潞安集团公司分布式矿山异构网络智能融合平台。

（2）基于建成的融合平台，根据矿山各个子系统的接口开放情况，实现煤矿井下人员、环境、设备的实时感知与定位；实现各系统之间的有效融合、实时联动；实现对煤矿安全监控及各类危险源的实时监测、大数据分析、联动预警、报警功能，在灾害发生时引导逃生。

（3）制定潞安矿业集团矿山异构网络智能融合平台技术规范与标准，并在高河矿建立项目示范。

4.3项目实现效果

项目通过智能网关平台实现对煤矿安全、生产子系统数据的统一定义、传输、存储和规范化管理。目前，通过平台已经实现了对安全、生产类子系统总计15个子系统的数据标准化接入；基于二维GIS、三维GIS和组态图的方式，实现了实时数据的综合集成，基于“一张图”实现了对安全监控、人员定位、广播、视频监控等系统的定位查询、数据趋势图查看、各系统专有功能（如四级报警、人员轨迹回放、广播下发、视频播放）以及避灾路线、通风风流绘制等与显示功能；基于组态实现了各自动化系统的工艺流程展示、数据历史查询、二级工艺流程组态图弹框、设备动画、管路动画、开停控制、设备监控参数弹框等功能；基于二三维GIS实现了安全监控、人员定位、应急广播、视频监控等多系统的融合与联动。实现效果如图4-如图7。

图4 高河能源智慧矿山建设效果-基于3DGIS的展示

图5 高河能源智慧矿山建设效果-基于2DGIS的融合与联动

图6 高河能源智慧矿山建设效果-智慧生产监控应用

图7 高河能源智慧矿山建设效果-基于“一张图”的智能搜索

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未来展望——智慧矿山5G+

随着通信技术的快速发展和互联互通，煤矿通信需求已经从语音为主的通信方式，向即时消息、语音、视频、会议、广播、定位、远程控制等多种通信方式融合的方向发展。此外，多业务、多部门间协同作战能力要求越来越高，统一通信需求已日益迫切。整体看来，加快煤矿智能化建设需要着力发展关键技术。要对智慧煤矿复杂系统进行总体规划并建设综合管控平台，实现数据全面标准化、数据统一存储和实时传输并可以进行大数据分析；探索实现配套装备自动化、智能化、一体化模式；此外，还要加快研发和应用智能无人工作面协同控制系统、智能化运输管理系统、煤矿井下环境感知及安全管控系统、固定场所无人值守系统。而这些都必须建立在海量数据低时延高可靠传输及处理基础上，因此发展5G专网是当前智慧矿山建设的一个热点。

华夏天信率先与国内领先的通信技术供应商合作，布局煤矿井下5G专网建设及其应用研究，将覆盖煤矿井下全部区域，实现有线、无线、语音、视频综合传输，人、车、物、环境的精准感知，移动、固定设备的远程精准控制，通过万兆SDN交换机+5G专网，建设煤矿智能型通信网络，实现统一传输、智能接入，打破信息孤岛，降低矿井建设投资，提高煤矿安全管理水平。