基于工业互联网架构基础的创新发展之路 ——陕煤集团神木红柳林矿业有限公司智能矿井建设经验

陕煤集团神木红柳林矿业有限公司(简称红柳林矿业公司)是国家发展和改革委员会于2006年8月在神府南区总体规划批复中建设的4对大型矿井之一，核定产能18 Mt/a，配套建设相应规模的选煤厂，矿井服务年限87年 , 采用斜井多水平开拓，分区式通风，属低瓦斯矿井，地质储量为19.54亿t，可采储量为14.03亿t，井田面积138.4 km2。

红柳林矿业公司以“931”高质量发展战略目标为引领，九大发展指标体系为支撑，聚焦智能协同、井下空气质量革命、立体生态修复3个核心问题进行示范矿井建设，把握管理、人才、装备3条高质量发展主线，持续激活全面创新动力引擎，引领行业驶入高质量发展“快车道”。

构建智能化建设体系

进入“十四五”发展新时代，我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，煤矿智能化是煤炭行业迈向高质量发展的必然选择，已成为煤炭工业转型升级的核心驱动力，对于提升煤矿安全生产水平，保障煤炭稳定供应具有重要意义。陕西煤业化工集团有限责任公司（以下简称陕煤集团）坚持以科技创新为支撑、数字化转型为动力，将智能化作为“改变陕煤形象、奠定陕煤地位、保持陕煤领先”的有力支撑。

作为陕煤集团的主力生产矿井，红柳林矿业公司紧扣集团“以煤为基、能才并进、技融双驱、零碳转型，矢志跻身世界一流企业”的战略定位，围绕高质量发展统筹规划，谋篇布局，扎实推进高质量发展战略，着力以“9大指标体系创建”支撑一流，以“3个示范矿井创建”引领一流，争创“行业第一、世界一流”的现代煤炭企业。2020年5月，陕煤集团与华为技术有限公司（以下简称华为）签署了战略合作协议，强强联手，攻关行业短板；2021年2月，红柳林矿业公司率先牵手华为煤矿军团，在网络、云计算、大数据和人工智能等新一代ICT技术进行深度融合，围绕装备、网络、IT基础设施、智能应用以及综合管理5个方面，制定了智能矿山总体规划，并完成了井下4G/5G和UWB全网络覆盖、工业环网升级改造、F5G视频环网、二级网络安全等级保护建设、模块化数据中心搭建、云计算平台部署，以及综合管控平台、智能作业管理系统、智慧园区系统、智能综采系统、智能化灾害防治等24个智能化矿山项目建设，共同引领煤炭行业科技进步和高质量发展。

笃定智能化建设目标

在“双碳”目标下，加快煤矿智能化建设，已成为实现行业高质量发展的必由之路，煤炭行业智能化建设也已进入“加速跑”阶段。智能矿山的本质是工业互联网，而构建统一标准、统一架构是行业智能化建设的关键。

红柳林矿业公司智能煤矿建设以工业互联网架构为基础，应用云计算、大数据、AI、5G、物联网等新一代信息技术，结合红柳林矿业公司实际情况进行了总体规划；围绕工业互联网平台接入现有的信息化系统、智能化系统，通过对全矿井数据的采集与分析，为矿井“人、机、环”提供安全检测和防护，为矿井安全生产提供辅助决策依据，提升安全效率、生产效率、人工效率。基于工业互联网架构的智能煤矿建设架构（图1），主要包括物联平台层、工业承载网、云数字平台层、矿山应用层。

（1）物联平台层主要是为不同设备的智能互联提供统一接口、统一协议、统一语言、统一架构、统一标准，矿山终端、矿工、云端服务之间安全可信的互联互通和智能协作。

（2）工业承载网层主要是指数据传输网络，包括新建的万兆工业环网、5G专网等设施，实现智能矿山建设中人员定位、融合通信、安全监控、智能供电、智能排水等各子系统数据的统一承载、共网传输，并保证数据传输的快速性与稳定性。

（3）云数据平台层是工业互联网平台的大脑，基于专属云技术和基础设施，可提供对计算资源、存储资源、网络、数据库、A I训练等资源的专属使用，同时提供高安全的网络隔离环境以满足网络隔离要求。资源独享可以避免业务高发期资源被抢占造成的业务卡顿情况，从而满足性能、安全、可靠性、可扩展性等关键业务需求。通过数字平台建立统一的智能矿山数据湖，在数据入湖中，实时对数据进行清洗及标准化处理，保障数据质量，并不断协同数据源系统厂家，发现数据问题及时整改，从根源上解决数据零散无规则、数据质量差难利用的问题。沉淀煤矿标准数据模型，通过云平台标准接口统一对外开放数据，上层各应用无需再单独从井下设备获取数据，可大幅降低数据获取难度，实现各类专项系统数据同源、数据融合。

向下实现矿井各子系统数据接入，向上为智能矿山应用提供开发服务和开发工具，同时平台具备开放性、可扩展性等特点，可为后续新系统对接和系统升级提供空间，保证系统平台的有效生命力。

（4）应用层是指以综合管控平台为核心的各类智能应用，面向矿井生产、安全、经营管理的各类智能子系统，通过综合管控平台对数据进行融合分析，实现井下智能系统的动态联动，做到用数据管理、用数据决策、用数据服务。

图1 基于工业互联网架构的智能煤矿建设架构

深耕智能化建设应用

夯实基于 F5G 的全光工业网络

红柳林矿业公司建成了F5G全光工业网络，基于万兆带宽组网，提供了大带宽承载能力，在地面为各种生产控制设备提供网络承载通道，在井下对接摄像头，提供高清视频服务，保证红柳林矿业公司各个生产控制系统安全可靠运行。相比传统的工业以太环网，F5G全光工业网在电气安全、业务安全以及施工安全等多个维度都具有创新优势。F5G万兆带宽组网拓扑如图2所示。

图2 F5G万兆带宽组网拓扑

打造工业互联网云计算

中心红柳林矿业公司数据中心机房按照国家最新标准《数据中心设计规范》GB 50174—2017中的B级高新机房进行设计，建设了具有高密度、集成式、按需部署、灵活扩展的双排模块化机房，满足节能、环保、防火、防水、防静电、防辐射等要求。

模块化机房配置了动环监控系统，含模块内精密空调、配电系统、照明、门禁、视频监控、温湿度、漏水等监控，具有环境动态监测、关键设备与系统运行状态监测、灾害自动报警及异常报警等功能；配置了43寸智慧大屏+手机APP功能和WiFi连接。

通过先进的管理监控系统，实现了集中管理监控，实时监测整个数据中心机房的运行状况，简化数据中心管理人员的维护工作，为数据中心安全、可靠、稳定的运行提供了有力保障。数据中心机房如图3所示。

（a）模块化数据中心机房        （b）集成式后备电池间

图3 数据中心机房

图4 智能作业管理系统功能

红柳林矿业公司采用华为私有云平台作为智能矿山建设的数字底座，与华为云统一架构，统一业务体验，提供计算、存储、网络、安全、容器、数据库、中间件等丰富的云服务，满足可靠性、安全性、可扩展性等关键业务需求，承载智能矿山全场景业务系统，实现了资源集约化建设，避免了重复投入及硬件资源浪费。

通过华为云计算平台的大数据服务，数据应用使能服务等高阶云服务，打造智能矿山数字平台，构建煤矿数据湖，统一集成OT、IT数据，实现数据统一入湖，沉淀数据资产，消除数据孤岛。通过数据治理工具对数据湖实施数据集成、数据治理（数据清洗、数据标准化）、数据开发（数据建模、脚本开发、工作流编排）、数据服务、数据可视化等，建立标准的数据主题库（人、车、物、事件等）和相应的专题库，构建完整的数据资产目录和数据应用及运营的能力。智能矿山业务应用系统可通过云计算平台使用标准接口，按需从统一数据湖获取各类子系统相关数据，无需再单独从井下设备获取数据，大幅降低数据获取难度，提升系统对接效率，实现了跨业务系统的数据融合应用和控制联动，减少业务“烟囱”，支撑高效运营与决策。

研发智能作业管理系统

智能作业管理系统是将红柳林矿业公司的作业标准管理经验与华为在ICT领域的项目管理及现场作业数字化的能力相结合，推出面向煤矿业务场景的服务产品。基于任务管理、问题管理、风险管理，实现任务自动派发，问题实时上报，多方视频协同快速处理问题，A I和智能终端提高无感采集效率，自动生成数据报告提升生产作业效率，实现现场作业数字化，帮助一线人员减轻工作负担。智能作业管理系统功能如图4所示。

探索智慧化矿山园区

红柳林矿业公司以建设“安全、绿色、高效、创新、有温度、能感知”的智慧园区为目标，以“幸福矿工”为中心，运用当前先进的5G、物联网、云计算、大数据和人工智能等新一代信息技术，建立一个“管控营”一体化的园区综合运营与管理平台，包括园区安全、便捷通行、舒适生活、智能运营四大模块。实现人、车、物、资产、设施的全联接，数据全融合，进而实现各项工作状态全可视、业务全可管、事件全可控，实现企业的持续卓越运营，建设“智能协同、高效节能、绿色环保”的现代化一流煤炭企业。

搭建智能综合管控平台

（1）首创工业互联网平台的数字底座开发模式

基于华为云平台底座，通过华为工业互联网平台将矿井生产调度、安全管理、机电运输等系统数据采集入湖，沉淀煤炭行业数据模型和接口规范，打破数据孤岛壁垒，支撑业务快速迭代，实现矿山业务系统的融合联动，统一数据采集可减少重复建设，降低企业建设成本30%。红柳林矿业公司工业互联网平台接入2 600多个生产设备，沉淀100多种设备模型、45个系统模型支撑煤矿数字孪生，每日产生1亿多个生产数据，并向灾害防治、生产、通风、供排水、主运输等上层应用系统提供统一的数据接口。

（2）首创基于3D-GIS技术的智慧矿山调度中心

对红柳林矿业公司全巷道全息建模映射，结合井下作业工艺流程以及设备实时监测数据，实现矿井生产环节综合监控、指挥调度统一协作、设备安全监测预警、决策支持智能分析、集中远程联动控制等业务使用场景。对接“采、掘、机、运、通”综合监控、经营管理、安全生产等数据，形成一个全面感知、实时互联、分析决策、联动管控、动态预测的管控系统，解决了监测数据分散，分析数据单一，不足以支撑分析决策的问题。可洞察矿井态势，及时预测、发现、减少矿井生产安全事故，实现智能决策是具备分析决策功能的重要方式，通过综合管控平台来实现矿井各系统的自主分析、自主决策和联动控制。综合管控平台人员定位和告警监控如图5所示。

图5 综合管控平台人员定位和告警监控

图6 综合管控平台全景态势监控

图7 全场景综采工作面

　　对接井下人员数据，显示当日带班领导姓名等相关信息，监测当前下井人数，掌握人员位置及入井时长等信息，统计工作面等重点区域人员数量，支持在场景中实时定位人员的位置分布，可实现对人员的详情进行查看；支持查询下井人员的历史轨迹信息，可结合场景对人员下井轨迹进行绘制，直观掌握历史行动轨迹；结合调度室大屏、人员定位，实现井上井下人员实现远程语音、视频通话功能。

　　红柳林矿业公司实现对井下报警事件的全量接入，支持事件按不同的处理状态分类罗列事件清单，及时发现待处理事件，掌握报警事件原因、报警时间、报警地点等信息，支持在场景中定位事件位置，直观掌握事件所在地，并对接ISDP任务工单，实现事件的闭环处理。提供对报警事件的多维度分析统计，掌握报警事件趋势、报警类别及累计报警数量等，告警工单派发属于国内首创。综合管控平台全景态势监控如图6所示。

（3）首创煤矿全场景数字孪生底座

基于统一的地理空间数据设计，支撑矿井完成数字孪生场景建设，提升了孪生空间表现能力，实现矿山总貌展示。完成巷道构建、综采工作面场景构建、通风场景构建、煤流场景构建、综合管控场景构建，最终实现了对智能化矿山中场景环境、设备设施全息要素的构建。全场景综采工作面如图7所示。

对44206、25212、15216 综采工作面的数据进行全量接入，实现“一屏三采面”的整体设计，结合采煤机、液压支架、乳化泵、转载机、破碎机、带式输送机、环境、视频等监测数据，对采煤工作面产量、自动跟机率、液压支架推移行程和压力、采煤机运行等数据进行监测，实现对开采工作安全运行的全方位监控。此外，实现了对单个采煤工作面详细数据的监测，提供对当前采煤工作面氧气、瓦斯环境数据的监测，掌握工作面产量等工作进度。对自动割煤率、采煤机滚筒轨迹、电机运行等数据进行监测分析，并结合孪生场景实现对采煤机、液压支架、刮板输送机等设备以及采煤工艺过程的孪生映射，支持查看视频画面，多维全息反映综采作业情况。实现了对设备列车的场景孪生还原，提供对破碎机、转载机等运行数据的监测。“一屏三采面”数字孪生综采工作面及全场景数字孪生综采工作面分别如图8、图9所示。

（a）自动跟机生产数字孪生场景（b）采煤机自动割煤数字孪生场景

（c）巷道监控中心数字孪生场景            （d）泵站集群数字孪生场景

图9 全场景数字孪生综采工作面

图10 矿山宏图–数智工坊界面

图11 矿山宏图–数智工坊煤仓场景搭建界面

（4）首创矿山宏图–数智工坊

搭建红柳林矿业公司设备模型、设备系统组件库，组件支持“拖拉拽”功能，对接数字底座的设备数据，可快速实现丰富的矿山智能应用编排，新场景的应用搭建。真正实现“数字模型拖拉拽，智能系统上线快”的目的，将井下业务变动带来的应用平台变化开发效率提升了40%，大幅提升了煤矿上层业务应用的编排能力。“矿山宏图–数智工坊”界面及数智工坊煤仓场景搭建界面分别如图10、图11所示。

强化智能地质保障系统

基于“数据驱动、数字采矿”的理念，将地质数据与工程数据进行深度融合，采用地质数据推演、多元复用、智能更新等方法，建立实时更新的地质与工程数据高精度融合模型，支撑矿井地质信息的透明化。

健全智能掘进系统

因地制宜确定合理的掘进技术与装备，配套高效的辅助作业系统，逐步实现掘支并行作业；应用智能探测、自动定向及导航等先进技术与装备，使掘进系统具有智能感知、自主决策和自动控制功能，实现少人或无人掘进。

深化智能采煤系统

根据煤层赋存条件、工作面设计参数、产能指标等要求，建设不同模式的智能化采煤工作面。逐步推广应用刮板输送机智能运输、智能供液、综采设备群智能协同控制等技术，探索实现基于地质模型的智能化开采。

建立智能主煤流运输系统

主煤流运输系统中带式输送机应具备单机自动控制、多机协同联动、远程集中控制、煤量自动平衡、粉尘浓度检测、自动喷雾降尘、运行工况检测及故障智能预警等功能。探索应用基于人工智能的煤量智能识别、人员违规作业智能监测，以及大块煤、堆煤、异物识别与预警等功能，实现智能运输。

建成智能辅助运输系统

针对无轨胶轮车的运输方式，建设具有智能规划、任务分配功能的辅助车辆智能调度管理系统，逐步实现物料运输、人员运输等辅助运输车辆的智能管控、智能规划路径与智能调度。

创新智能通风系统

采用精准感知技术与装备，实现对风阻、风量、风压等参数的智能感知，对通风网络阻力进行实时监测与解算。通风系统具备远程集中控制、故障自诊断与预警功能，并能与其他系统智能联动，实现灾害的智能预警与避灾路线智能规划。

优化智能供电与供排水系统对供电系统

进行全面监测与分析，建设基于电力大数据的煤矿供电系统安全高效运行保障体系，实现煤矿供电系统的全面智能化无人值守、智能监控管理；建设基于大数据分析的智能供电决策系统，实现故障的预判和预处理、快速故障隔离；建设基于多源传感的智能供排水系统，实现供排水系统远程监测、自动启停、故障预警、用电自动削峰填谷、智能统计分析排水量、预测用水量。

提升智能安全监控系统

建设基于综合监测的灾害防治平台，具备灾害风险监测预警、智能分析模拟、应急救援辅助指挥、事故原因分析、矿井灾变状态下避灾路线智能规划等功能，该平台是对井下各灾害防控模块的集成，实现不同灾害的数据融合与联动控制。

红柳林矿业公司智能化煤矿建设成效

安全效益

建成了红柳林矿业公司全矿井一体化的综合管控平台，大幅提高了矿井安全生产管理效率，保障了矿井的安全高效生产。通过视频监控系统、人员定位系统、融合通信系统的应用，让现场各个设备的实际运行情况、人员的实时位置、作业的进展程度都得到了全面监测，管理人员通过综合管控平台便可实现对各种设备运行情况的查看，安全方面得到了良好保障。智能作业管理系统实现了无纸化电子化办公，提升了生产作业效率，大幅减少了人员配备数量。

经济效益

智能化矿山建设成果在红柳林矿业公司得到了成功应用，提高了工作效率，降低了劳动成本，实现了减人提效，具有良好的经济效益。

（1）减少重复建设，节省业务应用开发成本统一提供数据采集服务，可缩减各个应用系统数据采集、数据接口开发的重复投资。

（2）提升应用系统开发效率数智工坊的数字模型拖拉拽功能，很大程度上降低了因井下业务变动带来界面变动的开发难度，避免了因个别设备变动而导致的重复开发工作。

管理效益

通过建成全矿井一体化的综合管控平台、智能作业管理系统、智慧园区等系统，实现了安全生产大数据分析预警报警功能，达到了矿井安全生产管理的协同调度、集中管控，为企业领导层正确决策提供科学依据，使矿井领导和管理部门能够及时、全面、准确地掌握生产运营情况，很大程度上改变了煤矿安全生产传统的管理模式。

结 语

红柳林矿业公司智能化成果，是基于工业互联网架构的智能化体系，以云数字化平台为智能化数据底座，以统一数据标准、数据服务为抓手，以综合管控平台为大脑，释放出智能矿山发展的巨大推动力，带动基建矿井高标准智能化建设，具备较好的示范效应和推广前景，未来有望在全国进行大规模应用推广。