創(chuàng)新點(diǎn)
（1）提出了智能化煤礦統(tǒng)一的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理方法——基于“分級(jí)抽取-關(guān)聯(lián)分析-虛實(shí)映射”的數(shù)據(jù)邏輯模型，實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)需求模型的信息實(shí)體主動(dòng)匹配、推送策略與自動(dòng)更新機(jī)制；構(gòu)建了完整的煤礦井下跨系統(tǒng)全時(shí)空信息數(shù)字感知體系，形成集采掘空間信息、煤機(jī)裝備狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)信息等多參量、多尺度、全時(shí)空特性的數(shù)據(jù)感知方案；建立了智能化煤礦數(shù)據(jù)治理管理體系和智能化煤礦數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為數(shù)據(jù)賦能實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集成分析與數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘提供基礎(chǔ)保障。
（2）闡述基于“ABCD”（人工智能（Artificial Intelligence）、區(qū)塊鏈（Blockchain）、云計(jì)算（Cloudcomputing）、大數(shù)據(jù)（Big Data））的智能化煤礦系統(tǒng)耦合技術(shù)內(nèi)涵，分析了“ABCD”技術(shù)與智能化煤礦系統(tǒng)融合支撐的必要性和發(fā)力點(diǎn)：“A”技術(shù)完成數(shù)據(jù)到控制的轉(zhuǎn)換和落地應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)將生產(chǎn)管控的過程和結(jié)果同步可視化和下發(fā)到執(zhí)行系統(tǒng)，形成“物理-虛擬”空間二元平行控制；“BC”技術(shù)構(gòu)建安全可靠的數(shù)據(jù)庫和充足的算力；“D”技術(shù)為其填充標(biāo)準(zhǔn)化的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)并提供豐富的計(jì)算模型。
（3）開展了煤礦智能化巨系統(tǒng)耦合工程應(yīng)用實(shí)踐，搭建了具備數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、存儲(chǔ)、管理和調(diào)用的大數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)和集成采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的智能化綜合管控平臺(tái)，同步構(gòu)建了“云-網(wǎng)-數(shù)”一體化集成硬件支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)全域數(shù)據(jù)管理、跨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)深度解析與復(fù)用，打通全礦井58個(gè)在用子系統(tǒng)和34個(gè)新建子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合和運(yùn)行決策優(yōu)化。
智能化煤礦數(shù)據(jù)模型及復(fù)雜巨系統(tǒng)耦合技術(shù)體系
作者：王國法1，任懷偉2,3，趙國瑞2,3，鞏師鑫2,3，杜毅博2,3，薛忠新4，龐義輝2,3，張瀟5
單位：1.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司；2.中煤科工開采研究院有限公司；３.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)研究分院；4.陜煤集團(tuán)陜北礦業(yè)張家峁礦業(yè)公司；5.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）
背 景
煤礦智能化是我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐已成為行業(yè)廣泛共識(shí)，智能化理論與技術(shù)的研究也逐漸進(jìn)入“深水區(qū)”。隨著井下通信、傳感、電氣、控制技術(shù)的不斷研發(fā)應(yīng)用，從液壓支架電液控制系統(tǒng)、工作面集控系統(tǒng)、煤流運(yùn)輸系統(tǒng)到智能通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等，逐漸形成了大大小小上百個(gè)子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)多依據(jù)經(jīng)典“傳感器－控制器”邏輯控制方法，在井下各個(gè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用。然而，當(dāng)多個(gè)功能、通信方式、規(guī)模不等或不同的系統(tǒng)同步在井下運(yùn)行時(shí)，對(duì)于整個(gè)礦井的智能化系統(tǒng)而言，這一狀況存在著明顯不足：①子系統(tǒng)數(shù)據(jù)限于內(nèi)部應(yīng)用，只依據(jù)局部信息進(jìn)行決策難以實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)控制；②控制模型依據(jù)的傳感器數(shù)據(jù)不完備，極易受到環(huán)境干擾發(fā)生誤動(dòng)作或控制失效，魯棒性不足；③各個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，沒有整體關(guān)聯(lián)架構(gòu)支持，整體系統(tǒng)穩(wěn)定性及優(yōu)化協(xié)同均無法達(dá)成，無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜條件下的智能控制及整個(gè)礦井設(shè)備群的協(xié)同控制需求。上述這些問題是從煤礦機(jī)械化向自動(dòng)化、再到智能化發(fā)展所必然經(jīng)歷的問題。很多研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者都認(rèn)識(shí)到這些問題，針對(duì)其中一個(gè)或幾個(gè)方面開展了研究，試圖給出解決問題的路徑和方法。
首先，最為重要的是統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型。只有標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)格式才能支撐多個(gè)子系統(tǒng)融合。當(dāng)前，在數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)的概念、架構(gòu)及構(gòu)建方法，基于邊緣云協(xié)同計(jì)算架構(gòu)的智慧礦山技術(shù)架構(gòu)體系，基于云服務(wù)、邊緣計(jì)算和ＷＳＮ技術(shù)的煤礦信息物理系統(tǒng)場景感知自配置系統(tǒng)等研究中，給出了物理系統(tǒng)信息的虛擬表達(dá)方法及計(jì)算體系，為系統(tǒng)融合指出了路徑，但尚不能完全支撐系統(tǒng)融合過程所需的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、關(guān)聯(lián)分析及虛擬映射操作。
其次是要實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知及實(shí)時(shí)連接。煤礦井下當(dāng)前已經(jīng)初步形成了一個(gè)全時(shí)空感知體系，對(duì)物理空間、地質(zhì)構(gòu)造、人員、裝備等靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的邏輯、屬性、運(yùn)行、過程信息進(jìn)行不同頻次的采集，以支持煤礦數(shù)字化。然而，這些感知的傳感器分布在不同的子系統(tǒng)、不同的數(shù)據(jù)傳輸層次中，難以統(tǒng)一在一個(gè)數(shù)據(jù)治理體系下并形成具有完備特征的煤礦數(shù)據(jù)孿生體。已有的研究提出了全面覆蓋的智慧煤礦信息模型，力求改善數(shù)字礦山向智慧礦山發(fā)展過程中信息關(guān)聯(lián)層次不清晰、框架結(jié)構(gòu)不完善、缺少智能決策依據(jù)及有效控制方法的問題；提出了由數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層構(gòu)成的煤礦大數(shù)據(jù)集成分析平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)，為數(shù)據(jù)融合分析處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與資源能力。然而，跨系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯、不同層級(jí)數(shù)據(jù)的匹配推送策略還未完全建立，因而無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的跨系統(tǒng)實(shí)時(shí)連接。此外，還涉及多系統(tǒng)融合的兼容性問題、安全性問題等。當(dāng)多個(gè)系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行時(shí)，無論是空間、時(shí)間還是邏輯上都存在兼容協(xié)同的問題。每個(gè)子系統(tǒng)都需要評(píng)估在外部數(shù)據(jù)介入情況下的系統(tǒng)收斂性、穩(wěn)定性及安全性。筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)智能化煤礦復(fù)雜巨系統(tǒng)的邏輯關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究和系統(tǒng)歸并，提出以泛在網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)為主要支撐，以智能管控一體化系統(tǒng)為核心，“自主感知與控制－信息傳輸－井下系統(tǒng)－綜合管控平臺(tái)”為主線的智能化煤礦數(shù)據(jù)流動(dòng)與業(yè)務(wù)協(xié)同融合鏈。
摘 要
煤礦井下同步運(yùn)行著通信、傳感、控制等大小上百個(gè)子系統(tǒng)，形成了越來越復(fù)雜的智能化巨系統(tǒng)。針對(duì)整個(gè)礦井智能化巨系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、傳感器數(shù)據(jù)不完備、跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合等難題，提出統(tǒng)一的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理方法——基于“分級(jí)抽取-關(guān)聯(lián)分析-虛實(shí)映射”的數(shù)據(jù)邏輯模型，構(gòu)建了完整的煤礦井下跨系統(tǒng)全時(shí)空信息數(shù)字感知體系，形成集井下現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)、采掘空間信息、煤機(jī)裝備狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)信息等多參量、多尺度、全時(shí)空特性的數(shù)據(jù)感知方案。
基于煤礦多源異構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)的信息“實(shí)體”和虛實(shí)映射機(jī)理，提出基于知識(shí)需求模型的信息實(shí)體主動(dòng)匹配、推送策略與自動(dòng)更新機(jī)制，解決數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連接及迭代更新難題；提出基于“ABCD”（即人工智能（Artificial Intelligence）、區(qū)塊鏈（Blockchain）、云計(jì)算（Cloud computing）、大數(shù)據(jù)（Big Data））的智能化煤礦系統(tǒng)耦合技術(shù)，以煤礦安全保障系統(tǒng)耦合為例闡述了復(fù)雜巨系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互、融合過程。建立了智能化煤礦數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系；給出了煤礦復(fù)雜巨系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型及決策機(jī)制的理論和方法，建立了滿足多目標(biāo)決策下的智能化煤礦系統(tǒng)安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行體系。相關(guān)技術(shù)在陜煤張家峁煤礦應(yīng)用，突破了多源異構(gòu)系統(tǒng)的一體化集成技術(shù)，建成了全礦井跨域融合智能綜合管控平臺(tái)，構(gòu)建了全時(shí)空信息感知及實(shí)時(shí)互聯(lián)機(jī)制，打通多系統(tǒng)、多層面、多部門的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)全礦井58個(gè)在用子系統(tǒng)和34個(gè)新建子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合和運(yùn)行決策優(yōu)化。
圖 片
煤礦數(shù)據(jù)邏輯模型
工作面數(shù)據(jù)虛實(shí)映射模型
煤礦井下跨系統(tǒng)全時(shí)空感知體系總體框架
感知數(shù)據(jù)架構(gòu)
數(shù)據(jù)跨系統(tǒng)匯集機(jī)制
信息動(dòng)態(tài)匹配算法
基于“ABCD”技術(shù)的智能化耦合技術(shù)體系
煤礦數(shù)據(jù)管理體系框架
煤礦數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架
張家峁煤礦智能綜合管控平臺(tái)
煤礦巨系統(tǒng)多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)
智能化煤礦安全保障系統(tǒng)耦合框架
張家峁智能化綜合管控中心
作者簡介
王國法，男，1960年9月生，山東文登人，中國工程院院士，研究員，博士生導(dǎo)師，煤炭開發(fā)技術(shù)與裝備智能化專家?，F(xiàn)任中國煤炭科工集團(tuán)煤礦智能化工作委員會(huì)主任、首席科學(xué)家，煤礦智能化創(chuàng)新聯(lián)盟理事長兼技術(shù)委員會(huì)主任，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)智慧礦山專業(yè)委員會(huì)主任。獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)30余項(xiàng)。獲國家發(fā)明專利44件，發(fā)表學(xué)術(shù)論文近300篇，出版專著6部。獲全國杰出工程師獎(jiǎng)、孫越崎能源大獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)，被授予全國勞動(dòng)模范等榮譽(yù)稱號(hào)。2017年當(dāng)選中國工程院院士。
研究方向
煤礦智能化開采技術(shù)與裝備
主要成果
王國法院士是我國煤炭高效綜采技術(shù)與裝備體系的主要開拓者之一，煤礦智能化的科技領(lǐng)軍者，創(chuàng)新提出了液壓支架與圍巖“強(qiáng)度耦合、剛度耦合、穩(wěn)定性耦合”的“三耦合”原理和設(shè)計(jì)方法；創(chuàng)立了綜采配套、液壓支架和煤礦智能化系統(tǒng)的理論、設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系；系統(tǒng)提出了煤礦智能化及分類、分級(jí)發(fā)展的理念、發(fā)展目標(biāo)、技術(shù)路徑和標(biāo)準(zhǔn)體系，主持研發(fā)了四種模式的煤礦智能化開采成套技術(shù)與裝備，首創(chuàng)了5G+智能化煤礦巨系統(tǒng)頂層架構(gòu)與應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，引領(lǐng)了智能化煤礦發(fā)展，為我國煤炭工業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新做出了杰出貢獻(xiàn)。
來源：
王國法，任懷偉，趙國瑞,等. 智能化煤礦數(shù)據(jù)模型及復(fù)雜巨系統(tǒng)耦合技術(shù)體系［J］. 煤炭學(xué)報(bào),2022,47(1):61-74.
