智慧矿山

7智慧矿山产业链
8智慧矿山市场规模

智慧矿山是什么

中国智慧矿山联盟在2012年提出智慧矿山的定义，将智慧矿山定义为：智慧矿山就是对生产、职业健康与安全、技术和后勤保障等进行主动感知、自动分析、快速处理的无人矿山。其本质是安全矿山、高效矿山、清洁矿山，矿山的数字化、信息化是建设的前提和基础。智慧矿山的显著标志就是“无人”，就是开采面无人作业、掘进面无人作业、危险场所无人作业、大型设备无人作业，直到整座矿山无人作业。

智慧矿山建设目标

智慧矿山建设的总体目标是建设具有感知、联动、分析、决策能力的智慧矿山管控一体化数据中心、安全生产联动解决方案、智能化子系统无人值守升级和智能化综采工作面系统建设；实现信息化与自动化的深度融合，助力企业转型升级，建成“安全、绿色、高效、智能”的智慧化矿山，最终达到减员增效、无人值守的目的。智慧矿山基于空间和时间的四维地理信息，建设通信“一张网”、云计算、大数据虚拟化、计算机软件及各种网络，集成应用各类传感感知、数据通信、自动控制、智能决策等技术，对矿山信息化、工业自动化深度融合。智慧矿山能够完成矿山企业所有信息的精准适时采集、高可靠网络化传输、规范化信息建设、实时可视化展现、生产环节自动化运行，能为各类决策提供智能化服务和数字化智慧体，并对人一机一环的隐患、故障和危险源提前预知和防治，使整个矿山具有自我学习、分析和决策能力。通过智慧矿山建设，全面提升煤矿生产、经营、管理的智能化水平并达到如下目标：

(1) 建立智慧矿山信息化标准体系，实现矿山环境监测、生产过程控制、人员及设备管理的软件定义，实现各子系统的互联互通、融合联动。

(2) 按照智能化需求对业务流程进行优化与再造，实现，建立管理协同化与流程自动化的智能管控体系，实现精简高效的现代化企业管理。

(3) 基于智能管控体系，实现地质、测量、水文、储量、通风、生产设计、生产调度、安全、内部市场化、物流、运销、办公、党建等矿山业务的信息化、智能化协同管理，提高矿山企业工作效率。

(4) 构建矿山数字孪生，实现矿山的协同设计与模拟运行，并通过虚拟矿山与真实矿山的相互影响与动态修正，实现矿山的全生命周期管理。

(5) 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，实现矿山无人或少人化作业。

(6)在对矿山人、机、环的位置和状态信息的全时、全域智能感知的基础上，主动预防和应急处置，创建本质安全型矿山。

智慧矿山系统

传统的智慧矿山侧重于生产技术层面的内容，即：智慧生产系统、智慧职业安全健康系统和智慧技术与后勤保障系统。在一定的阶段内，切实促进了煤炭行业的发展，但是随着智慧矿山的不断发展，生产技术已经不是制约智慧矿山的决定性因素，限制煤矿产能的因素已经由智慧矿山生产技术逐步转向管理层面。在原有OA系统上形成具有集成嵌套功能的COA(CollaborativeOfficeAutomation)系统，将安全监测系统(Kj95)、人员定位管理系统(Kj237)、安全生产标准化信息系统、地质水害在线监测系统、供应链系统(ERP)、客户关系管理系统(CRM)、以及基于BIM+GIS的智慧矿山建设管理系统进行集成嵌套，最终实现较为完整的智慧矿山系统创建。技术层面和管理层面的各系统之间通过COA平台实现信息传递和共享^[1]。

智慧矿山系统构成

1、生产系统

矿山技术发展在大体经历了原始阶段、机械化阶段、数字化、信息化阶段后，正快速迈向智慧化时代，具有明显的阶段性。当前，智慧矿山生产系统主要分为三个子系统。

(1)智慧生产系统：包括智慧主要生产系统和智慧辅助生产系统，智慧主要生产系统包括采煤工作面的智慧化和掘进工作面的智慧化，对于煤矿而言，就是以无人值守技术为代表的智慧综采区和无人掘进工作面。智慧采煤工作面可分为：智慧薄煤层无人工作面系统、智慧中厚煤层无人工作面系统、智慧发放定煤工作面系统、智慧填充开采工作面系统、智慧任务爆破开采工作面和智慧无人机械开采工作面。智慧辅助生产系统就是以无人值守为主要特征的智慧运输系统(含有皮带运输和辅助运输)和智慧提升系统、智慧通风系统、智慧调度指挥系统、智慧通讯系统等。

智慧矿山

(2)智慧职业安全健康系统：近年来，我国矿山安全水平获得了巨大提高，安全管理目标也从“减少事故、减少死亡”，提高到“洁净生产，关爱健康”的高度；从职工生命安全的关注上升到对职工健康、幸福的关爱。矿山的职业健康与安全包含了环境、防火、防水等多个方面且子系统众多，包含了以下子系统：智慧职业健康安全环境系统、智慧防火系统、智慧爆破监控系统、智慧洁净生产监控系统、智慧冲击地压监控系统、智慧人员监控系统、智慧水患监控系统、智慧视频监控系统、智慧应急救援系统、智慧污水处理系统等。

(3)智慧技术与后勤保障系统：为了煤矿生产安全提供技术保障和支持的系统，我们称为保障系统。保障系统分为技术保障系统、管理和后勤保障系统。智慧技术保障系统是指地、测、采、掘、机、运、同、调度、计划、设计等的信息化、智慧化系统等。

2、决策系统

OA(Office Automation，OA)指的是办公自动化，它利用技术手段来提高办公的效率，进而实现办公的自动化处理。采用Internet/Intranet技术，基于工作流的概念，使企业内部人员方便快捷地共享信息，高效地协同工作；改变过去复杂，低效的手工办公方式，实现迅速全方位的信息采集和信息处理，为企业的管理和决策提供科学依据。OA系统在煤矿工程中应用已经日趋成熟，通过OA系统建立了企业统一的通讯基础平台和统一的信息发布平台，实现了移动办公和学习痕迹保留，规范了员工日常行为考核制度。OA系统作为智慧矿山的决策系统已经被广泛运用，并发挥了良好的决策管理效果，简化了办公流程，应当将其作为智慧矿山系统的补充，嫁接到智慧矿山系统中

3、建设管理系统

智慧矿山建设管理系统主要指的是基于BIM+GIS的智慧矿山建设管理系统，本文主要实现其体系构建，系统有待后续开发。建设管理系统主要针对煤矿工程建设全寿命周期各阶段形成的管理内容、成果内容、文件格式和授权等进行集成化的管理，并将其按照管理内容的不同，划分为三个子系统：全过程建设管理系统、生产建设过程授权系统、全过程建设成果管理系统

智慧矿山生产环节

智慧矿山生产环节可分为：规划设计、采掘充填和运输提升。

(1)规划设计方面：目前市场主要采用的矿山空间信息处理软件包括机械和CAD技术，但对空间信息的服务较弱。随着智能化进程加快，煤炭专用的GIS技术出现，可以收集各个煤层，从地址勘探到建井、掘进和回采的数据，煤层空间形态更加清晰透明。

(2)采掘充填方面：主要开展煤机智能制造，依托科技创新研发煤矿自动化、采掘装备、露天开采装备及电液控制装备，以实现掘进和综采工作面内少人或无人操作，提高效率，增加产能，减少煤矿人员死亡率，降低人工成本。

(3)运输提升方面：智能矿山的矿井井下窄轨信号控制与调度以矿用轨道运输监控系统为核心，通过构建多网合一的矿山井下高速信息传输通道，将井下机车、人员、矿车、物料等移动对象的目标身份识别、移动轨迹跟踪等集成，实现统一技术平台下的矿井移动目标综合安全监控与信息管理^[2]。

智慧矿山发展阶段

我国矿山开采经历了机械化、自动化、智能化的三个发展阶段。结合自动化矿山、信息化矿山及数字化矿山的发展背景及特点，可以将智能矿山的发展分成四个阶段，包括

(1)单机自动化阶段(20世纪90年代)：分类传感技术和二维GIS平台得到应用，单机传输通道形成，实现了可编程控制、远程集控运行、报警与闭锁。解决了传统控制器占用空间大、成本高等问题，现场总线的连接方式提高了矿用设备控制的可靠性，减少了设备的停机时间。但由于有线网络通信是信号传输的唯一方式，单机系统只能在本地采集信号，各系统之间难以进行信息交换，形成子系统信息孤岛的格局，通信网络严重制约了煤矿自动化的发展。

(2)综合自动化阶段(21世纪初)：当前中国矿山所处阶段。BIM、大数据、云计算技术得到应用，实现了局部闭环运行、多个系统联动及专业决策。人工智能及大数据等新兴科技使设备之间实现了协同控制，为矿山分析决策，动态预测提供了新渠道。人工智能和自动化、机器人技术结合，实现了矿山生产复杂流程的自动化。但装备的智能化水平还需提升，信息的语义化描述没有形成统一的标准，信息通信技术和传统矿山技术的融合应用还停留在初步阶段。

(3)局部智能化阶段(2010年至今)：综合集成平台与3DGIS数字平台得到应用、高速网络通道形成，实现了初级数据处理及系统联动、信息综合发布。无线传感网络及以太网技术以其强大的通信速率和信道容量将各子系统连接在一起，解决了子系统信息孤岛问题，实现了全矿信息的共享。但传感器与各种装备没有联网，智能应用于本系统，设备之间无法进行协同控制，且数据仅进行了简单的处理，没有得到高效利用。

(4)全面智能化阶段(未来)：智能矿山4.0时代的到来，达到透明化矿井和全矿井控制协同化的水平。智慧物与自动化机器人广泛应用，云端计算及边缘计算深度融合，实现数据的高效复杂处理。大数据及人工智能为基础的智慧应用能满足矿山日常需求。需要进一步优化各类传感器，同时大量智慧体及各级子系统需接入到云平台，通过更高效的智能决策方案来满足日益增长的智能化需求^[3]。

智慧矿山产业链

智能矿山行业的产业链呈上游零部件的适配性提升，与下游需求指数级上升的双重态势。上游主要是系统集成中所运用的摄像头、防爆计算机、防爆变频器等零部件以及轴承、胶轮、外壳等加工耗材的供应商，如宝信软件等；下游主要为煤炭、有色金属等矿产资源的开采公司，如阳煤集团(阳泉煤业)陕西煤化、中国华能等；工业互联网根据企业规模、生产条件、IT/OT系统建设情况，打通矿产资源产运销以及上下游各环节，实现矿产子系统、整体生产、矿业集团经营管理的多级优化^[4]。

智慧矿山市场规模

智能矿山未来市场规模巨大。2021年国家组织遴选了71处示范建设煤矿，总产能近6亿吨/年，计划投资157亿元左右，预计2023年底前可完成建设。据初步统计，全国有近400座煤矿正在开展智能化建设，总投资规模超过1000亿元，截至2022年3月，已完成约470亿元。

智能化采掘工作面数量增长迅速。随着智慧矿山建设的推进，智能化采掘工作面数量近年来快速增长，全国煤矿智能化采掘工作面数量由2015年的3个迅速增长至2019年的275个，2020年增至494个，同比增加80.0%；2021年继续增长至687个，其中智能化采煤工作面431个，智能化掘进工作面256个；2022年3月，全国智能化采掘工作面已达到813个，与2020年相比增加65.0%，其中，采煤面为477个，与2020年相比增加43.0%；掘进面为336个，与2020年相比增加109.0%^[5]。