数字矿山数字化转型方案.docx

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1、数字矿山数字转型白皮书围绕安全高效推进矿山行业数字化专型中国人民大学国际能源战略研究中心最近几年发布的能源企业全球竞争力 报告，相关数据 显示我国能源企业（包括煤矿企业）规模已经是全球第一，目前处于提高经营绩效的关键阶段，率先 引入新一代数字技术成为推动这些企业引领行业发展的必然选择。随着数字挛生体关键技术的突破,更低成本更好效果的数字变生矿山解决方案应运而生，虽然传 统三维建模仿真在数字挛生矿山解决方案中I:匕较重要，但市 场上存在大量的开源项目，能大幅降 低研发数字学生矿山软件的难度和成本。在这次数字李生矿山发展机遇中，传统工业软件巨头并不占 先发优势，它们庞大的 官僚体系反而成为拖累，我

2、国企业通过采纳新发展理念，跨越传统解决方案， 直 接面向下T弋数字拿生矿山需求开展研发工作，能够在第四次工业革命浪潮中脱 颖而出。对于全球产业基金和工业软件巨头布局和抢夺数字挛生矿山解决方案市场的举动，我国相关部 门及企业应主动作为，特别是经营矿山的国有企业，应借助这一轮数字化转型浪潮带来的机遇，利用 自己的矿山开展探索。大部分国有企业设有技术服务子公司，应提供先进技术的应用场景，磨砺解决 方案服务能力，帮助其技术子公司成长为数字经济的龙头企业。2数字挛生矿山概念及体系数字拿生体作为数据驱动体系的单一数据源，成为国防和航空航天领域数字化转型中最突出的价 值，美国国防部把数字学生体称之为可信源“

3、展现了 数字学生+”在各行业应用的基本共识。全球 各行各业积极引入数字挛生体技 术，通过数字挛生+”在基础设施层面实现数据统一，避免将来的 口系统和平台烟囱化（才旨不能互联互通），具有重要的战略意义。全球矿山行业正在悄然兴起新的数字革命，国内矿山企业鲜有关注到数字李生体的价值，主动引 入到矿山领域更是稀少。XXXX和工业4.0研究院在2021年上半年确定共建数字李生矿山联合实验室 ，把探索数字娈生矿山关键核心 技术作为实验室运行的重点。数字享生矿山操作系统图表4数字李生矿山参考架构跟其他以高度集成为目的的技术不同，数字挛生体具有开放架构，能够有效 实现数据交换、流 动和分享的目的。在矿山领域引

4、入数字李生体，因为它能够有效容纳人工智能、大数据和物联网等技 术，为矿山企业数字化转型提供有效的支撑。基于工业L 0研究院数字李生体工程原则，数字李生矿山实验室设计了四层的数字学生矿山参 考架构，包括地质环境、地表设施和设备系统数字拿生化形成的数字李生基础设施，以及数字李生矿 山操作系统、生产工作人员在环(Workers in Loop)和数字变生体应用。表格2数字学生矿山参考架构层级特点编号架构层级技术特点说明1数字李生体应用根据应用场景要求，获取相关数据，设计相关应用数字拿生矿山创新应用2生产工作人员在生产工作人员进入数字李生数字李生矿山运行环矿山体系中，通过数字装备开展安全生产的关键数字

5、李生矿山操作系统对数字李生地质和数字李生装备等资源进行管理和控制数字李生矿山体系中的核心数字挛生基础设施实现地质环境、地表设施和装备系统的数字季生化数字李生矿山体系的基础类似美国国防部可信源的作用，数字学生基础设施成为地质环境、地表设施 和设备系统数据的 源头，通过把它基础设施化，能够加强其专业化运行，不断提高各种数据精度，便于其他系统获取可 信的数据，实现数据驱动的矿山运行体系。数字学生基础设施的各种资源要正常运行，需要数字拿生矿山操作系统来调度和管理，这类似 个人电脑或手机上的操作系统，它是数字挛生矿山高效运行的核心，诸如能耗情况、设备管理效率和 工作安全等功能，者B是数字挛生矿山操作 系

6、统的核模块，可以根据研发的进度无缝升级，展现了数 字李生体不断改进的 优势。在达到数字拿生矿山较高水平的时候，人仍然是不可或缺的，为了保障矿山 勘探开采的安全， 他们可以通过远程监控的方式，这能大大降低生产的风险，同时还具有更高的创新空间。不仅如此，空闲出来的人员除了掌握数字管理能力，部分人员还可以学习数 字开发技术，结合 到运行场景需要，开发各种各样的应用。通过基于数字变生体开放架构的数据驱动应用，矿山运行将 达到较高的自动化水平，能够实现生产现场少人化或无人化，成为安全高效、高质量发展的矿山企业。3数字拿生矿山演进策略通过建立物理矿山和数字矿山交互的技术体系，能够根据实际需要不断完善，构建

7、一个可以演 进的数字李生矿山。驱动数字李生矿山不断演进的基础是数字享 生基础设施，这如同交通体系的道 路，随着道路不断升级，为更先进的交通工具提供更好的条件。随着对矿山资源的数字李生化，促使当初只能看的虚拟矿山演化为可以更 新状态的动态矿 山，如果建立了安全可靠的远程控制，就能实现互操作的挛生矿山了。表格3数字李生矿山的演进路径数字学生矿山第一阶段第二阶段第三阶段虚拟矿山动态矿山李生矿山实现（预测）2023 年2025 年2030 年主要特征可视化实时同步互操作基础设施地质环境和设备系统实现第1级数字挛生化地质环境和设备系统实现第2-3级数字李生化地质环境和设备系统实现第4-5级数字李生化操作

8、系统能够对数字李生地质和数字挛生设备进行管理能够对数字李生地 质更新，实现对数 字李生设备的优化能够对数字挛生地质实时同步，实现对数字挛生设备的按照工业L0研 究院的划分， 数字李生化（Digi taiTwinning05管理调配和（远程）操作能够实现亚实时或能够实现实时的地创新应用勘探开采的可视化、预测性维护实时的安全控制，对设备实时监控并执行关键指令质环境和设备监控，满足资源调配和控制的需要3可视化的虚拟矿山矿山行业在过去十多年实现了设备和流程的管理，大大提高了管理的效率和 效果，然而对于矿 山现场的管理仍然做不到实时或预测性管理，主要原因之一是管理者无法知晓生产现场的实际事情这 也是为什

9、么最近几年矿山企业在引入数字拿生体的时候，最看重的功能就是可视化。当时的计算机技术还不够先进，主要表现为：一是建模仿真的能力比较差，对于地质环境的数字 化缺乏大规模的手段；二是地质环境建模的精度不够，无法通过分析获得有价值的结果，导致矿山企 业不愿意投资和应用；三是当时还缺乏云计算和人工智能，存储能力和计算能力都不够，无法实现全 局和全生命周期的分析。随着云计算、大数据和深度学习等新型技术的出现和成熟，虚拟矿山的难点已经逐一消解，建立 虚拟矿山已经是可以实现的目标。据数字李生矿山联合实验室观察，一些大型的矿山企业，纷纷建立 了大屏，把生产现场的信息搬到大屏上显示，这使得管理者能够随时看到矿井的

10、情况，提升了决策 的质量和效果。结合到视频监控等应用虚拟矿山可以帮助管理者直观的看到现场如果辅以人工智能分析技术 通过监控器提供的实时图片，能够在无人的情况下及时发现异常现象，并及时报警，让工作人员达到 现场处理异常情况，这可以避免疲劳等问题带来的隐患，大大提高矿山安全运行的能力。3.2 实时同步的动态矿山按照工业L 0研究院设计的数字季生化水平来判定，实时同步的动态矿山在 可视化基础上，利 用物联网等技术，实现数据融合，展现有延迟或实时的数据，从而更为全面的反映物理矿山的实际情 况，包括地质情况和装备系统的状态，这有助于管理者及时采取相应的措施，避免事故发生，并调整 采矿的计划和进度。这个阶

11、段的数字李生矿山建设重点应为数据融合，加强数据采集，丰富数字李生模型的精度，为 进一步分析和利用这些模型提供前提。由于数据更为丰富，可以在尺度和时间两个维度上深化，一方 面能够实现更大尺度的分析，另一方面能够对历史数据进行分析，实现对未来运行状况的预测，满足 提前预知矿山地质 环境和设备系统的情况，做出更好的决策。表格4数字挛生化5个等级及特点DTL等级特点精度简要介绍DTL1几何模型形似，不一而足分为部件、子系统、系统和系统之系统多个层次的几何模型DTL2数据描述传统仿真领域包括材料、物理等数据描述，涉及到多物理、多学科特点，还有降阶模型技术等DTL3数据融合神似，限于静态主要涉及到多尺度场

12、景的数据融合，例如GIS和BIM技术的融合，来自数字 挛生体：第四 次工业革命的 通用目的技 术一 书.DTL4动态享生神似，除了静态，还具有动态特征指建造(as-built)、运行(as-operated)特征等DTL5自主学生难分真假指根据各种环境变化需要，可自行进行DTI. 1-4的过程实时同步的动态矿山核心是数据，但在矿山环境下实现数据应用并不容易，因为动态变化的地质环境意味着初期只有小数据，这要引入新的知识和方法，例如，数字地质学就是研究其中规律的。图表6澳大利亚Data61参与DARPA地下挑战赛澳大利亚CSIRO下属I)ata61就在力图解决这个问题，它参与了 DARPA组织的地

13、下挑战赛，其中一个阶段的赛事就在一个废弃煤矿举办的，通过参与这样的挑战赛，积累了煤矿 数据模型分析方法，I）函泌1就可以更好服务于煤矿行业数 字化转型需要。更重要的是，通过DARPA提供的数字学生煤矿平台，不少参赛团队开发了自动化系统，这些系统 具有较强的适应能力，能够对矿山的环境进行感知，并且能 够根据预设任务，自主的完成相关搜索。 这样的能力能够帮助参赛团队建立一套自动系统，适应一无所知的某个地下矿井，这正是传统的煤矿 勘探开采必然要经历的过程。实时同步的动态矿山在矿山企业数字化转型过程中具有重要意义，这意味着实现了基本的可视化 和物联网系统，能够获得矿山地质环境和设备系统的各种变化数据，

14、从而为管理者和现场工作人员提 供良好的决策支撑，实现一定程度智能化。3.3 互操作的弯生矿山随着矿山的数字李生基础设施不断完善,数字挛生地质和数字挛生设备的实现越来越成熟，这为 数字李生矿山操作系统建设提供了绝佳的条件，它能够支撑实现实时的地质环境和设备监控，即满足 工业级的互操作需要，这是数字李生矿山努力的目标，它的实现，意味着少人化或无人化的矿山基本 实现了，只需要部分管理和操作人员在办公室做相关操作即可。实现互操作的挛生矿山难点比较突出，即需要满足工业级的控制水平，这不 是传统的IT能够实 现的，它意味着以下几点:地质环境和设备系统实现了较高水平的数字娈生化，达到了安全正常生 产所需耍的

15、数据精度, 数字申生矿山跟实际物理世界的矿山有较好的相 似度。数字挛生矿山操作系统的可靠性得到验证，不仅能够实现数字系统之间的数据机制，还可以有 效传达相关控制指令，并可以根据现场反馈的情况自主判断决策，调整相关控制动作。通过长期运行，基于数字隼生矿山操作系统，建立了专业化分工的开发生态，能够满足各种场 景需要的数字李生体创新应用，简单讲，这些应用应该满足即插即用”(Plug & Play) o数字挛生矿山联合实验室研究认为，矿山行业数字化转型是一个长期过程，不太可能在短期内达 到互操作的李生矿山阶段，根据目前数字季生体技术演进的进度，受制于设备系统的研发创新能 力，较高程度的自动化系统的研发

16、需要较长期的打磨，预计在2030年能初步达到数字拿生矿山的阶 段。4数字挛生矿山基础设施矿山勘探开采是一个系统工程,对采掘工作面的地质条件进行数字李生化是 实现少人化或无人化 开采的基础和前提。传统的地质探测技术以三维地震技术为 主，辅助引入一些地质动态解释等技术， 然而这样的方式并不能保障自动化矿山运行，其主要瓶颈在于构建的数字地质精度不够，这使得引入 数字拿生体技术成 为一种必要的选择。为了弥*匿统地震勘探开采过程中采掘工作面情况变化的挑战，采用地质动 态解释技术，而不是 数学建模方式，能够大大减轻计算量，使得该技术方法具有一定的可行性。随着数字李生体、人工智 能、数据科学和物联网等新一代

17、数字技术的发展，发挥数字挛生体开放架构特点，能够高效的实现三 维地质动态建模，这是我国十四五时期智能化矿山发展的重要方向。结合到工业4. 0研究院对数字挛生化水平定义，并应用数字李生基础设施思路，在矿山行业数字 化转型中引入数字李生体技术，力求以低成本的方式，围绕安全高效目标打造数字挛生矿山。特别通 过对地质模型进行分类和分精度建设，实现可持续改进的动态更新，推进矿山数字李生化进程，采用 基础设施化”的手段，在地理信息系统基础上实现数字挛生矿山基础设施，真正起到驱动矿山企业 数字化转型之目的。4.1 地质、地表及设备数字弯生化TS情况下，矿山模型可以分为地质模型、地表模型、机电模型和其他模型等

18、四大类，正如前文所 讲，建立矿山模型是实现少人化或无人化勘探开采的基本 数字季生矿山联合实验室，2021年24条 件，特别是地质模型存在动态变化的情况，涉及到开采人员的安全以及开采目的的实现，要求一定的 精度和实时性，这需要引入新型技术来实现地质模型动态建模的目标。通过引入工业4. 0研究院数字挛生化水平,对矿山四大类模型进行分级描述，为开展相关关键技矿山行业的数字化可以追溯到1999年，当时举办的首届国际数字地球大会 提出了 数字矿 山”(Digital Mine)的概念，由此掀起了长达20年的数字化 探索，期间出现了虚拟矿山、无人矿山 和智能化矿山等概念。随着数字擘生体、人工智能、数据科学

19、和物联网等新一代数字技术的引入，数 字矿山开始向“数字 李生矿山(Digital Twin Mine)演进。按照本白皮书定义，数字季生矿山是矿山企业基于数字孝生体的数字化转型方法，通过地质、地 表和设备的数字季生化，让处于安全环境的人进入数字李生矿山闭环中，逐步达到可视化、实时同 步和互操作的运行水平，实现矿山行业少人化或无人化的经营目标。基于开放标准的数字擘生矿山架构体系，本白皮书设计了可视化的虚拟矿山、实时同步的动态矿 山和互操作的擘生矿山三个阶段的数字挛生矿山演进路径，体 现了数字享生体技术在全局和全生命 周期可持续改进的核心价值。针对矿山行业突出的安全和效率的痛点，本白皮书提出引入新一

20、代人工 智能，既包括深度学习的人体姿态识别提高安全监控水平，还强调利用云边协同能力，建立基于数 字李生基础设施的大数据分析能力，充分释放矿山人工智能的潜力。XXXX作为国有企业XXXX煤业集团有限公司的全资子公司，把承担国家数 字挛生创新计划作为己 任，力求突破我国数字化转型的关键核心技术，通过数字学生矿山联合实验室的建设，不但能够为矿 山行业探索出一条数字化转型道路，还能加速数字挛生体技术的成熟，为我国数字李生体产业发展 做出应有之页献。引言打造安全高效的数字李生矿山在中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要(简称“十 四五”规划)中，对构建现代能源体系提出了

21、 清洁低碳、安全高效的要求。2021年11月24日,术研发奠定基础。需要指出的是，数字擘生化跟传统的地质模型更新有一定的差别，前者是建立在开 放架构之下的，后者不一定采用开放架构来实现，这对统一数据源有可能造成障碍，不利于矿山企业 数字化转型工作的开展。地质模型包含矿井、采区、回采工作面、断层、采空区、积水区、陷落柱和巷道等的数字李生模 型；地表模型包含地形、建筑物、构筑物、管线、交通设施、植被和水体等数字学生模型；机电模型 包含综采设备、掘进设备、提升设备、运输设备和通风设备等数字李生模型。这三类模型数字李生化 的特点不尽相同，随着开采过程中的采掘工作面推进，地质模型变化最为突出；除了露天矿

22、山一些地 形会有变化，其他建筑物、构筑物、交通设施等变化频度较小；矿山所用各种机电设备通常不会发生 动态变化，它只会跟其他设备或地质产生交互。表格5地质、地表和机电模型数字享生化地质模型嵯模型机电模型说明矿井、采区、地形、建筑综采设备、掘进对地质、地表数字李生回采工作面、物、构筑物、设备、提升设和机电模型动化断层、采空管线、交通设备、运输设备和态变化情区、积水区、施、植被和水通风设况的说明陷落柱和巷体等备等道等地质几何模型第1级几何模型几何模型几何模型会动态变化，其他种类变化不大第2级空间定位、材材质数据和属性数据地质、地表和机第3级空间定位、材质数据和属质数据和属MS把各种设备的数字李生化融

23、合为一体电三类模型逐步动态要求降低工作人员主第4级人在环路人在环路人在环路要通过远程控制第5级无人勘探开采无人勘探开采无人勘探开采不管是哪类模型，第1级数字挛生化都是必要的，即建立几何模型，这是数 据机制要求的第一个层面，它是建立物理世界和数字空间交互的基础和单一数据 源 除了地质模型在开采过程中还会发 生变化，需要根据传感器获得的数据更新和补充原有勘探获得的数字李生模型，以体现采掘工作面的 变化，其他两类模型通常不会发生高频和大的变化，这使得我们在建设数字娈生矿山的时候，应该把 技术攻坚力量放到地质模型及数字娈生化上来。按照5级数字变生化水平的定义，空间定位、材质数据和属性数据应归到第2-3

24、级上，这个阶段采集的数据可以提升描述地质的精度。据相关报道称，澳大 利亚经过长期研发， 已经做到采掘工作面地质建模精度达到5厘米，这使得实现自动化作业成为可能。常规采掘工作面地质建模方法通常能够达到1T0米级精度，远远达不到全自动 化作业的程度，因此，突破地质建模精度是无人化矿山的前提条件。通过数字挛生化第2-3级的工作， 在地质基础数据模型融入材质和属性数据，能够大大改善数据精度挑战，简单讲，采取综合数据融合 治理的方式迫在眉睫。27表格6基于动态数据更新的数字挛生地质体系典型输入数据和方法价值改进潜力字享质的潜力非地球物理钻孔数据在空间上确定已知信息提高钻孔密度和岩芯回收率在不久的将来实蜒

25、下 作业所需的50厘米 高分辨率、高精度所 需的孔密度()是不 切实际的井下测井数据完整的测井提供了良好的地质信价值取决于钻孔密度和岩芯回收/需要插值和解释，在不久的将来实息质量，以及方法(如 Corescan、lly logger)的细节现所需的孔密度是不切实际的，限制数据收集和合并地质图（地表/露头）使用各种过程、模拟、地质统计模型开发提供现场直接和间接信息，取决于地表和地下之间的连通性，取决于以较少的覆盖进行改 进，可能有助于与井 下信息相关联，如果 缺乏细节或连通性， 则可能无法改进深度 分析定义表面享晶的潜力 很大，根据方法10 下约粹晶的潜力。地球物理学区域和跨孔，包括过程、模拟提

26、供广泛的信息，可能详细随着更多的孔密度和地震勘测得到改进需要进行插值和解释，但受到限制，在不久的将来实现所需的体积采样是不切实际的来自测绘、手标本、岩芯芯的岩性和地球化学数据提供有关岩性、岩石特征的点信息价值取决于钻孔密度 和石芯芯回收率，质 量随着更多样品、更 好的岩芯芯回收率、 更充其量是稀疏数据（在完全挖掘岩体之前，可能会重塑岩性）28数字拳生矿山联合实验 室，2021年多钻孔、更详细的实验室分析而提高地层建模输出（内插交叉孔）结合直接和间接信息使用更多样本进行改进，提高岩芯完整性，并提高钻孔密度完全开挖岩体之前的 直接信息稀疏，之后 可能会重构地层结构建模输出（来自地表、岩枚见测；来自

27、地球物理学的解释）提供直接和间接信息；取决于岩芯的恢复和完整性、地球物理学的质量和数量随着更多样品的改进、岩芯完整性的提高、钻孔密度和地球物理分析密度的提高可以估计大型/区域 结构与现实非常接 近。矿山和更精细的 细节，在完全挖掘岩 体之前不可能与矿山 规模的现实相匹配_ 之后可能会重新解释 完整的详细结构边界接触映射输出（来自岩芯、井下地提供直接和间接信息；取决于岩芯的恢随着更多样本、提高岩芯完整性和在完全挖掘岩体之前不在矿山规球物理榻正、内插交叉孔)复和完整性以及所用地球物理技术的质量更大钻孔密度、地球物理分析而改进T襄xijRJOb会重新解释完整的详细结构数字擘生矿山联合实验 室，202

28、1年数量水文地质数据压力计读数、探地雷达、地下水位数据提供直接和间接信息；取决于数据收集 的频率和渗压计的密 度随着更多的水观察而改善，自然水平故意扰乱采矿不是在采矿期间或之 后的矿山规模。最明 智的估计和建模。抽 水会改变水位数据当解决了采掘工作面数据融合的问题，数字李生化可以进入第4级，这个阶 段比较强调人在环 路(Human in Loop)的优化。众所周知，在生产现场最不确 定的因素是人，因为人很容易受到难以预 料的因素影响，从而无法控制和管理，但随着一些先进人工智能技术的引入，可以把人的行为数据加 入到数字娈生矿山体系中来，例如，基于人体姿态的识别技术 就可以提升矿山工作的安全保障能

29、 九当矿山各个要素都实现了数字化，可以考虑进入数字季生化第5级，这个阶 段各个子系统能够 实现自主运行，需要人干预和管理的场景逐渐减少，这将实现人们一直追求的无人勘探开采。毫无疑 问，通过数字学生化逐步解决了地质模型精度问题，才为少人化或无人化矿山提供必要的条件。4.2 建设单一数据源的基础设施一直以来，矿山行业推动数字化转型工作的时候，都比较强调一张图的 价值，其含义主要是要求把数据建立在地理信息系统之上。因为矿山是一个物理系统，它们具有空间上的分布，不管是地质或地表模型的分布，还是机电模型的数字李生矿山白皮书安防，其正常和安全运行都跟空间位置有非常重要的关系，因此，建立基于地理信息系统基础

30、上的矿 山系统，具有实际应用价值。然而仅仅如此，并不能保证各个系统的数据交换、流动和分享（即数据机制），因为各个子系统之 间的交互，需要一套既能保障开放又有保证安全的体系。数字学生体技术本质上是一套开放架构，它 通过建立简单的物理世界和数字空间交互体系，满足各自的独立性同时，又可以实现数据自动化（DataAutomation）,这是实现智能化矿山的基本条件。图表7地质相关系统数字李生基础设施矿山各种数据具有 时态特征。在矿山勘探阶段主要是应 用地震勘探等 技术获得矿产在地质上的存在状况，随后进入开采阶段，安全生产管理关注的重 点是 巷道掘进、工作面开采、环境监测、煤层的赋存状态等内容，为了适应

31、这样的变化，通常应更新原有 数字挛生矿山平台上的各种数据。本图来自山东省地质调研院、武汉中地数码科技有限公司和上海英赛智勘数据科技有限公司联合提供的资料.根据工业L0研究院分析，在地质模型实现了数字娈生化之后，应把这些基础数据作为基础设施 来运行，有助于在矿山整个生命周期实现数据的统一管理和利用，这通常是通过建设数字挛生矿山基 础设施来完成的。数字挛生矿山基础设施的基本内容是各种数据模型，跟时下时髦的数据中台 不同，数字擘生矿 山基础设施强调两个方面：数字学生模型和基础设施化。这两个方面具有以下特征：.数据中台匕匕较强调各种数据的集中保存和管理，数字学生矿山基础设施从数字拿生模型的角 度关注数

32、据精度，正如前文所讲地质模型、地表模型和机电模型的数字挛生化；对于基础设施化，则体现了这些数字李生模型服务于整个矿山，而不仅仅是某个平台或系统， 这样有助于数据的共享共用，虽然一些平台也建立管理数字模型的数据库，但它们跟特定平 台和系统的耦合度很高，不利于未来新平台和系统的建设，通过平台和模型的分离，方便 新建平台或系统，提高了数字挛生模型的应用率,实现了相关数据的唯一性。表格7基于国家标准的矿山数据类型*参考的国家标准为基础地理信息、要素分类分类与代码，结合到矿山勘探开采相关专业部门产生的数 据进行划分.中类小类地质类地层、地质构造、地质边界、储量估算等地层年代、断层、陷落柱、风氧化带等测量

33、类控制点、井巷工程等经纬仪导线点、回采工作面、巷道等数字阜生矿山联合实验室，2021年数字李生矿山白皮书机电类工作面支架、采掘机械设备等支架、支柱、采煤机、掘进机、装载睑运输类工作面设备、巷道运输设备等刮板输送机、转载机、溜槽、输送机等通防类通风、防灭火、防尘、瓦斯抽采等通风设备、通风设施、防灭火设备等安全类采集端设备、传输控制设备等安全监控、人员定位、水文监测等在中国煤矿智能化发展报告(2020)中，参考国家相关标准指导思想、制定原则、分类编码规则、完整性和可扩展性要求等内容的基础上，结合到我国煤矿的实际情况，提 出了空间数据规范框架，可以作为数字李生矿山基础设施建 设时的数据分类参考。按照

34、书中所讲，煤矿空间数据标准包含分类标准、编码标准、分层标准及要素数据词典等。煤炭数据类型分为大类、种类、小类、子类和要素类五个层次，其中大类根据数据的来源，即根据煤矿各专业部门产生的煤矿数据分为六大类，具体请参考以上表格。在建设数字娈生矿山基础设施的时候，由于是基于物理世界的地形、地表和机电设备建立的数字爰生模型来存储数据，将大大简化使用者的复杂性，因为可以通过把以上列举的六大类数据附着在各种模型上，并通过专家建立一套物与物、物与人及人与人之间的交互机制，屏蔽了各种技术细节，帮助运行管理人员降低复杂度。5数字挛生矿山关键技术中国煤炭工业协会发布煤炭工业“十四五”安全高效煤矿建设指导意见(征求意

35、见稿)对煤炭行 业在十四五时期的发展提出了基本要求。安全高效是矿山行业发展的基础，加快推动安全高效矿山建设，是深入贯彻国家能源安全新战略 的重要举措。正如中国煤炭工业协会指导意见所讲，我国科技支撑煤炭行业发展的作用仍然不足，一 是企业自主创新动力不足，二是核心技 术创新有待突破，三是高端装备依然存在短板。对于以上问题的解决办法，还是应围绕三新”做文章，艮P:准确把握新发 展阶段，深入贯彻 新发展理念，加快构建新发展格局。十四五规划明确指出，充分发挥海量数据和丰富应用场景优 势，促进数字技术与实体经济深入融合，赋能传统产业转型升级，催生新产业新业态新模式，壮大经 济发展新引领。”矿山行业是一个传

36、统的领域，我国矿山占全球的比例较高，规模较大，以煤炭工业的情况来看， 中国人民大学国际能源战略研究中心发布的能源企业全球竞争力报告(2018)显示，在世界煤炭 企业前30强中，中国企业占据了 20个，排名第二的美国上榜企业数量为1个。中国企业在数量上远 远超过其他国家,据数字擘生矿山联合实验室调研，国内大部分矿山企业在研发上的投入较彳氐，对于 新一代数字技术的引入较为谨慎。按照能源企业全球竞争力报告(2018)对研发维度子指标来看， 世界煤炭总榜500强的研发强度为0.98%,部分原因是煤炭工业产、运、销、用体系相对成熟，同时也 反映了部分企业研发动力不足的问题。随着第四次工业革命的到来，传统

37、矿山行业迎来了新的发展机会，各个国家 纷纷投入资源，加 快数字李生体、人工智能、数据科学和物联网等新一代数字技 术的引入，提升矿产资源发现、开掘 和经营等方面的创新能力，保证实现安全高效的经营目标。2016 年，澳大利亚科学与工业研究组织（CS1R0, Commonwealth Scientific and Industrial从技术本质来看矿山数字化转型，它充分借鉴了计算机系统开放架构的特点，通过构建物理世界和数字空间交互的技术体系，实现了可持续改进的数字挛生矿山体系。这种体系跟现代计算机系统类 似，它具有硬件(包括处理器、主存、磁盘、打,印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口以及各种其他I /

38、0设备)、操作系 统和各种应用软件。数字李生矿山的建设需要软硬兼施，在加大基础设施、操作系统、云服务和大数据分析的软件投 入同时，还应该加大先进传感器和物联网部署，引入矿山机器人和无人车等技术。这些部署的硬件设 施，将产生大量的数据，通过数字李生矿山基础设施、操作系统及平台进行存储和处理，能够实现安 全高效的数字季生 矿山管理。由于数字挛生体技术是较新颖的技术，在矿山领域的应用有一个过程，为了加快专业化分工的 进程，可以建设数字李生矿山开源社区，加大运营力度，吸引具有创新能力的中小企业加入，从而实 现加速数字阜生矿山关键技术突破的速度，释放数字李生矿山的价值。5.1 数字挛生矿山操作系统虽然矿

39、山跟计算机都是物理系统，但计算机系统是人造的静态系统，它的功 能主要是计算，矿 山涉及到勘探开采，采掘工作面会随着工作推进发生变化，需要更新工作的物理基础一一地质信息， 为此，我们引入了数字李生矿山基础设施的概念，在此基础上，借鉴计算机操作系统的方法，构建一 套数字李生矿山操作系统，简化我们实现数字挛生矿山建设的复杂性。市场上不少产品自称为操作系统J但大部分并未按照开放标准构建，藏有不少私有的标准协议，其他企业或开发 团队无法在其上进一步开发，不具有个人电脑意义上的操作系统特征。个人电脑领域的操作系统之所以取得巨大的成 功，很大程度是因为其开放架构，遵循了工业开放标准。一些工业领域曾经想借鉴个

40、 人电脑的成功模式，但迄今为止 没有成功的案例。早在20世纪90年代，美国空军研究室演示就尝试在工业控制系统中弓I入个人电脑的开放架构，提 出了下一代 控制器(NGC, Next Generation Control 1 er)方案，还形成了系歹U产品和解决方案，但最终没有太多 供应商参与，这个事情最后不了了之。由此可见，在工业 领域引入个人电脑的开放架构，具有不小的挑战。：他联合 博斯写了知名的现代操作系统(Modern Opening Systems)一书，对操作系统存在的意义 做了很好的阐述.模型服务模块实现地质、地表和设备等数字娈生模型的进一步管理和应 用，避免应用程序直接跟数字李生矿

41、山基础设施交互;通信/G1S模块主要提供通信服务和G1S空间定位服务，满足数字挛生矿山运行中所需要的通 信能力和GTS空间定位要求，它们需要通信和GTS设备提供信息；平台服务包含数字线程(Digital Thread)调度，它可以实现不同精度 的数字李生模型请求， 满足单一数据源的应用。在数字挛生矿山操作系统内核基础上，需要建业艮务API,以便各种应用场 景的适配。服务API 是对操作系统内核能力的调度，应用程序通常不应该直接读取操作系统内核，以免影响其运行效率和 安全性。在服务API之上，能够根据地质勘探、规划设计、矿山生产、加工处理和客户市场整个矿山 运行价值链需要，构建一些标准应用场景模

42、块，实现快速适配和交付的目的。数字学生矿山联合实验室设计的操作系统，跟行业企业所见的应用体系不同，它是基于数字挛 生矿山基础设施构建的，简单讲，通过数字挛生矿山模型的基础 设施化，数字挛生矿山操作系统实 现了跟数字挛生模型分离的目的，避免了数字挛生矿山模型过于复杂和动态变化快的挑战，有助于 数字挛生矿山模型的建设、管理和更新，推动数字学生矿山操作系统的版本管理。5.2 智能传感器和物联网图表8数字挛生矿山操作系统架构计算机技术经过30多年的演变，摩尔定律已经使得它呈现多样化的技术种类，包括数字李生体、 深度学习、数据科学和物联网等新一代数字技术，这为工业操作系统研发提供了可能。数字李生矿山 联

43、合实验室遵循开放标准的架构体系要求，借鉴国际标准组织ISO发布的数字率生体相关标准，设计 了适合矿山领域需要的数字擘生矿山操作系统。在数字李生矿山基础设施之上，需要对各种计算资源进行管理，包括I/O服务、数据管理、模型 I艮务、通信/GIS和平台服务，它们形成了操作系统内核。数字挛生矿山操作系统内核功能如下： I/O服务是为了实现即插即用的外部系统接入，在保证核心系统不受影响的前提下，能够让 满足一定标准的外部设备接入，可以扩展数字挛生矿山操作系统的服务能力；数据管理模块主要涉及到数据的存储、提取和完整性保证的功能，这些数据来自先进传感器和 物联网，通常分为结构性数据和非结构性数据两种；保证矿

44、山安全高效的生产运行，对人机 环”的坐标位置、状态和环境信息等要素的感知和判断非常有必要，这有赖于引入智能传感 器和物联网技术。为了实现对环境的感知，我们主要关注MEMS传感技术、自诊断自校准技术、无线自组网技术和 5G通信技术，它们具有不同的技术特点和应用场景，跟地理物理系统结合起来，能够对矿山的物理环 境进行有效的描述，实现矿山的安全高效工作和运行。表格8先进传感器和物联网技术特点及应用序号传感器/物联网技术特点应用场景1MEMS传感技术高度集成，体积小、能耗低和功能多样对矿井环境的监控(例 如气体传感器)，有助 于保证安全生产2自诊断、自校准技术传感器自补偿，自诊断有效性、准确性达到90

45、%,自我调节时间达到唱秒级用于矿井有毒、有害气 体 监测类传感器、大大提高 传感器的检测精度及减少 维护性工作量3无线自组网技术短距无线传输技术，例如ZigBee. Bluetooth. RFID、UWB和Wifi6等技术，具备6跳以内Mesh自组网功能物联网建设的关键技术之 用于矿井采掘工作面，获 得传感器数据以及人员、 物体的定位信息(-)YEVS传感技术3945G通信技术矿山应用5G通信技术，主要以专网呈现矿山各类监测及控制系统井下井下大带宽、局可靠、低时延、广连接的数据传输跟传统的传感器不同，MEVS传感器采用集成芯片，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性和灵敏度高等特点，由于可以进行批

46、量化生产和易于集成，使得此VS传感器价格氐廉，能够进行大规模部署，适合矿山地下空间应用，形成一个较为立体的感知环境。矿山应用的MEMS传感器主要有三种：加速度传感器、压力传感器和气体传 感器，在空气质量 监测、室内空气质量检测、工业易燃易爆气体和有毒气体的检测等方面开始应用，在保障矿山生产 安全方面起到了非常重要的作用。通过数字变生矿山操作系统的I/O接口，可以方便的接入各种传感器，对于较为常见的传感器，能实现即插即用，而对于不常用的传感器，只要提供符合开 放标准的驱动程序，在操作系统更 新之后既可以正常运行。通过这样的方式，能够实现数字挛生矿山无限进行扩展，适应不同规模的 勘探开采需要。(-)自供电技未自诊断、自校准技术智能传感器是集成化传感器与智能微处理器相结合的产物，具备采集、处理、信息交换、自诊断、 通信的功能。利用芯片的记忆和存储的功能，用自带空间对历史数据和各种必要的参数进行存储，通 过自带的处