工业互联网在煤炭行业应用探索.pdf

1982020 年第 8 期 工业互联网在煤炭行业应用探索 杨传印 （山东煤矿安全监察局，山东 济南 250000） 摘 要 大数据、云计算等技术已应用于煤炭行业，但是煤炭行业的生态链全覆盖仍不完善。煤炭工业互联网以数据为 基础，以平台为核心，以技术为手段，整合采、掘、运、通、洗选、物流、消费等全部主要环节，推动煤炭产业围绕生产 无人化、管理集成化、运输联网化等方向加速数字化转型发展。 关键词 工业互联网 5G 智能化开采 智慧煤矿 中图分类号 TD67 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.064 Exploration on Application of Industrial Internet in Coal Industry Yang Chuan-yin Shandong Coal Mine Safety Supervision Bureau, Shandong Jinan 250000 Abstract Big data, cloud computing and other technologies have been applied to the coal industry, but the ecological chain coverage of the coal industry is still imperfect. The internet of coal industry takes data as the basis, plat as the core and technology as the means to integrate all the main links, such as mining, excavation, transportation, communication, washing, logistics and consumption, so as to promote the coal industry to accelerate the digital transation and development around the direction of production unmanned, management integration, transportation networking and so on. Key words industrial internet 5G intelligent mining smart coal mine 收稿日期 2020-05-13 作者简介 杨传印（1977-），男，采矿工程硕士，主要从事煤 矿安全信息化建设和网络信息安全工作。 近年来，全国煤矿安全生产形势持续稳定好转， 为进一步提高煤炭行业信息化、智能化水平，创新 数据驱动煤矿安全生产和监管监察模式，作为煤炭 工业信息数据采集传输的“高速公路”和重要基础 保障的工业互联网建设完善和场景应用显得尤为重 要，发展煤炭工业互联网前景广阔、恰逢其时。 1 工业互联网在煤炭行业应用现状 煤炭行业积极响应国家号召，紧跟技术发展趋 势，在工业互联网领域进行了积极探索。物联网、 云计算、大数据、“互联网 ”等新技术、新模式， 与煤炭生产、建设、经营的融合发展，使煤矿管理 的水平大幅度提升。煤矿智能化建设快速发展，智 能化开采、工业机器人等已通过多种形式融入到生 产系统中，煤炭行业两化深度融合已经进入到工业 互联网生态建设与应用的新阶段。 1.1 发展现状 1.1.1 网络系统建设 网络系统的建设为数据传输提供了通道，实现 了数据的采集。大多数煤矿已建设有工业环网及通 信系统，工业环网以千兆环网为主，中大型煤矿正 在由千兆向万兆环网升级。通信系统作为网络系统 的延伸，主要有 WIFI 和 4G 通信系统，国有大型煤 矿正在积极试点 5G 通信系统的应用。 1.1.2 设备控制系统建设 主要包括工作面采掘控制系统、胶带运输控制 系统、 地面生产控制系统、 主扇、 压风机、 井下排水、 污水处理、提升、猴车、瓦斯抽放、煤矿电力控制 系统等。这些控制系统的建设实现了设备数据的采 集及自动化控制，达到了减人提效的目的。 1.1.3 人员和环境监测系统 主要包括煤矿的六大系统建设和工业视频监控 系统建设，全国煤矿已全部建设完成。其他生产环 节和安全设备设施工业数据采集还未普及。 1.1.4 工业互联网管理平台建设 近几年，兖矿集团以“推进数字转型变革”为 总体思路，深入实施“互联网 ”战略，启动“三化” 1992020 年第 8 期 建设攻坚行动，加强与 IBM、SAP 合作，加快实施 大数据工程总体规划及工业互联网平台研发。山东 能源集团融合大数据、人工智能等技术，在私有云 部署构建 RPA 机器人生产平台，上线应用以数据机 器人应用为代表的数字员工。 1.1.5 煤炭工业互联网标识解析体系 工业互联网标识解析体系是工业互联网网络的 重要组成部分，为工业互联网连接的对象提供统一 的身份标识和解析服务。2019 年底由大同市政府和 同煤集团共同建设的国家首个煤炭行业工业互联网 标识解析二级节点正式上线运行，并与国家顶级节 点对接。 1.2 行业需求 1.2.1 信息技术发展需求 随着科技的进步，互联网、大数据、云计算、 区块链、人工智能、边缘计算等新一代信息技术影 响力不断扩大并深入多个领域，成为影响各行各业 发展、提升竞争力的核心力量。以煤矿企业为例， 所依赖的局域互联网络体系产生的大量数据，由于 服务器存储和数据算法的局限性，不能够被长期存 储和即时运用，制约了煤矿安全生产的可靠性和可 控能力，事故风险的预测预警系统还没有构成，事 故追溯和灾后评估的科学性和真实性得不到满足， 煤矿企业对数据传递、存储、分析的需求日渐高涨。 此外，煤炭行业的各种资源数据量达到了海量 级别，鉴于数据规模的庞大性，监管监察部门需借 助煤炭工业互联网和深度挖掘技术，通过对矿井生 产海量数据的分析，准确预测安全生产事故，从而 满足大幅度降低事故发生几率的安全需求。 1.2.2 智慧煤矿发展需求 建设智慧煤矿已经成为煤矿本质安全的必由之 路。目前，部分煤矿企业已开展智慧煤矿建设工作， 但整体技术解决方案仍处于探索阶段，从整体性和 先进性上与其他行业工业互联网平台标准仍存在一 定差距，急需工业 PaaS 作为落地的有效支撑。 1.2.3 产业链信息共享需求 煤炭行业上游产业主要为煤炭勘探设计、煤矿 设备、装备制造企业、开采和洗选业，中游产业主 要为煤炭贸易商、运销企业等，下游产业主要集中 在电力、钢铁、建材、化工四大领域，其余为民用 煤、其他行业等。构建长期稳定、和谐共赢的产业 链关系，是煤炭行业实现高质量发展的基础和前提， 尤其是面对煤电联动机制的蜕变和能源体制改革， 煤炭行业上中下游信息共享需求日益明显。 1.2.4 政府监管监察需求 我国煤矿分布较散，监管监察难度较大，政府 部门对煤矿企业基础数据采集困难，数据利用率较 低，需要利用新一代信息技术，以大数据中心或云 平台为纽带，结合政府业务需要，将企业基础数据 有效融合在一起，通过数据分析，实现应用创新， 为政府应急管理与安全生产决策提供数据支撑。 2 工业互联网在煤炭行业应用存在问题 2.1 缺少国家层面推动 工信部根据国务院关于深化“互联网＋先进 制造业”发展工业互联网的指导意见，开展了工 业互联网试点示范项目推行工作。通过试点先行、 示范引领，总结推广可复制的经验、做法，推进工 业互联网发展。试点示范项目名单的公布也为整个 工业互联网行业带来了整体发展方向的信号。 但是， 工信部下发的 2018、2019 年互联网示范项目未涉及 能源行业， 能源板块缺乏煤炭试点、 示范引领项目。 2.2 缺乏行业技术规范标准的支撑引领 从标准制定层面来看，煤炭行业相关标准体系 制定滞后，尚未制定一个全面、科学、统一的标准 体系。煤炭行业重点放在机械化向信息化发展上面， 因此，无论是“煤矿安全规程”还是“智慧矿山信 息系统通用技术规范”都没有详细涉及“工业互联 网”的内容及解释。 2.3 网络建设体系尚不完善 现有的网络环境、基础设施已不能满足人工智 能产品对高性能、高带宽、高算力的迫切需求，亟 待对现有基础设施、网络环境进行升级改造，推动 以 5G 为代表的新一代网络的部署，补齐制约煤矿 行业人工智能产业发展的短板。 2.4 煤炭工业互联网产业支撑能力不足 平台发展所需的智能感知、自动控制、网络连 接、工业软件等一系列产业基础薄弱，需充分借鉴 互联网企业先进思想、信息通信技术的应用，促进 煤炭行业企业、科研机构和厂商在新时期的思路转 变，改变行业科技研发、现场应用的滞后现象，满 足煤矿在泛在感知、智能控制、可视化决策等方面 的海量应用需求。 2.5 井下互联装备升级改造进展缓慢 由于工业互联网标准的滞后、网络平台建设技 术的单一，主要生产装备的数字化程度偏低，通信 2002020 年第 8 期 协议不规范，反映装备健康状况的数据采集困难， 井下设备接入网络接口的庞杂及功能简单，从而形 成各厂家同类产品不能建立数据通信，多系统数据 无法融合，以及系统间无法联动，造成智能化升级 的障碍。 3 煤炭工业互联网应用研究 工业互联网技术在煤炭行业的未来发展中将扮 演重要角色，通过新一代互联网技术的推动，将加 快实现煤炭行业发展的新格局，实现煤炭工业的高 质量发展。 3.1 发展战略 以新一代信息通信技术和智能开采技术、工业 知识集成创新发展为重要载体，逐步打通煤矿企业 内外部的数据链与价值链，推动 5G、人工智能、 区块链、大数据等技术与工业互联网的深度结合， 夯实工业互联网应用基础。面向煤矿数字化、共享 化、智能化需求，推动生产装备、生产能力、信息 技术和人才等资源汇聚，促进煤矿生产企业、装备 生产制造企业、信息技术企业和互联网企业等在云 端集聚，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服 务体系和数据科学、工业科学、ICT 科学等多学科 融合体系。 3.2 应用场景 3.2.1 煤矿智能化开采赋能 煤矿智能化开采是煤炭工业互联网的最主要组 成部分，也是煤炭工业互联网发展的主要目标。依 托煤炭工业互联网建设，加快煤炭生产设备的智能 化改造，推进井下适应多种采煤环境的智能化采煤 机械的开发研制，推广煤矿智能机器人等小型化轻 量化装备的示范应用和综采成套装置、协同控制系 统升级改造。 3.2.2 井下精准感知赋能 在现有煤矿安全生产“人 - 机 - 环”感知系统 的基础上，通过应用低功耗、高灵敏度、宽量程、 易维护传感器技术以及物联网、5G、WiFi6、IPv6 等新一代信息通信技术，实现井下生产者之间、井 下生产设备与设备之间、井下设备与操作人员之间、 井下设备与井上管理人员间的互联互通和精准感 知，开创低成本、广覆盖、低时延的井下信息感知 通信新模式。 3.2.3 故障预测诊断赋能 设备预测性维护是工业 IoT 的典型场景，主要 面向高价值、高数据量、高故障损失、部署位置分 布广泛的工业设备。依托企业使能平台提供的通用 故障预测模型和云端机器学习成果，对分析出来的 异常数据再次进行分析，得出设备故障原因与严重 程度，为应急控制与维修管理提供准确依据，节约 维修费用， 有效提高设备可靠性， 避免重大事故发生。 3.2.4 工业机器人应用赋能 推广煤矿工业机器人应用是煤炭工业互联网推 进的重要抓手，是煤炭工业互联网得以实现的重要 途径。煤矿工业机器人是彻底解放目前煤矿工人危 险场所工作的终极利器，让煤矿实现智能开采的主 要手段。围绕煤矿企业采、掘、机、运、通等核心 业务，利用物联网、人工智能、大数据等技术提升 和改造传统煤炭工业，借助于自主定位、自动感知、 自适运行的功能，推动煤矿工业机器人应用，逐步 实现生产设备的网络化和生产现场的无人化，达到 “有人巡视、 无人值守” 的常态化生产状态， 通过 “机 器换人”实现煤炭工业的高质量发展与煤矿作业的 “少人则安”和“无人则安”。 3.2.5 风险预测预警赋能 依托煤炭工业互联网 PaaS 平台，形成多因素 风险分析能力，指导煤矿企业进行重点防控。通过 实时采集采掘工作面地质条件、矿井水文、冲击地 压、自然发火、瓦斯、设备等风险信息，基于安全 科学理论和引发煤矿安全风险的主要因素，通过工 业大数据分析技术，对影响煤矿安全的风险因素进 行归类整理、分析建模，构建煤矿安全风险指标体 系，实现智能监测预警。 3.2.6 煤矿应急救援赋能 煤炭工业互联网可融合企业应急资源信息，建 立应急预案数字化模型，融合反灾害科学、安全生 产、组织管理、救援技术等知识，提升应急领域认 识和控制能力，面对各种复杂的非程序化问题时， 能提取环境特征进行分析推理，提供决策支持。 3.2.7 远程监管监察赋能 通过建设煤矿安全生产风险监测预警系统，打 通从企业向上至煤矿安全监管监察部门的数据采 集、传输、共享渠道，实现与基层煤矿安全管理系 统联网、动态数据多级分析和风险评估，为日常监 管监察、远程巡察、执法检查和应急救援等工作提 供数据和技术手段，为精准监管监察提供有力支撑， 有效提高煤矿安全监管监察效能。