庞庞塔煤矿调度指挥控制中心
移动生产方式和高危生产环境决定了煤矿依靠单一的有线通信技术难以实现井下少人化、无人化作业。5G通信技术的商用，为煤炭企业的智能化建设提供了技术支撑。基于国家相关部委出台的一系列煤矿智能化建设政策及要求的外因，以及煤炭企业安全高效、转型发展的内因，使得煤矿智能化建设在全国范围内迅速开展、快速推进。
传统煤矿企业的信息化建设是“点”的建设，系统独立，而煤矿智能化建设是一项复杂的、巨大的系统工程，需要整体规划、分步实施、全面建设、有序推进。
笔者结合对《煤矿智能化建设指南（2021年版）》的学习和理解，以及在霍州煤电集团有限责任公司庞庞塔煤矿的建设实践，对井工煤矿智能化建设的顶层设计进行分析。
煤矿智能化建设政策要求
2017年，国务院常务会审议通过的《深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》
指出：工业互联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，日益成为新工业革命的关键支撑和深化“互联网+先进制造业”的重要基石，对未来工业发展产生全方位、深层次、革命性影响。工业互联网通过系统构建网络、平台、安全三大功能体系，打造人、机、物全面互联的新型网络基础设施，形成智能化发展的新兴业态和应用模式，是推进制造强国和网络强国建设的重要基础，是全面建成小康社会和建设社会主义现代化强国的有力支撑。
2019年，工业和信息化部印发的《“5G+工业互联网”512工程推进方案》指出：工业互联网是第四次工业革命的关键支撑，5G是新一代信息通信技术演进升级的重要方向，二者都是实现经济社会数字化转型的重要驱动力量。5G与工业互联网的融合创新发展，将推动制造业从单点、局部的信息技术应用向数字化、网络化和智能化转变，也为5G开辟更为广阔的市场空间，从而有力支撑制造强国、网络强国建设。
2020年2月，国家八部委联合发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（以下简称《指导意见》）指出：将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统。
《指导意见》提出三步走规划：到2021年，基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、固定岗位的无人值守与远程监控；到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，井下重点岗位机器人作业；到2035年，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。
2021年6月，国家能源局发布的《煤矿智能化建设指南（2021年版）》（以下简称《建设指南》）提出“分类建设、分级达标，因矿施策、培育典型，系统规划、全面推进、以人为本、安全高效”的基本原则；“晋陕蒙、中东部、云贵、新建矿井”的分类建设目标；“智能化煤矿应基于工业互联网平台的建设思路，采用一套标准体系、构建一张全面感知网络、建设一条高速数据传输通道、形成一个大数据应用中心，面向不同业务部门实现按需服务”的总体设计要求；并提出了“信息基础设施、智能地质保障系统、智能掘进系统、智能采煤系统、智能主煤流运输系统、智能辅助运输系统、智能通风系统、智能供电与供排水系统、智能安全监控系统、智能综合管控平台、智能化园区、经营管理系统”等12类建设内容。
2021年6月，国家发展改革委等四部委印发的《能源领域5G应用实施方案》要求：基于5G网络高速率、低时延、高可靠等特性和网络切片技术，深入研究5G工业模组与煤机装备的深度融合，实现关键大型煤机装备对5G通信的支持；开发基于煤矿5G网络的生产实时性控制平台，实现煤矿采掘和生产中各类信息的实时交互、远程控制。
自然资源部出台的《智能矿山建设规范》对智能矿山的建设也提出了具体要求。此外，全国各产煤省（自治区）也根据实际情况提出了实施意见、建设指南、评分办法、政策支持等系列文件，要求提前实现煤矿智能化。
煤矿智能化建设总体架构
煤矿的主要业务分为管理、安全和生产，煤矿智能化建设就是要建设统一的智能化基础设施，在此基础上实现管理智能化、安全智能化、生产智能化（简称“１+３”）。智能煤矿“１+３”架构如图1所示。
图1智能煤矿“1+3”架构
在智能煤矿“１+３”架构的基础上，将各项建设内容分解，即可得到煤矿智能化建设的总体架构，如图2所示。
图2煤矿智能化建设总体架构
智能化煤矿基础设施建设
智能化煤矿基础设施建设主要包括网络通信和数据中心。
网络通信
网络包括地面的局域网、广域网，以及井下的环网、有线和无线接入网，可实现地面和井下的数据通信及语音通信。
（1）地面局域网可以采用以太网技术或全光网络PON技术进行建设，实现千兆（百兆）到桌面，满足办公需求。
（2）井下环网应当具有“抗灾”能力，可通过环网设备的并联通信、光缆地埋、长时延后备电源等技术实现。通过建设抗灾型环网，防止井下发生灾害事故后，因非灾害区域通信中断、被困人员失联等造成灾害程度扩大。
采用5G通信技术建设煤矿的“5G+工业互联网”，既是国家的战略要求，也是煤矿智能化建设的要求。4G为“2C”（面向人）网络，满足人与人之间的通信需求；5G为“2B”（面向企业）网络，能够满足人、机、环通信的大带宽、低时延、广连接、高可靠的需要。采用5G通信技术建设井下1个环网，可以取代原有的多个环网，既能够满足传统的工业以太网通信需要，也能满足5G移动通信系统的需要，从而实现真正意义上的井下“一张网”。
（3）有线接入网采用工业以太网技术，无线接入网采用5G通信技术。在井下开通5G移动通信网及NB-IoT物联网，满足移动生产设备、传感器等设备接入的需要。可将煤矿原有环网的工业以太网交换机作为接入层的交换机使用。采用5G切片技术将5G网络的大带宽划分为多个切片，能够实现承载业务的独立传输、互不干扰，相比较于建设多个物理网，可大幅度降低网络建设成本、提高网络质量、简化网络结构、降低网络维护工作量。
2019年，庞庞塔煤矿按照“抗灾”要求建设了井下“一张网”，井下网络总带宽达到了400G。在井下两翼各建设1个环网，2个环网在地面汇聚，每个环网在井下有4个节点，每个节点的5G环网设备配备50G通信板卡。由于采用并联结构，井下环网的总带宽为各个节点的带宽之和。在井下开通4G、5G、NB无线网络，地面与井下的有线通信时延小于1ms、无线通信时延小于20ms，消灭了井下的“蜘蛛网”。5G设备在庞庞塔煤矿的现场布设应用如图3—图5所示。
图3井下硐室内5G环网交换机、基站控制器、基站汇聚单元
图4井下巷道内的5G基站（pRRU）、人员定位基站、扩音广播电话
图5回采工作面端头液压支架部署的5G基站（天线）实现了回采工作面5G信号全覆盖
图6基于NB-IoT的无线传感器
网络通信主要是指语音通信。智能化煤矿建设应实现调度通信、行政通信、无线通信等系统的互联互通、等位拨号，实现语音通信系统与协同办公系统、视频会议系统的互联互通。各种通信系统应采用统一的专网号码资源、实现等位拨号，移动语音通信应实现专网与公网的井上、井下漫游通信。目前的主流技术是通过SIP协议实现各种通信系统的组网。
数据中心
传统数据中心的建设主要包括机房环境建设及计算和存储能力的建设，智能化煤矿数据中心的建设还应包括基础平台、数据治理、信息标准等项目。网络及数据中心建设过程中必须保证网络安全、数据安全、系统安全，要符合“等保三级”的要求。为了保证控制网的安全，数据中心分为办公网数据中心和控制网数据中心，2个数据中心之间必须采用隔离网闸进行物理隔离，由控制网数据中心向办公网数据中心单向传送信息，满足办公网用户掌握矿井安全生产情况的需要。
（1）基础平台包括大数据平台、物联网平台、组态平台、二三维平台、数字孪生平台、BI平台、AI平台等。建设统一的基础平台，为各种应用提供基础能力服务，防止各个系统重复建设现象的发生。智能化煤矿广泛采用大数据分析、视频图像识别等技术，因此需要高度重视AI、BI平台的建设。
通过AI平台可以实现企业的样本采集、模型训练，使算法和模型更符合企业的现场条件和特殊需要；通过BI平台可以实现企业自己对大数据进行分析。
（2）建设企业的智能化标准体系。传统的信息化、自动化建设通常采用承建单位的标准，导致各个系统之间无法通信、形成了多个信息孤岛。智能化建设初期就必须建设标准体系，否则后期难以顺利进行。
（3）重视数据治理工作。包括元数据、主数据的管理以及业务数据规划、数据共享与加工等工作，确保企业数据资产的质量、可用性、可集成性、安全性和易用性。
智能化煤矿安全、生产及管理建设
智能化煤矿安全建设
智能化煤矿安全建设需要按照《建设指南》提出的统一承载、共网传输要求，进行人-机-环的安全检测与防护，即按照现代煤炭企业人-机-环-管的安全管理思想，建设1个智能安全平台，实现人-机-环的全面感知。
应当基于物联网平台实现传感器全连接及通信协议的规范化，建设统一的安全监测信息采集平台。采集平台实现人-机-环的信息全采集、处理、存储，并进行统一分析，实现安全生产情况的全分析、统一展示，实现安全、生产和管理各业务的实时监测、智能分析、预测预警、协同联动，实现安全监测为管理和生产智能化提供服务。图6为庞庞塔煤矿井下使用的基于NB-IoT的无线传感器。
智能化安全建设可以分2步进行：①建设统一的监测平台，采集已经建设的各专项监测监控系统的数据，实现信息共享、统一分析；②未来可用1个平台替代原有的多个监测控制系统。智能化煤矿生产建设煤矿井下的生产系统主要包括供电系统（电流）、通风系统（风流）、供排水系统（水流）、主运输系统（煤流）、辅助运输系统（物流）及掘进工作面和回采工作面，智能生产就是要实现“5流+2面”的远程控制、集中控制、协同控制和智能控制，实现“5流”无人、“2面”少人或无人。
智能化煤矿生产建设
应研究如何基于工业互联网技术实现智能控制，其中固定设备采用有线控制、移动设备采用无线控制。此外，还包括地面选煤厂的智能化建设，如企业内部的生产物资、设备材料的无人化仓储管理和满足井下生产需要的配送管理，要最大限度地实现无人化选煤和仓储配送。
智能化煤矿管理建设
智能化煤矿管理可划分为经营管理和生产管理。
（1）经营管理应采用协同办公技术实现业务的协同、公文的流转及人员的沟通，而非单一的公文处理。通过ERP实现企业内部业务的管理，实现机构重组、流程再造，帮助企业建立现代企业制度，提高企业的经营管理水平；通过SCM实现与供应商的协同、合作，取得供应商的服务；通过CRM实现与客户协同、合作，为客户提供服务；通过SCM、CRM与上、下游企业建立战略联盟，为企业创造良好的生态环境、扩大企业的价值链。
（2）生产管理主要包括调度、安全、通防、地测、机电、物资、技术、应急救援等方面的管理。生产管理智能化建立在数据共享的基础之上，通过大数据、数据建模、知识建模等技术，实现各项管理业务的智能化，实现各专业管理之间的协同，以及管理、监测、控制之间的协同；需要实现监测、管理、控制的优化，通过优化提高企业的安全生产水平、管理水平、生产效率水平，进而提高企业的智能化水平、提高经济效益。另外，可以将《建设指南》中的智能地质保障系统归纳到地测管理中、智能通风系统归纳到能防管理中等。
煤矿智能化建设与自动化、信息化建设的区别
煤矿传统自动化、信息化建设存在的问题
自2000年以来，全国煤炭企业通过信息化、自动化建设，大幅提升了煤矿的安全、管理和生产水平，提高了煤炭企业效益和竞争力。但传统信息化、自动化建设的方式方法和理念也存在一些问题，主要有以下3点：
（1）信息孤岛。传统的信息化、自动化建设通常是“点”的建设，由1个厂商独立承担，企业缺乏且不需要进行企业信息化建设的全面建设规划，受相关政策及标准限制，这些“点”独立建设、自成“系统”，造成多个信息孤岛。如传统的安全监控系统要求专网专用，造成煤矿井下同时建设了几个甚至几十个独立的网络，既加大了信息化、自动化的建设投入，也加大了使用和维护成本。
（2）缺乏标准。多数煤炭企业没有企业的信息化标准，而是采用厂商的标准，导致各个系统难以打通、信息难以共享。
（3）业务驱动。煤炭企业的信息化建设普遍是执行政策要求，或是业务部门提出的建设需求，项目由承建的业务部门负责规划、设计、建设、管理、使用，形成了部门“私有制”现象。
图7庞庞塔煤矿基于独立组网的“5G+工业互联网”拓扑结构
煤矿智能化建设的特征
煤矿智能化建设是建立在自动化、信息化的基础之上，主要特征有以下3点：
（1）复杂的巨系统。煤矿智能化建设是一项复杂的、巨大的系统工程，涉及到煤矿管理、安全、生产等各个方面，涉及到最先进的5G通信、工业互联网、人工智能、机器学习、云计算、大数据等新一代技术，应当做好顶层设计，系统规划、分步实施、全面推进、有序建设。
（2）平台化、服务化。要采用平台化、服务化的思想进行煤矿智能化建设，而不能采用传统的自成系统的思想进行建设。整个智能化平台是由多个平台组成，各平台既享受其他平台提供的服务，也为其他平台提供服务。要通过平台化、服务化实现各项建设内容的有机融合，形成煤矿的智能化服务平台。
（3）协同控制、智能控制。智能煤矿的核心目标之一是要实现井下少人无人，需要通过地面远程控制、协同控制、智能控制等技术，并非简单地将各个自动化系统复制到地面集控中心。如智能主运输系统是要实现各部输送带的远程、协同、联动控制，实现输送带与地面及井下煤仓、采掘工作面、智能安全平台的协同及联动控制。
煤矿智能化建设关键技术
工业和信息化部、国家能源局明确要求基于5G+工业互联网技术建设智能化企业、智能化煤矿，5G+工业互联网是煤矿智能化建设的关键技术。
（1）工业互联网是连接人、机、数的网络。
连接人的网络包括局域网、广域网、移动通信网等，连接机器设备的网络主要是工业现场的网络，包括汇聚层的工业以太网、5G网以及接入层的、CANBUS等网络，通过这些网络实现对设备信息的采集及控制。
（2）采煤机、掘进机、物流车辆等设备均是移动作业，依靠工业以太网的有线通信技术不能实现移动设备的远程控制，必须采用移动通信技术实现移动设备的远程控制。
（3）煤矿井下的工业网主要由地面的控制网，地面和井下的环网及接入网组成。其最主要的建设内容就是要实现地面的办公网、数据中心以及工业网在网络安全、信息安全、系统安全条件下的互联互通，形成“一个网”。
工业互联网是连接机器设备的网络，属于时间敏感网络（TSN），工业互联网的网络带宽、通信时延、接入方式、接入能力等要满足煤矿智能化建设的需要，一般要求地面上实现千兆（百兆）到桌面、井下环网带宽不小于50GB、通信时延小于20ms。
（4）5G通信技术具有大带宽、低时延、广连接的特性，是2B网络（4G及以前的网络是2C网络），应当采用5G通信技术建设煤矿工业互联网，包括用5G通信技术建设井下环网、井下5G移动通信网、NB物联网，实现移动设备的远程控制，实现传感器的无线化；采用5G切片技术实现工业互联网的带宽管理，实现业务隔离、互不干扰。
目前，矿用5G通信技术是在地面5G通信技术的基础上通过隔爆处理实现井下应用，需要研究煤矿巷道的通信特点，研究煤矿井下现场环境对通信设备的影响等，研发满足煤矿安全生产需要的且适应煤矿现场环境的本安型矿用5G设备。图7为庞庞塔煤矿基于独立组网的“5G+工业互联网”拓扑结构。
煤矿智能化建设分步实施规划
煤矿智能化建设是一项复杂的系统工程，需要按照整体规划、分步实施、全面推进、有序建设的原则进行建设。煤矿智能化建设涉及众多业务领域和专业技术，不可由单一厂商承担全部项目，应当在整体规划的基础上，协调各厂商按照统一标准和技术进行建设。
《指导意见》要求煤矿智能化分3个阶段进行建设，对于煤炭企业来说，应当根据国家要求及属地政府要求分阶段进行建设。
（1）第1步，基础设施建设。重点完成智能化整体规划及分阶段实施方案、井下5G+工业互联网建设、数据中心计算及存储能力建设、信息化标准体系建设等，为智能化建设奠定基础。
（2）第2步，实现固定岗位无人化。在工业互联网平台实现电流、水流、风流、煤流等固定岗位的地面远程控制、集中控制、协同控制及智能控制。
（3）第3步，实现智能安全。建设智能安全平台，实现安全信息的统一采集、分析、展现、服务，实现安全的告警预警，确保安全生产，发挥数据资产的价值，实现规律趋势分析，指导安全及生产。
（4）第4步，实现移动设备的远程控制。基于5G+工业互联网技术实现采掘2个工作面及物流系统的无线控制、远程控制，实现井下少人、无人。
（5）第5步，实现智能管控。建设智能管控平台，实现煤矿安全、生产、经营、管理等信息的全面采集、协同管控，实现决策智能化、管控协同化。
