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智能化煤矿信息基础设施标准体系研究
0 引言
煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[1]。2020年2月，国家发展改革委、应急管理部、国家能源局、国家煤矿安全监察局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部等八部门联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出我国煤矿智能化建设的3个阶段性目标：到2021年建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，到2025年大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，到2035年各类煤矿基本实现智能化；并要求强化标准引领，开展煤矿智能化标准体系建设，提升基础保障能力。
煤矿智能化建设是新一代信息技术与煤炭开发利用的深度融合。当前，煤矿智能化建设尚处于初级阶段[2]，存在建设理念不够清晰、标准规范缺失、数据烟囱林立、信息难以共享等问题。王国法院士等在详细分析煤矿智能化标准现状的基础上，构建了煤矿智能化标准体系框架，提出了煤矿智能化标准体系建设路径[3]。信息基础设施是煤矿数据采集、传输、计算、应用、管理的基础，涉及通信、网络、平台、模型等多方面内容，能够为煤矿的开采、掘进、机电、运输、通风、选煤等环节提供信息化基础支撑。为此，笔者在文献[3]提出的煤矿智能化标准体系基础上，围绕数据规范、通信接口、信息安全等重点要求，深入研究了智能化煤矿信息基础设施的标准体系，以期为煤矿智能化相关标准的制修订提供参考和指导。
1 煤矿信息基础设施
煤矿智能化是新一代ICT技术与煤炭开发利用的深度融合，煤矿信息基础设施是煤矿智能化建设的底层支撑。当前，由于缺少行业标准，现存的各个信息系统互联互通难度大，各种设备接口不统一，严重制约了数据的流通和协同。因此，非常有必要建立统一的数据规范和通讯接口，并提升智能化煤矿的信息安全性、系统灵活性和可扩展性。
《煤矿智能化建设指南(2021年版)》在煤矿智能化建设目标、总体设计、建设要求和建设内容中均提出了信息基础设施方面的要求，具体如下[4]所述。
井工煤矿应统筹建设网络系统和数据中心，打通数据传输和利用通道。其中网络基础设施包括但不限于办公区网络、生活福利区网络、工业控制网络、视频监控网络、安全监控网络、无线网络和融合调度通信系统，鼓励开展5G+矿山物联网系统建设；大数据服务中心应统一数据采集、传输、存储和访问接口标准，构建煤矿数据治理体系，并形成模型库和知识库。
露天煤矿应结合生产工艺流程，应用自动控制、智能感知技术对生产设备设施进行数字化改造，完善工业网络及信息安全建设。在智能感知方面要实现矿山环境数据、采矿装备状态信息、工况参数、移动巡检数据等的全面采集；在网络建设方面要实现主要办公区、主要采区、受控区域、装备作业区等重点区域的网络全覆盖。
2 信息基础设施标准体系框架
智能化煤矿信息基础设施标准体系包括基础标准、通信网络标准、煤矿物联标准、煤矿数据标准、信息安全标准等5个子体系。智能化煤矿信息基础设施标准体系框架结构如图1所示。
从图1可知，基础标准包括术语定义、通用要求、管理标准；通信网络标准包括有线通信、无线通信、网络系统；煤矿物联标准包括标识解析、设备互联、边缘计算；煤矿数据标准包括数据交换、数据分析、数据管理、数据服务；信息安全标准包括数据安全、网络安全。
图1 智能化煤矿信息基础设施标准体系框架结构
3 信息基础设施标准内容
目前，煤炭行业已经启动了煤矿智能化标准体系的建设工作。信息基础设施作为智能化煤矿建设的重要组成部分，相关标准立项和制定工作也已经开始[5-7]。按照智能化煤矿信息基础设施标准体系框架结构，笔者给出目前急需制定的相关标准内容。
3.1 基础标准
基础标准子体系主要是规范智能化煤矿信息基础设施的通用性要求。目前急需制定的相关基础标准内容见表1。
表1 急需制定的相关基础标准
类别内容状态术语定义标准煤矿科技术语、煤矿智能化中国煤炭学会团体标准立项通用要求标准煤矿信息基础设施建设要求待立项煤矿信息基础设施工业互联总体架构待立项管理标准煤矿信息基础设施建设规范待立项煤矿信息基础设施运行与维护要求待立项煤矿信息基础设施验收规范待立项智能化煤矿云计算部署与管理技术条件中国煤炭学会团体标准立项煤矿有线通信网络运行管理规范待立项煤矿数据中心运行管理规范待立项煤矿综合管控平台运行管理规范待立项煤矿数字资产管控体系及要求待立项
(1)术语定义标准：主要规范信息基础设施的相关概念，此部分内容可包含在文献[3]的煤矿智能化术语定义中。
(2) 通用要求标准：主要规范信息基础设施的功能、性能、安全、可靠性等方面要求。
(3)管理标准：主要规范信息基础设施的建设、验收、运行、维护等方面的管理要求。
3.2 通信网络标准
通信网络标准子体系主要规范智能化煤矿通信和网络的要求。目前急需制定的通信网络标准内容见表2。
表2 急需制定的相关通信网络标准
类别内容状态有线通信标准煤矿用骨干网络系统技术条件待立项煤矿用骨干网络系统服务能力规范待立项煤矿用分支网络系统技术条件待立项煤矿用分支网络系统服务能力规范待立项煤矿用网络通信接口标准待立项无线通信标准煤矿用5G通信系统通用技术条件国家能源局行业标准立项煤矿用5G通信基站国家能源局行业标准立项煤矿用5G通信基站控制器国家能源局行业标准立项煤矿5G通信系统通信终端国家能源局行业标准立项矿用5G通信系统使用及管理规范国家能源局行业标准立项煤矿5G通信网络设备接入通用技术条件中国煤炭学会团体标准立项矿用短距离无线宽带通信技术要求中国煤炭学会团体标准立项F5G网络功能技术要求中国煤炭学会团体标准立项煤矿用WiFi6通信系统通用技术条件待立项
续表2
类别内容状态网络系统标准煤矿通信接口与协议 通用技术要求中国煤炭学会团体标准立项煤矿融合通信系统安全技术要求中国煤炭学会团体标准立项煤矿通信网络系统架构规范待立项煤矿通信网络服务技术指标规范待立项煤矿网络通信接口技术规范待立项
(1)有线通信标准：主要规范工业以太网、F5G等有线通信的硬件接口形式、通信协议规范，带宽、速率、时延等分级指标要求，以及性能、安全等方面要求。
(2)无线通信标准：主要规范5G、WiFi6等无线通信的频谱使用规范、发射功率要求、天线指标参数、通信协议规范，带宽、速率、时延等分级指标要求，以及性能、安全等方面要求。
(3)网络系统标准：主要规范煤矿通信网络的通信方式、网络架构、通信协议、硬件接口、指标参数规范，井上、井下骨干网络的带宽、速率、时延等指标等级规范，骨干网络容灾能力，下级网络带宽、速率、时延等指标等级规范，网络传输端到端速率、时延指标要求，以及性能、安全等方面要求。
3.3 煤矿物联标准
煤矿物联标准子体系主要规范煤矿设备的互联要求。目前急需制定的煤矿物联标准内容见表3。
表3 急需制定的相关煤矿物联标准
类别内容状态标识解析标准矿山物联网构建基本要求国家能源局行业标准立项煤矿物联网统一标识编码规则国家能源局行业标准立项基于本体的矿山“人、机、环”生产过程信息统一描述指南国家能源局行业标准立项工业互联网标识解析能源(煤炭)标识编码规范中国煤炭工业协会团体标准立项煤矿物联网主数据编码标准待立项煤矿物联网“人、机、环”感知信息描述规范待立项煤矿物联网“人、机、环”安全状态描述规范待立项煤矿物联网数据采集管理标准待立项煤矿物联网数据应用服务管理标准待立项设备互联标准煤矿物联网融合通信网络通用网关技术条件国家能源局行业标准立项煤矿物联网信息交互技术要求国家煤矿安全监察局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第1部分 以太网EtherNet/IP协议规范总则国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第2部分 扩展对象库国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第3部分 采煤机设备行规国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第4部分 液压支架设备行规国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第5部分 馈电开关设备行规国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第6部分 移动变电站设备行规国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第7部分 乳化液及喷雾泵站设备行规国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第8部分 运输三机设备行规国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第9部分 照明信号综合保护装置设备行规国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第10部分 磁力起动器设备行规国家能源局行业标准立项矿山机电设备通信接口和协议 第11部分 组合开关设备行规国家能源局行业标准立项煤矿物联网交互信息编码规范待立项煤矿物联网信息交互服务标准待立项煤矿物联网系统数据接口标准待立项煤矿物联网数据交互协议规范待立项
续表3
类别内容状态边缘计算标准智能化矿山边缘数据中心通用技术条件中国煤炭学会团体标准立项煤矿物联网边缘计算服务规范待立项煤矿物联网边缘计算数据接口规范待立项煤矿物联网边缘计算能力评价标准待立项煤矿物联网边缘计算云边协同服务规范待立项煤矿用智能边缘网关待立项
(1)标识解析标准：主要规范煤矿生产过程中的“人、机、环”状态信息的编码与描述要求，包括时间、位置、传感数据、指标参数、状态等信息，并规范相应的采集、解析、处理和应用要求。
(2)设备互联标准：主要规范各类设备互联需要的操作系统、接口协议等方面的要求，包括多系统之间交互信息的编码标准、连接服务要求、数据接口要求以及信息交互协议要求等。
(3)边缘计算标准：主要规范煤矿设备边缘端的数据采集、数据处理、边缘设备计算能力、云边协同等方面的要求，包括边缘端针对主要子系统的计算服务范围、相关业务数据的处理能力要求与边界、边缘端的服务能力等级评价等内容。
3.4 煤矿数据标准
煤矿数据标准子体系主要规范煤炭企业数据存储、交换、分析、管理、服务等要求。目前急需制定的煤矿数据标准内容见表4。
表4 急需制定的相关煤矿数据标准
类别内容状态存储交换标准煤矿数据中心存储服务规范待立项煤矿数据中心存储能力评价规范待立项煤矿数据中心数据交互规范待立项煤矿数据中心数据接口协议规范待立项数据分析标准煤矿数据中心数据分析流程规范待立项煤矿数据中心算法模型管理规范待立项煤矿数据中心数据分析能力评价标准待立项数据管理标准井工煤矿智能化第4部分 矿山建设数据源的数据格式规范国家能源局行业标准立项智能化煤矿数据治理通用技术要求中国煤炭学会团体标准立项煤矿数据管理标准 煤矿数据分类与数据编码中国煤炭学会团体标准立项煤矿数据管理标准 煤矿主数据管理规范中国煤炭学会团体标准立项煤矿数据管理标准 煤矿元数据管理规范中国煤炭学会团体标准立项智能化煤矿数据管理标准 数据质量技术规范中国煤炭学会团体标准立项煤炭工业露天矿信息模型设计技术规范中国煤炭工业协会团体标准立项煤炭工业露天矿信息模型分类和编码规则中国煤炭工业协会团体标准立项煤炭行业工业数据分类分级指南中国煤炭工业协会团体标准立项数据服务标准煤矿数据中心数据服务流程规范待立项煤矿数据中心数据服务能力评价规范待立项煤矿数据中心数据应用规范待立项煤矿数据中心数据可视化规范待立项煤炭工业露天矿数字化交付平台基本功能与技术要求中国煤炭工业协会团体标准立项煤炭洗选工程数字化交付要求中国煤炭工业协会团体标准立项煤矿安全生产综合管控平台建设规范中国煤炭学会团体标准立项智能化煤矿工业软件开发接口规范中国煤炭学会团体标准立项煤矿地理信息平台服务接口规范中国煤炭学会团体标准立项煤矿智能化双重预防技术规范中国煤炭学会团体标准立项智能化煤矿设备全生命周期管理系统技术规范中国煤炭学会团体标准立项煤矿智能防突信息系统通用技术要求中国煤炭学会团体标准立项
(1)存储交换标准：主要规范数据存储以及各种系统之间数据交换的互操作、性能等方面的要求，以及数据存储规模、存取速度、系统响应时间、系统接入能力、信息交互能力等评价指标。
(2)数据分析标准：主要规范数据分析流程、不同场景下数据分析方法等方面的要求，以及数据分析算法、模型、业务场景模型的能力评价指标。
(3)数据管理标准：主要规范数据的存储结构、数据字典、元数据格式、数据表结构、数据质量、生命周期管理等方面的要求。
(4)数据服务标准：主要规范提供数据服务的能力，包括数据分析服务、可视化服务等方面的要求。
3.5 信息安全标准
信息安全标准子体系主要规范信息基础设施中的数据安全、网络安全等要求。目前急需制定的信息安全标准内容见表5。
表5 急需制定的相关信息安全标准
类别内容状态数据安全标准煤矿工业控制数据加密和数据完整性技术要求待立项煤矿工业控制数据备份和恢复技术要求待立项煤矿数据安全防护技术要求待立项煤矿数据分级分类管理技术要求待立项煤矿数据安全风险评估方法待立项网络安全标准煤炭企业生产系统网络安全防护要求中国煤炭工业协会团体标准立项煤矿通信网络安全技术要求待立项煤矿工业控制网络安全技术要求待立项煤矿无线接入网络安全技术要求待立项煤矿物联网终端设备安全技术要求待立项
(1)数据安全标准：主要规范数据的安全防护要求及分类分级等管理及技术要求。
(2)网络安全标准：主要规范边缘设备、现场设备、工业网络的信息安全方面的要求。
4 结语
智能化煤矿信息基础设施标准体系是煤矿智能化标准体系的重要组成部分，鼓励煤炭生产企业先行创新性探索制定企业标准，为制定行业标准奠定基础：一是制定统一的设备接入接口和协议标准；二是围绕煤矿生产、机电、安监、环保等要求，制定智能化煤矿统一数据编码；三是制定统一的工业信息化模型标准，规范设备编码、设备数据釆集、二次计算等；四是制定统一的集成规范，包括应用风格设计规范、应用移动端APP融合集成规范、用户管理规范等。
[1] 王国法,刘峰,庞义辉,等.煤矿智能化:煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J].煤炭学报,2019,44(2):349-357.
[2] 王国法,刘峰,孟祥军,等.煤矿智能化(初级阶段)研究与实践[J].煤炭科学技术,2019,47(8)：1-36.
[3] 王国法,杜毅博.煤矿智能化标准体系框架与建设思路[J].煤炭科学技术, 2020, 48(1): 1-9.
[4] 国家能源局，国家矿山安全监察局. 国家能源局 国家矿山安全监察局关于印发《煤矿智能化建设指南(2021年版)》的通知(国能发煤炭规〔2021〕29号)[EB/OL]. (2021-06-05)[2021-11-05]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/2021-06/05/c_1310015723.htm.
[5] 中国煤炭学会. 中国煤炭学会关于2021年第一批煤矿智能化标准研制项目的通知[EB/OL]. (2021-05-27)[2021-11-05].http://www.chinacs.org.cn/a1741.html.
[6] 国家能源局. 国家能源局综合司关于下达2021年能源领域行业标准制修订计划及外文版翻译计划的通知(国能综通科技〔2021〕92号)[EB/OL].(2021-09-30)[2021-11-05]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/2021-09/30/c_1310257326.htm.
[7] 中国煤炭工业协会. 关于下达2021年中国煤炭工业协会团体标准制定计划项目的通知(中煤协会科技函〔2021〕154号)[EB/OL].(2021-10-25)[2021-11-05].http://www.coalchina.org.cn/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=61&id=134264
Research on information infrastructure standard system for intelligent coal mine
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ZHANG Jianming, CAO Wenjun, WANG Jingyang, et al. Research on information infrastructure standard system for intelligent coal mine[J]. China Coal, 2021，47(11)：1-6. doi:10.19880/j.cnki.ccm. 2021.11. 001
