王國法院士：智能化煤礦數據模型及複雜巨系統耦合技術體系
創新點
（1）提出了智能化煤礦統一的多源異構數據融合處理方法——基於“分級抽取-關聯分析-虛實映射”的數據邏輯模型，實現基於知識需求模型的信息實體主動匹配、推送策略與自動更新機制；構建了完整的煤礦井下跨系統全時空信息數字感知體系，形成集採掘空間信息、煤機裝備狀態、風險信息等多參量、多尺度、全時空特性的數據感知方案；建立了智能化煤礦數據治理管理體系和智能化煤礦數據標準體系，爲數據賦能實現多源數據集成分析與數據價值挖掘提供基礎保障。
（2）闡述基於“ABCD”（人工智能（Artificial Intelligence）、區塊鏈（Blockchain）、雲計算（Cloudcomputing）、大數據（Big Data））的智能化煤礦系統耦合技術內涵，分析了“ABCD”技術與智能化煤礦系統融合支撐的必要性和發力點：“A”技術完成數據到控制的轉換和落地應用，同時結合數字孿生技術將生產管控的過程和結果同步可視化和下發到執行系統，形成“物理-虛擬”空間二元平行控制；“BC”技術構建安全可靠的數據庫和充足的算力；“D”技術爲其填充標準化的多源異構數據並提供豐富的計算模型。
（3）開展了煤礦智能化巨系統耦合工程應用實踐，搭建了具備數據統一採集、存儲、管理和調用的大數據支撐系統和集成採、掘、機、運、通等各業務系統的智能化綜合管控平臺，同步構建了“雲-網-數”一體化集成硬件支持系統，實現煤礦生產全域數據管理、跨業務數據融合，數據深度解析與複用，打通全礦井58個在用子系統和34個新建子系統的數據融合和運行決策優化。
智能化煤礦數據模型及複雜巨系統耦合技術體系
作者：王國法1，任懷偉2,3，趙國瑞2,3，鞏師鑫2,3，杜毅博2,3，薛忠新4，龐義輝2,3，張瀟5
單位：1.中國煤炭科工集團有限公司；2.中煤科工開採研究院有限公司；３.煤炭科學研究總院開採設研究分院；4.陝煤集團陝北礦業張家峁礦業公司；5.中國礦業大學（北京）
背 景
煤礦智能化是我國煤炭工業高質量發展的核心技術支撐已成爲行業廣泛共識，智能化理論與技術的研究也逐漸進入“深水區”。隨着井下通信、傳感、電氣、控制技術的不斷研發應用，從液壓支架電液控制系統、工作面集控系統、煤流運輸系統到智能通風系統、供電系統等，逐漸形成了大大小小上百個子系統。這些子系統多依據經典“傳感器－控制器”邏輯控制方法，在井下各個生產工藝環節發揮着重要作用。然而，當多個功能、通信方式、規模不等或不同的系統同步在井下運行時，對於整個礦井的智能化系統而言，這一狀況存在着明顯不足：①子系統數據限於內部應用，只依據局部信息進行決策難以實現整體最優控制；②控制模型依據的傳感器數據不完備，極易受到環境干擾發生誤動作或控制失效，魯棒性不足；③各個子系統獨立運行，沒有整體關聯架構支持，整體系統穩定性及優化協同均無法達成，無法應對複雜條件下的智能控制及整個礦井設備羣的協同控制需求。上述這些問題是從煤礦機械化向自動化、再到智能化發展所必然經歷的問題。很多研究機構、學者都認識到這些問題，針對其中一個或幾個方面開展了研究，試圖給出解決問題的路徑和方法。
首先，最爲重要的是統一數據模型。只有標準化、統一化的數據格式才能支撐多個子系統融合。當前，在數字孿生智採工作面系統的概念、架構及構建方法，基於邊緣雲協同計算架構的智慧礦山技術架構體系，基於雲服務、邊緣計算和ＷＳＮ技術的煤礦信息物理系統場景感知自配置系統等研究中，給出了物理系統信息的虛擬表達方法及計算體系，爲系統融合指出了路徑，但尚不能完全支撐系統融合過程所需的多源異構數據處理、關聯分析及虛擬映射操作。
其次是要實現跨系統的數據感知及實時連接。煤礦井下當前已經初步形成了一個全時空感知體系，對物理空間、地質構造、人員、裝備等靜態及動態的邏輯、屬性、運行、過程信息進行不同頻次的採集，以支持煤礦數字化。然而，這些感知的傳感器分佈在不同的子系統、不同的數據傳輸層次中，難以統一在一個數據治理體系下並形成具有完備特徵的煤礦數據孿生體。已有的研究提出了全面覆蓋的智慧煤礦信息模型，力求改善數字礦山向智慧礦山發展過程中信息關聯層次不清晰、框架結構不完善、缺少智能決策依據及有效控制方法的問題；提出了由數據接入層、數據存儲層、數據資產管理層、數據服務層構成的煤礦大數據集成分析平臺技術架構，爲數據融合分析處理提供基礎數據與資源能力。然而，跨系統的業務邏輯、不同層級數據的匹配推送策略還未完全建立，因而無法實現大規模數據的跨系統實時連接。 此外，還涉及多系統融合的兼容性問題、安全性問題等。當多個系統協同運行時，無論是空間、時間還是邏輯上都存在兼容協同的問題。每個子系統都需要評估在外部數據介入情況下的系統收斂性、穩定性及安全性。筆者團隊對智能化煤礦複雜巨系統的邏輯關聯進行研究和系統歸併，提出以泛在網絡和大數據雲平臺爲主要支撐，以智能管控一體化系統爲核心，“自主感知與控制－信息傳輸－井下系統－綜合管控平臺”爲主線的智能化煤礦數據流動與業務協同融合鏈。
摘 要
煤礦井下同步運行着通信、傳感、控制等大小上百個子系統，形成了越來越複雜的智能化巨系統。針對整個礦井智能化巨系統缺乏統一數據模型、傳感器數據不完備、跨系統數據融合等難題，提出統一的多源異構數據融合處理方法——基於“分級抽取-關聯分析-虛實映射”的數據邏輯模型，構建了完整的煤礦井下跨系統全時空信息數字感知體系，形成集井下現場生產狀態、採掘空間信息、煤機裝備狀態、風險信息等多參量、多尺度、全時空特性的數據感知方案。
基於煤礦多源異構關係數據的信息“實體”和虛實映射機理，提出基於知識需求模型的信息實體主動匹配、推送策略與自動更新機制，解決數據實時連接及迭代更新難題；提出基於“ABCD”（即人工智能（Artificial Intelligence）、區塊鏈（Blockchain）、雲計算（Cloud computing）、大數據（Big Data））的智能化煤礦系統耦合技術，以煤礦安全保障系統耦合爲例闡述了複雜巨系統數據交互、融合過程。 建立了智能化煤礦數據標準體系；給出了煤礦複雜巨系統的統一數據模型及決策機制的理論和方法，建立了滿足多目標決策下的智能化煤礦系統安全、高效、穩定運行體系。 相關技術在陝煤張家峁煤礦應用，突破了多源異構系統的一體化集成技術，建成了全礦井跨域融合智能綜合管控平臺，構建了全時空信息感知及實時互聯機制，打通多系統、多層面、多部門的業務數據壁壘，實現全礦井58個在用子系統和34個新建子系統的數據融合和運行決策優化。
圖 片
煤礦數據邏輯模型
工作面數據虛實映射模型
煤礦井下跨系統全時空感知體系總體框架
感知數據架構
數據跨系統彙集機制
信息動態匹配算法
基於“ABCD”技術的智能化耦合技術體系
煤礦數據管理體系框架
煤礦數據標準體系框架
張家峁煤礦智能綜合管控平臺
煤礦巨系統多源異構大數據支撐系統
智能化煤礦安全保障系統耦合框架
張家峁智能化綜合管控中心
作者簡介
王國法，男，1960年9月生，山東文登人，中國工程院院士，研究員，博士生導師，煤炭開發技術與裝備智能化專家。現任中國煤炭科工集團煤礦智能化工作委員會主任、首席科學家，煤礦智能化創新聯盟理事長兼技術委員會主任，中國自動化學會智慧礦山專業委員會主任。獲國家科技進步一等獎1項、二等獎4項、三等獎1項，省部級科技進步獎30餘項。獲國家發明專利44件，發表學術論文近300篇，出版專著6部。獲全國傑出工程師獎、孫越崎能源大獎等獎勵，被授予全國勞動模範等榮譽稱號。2017年當選中國工程院院士。
研究方向
煤礦智能化開採技術與裝備
主要成果
王國法院士是我國煤炭高效綜採技術與裝備體系的主要開拓者之一，煤礦智能化的科技領軍者，創新提出了液壓支架與圍巖“強度耦合、剛度耦合、穩定性耦合”的“三耦合”原理和設計方法；創立了綜採配套、液壓支架和煤礦智能化系統的理論、設計方法和標準體系；系統提出了煤礦智能化及分類、分級發展的理念、發展目標、技術路徑和標準體系，主持研發了四種模式的煤礦智能化開採成套技術與裝備，首創了5G+智能化煤礦巨系統頂層架構與應用系統關鍵技術，引領了智能化煤礦發展，爲我國煤炭工業發展和科技創新做出了傑出貢獻。
王國法，任懷偉，趙國瑞,等. 智能化煤礦數據模型及複雜巨系統耦合技術體系［J］. 煤炭學報,2022,47(1):61-74.
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