来源：全国能源信息平台
创新点
（1）在目前主流系统架构所面临的问题基础上，结合煤矿业务域数据特点，创新性的提出智慧矿山边缘云协同计算技术架构，为满足未来煤矿智能化进程中敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全防护等方面的需求提供了保障。
（2）为保证智慧矿山边缘云协同计算技术架构的落地，分别针对其三大关键特性（融合性、实时性和安全性），结合目前工业物联网领域的新技术，提出了能保障其落地的解决方案。
作 者
姜德义1,2,魏立科1,2,3,王 翀3,范金洋1,2,任奕玮1,2
作者单位
1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室；2. 重庆大学 资源与安全学院；3. 应急管理部 信息研究院
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研究背景
当前,新一代信息技术与制造业的深度融合正在全球范围内飞速推进,各国参与工业互联网发展的国际竞争日趋激烈。为抢抓新一轮工业革命机遇,许多国家正在围绕核心标准、技术和平台加速布局工业互联网,构建数字驱动的工业新生态。2017年底,国务院在《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》中指出“要加快工业互联网在工业现场的应用,强化复杂生产过程中设备联网与数据采集能力,实现企业各层级数据资源的端到端集成,形成一批面向不同工业场景的工业数据分析软件与系统以及具有深度学习等人工智能技术的工业智能软件和解决方案”。
工业互联网应用分支之一的煤炭行业,经过30多年的发展已经迈入了信息化、自动化、智能化的发展进程,目前正在以“智慧矿山”的名义形成煤炭工业领域智能化解决方案,从而落地工业互联网的相关先进技术。煤炭行业领域内的专家学者们已经针对智慧矿山关键技术、架构体系和平台设计等方面进行了长期的研究,并在一些示范矿井取得了较为显著的成绩,同时王国法院士还指出了智慧煤矿2025的情景目标和发展路径。
然而目前智慧矿山建设过程中,在数据采集和数据治理方面就会遇到不少问题,如:
①数据融合分析问题:由于各系统独立设计,数据独立处理,底层融合困难,系统间联动困难形成数据孤岛,无法进行跨维度、跨系统的关联及数据分析,直接导致大数据分析和人工智能方面的投入和研究不足,缺乏有效的模型与算法。
②数据传输问题:矿山网络链路和网络传输协议复杂,普遍存在数据传输实时性差、误码率高、传输环节多、网络利用率低等问题。难以实现设备的远程强实时控制和网络传输的可管可控等现象。
③网络安全问题:由于目前煤炭行业普遍侧重于人员生命和重大设备安全,对网络安全重视程度不够,导致大部分矿井未考虑网络防护措施或防护措施较弱,同时更没有全面的安全态势感知手段,不能对网络中的病毒、木马、恶意代码以及违规操作等进行准确定位、追溯和防控等,存在着巨大的安全隐患,无法保障各类智能化系统的可靠运行。
在未来智慧矿山建设过程中,为了遏制以上现象的继续出现,从顶层设计一个兼顾业务需求且能让IT(Information Technology)数据与OT(OperationTechnology)数据的高效融合的基础技术架构将会是智慧矿山建设过程中面临的首要课题。
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摘 要
随着工业互联网在全国各行各业落地应用,相关标准、体系和架构正在日趋完善,然而单一的云计算架构在不同领域应用中所暴露出来的问题也日益明显。在分析从数字矿山建设到智慧矿山建设进程中所采用的主流架构后,发现目前主流架构将无法满足日益增长的煤矿智能化的需求。
为了科学设计智慧矿山建设的技术架构,基于煤矿五大业务域的数据特点,系统性地将煤矿领域的数据划分为两大类(边缘计算类和云计算类),并以此为基础融合目前工业互联网领域提出的4层技术架构特点,设计了基于边缘云协同计算架构的智慧矿山技术架构体系。
最后提出了保证该技术架构落地的3项解决方案:
①利用OPC UA技术提供一个具有统一性、跨层安全性和可扩展的架构来解决数据融合分析时面临的信息孤岛问题,保障了边缘计算数据和云计算数据跨层级交互能力。
②通过建设具有有界传输时延、低传输抖动和极低数据丢失率的时间敏感网络,并凭借其时间同步、数据调度、负载整形等多种优化机制,来保证时间敏感数据的实时、高效、稳定、安全传输,可以为数字孪生等未来新的智能化需求提供有效的解决方案。
③在云端和边缘端分别部署相应的防护手段,同时在边缘侧与云端之间部署基于物理隔离技术的单向网闸等方式既保证了煤矿边缘云协同计算技术的安全防护能力又满足了煤矿智能化的实际需求。
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文中图片
煤矿智能化发展经历4个阶段
矿山云系统
工业互联网平台技术架构
智慧矿山边缘云协同计算技术架构
煤矿智能操作系统应用
OPC UA部署情况
数字孪生工作面情境
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作者简介
姜德义，男，1962 年6 月13日生，重庆人，中共党员，重庆大学教授、博士生导师，重庆市“两江学者”，“重庆市突出贡献中青年专家”、“重庆市首批学术技术带头人”。现任国家重庆大学资环学院院长、煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室常务副主任，重庆大学利保互助安全研究中心主任，教育部安全工程专业指导委员会委员，中关村绿色矿山产业联盟副理事长，中国设备管理协会安全生产技术委员会副主任委员，中国能源学会常务理事。长期从事矿产资源开采、安全及特殊地下空间综合利用等方面的研究。
研究方向
（1）煤层气高效开采、煤与瓦斯突出防治关键技术；（2）数字化矿山技术及虚拟实验平台；（3）盐矿钻井水溶开采、矿区大面积连通井地表沉积控制
主要成果
先后主持国家973课题、国家重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等项目40多项，获国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步一等奖3项，二等奖6项，获权与申请发明专利30余项，出版专著4部，公开发表论文250多篇，被SCI、EI检索150余篇。在相关领域还获得国家科技进步二等奖《多相振荡射流及其在低透气性煤层中抽采瓦斯的关键技术研究与应用》，省部级《隧道开挖引起地表沉陷对建筑物影响的研究》，《公路隧道新奥法施工监测技术应用研究》等多项科研成果奖励。
来源：
姜德义,魏立科,王翀,等. 智慧矿山边缘云协同计算技术架构与基础保障关键技术探讨[J]. 煤炭学报,2020,45(1):484-492.
JIANG Deyi,WEI Like,WANG Chong,et al. Discussion on the technology architecture and key basic support technology for intelligent mine edge-cloud collaborative computing[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(1):484-492.
< 完 >
