【重点论文推荐】煤矿智能化建设顶层设计方案研究
煤矿智能化建设是一个复杂的系统工程。作者梳理了煤炭开采各阶段生产要素，依据煤矿井下特殊环境特点和煤矿智能化建设需求，提出了智能矿山“６＋１＋１”建设模型，并融合信息物理系统CPS (Cyber-Physical Systems)阐述了矿山信息物理系统M-CPS (Mine-Cyber Physical Systems)技术体系，构建了煤矿子系统级、矿级、集团级、行业级可扩展的M-CPS系统。认为，在煤矿智能化建设方面，应遵循“顶层设计、基础先行、重点突破、全面接入”的建设原则；即以“一张网”“一张图”为基础先行建设;以“一系列智能化设备”中采煤、掘进、排水、通风、供电等与安全生产直接相关的智能化子系统及“一个平台” “生产安全、网络安全”为重点建设内容，最后将其他智能化子系统分期分批建设并全面接入，从而形成完整的智能矿山系统。
第一，介绍了煤炭开采的不同演进阶段：即爆破开采→机械化开采→智能化开采。介绍了不同采煤阶段，主要生产要素与基础设施随之发生变化与升级情况。指出，智能化开采阶段，主要是利用智能系统远程控制煤机装备，使煤矿井下实现少人化、无人化。生产要素主要是智能系统、智能装备和人才。
第二，阐述了煤矿智能化系统与一般性工厂智能化系统的不同之处，根据煤矿的特殊环境条件，提出煤矿智能化建设的顶层设计方案，并概括为智能矿山“6+1+1”建设模型，即“一系列智能化设备”“一张网”“一张图”“一个标准”“一个库”“一个平台”6个子项构成煤矿安全生产管控层，加“一个运营管理中心”和“一朵云”面向矿山经营决策管理和矿山云服务平台进行部署。同时，在智能矿山“6+1+1”模型建设中，安全生产管控层与企业经营决策管理层之间应设有工业非军事隔离区（IDMZ安全隔离区），实现企业网与工控网的安全隔离，以提升工业控制系统的网络安全水平。
第三，指出，随着煤矿智能化的演进与发展，单一设备、单一系统运行状态的控制会上升到全系统过程协同和工业互联云端协同，从而需要更为强大的技术体系来支撑智能系统的运行。而信息物理系统CPS（Cyber-Physical Systems）可以解决矿山复杂系统控制、智能无人开采所需的技术支撑问题。
第四，阐述道，智能煤矿“6+1+1”建设模型融合了CPS信息物理体系架构，是CPS系统的典型应用，作者定义为矿山信息物理系统M-CPS（Mine-Cyber Physical Systems）。M-CPS系统是由“6+1+1”中的各项构成的硬件、软件、网络、平台四大核心技术要素组成的复杂系统，集成了矿山多源信息智能感知、异构网络统一传输、信息融合交互、协同控制等关键技术，使矿山物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同，其功能技术架构可分为支撑域、融合域、业务域和安全域。
第五，认为，在M-CPS系统建设中，可构建单元级、系统级、系统之系统级(SOS)、SOS扩展级应用，分别对应于煤矿子系统级、矿级、集团级、行业级的M-CPS系统。在子系统级主要实现系统内的智能感知、分析决策与控制。在矿级主要实现全矿井安全生产管控。在集团级主要实现生产经营决策管理。在行业级主要面向行业设计、运维服务、上下游产业链、政府监管等，实现工业互联网云端的服务与管理。在整个层级中集团级服务于矿级，行业级服务于集团级，最终是围绕矿级进行管理与决策。
最后指出，煤矿智能化建设过程要科学合理，需要遵循“顶层设计、基础先行、重点突破、全面接入”的建设原则和步骤。以“一张网”与“一张图”为煤矿智能化建设的重要新基建内容，以“一系列智能化装备”为重点，完善重点子系统建设，以“一个平台”为核心，提供数据支撑；以“生产安全、网络安全”为保障，提供安全服务；在基础设施和重点子系统建设完成后，基本可实现矿井安全生产层的智能化运行，向上应建设并接入“一个运营管理中心”与“一朵云”，助力经营决策管理，向下可将其他智能化子系统分期分批全面接入。
图1 煤炭不同开采阶段生产要素与基础设施变化
图2 智能矿山“6+1+1”建设模型
图4 M-CPS系统功能技术架构
图5 M-CPS系统层级
图8 煤矿安全生产管控一体化平台功能构成
图9 煤炭企业典型网络安全防护拓扑图