煤炭是我国的支柱能源，占我国能源消费60%以上，我国已成为世界第一产煤大国。但是，由于煤矿生产的特殊性，属于高危行业，地下作业，环境恶劣，灾害多，安全管理难度大。而煤矿管理依然是劳动密集型产业，自动化及信息化水平较低，现场仍然以人工操作为主，煤矿井下人员多，人本身就是大隐患，煤矿系统又庞大复杂，多个区域同时作业，众多人集中在狭小空间内，管理是人盯人，控制是面对面，现场信息只有少数人掌握，经常出现重要信息、时效信息被滞后或错过，形成信息孤岛，达不到矿井管控一体化、无人化、全员化、预警化。事故频发，伤亡大，安全管理难度大，事故和职业病不仅给职工和家属带来了极大痛苦，也给国家造成巨大的经济损失和严重的政治影响。而且煤矿作业环境差、劳动强度大，造成煤矿形象非常差。喜欢煤矿、学煤矿、干煤矿、懂煤矿的人员越来越少。煤矿专业院校招生难、煤矿招工难，人才外流多，工程技术人员严重缺乏，从业人员素质偏低。煤矿生产一线已经很难招到年轻的新工人。目前，煤矿井下生产一线职工40岁以上的占70%之多，再过十五年，大部分都已退休，将出现“没人干了”的恐慌。缺人，特别是缺少懂技术、会管理、有经验、能力强的煤矿专业管理人员和技术工人，成为制约煤矿发展的主要矛盾。目前农民工已成为主力军，煤矿进入了后继无人的窘境。

　　煤矿传统的管理手段已跟不上煤矿快速发展的要求，数字化转型升级是必由之路。从根本上解决制约煤矿发展的症结，就是要把煤矿工人从井下“苦、脏、累、险”的环境解放出来，“不下井，照样能出煤”，这是煤矿人的心愿。安全了，环境好了，昔日的“窑黑子”变成白领人士，人才就来了，煤矿才能有后劲，才能发展得更好。随着人工智能和网络信息技术的发展，在各行各业得到了广泛应用，极大地提高了生产效率，降低了人员的安全风险，给煤矿数字化转型升级带来机遇。

 

　　中融博瑞（北京）科技发展有限公司是致力于技术开发应用、计算机系统、数据处理和软件设计的企业。从2015年开始，为响应国家“互联网+”号召，较早将“工业互联网+移动网+局域网+云计算+大数据+人工智能+机器人”等技术应用到煤炭行业矿井，与煤矿开采技术和企业管理深度融合，自主研发和创建了“移动互联网+煤矿管理”系统和“煤矿私有云”平台，全员通过智能手机等移动终端，实现远程移动智能管理和控制煤矿，创建首座智能“云控矿山”。

 

　　“云控矿山”综合管理系统是引进推广工业互联网、物联网、移动通信网、云计算、大数据、深度学习、机器视觉、人工智能、机器人等技术，通过建立的移动管控煤矿私有云平台和工业以太网、WiFi及4G网、主要设备控制系统、监测监控系统、智能开采系统、智能掘进系统、矿井机器人、数字矿工等系统，将煤矿所有系统信息高度集中采集储存融合及大数据处理，经过操作平台、指挥中心、智能手机、智能佩戴、电脑和网络电视等智能终端集中显示出来，使井下现场与井上下人员之间和指挥中心直接实时动态链接，全体员工可以随时随地对系统进行操作和读取相关数据，实现各个系统、各个专业互联互通、信息全员共享，实现远程移动智能管控矿井安全生产，达到全员拿着手机全方位全时空参与管理。实现了“系统集成化、信息共享化、管理全员化、矿工数字化、管控移动化、运行智能化、特岗机器人化、风险预警化、局部无人化、矿井少人化”。

　　“云控矿山”管理系统突破了单一监控联网功能模式，集煤矿系统集成、多级联网、综合监管、应急指挥、安全信息管理等共享平台，管理人员不必只依赖于调度指挥中心，在出差途中、会议时间，都可远程实时查看井下作业人员和作业动态视频画面情况，及时发现并制止违章作业，实时掌握井下气体浓度、大型设备运行状况、供电信息等数据，及时发现并解决相关问题，做好预防工作，从源头上把控生产安全。与此同时，规范了井下作业人员的行为规范，有效地防止事故的发生，真正地做到了井下全方位直观动态监管和控制，实现了安全生产管理零距离。

　　目前，已开发应用了8大类46个模块，即“8+46”移动云控管理平台，涵盖了煤矿日常管理的80%内容，主要包括“综采工作面矿压预警预测系统”“井下关键区域人员监控及报警系统”“无人值守系统”“生产系统远程集中智能控制”“智能采掘工作面”“员工安全培训”“人员精准考勤定位”“矿井特种智能机器人”“数字矿工智能佩戴”“班组建设”“移动办公”等煤矿日常管理的80%内容，使煤矿管理进入了全员全面、远程移动、智能云控、精干高效管理新时代，达到“一机在手，漫游全球，矿井管理，尽在掌中”。解决了传统煤矿企业的信息独立、分散和传递滞后问题；并较早将人工智能、机器人技术引入煤矿危险区域及高强度作业区域替代人工作业，解决了井下恶劣环境和防爆要求下机器人安全智能充电等技术难题；开发了综采工作面液压支架支护工况和矿压预警预测系统，解决了煤矿提前预测预报矿压变化趋势，实现利用大数据技术对顶板管理超前预防；开发了井下关键区域人员监控及报警系统，实现了远程移动实时掌握现场状况，解决了井下现场与远程移动终端的直接对接；开发了煤矿井下安全生产数据集中管控系统，打通各分散系统数据壁垒，消除了信息孤岛，实现数据深度集成融合，达到信息共享，全员参与管理；开发了数字矿工，每一个矿工都是一个动态安全信息站，消除了安全信息的盲点，实现了安全生产信息动态全覆盖。将煤矿传统的在井下现场作业，人与人面对面的人工管理方式转变为在地面远程移动的智能集中控制方式，大幅度地减少煤矿井下作业人员数量，只用极少的人数就可以完成原矿井7倍以上人数的效益和规模，降低了煤矿生产成本，提高了煤矿生产效率和效益。并实现人人都可以通过手机进入管理系统，远程移动操作和参与管理。减少了煤矿安全风险，提升了煤矿安全生产管理形象，安全生产状况得到大幅度改观。推进了煤矿传统管理的数字化转型升级与变革，为推进煤炭行业“两化融合”、“互联网+”、“矿井机器人”、“智能化煤矿”建设作出了示范。

　　特别在山西左云长春兴煤矿具体应用就取得突出业绩。该矿原设计能力240万吨/年，通过应用技术成果，使实际产量比原设计翻了一番，实际工效比原设计提高7倍，按照煤矿传统用人规划，矿井需要人员3000左右，实际用人268人，达到减员85%。实际成本比计划降低60%，每年比计划多增收4倍，利润增加3倍，员工收入增加2倍，提前3年就收回建设投资14.7亿元，达到行业一流水平。被国家应急管理部和煤炭工业协会命名为“国家一级安全生产标准化矿井”，“特级安全高效矿井”，“煤炭企业管理现代化创新成果（行业级）二等奖”，“煤炭工业两化融合示范煤矿”；被山西省授予“煤炭科技创新示范煤矿”和“双十佳煤矿”及“省级智能化矿井示范煤矿”；2020年被确定为山西省智能煤矿建设试点煤矿。

　　中融博瑞（北京）科技发展有限公司“云控矿山”技术成果获得评审证书2项，已获批国家专利2项，通过初步审查合格8项，已获得国家软件著作权9项。在2016年10月获取中国煤炭工业协会“煤炭企业管理现代化创新成果（行业级）二等奖”；在2019年12月被中国民营科技促进会鉴定为科学技术成果，并在国家科技成果网公布；在2018年12月通过中国技术市场协会的“科技技术成果评审”，并获得2020年“金桥奖一等奖”。企业技术成果在《人民政协报》、《中国煤炭报》、《中国改革报》、《发现》、《中国科技成果》、《中国高新科技》等报刊及“中央电视台”和“新华网”等多家媒体报道。从2016年至今共接待国内外大专院校、科研院所、政府有关部门和煤炭集团及煤矿上千人次参观学习考察，并在许多煤矿推广应用。

 

　　“云控矿山”管理系统符合国家指导精神，在技术上跨界融合了物联网技术、移动通信技术、工业互联网技术、人工智能技术、机器人技术、PLC技术、电子商务技术、数字技术、煤矿行业相关技术等多种技术特点，主要特点是：

　　一是将煤矿传统分散的、各自独立的安全生产等管理系统，高度融合集成到一个管理平台上，解决了移动通信技术、互联网技术、人工智能技术、机器人技术、电子商务技术、数字技术、煤矿行业相关技术等跨界融合的技术特点，达到互联互通、信息共享。解决了传统的系统过于分散和单一，各个系统之间的数据相对独立，不能够进行互融互通，缺乏移动性、精准性、及时性、全面性和智能性。只有个别人掌握，大多数员工根本不掌握安全生产动态信息，更无法参与管理的弊端。

　　二是将传统的传递滞后式管理，提升为直通即时式管理。全员随时随地直接掌控现场实时动态情况，不再担心有任何重要信息、时效信息被滞后、更改或错过。

　　三是将煤矿传统的现场面对面管理，提升为随时随地犹如身临其境、远程云控管理，能够实现快速反应，减少人员，管理精准，控制全时空；能够实现无人值守、集中控制和远程移动控制。

　　四是将煤矿传统的人工管理，提升为人机远程移动智能管理。通过矿井智能机器人、数字矿工系统、煤矿私有云等智能系统，解决了煤矿安全生产各项数据的采集、实时推送，并对实时数据进行清洗、转换、完成大数据建模分析，解决了煤矿危险条件工作区域或者重点安全生产区域设备、环境、人员监测与预测预报预警，实现远程移动智能控制，智能决策，能够实现无人值守、集中控制和远程移动控制，大幅度减少井下作业人员数量和风险。

　　五是将煤矿传统的少数人单一管理，提升为全员全面参与管理。真正实现了人人都是通风员、安监员、瓦检员、监控员等；

　　六是解决了煤矿传统的“教师+教室”脱产集中培训与考试模式的困难，员工可在云控矿山管理系统上自主培训和考试，每天在入井前自主通过手机进行“一日十题”的安全培训，确保天天培训考试。

　　七是数字矿工管理系统，一种矿用数字化矿工单兵系统，其硬件将通信、定位、观察、传感、调度等信息化功能与矿山作业人员入井必须佩戴的矿灯集成在一起，既解决了供电照明问题，又不增加新的设备，同时利用WiFi/4G网络实现云端的大数据采集、传输与存储，软件将安全监察、行为管理、巡检管控、生产监督、有毒有害气体监测、人员精确位置管理、SOS求救的数据共享和可视化安监融合在同一管控平台，算法上使用深度学习、自然语言识别、机器视觉等人工智能算法，做到真正让每一个作业人员都纳入数字化矿山信息平台之中。并将生命监测功能融合入矿灯内，可以实时监控工人在井下作业时的健康状况，让地面相关管理人员对井下作业现场了如指掌，及时精准地控制安全生产过程；

　　八是矿用智能机器人系统，适用于煤矿特殊防爆环境，最大限度地代替人工作业，抢险救灾，降低人工的安全风险和劳动强度，减少人为差错造成的事故，提高效率和安全保障水平。

　　九是动态立体调度指挥系统，主要用于实时获取煤矿安全生产各个PLC控制节点实时数据，并保存到统一的通用服务器内。并在权限允许的范围内可实现数据双向通讯，以实现对PLC控制节点进行远程操作的功能。实现了看图直观指挥，对工作面、主要设备、人员、安全环境等进行远程监控集控。

 

　　《云控矿山》综合管理系统主要具有创造性的关键技术主要有：

　　（一）工作面矿压预警预测系统

　　“矿压监控”系统模块采集综采工作面液压支架的在线压力监测数据，在手机上实时显示液压支架支撑力的变化，从而反映顶板矿压的变化和支架的支撑状况，当出现压力超限即可推送报警，同时进行大数据积累，经过计算分析，能够判断矿压规律，提前预测预报周期来压。是针对传统的预测方法模型简单，从云储存大数据分析的角度，提出一种新型的矿山压力预测预报方法。通过对动态数据采集、分析与预测，实时建立矿压变化曲线模型，并对其进行一、二阶求导，实时判断矿压变化增量及其趋势，并对实时值构建的曲线与历史标注曲线进行距离计算，判定当前是否为来压的前兆。该系统创新点是：

　　利用大数据分析中的聚类分析方法，采用高阶函数构建相应的数学模型，通过求导的方式快速分析压力变化及其趋势，依据大数据动态数据分析与预测分析结果，实时显示矿压值及变化规律，对压力变化发生异常，可能发生冲击地压和顶板来压灾害，对相关管理人员及井下作业人员及时报警，提前预防煤矿顶板事故的发生。

　　（二）井下关键区域人员监控及报警系统

　　是采集井下高清摄像头传来的视频流数据，通过深度学习服务器对关键帧图像进行分析处理，利用深度神经网络算法，代替传统的手工设计特征加分类器的方法自动地从图片中提取特征，并利用机器视觉算法对人、机、物、料、环进行智能识别，分析和预警。同时为提高检测速度，在算法基础上搭建基于YOLO的目标检测系统，并针对煤矿井下环境恶劣、视频质量差、光照差、背景混杂、检测目标有限、物象模糊及多尺度等问题，对其在数据集和网络结构上进行改进，提出一种创新的煤矿井下识别人员及其形态的算法。创新点是：

　　该算法基于卷积神经网CNN，这是一种特殊的多层神经网络，可以识别极其易变的模式，对失真以及简单的几何变换具有鲁棒性。具备这种算法的远程监控技术对井下人员和作业环境精确识别及高效检测，可防止人员误入关键区域或禁入区域，解决关键区域值班人员脱岗、睡觉等问题。

　　（三）煤矿井下主要设备集中管控系统

　　本系统用于实时获取煤矿安全生产各个PLC控制节点实时数据，并保存到统一的通用服务器内。在权限允许的范围内可实现数据双向通讯，以实现对PLC控制节点进行远程操作的功能。有较好的兼容性、通用性，可直接与PLC设备进行通讯，并支持多种主流的控制软件，如WinCC、GE、IGS、组态王等。主要创新点是：

　　支持WinXP、Win7至Win10等多种主流的Windows系列操作系统，满足目前国内煤矿安全生产各种监控设备的实际需要。

　　通过DCOM与OPC进行通讯，可在对目标设备无侵害的情况下获取其监控数据（包括内存中存储的监控数据）。

　　在权限允许的情况下，可对PLC设备进行远程控制。

　　通过HTML5进行页面数据展示，可在PC、智能手机等多种平台上进行实时数据及动图展示，使得管理人员对设备运行情况一目了然，在权限具备的情况下，还可对设备进行远程操控。

　　提供标准的对外接口，方便其他专业人员使用这些监控数据进行二次开发或大数据分析、预测预警分析研究等。

　　（四）数字矿工单兵保障系统

　　“数字矿工”系统模块实现了“数字矿工”之间与调度控制中心之间的实时互通，从根本上消除了管控盲区，打造了煤矿“单兵作战”装备，极大提高了井下工人获得安全信息速度和信息量及快速反应处置能力，进一步提升了矿井安全保障程度。是通过将信息化功能与矿山作业人员入井必须佩戴的矿灯集成在一起，信息化功能包括通信、定位、观察、传感、调度等，同时系统利用WiFi/4G网络实现云端的大数据采集、传输与存储，软件将安全监察、行为管理、巡检管控、生产监督、有毒有害气体预测、人员精确位置管理、SOS求救的数据共享和可视化安监融合在同一软件和硬件管控平台，所有数据融合一体化无线网络传输，通过带宽规划和通道分离计算，提供一个可以动态连接的透明计算方法，较好地解决了在同一网络资源下采集数据竞争性传输和干扰的技术难题，保证了数据传输的稳定性和调度实时性。算法上使用深度学习、自然语言识别、机器视觉等人工智能算法，做到了真正让每一个作业人员都纳入安全信息管控平台之中，形成井下全覆盖安全信息管控网络，每一个矿工都是一个动态安全信息站，实现了安全生产信息动态全覆盖。从基本上消除了安全生产监测管控盲区，实现人人都是安全员。该系统有以下创新点：

　　整体结构及电路符合国标GB3836.2本质安全要求，可用于煤矿特殊防爆环境。将矿灯、便携式瓦检仪、人员定位卡、防爆通信手持机、摄像模块及人体体征数据采集模块融于一体，既解决了设备的供电问题，又减少了下井携带设备数量。利用WiFi/3G/4G网络实现云端的语音、视频及数据的采集、传输与存储；使用先进的UWB超宽带定位模块，实现人员在井下厘米级精确定位；在灯头上集成了2个抗噪麦克风，可以将灯头拿在手里通话，在嘈杂环境里通话效果好。

　　壳体设计紧凑便携，所有功能都可以一键操作，简洁明了。

　　将生命监测功能融合入矿灯内，可以实时监控工人在井下作业时的健康状况，在井下作业人员出现健康异常或受伤时，井下及远程调度中心同时报警。

 

　　“矿井智能机器人”集智能运行、视频传输、主要有害气体监测、定位定向、智能与远程控制、隐患报警等功能于一体，包括本质安全型机器人感知子系统、防爆传动与充电子系统、轨道与自主避障子系统及智能管理平台。智能管理平台融合深度学习、机器视觉及自然语言识别等人工智能算法，实现智能监控、事故分析、安全预警、资产管理、代替人工等功能。是适用于煤矿特殊防爆环境的，搭载独有宽带变频技术的精确定位芯片，机器人可以达到厘米级的定位精度；通过搭载基于多传感器的三级避障系统，可以识别正前方避障区域，同时兼顾后侧方盲区范围，根据障碍情况调整行进速度和方向，及时识别避让行人、设备及巷道中设施，确保人机安全。实现无人化巡检，实现工作目标区域的环境及设备24小时不间断监测。为煤矿推广使用机器人代替人工作业，最大限度地减少井下作业人数，减轻矿工的劳动强度，降低人工巡检的安全风险，减小人为差错造成的事故概率，把人员从井下解放出来，提高企业生产效率和安全保障水平。该系统创新点是：无线充电装置和无线通信基站融合在一起，在和机器人无线交互通信数据的同时，通过电扫相控天线将能量集中投射于机器人，机器人将电磁波能量存储起来给电池充电。系统可以自行判断机器人是否需要充电，如需要充电自动寻找充电点并对准开始充电，充电完成后自动开始巡检，做到无人维护，充电过程不需要人工干预，让矿用巡检机器人可以真正智能化运行。依据井下无线通信的行业及国家标准，该系统和技术通过合国家防爆型式试验，取得市场准入。