创新点
1.提出了基于4DGIS、数字孪生的智能化矿区云平台总体框架，构建了融合多元特征的时空图推理和决策支持模型，研发了“云边端”分层架构三级应用融合技术、跨数据库多源数据融合应用技术、设备群协同联控技术，为实现智能化矿井、智能化矿区的“分析在线化、控制协同化”奠定了基础;
2.构建了“集团+矿井”生产要素全息可视、生产系统协同可控、生产管理智能可算的智能化矿区云平台，实现了煤矿井下的一键智能巡检、检修模式向生产模式一键切换的生产全过程协同控制、基于大数据的智能决策分析等功能，完成了单系统智能化向全矿区智能系统化的跨越。
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基于4DGIS的智能化矿区云平台关键技术研究及应用
作者：毛善君1,4,景超2,4,李团结3,黄伟3,高鹏2,宋启2,李祥2,陈金川2,姜文磊2
单位：1.北京大学 地球与空间科学学院;2.北京龙软科技股份有限公司;3.陕西陕煤黄陵矿业有限公司;4.北京大学鄂尔多斯能源研究院
研究背景
RESEARCH BACKGROUND
实现煤炭工业的智能化建设，既是国家战略，也是人类社会高科技发展的必然趋势。通过国家政策的扶持、矿井的支持以及全社会工程技术人员的努力， 我国智能化矿山建设已经取得阶段性成果，无论是标准、装备、技术还是管理等都得到了快速的发展，为矿区的智能化奠定了坚实的基础。只有实现了矿区或矿业集团的智能化，煤炭工业的完全智能化才能成真。此外，在煤矿智能化建设的探索过程中，煤矿空间信 息的特征决定了煤矿 GIS(Geographic Information System，GIS) 研究和应用的重要性，而且煤矿生产是 在四维时空 (x,y,z,t) 进行，所以，如何构建基于 4DGIS 的智能化矿井和智能化矿区综合一体化管控决策平台，对完善智能化煤矿建设框架、提升智能化建设水平具有重要的意义。
众多学者通过将人工智能、工业物联网、云计算、 大数据、GIS、数字孪生等前沿技术与现代煤炭开发 利用深度融合，对智能化煤矿建设进行了深入的研究和工程实践。王国法等对智能化煤矿标准体系框架进行了研究，并通过在陕煤张家峁煤矿的应用，实 现了全矿井 58 个在用子系统和 34 个新建子系统的 数据融合和运行决策优化。袁亮等提出了实现智 能化煤矿建设“四随”(随钻、随掘、随采、随落) 地质 信息重构概念和逐步形成透明工作面、透明采区、透明煤矿的动态地质模型体系。葛世荣等提出数字孪生智采工作面技术架构、系统构建和数字孪生煤矿 智能化实施路线，实现煤矿智采工作面感知互联、学习预测和协同控制，很好地拓展了智采工作面数字孪生的设计思路。范京道等研究煤矿智能化技术对 于人与煤空间关系的重构，通过建立新技术与现代煤矿相融合的发展模式，推动煤矿行业整体升级。张海峰阐述了新街数字矿区综合集成控制平台的建设思路， 实现煤矿企业从管理体制到生产模式的创新。毛善君等提出了透明化矿山和分布式协同“一张图”的 建设理念，并对相关关键技术进行了探讨，实现了对智能化煤矿时空信息的统一管理;张帆等提出并解析了矿山数字孪生的概念框架、模型构建与演化机理等研究方法体系，阐述了矿山数字孪生体的可视性、 可预测性、可解释性和可交互性，并探讨了矿山数字孪生内涵和应用方向。郭向阳等提出了基于数字孪生的智慧煤矿安全管控平台建设理念，对煤矿的智慧安全管控提供了新思路。徐华龙提出了基于工业互联网的智能矿山一体化管控平台设计架构，探讨了智能一体化管控平台多系统多数据融合联动等关 键技术。李首滨针对智能化煤矿存在的信息孤岛、 业务互联互通不足、数据难以利用等问题，提出了基于工业互联网的煤矿智能一体化管控平台构建技术。田野等提出了煤矿综采工作面高效服务云管控平台和多个煤矿综采高效服务云平台的设计思路，实现了对综采工作面设备的实时监测、多个综采工作面人 员高效协同管理和基于大数据的分析决策等功能。陈晓晶提出了基于“云边端”协同的煤矿火灾智能化防控体系，实现了云平台层智能分析、边缘层就近分析控制、感知执行层数据采集及执行等功能。聂晓艳等提出了端边云一体的煤矿监测预警与应急联 动模型，完成了现场设备终端、边缘层以及云层之间资源、数据、服务协同，实现了煤矿安全生产过程中实时监测、自动预警及应急处置。
目前，随着智能化矿井建设的逐步发展，对智能化管控平台的建设已经在平台架构设计、地理信息和数字孪生平台构建、多源数据融合等方面取得了一定的成果，但在矿井协同控制和智能化矿区云平台建设方面仍然存在一些关键问题未得到很好解决：
(1) GIS 主要以二维形式展现，缺少“4DGIS+数字孪生”的表现形式。目前大多数矿井、矿区的管控平台对 GIS 的表达主要以二维形式为主，表达方式单一、 不能形象展现井下生产场所的空间关系;部分矿井、 矿区探索构建了数字孪生系统，但主要实现对诸如综采或综掘工作面等单一生产场所的数字孪生应用，在整个矿井、矿区层面未能实现基于“4DGIS+数字孪生” 的整体管控，无法很好实现智能化矿井和矿区多系统间的融合联动、协同控制。
(2) 缺乏智能化矿区安全生产全业务流程多级云平台架构的研究。目前煤矿智能化管控平台建设的思路和架构主要是以生产矿井为研究对象实现数据和应用的融合，虽然对“集团+矿井”的多级管控模式研究也有不少成果，但未充分考虑多维地理信息的大数据和时空拓扑关系特点。矿井或集团级平台多为独立建设，仅将矿端数据传给集团，并未从整个矿区安全生产全业务流程管控角度出发，从传输、存储、计算、应用等多方面对多级云平台架构进行研究。“云 边端”架构的设计在煤矿领域主要用在诸如设备管理、 安全监测等某一专题或某一系统的应用场景中，缺乏针对“矿区−矿井−终端”纵向及业务全场景的研究及应用。
(3) 缺乏基于 GIS 的多源数据深度融合及决策分析。煤矿智能化的建设最重要的一个部分就是数据的管理，只有充分挖掘数据资产的价值才能更科学更高效地指导安全生产管理。现阶段在煤矿智能化的 探索过程中，对数据资产的管理也越来越重视，通过建立数据中台，大数据基础平台来实现对安全、生产数据的管理，挖掘数据的应用价值，但是基本都忽略了对煤矿 GIS 数据的融合和应用，未能从本质上实现对煤矿多源异构数据的深度融合的智能分析决策。
(4) 缺少基于 GIS 的设备群协同控制。目前煤矿 GIS 的应用成果主要是微机制图、基于“一张图”的业务流程和调度管理等可视化的查询应用，在信息化层面应用比较成熟，提高了煤矿日常业务管理的工作效率，但是在生产控制执行方面，主要还是应用工业组态控制平台来完成生产控制指令的传递和执行，虽然为完成多个系统的集成汇聚提供了便捷的管理，但是在信息融合和设备控制方面仍然停留在单系统独立应用的层面，未能充分利用 GIS 平台可视化跟踪监管和空间位置分析决策的优势，来构建多系统空间协同、 控制联动的机制和应用。
要推动智能化矿井的发展以及智能化矿区的建设，关键就是要基于统一架构，建立统一平台，实现统一管控和决策，解决多源数据融合、多系统协同管控、 多维度决策分析的问题。为此，笔者提出了基于 4DGIS 的“集团+矿井”智能化矿区云平台 (以下简称 “智能化矿区云平台”) 架构，并通过构建智能化矿区云平台，实现调度指挥的全息可视、重大危险源的智能预警、安全管理的动态诊断、生产过程的协同控制、 经营管理的智能分析、业务流程的高效协同，促进智能化矿井、智能化矿区的建设。
摘要
ABSTRACT
时空信息是智能化煤矿建设的重要基础，如何构建矿区统一的基于多维 GIS 的综合一体化管控决策平台，对提升智能化系统的实用性和可操作性具有重要的意义。针对目前智能化矿井、 智能化矿区建设过程中矿区级 GIS 管理和应用方式单一、多层级管控模式缺乏全场景业务研究与应用、多源数据应用缺乏空间维度的融合分析以及生产设备控制缺少多系统空间协同联控机制等问题，提出了基于 4DGIS 的智能化矿区云平台总体框架，研究了基于“4DGIS+数字孪生”数据底座的“云边端”分层架构三级应用融合技术、基于大数据的跨数据库多源数据融合应用技术、基于 4DGIS 的自主可控设备群协同联控技术，研发了融合多元特征的时空图推理模型、基于大数据的决策支持模型应用子平台、4DGIS 协同控制子平台，构建了“集团+矿井”生产要素全息可视、生 产系统协同可控、生产管理智能可算的智能化矿区云平台，实现了煤矿井下的一键智能巡检、检修模式向生产模式一键切换的生产全过程协同控制、基于大数据的智能决策分析等功能，完成了单系统智能化向全矿区智能系统化的跨越。相关技术在黄陵矿业公司及所属一号煤矿、二号煤矿、 双龙煤业、瑞能煤业 4 对矿井得到了实际应用，提高了矿井安全生产管控效率和集团公司的智能化决策支持水平。
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作者简介
毛善君，北京大学地球与空间科学学院教授、博士生导师，国家科技部2018年度科技创新创业人才、北京市安全生产领域学科带头人。现为国际数字地球学会(ISDE)中国国家委员会数字能源专业委员会副主任、国家矿山安全监察局智能化建设专家委员会科技攻关分委会委员、智能采矿装备技术全国重点实验室咨询委员、北京大学鄂尔多斯能源研究院首席科学家和中国煤炭工业协会信息化分会第四届理事会副会长。负责或参与国家级课题7项，在国内外重要刊物或会议发表论文180多篇，出版专著4部，获国家科技进步二等奖2项、行业协会或省部级一等奖10项。
研究方向
地理信息系统、煤矿信息化和智能化
主要成果
提出了灰色地理信息系统的理论和系列化核心技术，组织研发了自主可控的国产化GIS平台和地测保障系统，替代了软件进口，实现了包括多维地质模型在内的矿山时空信息的透明化表达和应用，行业用户数遥遥领先;提出了基于GIS“一张图”的管控理念，组织研发了服务于煤矿安全生产全业务流程的信息共享平台或智能化煤矿管控平台，为智能化煤矿建设奠定了软件管控基础;组织研发了煤矿综采工作面精确大地坐标测量技术和系统，实现了基于大地坐标、地质模型、5G和数字孪生的自适应割煤。
来源：
毛善君，景超，李团结，等. 基于4DGIS的智能化矿区云平台关键技术研究及应用[J]. 煤炭学报，2023，48(7)：2626−2640.