文章详细-国能神东实践验证！智慧矿山机电建模 “新范式”：模块化复用实现跨系统“即插即用”

　　针对当前煤矿机电模型因历史标准缺失导致的建模混乱、属性划分粒度粗、模型扩展性不足等问题，基于分层分类建模方法，结合神东煤炭集团井下设备特征，构建了智慧矿山标准化机电数据模型。该模型采用公共信息-扩展信息-组合信息的公共模型为基础单元，通过差异化扩展属性集的逻辑叠加，构建重组的轻量化迭代。在乌兰木伦煤矿的实践中，动态适配的机电模型，解决了粗粒度传统模型无法实现的跨系统数据融合问题，验证了在解决模型碎片化、提升多源异构设备兼容性方面的有效性。

　　文章来源：《智能矿山》2025年第12期“学术园地”栏目

　　第一作者：张旭锋，主要从事煤矿数据管理、数据分析、数据挖掘、数据标准编制等方面的相关研究工作。E-mail：996010245@qq.com

　　作者单位：国能神东煤炭集团有限责任公司

　　引用格式：张旭锋，郝选平.智慧矿山机电标准模型模块化复用方法分析与应用[J].智能矿山，2025，6(12):68-73.

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　　煤矿作为能源产业的关键支柱，生产流程高度依赖于机电设备的协同作业。从井下开采到地面运输，机电设备构成了覆盖全流程的智能化体系，集成了通信、传感、控制等上百个子系统，构成了庞大且复杂的智能化体系，机电设备在提升煤矿生产效率及确保作业安全方面扮演着核心角色。煤矿井下复杂的作业环境给煤矿机电管理带来了新的挑战。

　　由于历史遗留问题和技术标准缺失，以往煤矿机电设备的数据模型缺乏统一性，各厂商数据命名不规范，严重阻碍了数据在跨设备、跨品牌、跨系统乃至跨项目间的流通与共享。新型传感器与智能系统扩展了井下数据采集的广度与深度，但数据模型更加复杂多变，进一步加剧了当前煤矿机电数据模型的混乱状况，使其难以适应智能化、自动化的发展趋势，无法满足复杂环境下的智能控制与协同控制需求。

　　因此，建立涵盖定义、操作、应用等多层面、适用于现代智慧矿山煤矿企业的煤矿机电模型，确保数据的完整性、流通性、共享性，并实现技术与管理的融合应用，已成为煤矿企业数字化转型的关键举措。通过深入探究煤矿机电系统的数据特性，创新数据建模方法与技术标准，以打破数据壁垒，促进信息融合，为煤矿智能化可持续发展奠定坚实基础。

　　煤矿机电建模现状

　　在我国煤矿物资编目与数据标准化建设领域，经过多年的深入探索与实践积累，已经奠定了煤矿机电模型数据标准化管理的坚实理论基础。MT/T 154.1—2011《煤矿机电产品型号编制方法第1部分：导则》与MT/T 154.2—2019《煤矿用机电产品型号编制方法第2部分：电器产品型号编制方法》等标准规范了煤矿机电产品的型号编制，明确了设备的命名规则与编号体系。以上标准主要聚焦于设备宏观层面，尚未深入机电设备各部件及动作的标准化描述，缺乏机电模型构建。

　　由于现有标准未构建完整的机电模型，难以有效指导复杂的协同开采和远程开采操作，无法适应智能工作面建设的高标准要求，不能满足煤矿机电设备多协同作业的精细管理需求。为了填补此空白，国能神东煤炭集团制定了NB/T 11118《煤矿综采工作面机电设备EtherNet/IP通信接口和协议》系列标准，全面规范煤矿综采工作面机电设备的EtherNet/IP通信机制。

　　NB/T 11118系列标准的第1部分概述了通信的各层级架构，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层，并明确规定了设备的安全性要求及数据类型；第2部分至第11部分分别针对扩展对象库、采煤机、液压支架、供液系统、刮板输送机与转载机及破碎机、移动变电站、低压交流真空馈电开关、多回路低压交流真空电磁起动器以及照明信号综合保护装置等关键设备，深入细致地规定了其设备对象模型构成、对象接口设计以及访问规范。推出此系列标准，为煤矿行业提供了科学严谨的物资分类与编码体系，更为行业标准化管理提供了有益参考。NB/T 11118系列标准在煤矿机电模型标准化方面取得了显著进展，但仍存在若干亟待改进的问题，主要包括以下3个方面。

　　（1）设备分类与编码体系的精细度有待进一步提升，以适配更高精度的机电模型构建需求。

　　（2）现有模型对特有扩展模型及属性集的描述不够充分，且属性集划分粒度较粗，难以支撑物模型以“搭积木”方式模块化构建，导致此标准在普适性和扩展性方面存在明显局限。状态字、故障字及报警字的描述不够全面，难以准确反映设备的实时运行状态；缺失实例编码表与组合编码信息，降低了标准的实用性和可操作性。

　　（3）方法集组合信息空白、设备配置信息描述不足，以及对最新传感器等扩展功能的缺失，使得现有标准难以全面满足企业内部智能化煤矿协同开采和远程开采的实际需求。

　　以上问题制约了标准的进一步推广和应用，我国煤矿行业急需一套更为全面、实用、灵活且可扩展的机电设备模型，以支撑煤矿机电设备的多协同操作与远程操控。

　　建模方法理论

　　2.1 物模型设计整体框架

　　通过完整描述矿山行业机电设备有价值的信息，并抽象为矿山机电设备物模型，信息包括了公共信息、扩展信息、组合信息。通过对公共信息、扩展信息进行模型分类，对设备模型实例化，以及3类信息按照一定规则进行组合，即可完成对设备的抽象描述，公共信息、扩展信息、组合信息类信息的说明框架如图1所示。

　　图1 公共信息、扩展信息、组合信息类信息的说明框架

　　（1）设备信息构成

　　设备由公共信息和扩展信息组成，公共信息用于定义所有设备模型的通用属性集，例如设备的名称、生产厂商、状态、版本信息等，以及设备联网使用的网络属性集、位置信息的位置属性集等；扩展信息用于描述设备模型品类特有状态和功能的属性集，公共信息和扩展信息的关系如图2所示。

　　图2 设备包含的信息说明

　　（2）设备组合信息

　　设备模型定义了组合信息，即公共信息和扩展信息中定义的某些属性的自由组合，用于提高设备间的互操作效率。组合信息的定义由具体设备品类决定，为可选信息，即某些设备品类可不定义组合信息，可将扩展属性中需要同时读取或者同时控制的属性按照一定的顺序组合，实现数据的高效、有序处理，组合信息的属性描述结构如图3所示。

　　图3 组合信息属性描述

　　2.2 物模型设计原则：组合与复用

　　（1）模型（属性集/方法集）是设备中具有共同特征的信息抽象集合。模型由属性、方法组成，属性是指由设备模型收集的状态数据等；方法是指对象执行的操作或者命令（可携带请求参数和响应参数）。

　　（2）不同设备中可以共用模型，模型的抽象按照一定的最小功能集搭建，整体设备由多个模型积木搭成。矿用掘锚机截割电机、液压支架电机、刮板输送机电机可共用1个模型电机，模型复用示意如图4所示。

　　图4 模型复用示意

　　（3）模型中属性排列按照一定特征区分，例如实时数据和非实时数据、控制类和非控制类、具体业务类（温度采集放一起）。

　　属性是设备中的数据、状态或关系等，体现对设备中特定模型的专业抽象描述。属性可分为静态属性和动态属性，静态属性是对设备模型静态性质及关系的概括描述，一般与设备实体描述相关，如形状、大小等；动态属性是对设备模型动态性质及关系的描述，一般与环境、业务描述相关，如温度、速度等。原则是一个属性描述一个完整的设备模型数据、状态、关系等。所有模型（属性集）中属性的排列建议按照统一特征区分：静态、动态、实时、非实时、控制类、非控制类，预留好扩展位置。

　　功能维度是指属性集按照读/写服务集合；方法集（命令）/组合属性（订阅/发布）按照具体的业务场景制定。从功能维度将标准部件按照“搭积木”式思路组合成设备，模型组合与复用示意如图5所示。

　　图5 模型组合与复用示意

　　建模方法应用

　　3.1 机电模型构建

　　通过公共信息-扩展信息-组合信息的分层分类建模方法，实现设备属性的灵活配置，结合国能神东煤炭集团煤矿智能化需求，构建了由8大核心模块组成的机电模型体系。总体要求模型作为基础框架，通过统一数据类型与通信协议实现顶层设计标准化；供电设备公共模型提炼通用属性集与方法集，支撑模块化复用与设备协同控制；针对馈电开关、高压真空开关等关键设备，采用差异化属性集与组合编码策略进行建模，形成积木式功能单元，移动变电站与照明综保等模型通过集成电能质量分析、故障诊断等扩展属性集，验证了动态属性集在复杂工况下的适应性。

　　该体系通过属性集的标准化划分（静态/动态、实时/非实时）与方法集的积木式构建方法（例如共用电机模型），实现了多品牌设备的统一接入与高效协同，形成可扩展的模块化模型库，满足设备联动控制与远程运维需求。供电模型组合复用如图6~8所示。其中，图6为供电回路公共属性集（部分）界面，为供电设备的公共属性，图7为高压真空开关的特殊属性集界面，图8为高压真空开关基于积木式构建方法构建的组合属性集界面。在国能神东煤炭集团的实际部署中，标准化编码与动态配置方法，为煤矿智能化运维提供了“即插即用”的技术支撑，有效提升了设备协同效率与智能化管理水平。

　　图6 供电回路公共属性集（部分）界面

　　图7 高压真空开关特殊属性集（部分）界面

　　图8 高压真空开关上行模拟量组合信息编码表（部分）界面

　　3.2 机电模型适配

　　基于构建的机电物模型，在国能神东煤炭集团乌兰木伦煤矿（简称乌兰木伦煤矿）井下进行了实际场景适配，验证了模型在不同工况下的适用性和协同能力。针对煤矿井下的复杂环境与多样化设备需求，通过动态加载技术，实现了模型的灵活适配，确保不同类型、不同厂家设备在统一模型框架下的高效协同。在供电、监控等不同场景下，机电物模型根据实际需求动态调整属性集和方法集，实现了设备的数据互通、精准控制和协同控制。机电设备统一装备应用-设备中心界面如图9所示，机电设备统一装备应用-设备操作遥控界面如图10所示，机电设备统一装备应用-设备库界面如图11所示。

　　图9 机电设备统一装备应用-设备中心界面

　　图10 机电设备统一装备应用-设备操作遥控界面

　　图11 机电设备统一装备应用-设备库界面

　　图9—图11表明：构建的机电模型有效适配煤矿机电设备，并实现基于场景的协同控制，该模型通过动态加载和灵活配置，成功应用于煤矿井下的多样化设备中，满足了不同场景下的控制需求。

　　总结

　　（1）提出分层分类建模体系，构建基础-扩展-组合的3级属性架构，基础属性通过原子化拆分实现底层标准化；扩展属性依据设备功能细化粒度，打破传统属性耦合限制；组合属性采用动态编码规则实现多属性协同。

　　（2）通过模块化复用方法，以供电设备通用模型为基础，叠加差异化扩展属性集，生成8类动态适配模型。乌兰木伦煤矿实践表明，该体系有效解决传统粗粒度模型无法实现的跨系统数据融合问题，显著提升设备兼容性。

　　（3）未来研究将深化机电模型标准化建设，细化设备分类编码体系，补充特有扩展模型及属性描述，强化状态字、故障字、报警字定义，完善实例编码表与组合编码规则，为煤矿智能化发展提供系统性支撑。

　　编辑丨李莎

　　审核丨赵瑞

　　煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录8种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

　　期刊简介

　　《智能矿山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中国煤炭科工集团有限公司主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。

　　主编：王国法院士

　　刊载栏目：企业/团队/人物专访政策解读视角·观点智能示范矿井对话革新·改造学术园地、专题报道等。

　　投稿网址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

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