0 引 言
目前，云计算、人工智能、数联网、移动互联网、大数据等技术快速发展，不仅推进传统企业变革，而且在各行业发展应用良好，衍生出车联网、无人超市等新业态，各高新技术与传统产业不断发生融合，出现了智慧城市、智慧林业、智慧农田等新兴发展模式，矿山的信息化建设也随之来到了智慧时代。融合物联网、移动互联网、人工智能等新技术，产生了一批新的智能设备、感知形式和联网方式，信息系统也更加智能化、决策化，矿山的建设和管理迎来了更多新的技术手段。
矿山信息化建设存在的信息孤岛问题，严重影响了矿山管理的效率，分立的信息烟囱导致矿山信息化管理无法实现真正的数据融合、业务融合以及全面的智慧决策分析。经过集成、重建、标准化等多种解决方式，多位研究者发现标准化是解决信息孤岛的有效手段[1-2]。汲取之前矿山信息化发展的经验教训，在智慧矿山建设初期的首要任务就是充分了解智慧矿山的发展需求和面临的问题，有针对性地完善智慧矿山建设标准体系，构建完善的顶层设计以及详细的体系分析设计。智慧矿山标准是对智慧矿山建设过程中对象的标准化，不仅为智慧矿山建设节约资源、提高效率，还能引领智慧矿山的发展。但是目前我国智慧矿山标准发展仍处于起步阶段，主要表现在2个方面：一方面，公开发布的智慧矿山相关标准较少，不足100条[3]；另一方面，多数学者仅从理论上研究了矿山标准应包含的内容[4-6]，缺乏智慧矿山标准体系与现有标准的对照分析以及智慧矿山标准发展路径分析。
标准化是一项复杂的工作，智慧矿山标准更是需要新技术与传统应用、软件与硬件的交叉融合。因此，明确目前智慧矿山标准存在的问题和差距，寻找完善智慧矿山标准体系的切入点至关重要。笔者在详细分析矿山标准发展现状的基础上，重点对智慧矿山标准与标准体系进行对照分析，指出了现有标准存在的缺陷以及与智慧矿山标准体系的差距，提出了智慧矿山标准发展路径，以期为智慧矿山标准体系完善和发展提供参考。
1 智慧矿山标准概述
1.1 智慧矿山标准概念及内涵
矿山信息化建设经历了数字矿山、感知矿山、智慧矿山3个阶段，智慧矿山由智慧地球延伸提出。智慧矿山通过各种传感器的触角式部署，智能控制、管理决策系统的互联互通，人工智能、计算机科学、自动控制等学科的智能应用，实现透彻感知、高度共享、智能生产、智慧决策。智慧矿山描述了一种管控智能、安全可靠、经济高效、绿色环保和可持续发展的新型矿山信息化形态[7]，在该形态下矿山具备了更高的资源洞察力、智能运作能力、及时响应能力和绿色节能控制力[2]。智慧矿山标准则是该形态形成的基础、持续深入发展的必要手段。标准将对象活动中重复使用的属性进行规范化[9]，类同于IE(工业工程)手段，取最适宜的排列、存储方式，有效地提高了生产效率，减少了工作冗余和反应时间。
智慧矿山标准可定义为在矿山智慧形态形成过程中，为了提高效率，将该过程涉及的重复对象或某几类对象的行为、状态、派生属性进行规范、统一操作产生的结果[10]。智慧矿山标准是实现智慧矿山更深度的互联互通的保障手段，其标准化对象包含智慧矿山建设中应用的各类信息化软硬件以及管理控制流程。因此，智慧矿山标准应具备如下特征：①体系性，依附智慧矿山并涵盖智慧矿山建设过程的各方面；②动态性，标准更细，迭代速率更快，跟随智慧矿山的发展而不断变化和完善；③继承性，是现有矿山标准的扩展，将融合更多的高新技术标准，涉及学科更加多元化；④前瞻性，智慧矿山标准指导并引领智慧矿山技术发展；⑤存在边界且边际效益下降，过度的标准则会限制矿山智慧化发展 [11]，在矿山智慧化形态变化曲线中，标准的边际效益可视为变化曲线的斜率系数，且呈正相关关系。
1.2 智慧矿山标准意义
1)指明智慧矿山建设方向。目前大部分企业不明确智慧矿山的定义、内涵，以及智慧矿山的建设方案。智慧矿山标准可从顶层规划到详细设计，从多个角度为智慧矿山建设提供依据和方向。例如，智慧矿山总体标准为智慧矿山建设明确多项智慧建设的方向性问题，为企业指明建设路径；智慧矿山评价性标准为企业自我评估提供参考模型，对于智慧矿山建设程度的评估提供科学的指标和思路。
2)提高智慧矿山建设效率和质量。智慧矿山涉及矿山生产经营的各个方面，总结之前盲目的信息化建设导致大量信息孤岛的经验教训，智慧矿山应依据科学全面的标准进行统一规划，并参照具体标准设计或优化各对象的标准化建设方式，不仅能减少建设弯路、提升效率、节约成本，而且能够将矿山资源进行标准化，为大数据分析提供优质的数据资源，高效稳步地推进智慧化决策。
3)促进行业信息资源有效利用。智慧矿山标准不仅能够提高煤炭企业建设发展效率，而且能为煤炭行业的标准化建设提供有效的支持。在信息流驱动的人流、物流、资金流的发展趋势下，标准化的智慧矿山提供的标准化信息流和业务流，将为煤炭行业的总体资源高效利用提供支持和保障。
2 智慧矿山标准发展现状
2.1 智慧矿山标准发展现状
1)矿山标准公开发布情况。矿山标准包括煤炭国家标准、煤炭行业标准以及少数的煤炭地方标准，部分企业也会制定自己的标准[3]。煤炭国家标准总量不到100条，关于智慧矿山方面的标准很少，近期的国家标准计划中，关于矿山方面的标准偏向评价方面，如正在起草的现代化煤矿评价方法、煤矿绿色矿山评价指标；现有煤炭行业标准(MT)1 209项，主要是安全生产方面的标准，近3年没有任何标准更新与新标准发布；地方标准层面，大部分地方没有智慧矿山相关标准发布，仅河南、山东等省份发布了相关智慧矿山规范；很多企业都在尝试制定智慧矿山标准，但发布量极少，影响力、应用情况不佳。国家各级标准部门发布智慧矿山标准汇总情况见表1。
表1 国家各级标准部门发布智慧矿山标准汇总情况
Table 1 Summary of smart mines standards issued by standard departments at all levels
标准级别标准主管单位标准范围智慧矿山相关标准国家标准全国煤炭标准化技术委员会煤炭工业协会矿山生产、安全相关技术规范、矿山评价方法智慧矿山信息系统通用技术规范(GB/T 34679—2017)物联网 矿山产线智能监控系统总体技术要求(正在起草)行业标准国家安全生产监督管理总局煤炭行业煤矿安全标准化技术委员会煤质、生产、安全、利用、设备近期无更新发布地方标准省质量技术监督局安全、环境修复、煤机设备、生产等山东:智慧矿山建设规范(2013)河南:智能煤矿建设规范(2017)河北:煤矿水害微震监测数据采集规范(2017)山西:煤矿安全监管执法与决策支持系统联网数据规范(2012)企业标准企业矿物、采矿、机械设备公开渠道没有煤炭企业标准、也没有煤矿专用机械制造企业相关标准
2)智慧矿山标准的研究情况。早前，潘涛等[4]讨论了数字矿山标准化的体系结构；王莉[12]研究了矿山地理信息元数据标准，并设计了矿山地理信息元数据标准的框架及元数据管理信息系统。神东煤炭集团联合中国矿业大学(北京)和煤炭工业协会制定了神东煤炭集团的煤矿技术标准和管理标准体系[13-14]，涉及基础设施、通信、设备、管理流程等各方面，总计3 000多项标准，对智慧矿山建设提供了坚实的标准基础。相关文献先后对煤炭企业信息化标准的建设思路[2]、经济效益[15]、标准管理系统的运行模式[16]、标准范围[5]等进行了较全面的研究。
近几年，随着物联网技术的成熟发展，智慧矿山逐渐兴起，关于智慧矿山顶层设计和标准的设计问题还在探讨中。文献[6,17]等通过物联网(感知矿山)研究中心对矿山物联网进行了一系列的研究，提出了矿山物联网标准，并对应用先行还是标准先行进行了对比分析，对涉及面广的标准、具体应用的标准做了举例说明；韩茜[10]研究了智慧矿山标准化中关键标准识别、主体以及升级路径等关键问题；胡凌凤[18]使用UML方法构建了煤炭企业信息化标准体系，为智慧矿山标准提供了重要的参考依据。
3)其他行业智慧化标准引领矿山标准前进。智慧城市、智慧林业等行业的标准研究与制定工作早于智慧矿山标准，且目前已经具备一定基础，对于智慧矿山标准研究有一定的借鉴作用。智慧城市标准[19]由国家智慧城市标准化协调推进组、总体组和专家咨询组3个小组负责编制，目前总体组已有百余家成员单位，涉及到技术委员会、研究院校、企业、联盟和地方等多类单位。智慧城市标准体系依据智慧城市总体建设框架进行设计，包含总体标准、支撑技术与平台、基础设施、建设与宜居、管理与服务、产业与经济、安全与保障等层面，并且确定了基于成熟度模型的新型智慧城市评价总体架构、过程方法和实施建议，为智慧城市发展提供技术支撑；中国林业出版社[20]出版了智慧林业系列丛书包含《智慧林业顶层设计》《智慧林业决策部署》《智慧林业最佳实践》《智慧林业标准规范》《智慧林业政策制度》《智慧林业评测考核》，为智慧林业提供了完整的参考依据。
2.2 智慧矿山标准面临的挑战
1)标准边界及范围不易确定。过度标准化可能会限制活动能力和创新能力，上文已经明确了智慧矿山标准具有边界，边界可以理解为标准化程度，即哪些对象和属性可以进行标准化，哪些不应该进行标准化，标准与应用的先后顺序等 [5]。将矿山智慧化形态的形成过程抽象成一个函数，根据没有标准杂乱无章、过度标准化限制发展的特性以及边际效益递减的经济学属性，斜率为0时曲线平直、斜率为负数时曲线下降的属性，可将标准边际效益作为曲线斜率的正相关系数，可以用斜率为0时，边际效益即可能为0的方法来确定标准边界。但上述论证过于简单化、理想化，智慧矿山形成的过程函数随时间变化且影响因子众多，标准边界和范围需要经过实践逐步探索与检验才能确定。当然，目前智慧矿山标准处于发展初期，标准体系的初步确定尚未涉及边界。
2)缺乏智慧矿山标准化组织和人员。总结智慧城市和智慧林业标准化的经验发现，研究制定某个领域的标准需要具备一个总体管理的组织以及一批可以分享标准化经验的优秀企业。全国煤炭标准化技术委员会的标准化领域偏重于煤、生产、安全等方面，在煤矿信息化建设方面明显偏弱，加之我国煤矿分散、情况复杂，单个企业不具备全面的矿山建设知识和能力，目前我国仍缺乏具备统筹各方资源的统领型智慧矿山标准组织。此外，智慧矿山标准专业性强，对标准化人员的要求极高，煤炭行业相对艰苦，兼具标准知识、煤矿知识的人员极度缺乏。
3)标准扩散与推行存在阻力。实际上，目前我国已经具备一些煤炭信息化方面的标准，但是煤炭企业之间信息孤岛现象仍比较严重，煤炭企业采用的标准数量也很少。在煤炭企业的走访调研中发现，除了标准适应性问题，还存在企业忽视标准的问题，比如：大部分企业的信息化系统和软硬件都是直接购买供应商的，没有考虑国家或行业标准，企业标准涉及的范围也很小；针对供应商的调查结果显示，在系统或硬件设计中，尤其是软件方面，大部分企业各自为政，没有考虑与其他厂商的兼容性或国家的推荐性标准，标准扩散效果不明显。尽管有些企业意识到标准的重要性，想要采用标准，但是标准化高昂的成本以及标准化效益的延时性，给煤炭企业推行智慧矿山标准带来相对沉重的人员压力、经济压力等，在一定程度上阻碍着信息化标准的推行。
3 智慧矿山标准体系建设分析
3.1 智慧矿山标准体系
根据智慧矿山标准的定义和特征，结合其他行业在标准方面的研究结果，可以清楚地了解到智慧矿山标准贯穿智慧矿山建设的整个过程，为智慧矿山建设提供扎实的基础和保障，因此智慧矿山的标准体系应依据智慧矿山信息化建设的基本框架和已有国家标准进行设计。笔者依据已发布的智慧矿山相关顶层设计标准，综合利用结构化方法和面向对象的方法，总结归纳了智慧矿山标准体系(图1)。
图1 智慧矿山标准体系
Fig.1 Smart mine standard system
智慧矿山总体标准作为其他层面标准的统领和基础依据，界定了智慧矿山标准的范围，为其余标准提供基础支撑；智慧矿山评价标准作为智慧矿山建设和智慧矿山信息化建设的查错依据、升级举措，评估智慧矿山标准实施建设情况，保持标准体系的生命力；基础设施标准、网络标准、信息资源标准和应用系统标准作为建设智慧矿山的技术支撑标准和业务支撑标准；信息化运维管理标准和信息安全标准作为智慧矿山建设的保障标准，对上述4个层面进行补充和完善。
3.2 标准体系建设对照分析与建议
基于第2.1节对智慧矿山标准发布情况的分析，进一步总结：目前明确针对智慧矿山的标准仅有1项国家标准、2项地方标准，且已有的标准均属于顶层指导性标准，但是由智慧矿山的发展继承情况以及标准的不重复特性可知，之前的多项标准仍可支持智慧矿山的建设。以下从智慧矿山标准体系的8个层面出发，对标准体系建设情况进行分析，并对部分层面未来建设提出完善建议。
1)总体标准需归一化并进一步完善，评价标准几乎处于空白期。仅国标GB/T 34679—2017的第5章简要提出了智慧矿山的信息协同架构和建筑层次架构[21]，河南省的智能煤矿建设规范、山东省的智慧矿山建设规范2项地方标准对智慧矿山做了顶层规范，缺乏行业级和国家级完整的标准体系。总体标准应明确智慧矿山的建设目标、总体架构、实施路径以及术语说明等，且应该从国家层面或行业层面进行统一规划。目前还未有单位制定智慧矿山标准化评价的相关标准或文件，该部分标准仍处于空白期，但对智慧矿山发展推进具有重大意义。
2)基础设施层的标准仍需专业化、补短板、体系化。在国家标准网上可以查到很多物联网标准，但是矿山物联网标准特别少，且目前仍未作为一个应用体系真正列入标准建设规划[16]。在智慧矿山建设中物联网铺设至关重要，矿山物联网标准应结合现有的国家国际标准进行专业化。特别指出，智能设备相关标准目前都在较浅的层次，在矿山智能设备和企业软件之间缺乏沟通的桥梁，故智能设备与信息系统的融合标准亟需制定，这也是实现智慧矿山的关键一步。
3)信息资源层的标准应注意行业标准和企业标准相辅相成，重点标准强制实施。目前已经存在一些信息资源标准，诸如地理信息元数据标准、文书类电子文件元数据方案等，但推广实施和应用效果不明显。信息资源层标准直接关系到整个行业的资源共享问题，故该类标准应该由国家或行业首先从行业级别的选取重点共性对象制定标准，企业针对自身情况完善补充企业特有标准，尤其是多系统、系统融合和系统集成方面标准。
4)应用层面和管理运维标准极度缺乏，行业层面的顶层设计仍需完善，企业亟需定制自身标准。这2个层面涉及标准化对象种类繁多，企业需求多样，故行业标准应该以顶层设计为主，重点辅助企业进行标准化。《智慧矿山信息系统通用技术规范》(GB/T 34679—2017)给出了矿山信息系统应用层面简单的顶层设计，仅介绍了应达到的功能，深度仍需进一步完善。目前应用层面标准最缺乏，各企业对该部分标准需求也最迫切，亟需专业的团队提供咨询服务，为企业进行标准的量身定制。
5)网络通信层标准和安全标准相对完善，体系化整理、强制实施。煤炭企业最重视的安全管理，生产安全方面的标准在现有煤炭标准中占比较大，信息技术安全标准也相对较完善，故将现有的安全标准进行体系化的整理，补充缺少的标准即可。
3.3 标准对照明细
将上述智慧矿山标准体系和现有的标准明细进行对照，部分待完善标准见表2。表2仅显示了部分的标准对象，不能代表整个标准体系。
表2 标准体系中部分待完善标准
Table 2 Part of the standard system to be improved
层级标准类型标准名称建议级别参考标准分析1总体标准1.1顶层设计1.2术语1.3标准化指南1.1.1智慧矿山建设规范GB/TGB/T 34679—2017完善补充1.1.2智慧矿山参考模型MT/T—借鉴论文1.1.3智慧矿山信息技术运营规范MT/T—待制定1.2.1智慧矿山术语GB/T 借鉴完善1.3.1煤矿标准化指南GB/TGB/T 20000—2014引用1.3.2煤矿信息化标准化指南GB/T—借鉴其他行业2基础设施标准2.1物联网技术标准2.2感知设备标准2.3无线网络通信2.1.1智慧矿山物联网技术应用指南MT/T—待制定2.1.2矿山物联网总体技术 智能传感器特性与分类MT/TGB/T 34069—2017专业化2.1.3矿山物联网总体技术 智能传感器接口规范MT/TGB/T 34068—2017专业化2.2.1矿山物联网感知设备技术规范集MT/T相关技术标准、行业标准、国家标准引用、统一2.2.2矿山物联网 系统接口要求MT/TGB/T 35319—2017专业化2.2.3矿山感知设备 通用技术条件MT/T—待制定2.2.4矿用智能设备 数据传输标准MT—待制定2.2.5矿用智能设备 功能规范MT/T—待制定2.2.6矿用智能设备 网络技术条件MT—待制定2.3.1自组织组网Q—待制定2.3.2无线网关通用技术规范Q—待制定
续表
层级标准类型标准名称建议级别参考标准分析3网络基础设施3.1 ICT基础设施3.2 ICT3.3以太网3.1.1智慧矿山井下网络配备规范GB/T—待制定3.1.2煤矿计算机网络建设技术规范GB/T—待制定…GB/TICT基础设施引用3.2.1 4G下井技术规范GB/T—待制定…GB/TICT相关标准引用3.3.1 矿用以太网MT/TMT/T 1131—2011引用、更新4信息资源4.1信息资源基础标准4.2信息描述4.3信息存储4.4信息服务4.5信息利用4.6信息安全标准4.1.1煤矿信息资源共性基础标准GB—待制定4.2.1通用数据元MT—待制定4.2.2核心元数据规范GB—待制定4.2.3煤、地理、地质信息元数据GB—待制定4.2.4信息分类编码MT或Q—待制定4.3.1基础数据库规范Q—待制定4.3.2业务数据库规范Q—待制定4.3.3决策支持数据库规范Q—待制定4.3.1目录服务规范Q待制定4.3.2支持 IPv6 访问的 Web 服务器的技术要求和测试MT/TYD/T 2601—2013引用、更新4.5.1数据融合标准MT/T—待制定4.5.2数据共享交易技术要求和规范MT—待制定4.6.1信息安全技术 信息安全漏洞管理规范QGB/T 30276—2013引用完善5应用系统标准5.1综合自动化5.2工程数字化5.3管理信息化5.4集成平台5.5系统运行管理5.1.1智慧矿山综合自动化通用技术要求MT或QGB/T 34679—2017完善、制定5.1.2综合自动化系统接口规范Q—待制定5.2.1 各工程数字化系统设计规范QGB/T 34679—2017完善、制定5.2.2 各工程数字化系统接口规范Q—待制定5.2.1 各管理信息化系统设计规范QGB/T 34679—2017完善、制定5.2.2 各管理信息化系统接口规范Q—待制定5.4.1可视化集成平台通用技术规范MTGB/T 26335—2010借鉴、制定5.4.2智慧矿山控制系统集成规范MTGB/T 20720—2010借鉴、制定5.5.1软件系统运行关键性能指标MTGB/T 34044.2—2017GB/T 32854—2016借鉴、制定5.5.2 系统运行管理操作规范Q—待制定6运维管理标准 6.1系统管理标准Q—待制定 6.2质量管理标准Q—待制定 6.3软件工程标准Q—待制定 6.4运行维护标准Q—待制定7信息安全标准智慧矿山信息安全系列标准MTGB/T 36324—2018待制定8评价标准8.1评价指南8.2评价指标体系智慧矿山信息化评价指南GB/T—待制定智慧矿山信息化评价指标体系GB/T待制定智慧矿山时空基础设施评价指标体系GB/TGB/T 35775—2017借鉴、制定
注：GB为国家标准；GB/T为国家推荐标准；MT为煤炭行业标准；MT/T为煤炭行业推荐标准；Q为企业标准。
4 智慧矿山标准发展路径
智慧矿山标准建设仍处于初级阶段，在组织、研究和应用方面都还不完善，标准先行是智慧矿山可持续发展的必要条件。在智慧矿山标准建设中应该明确4个关键点：政府支持的重要性[22]、顶层设计和关键标准先行[23]、标准宣贯和落地策略的选择、以效益为目标导向。笔者根据其他领域标准发展经验和目前煤炭行业标准困境，提出了智慧矿山标准的发展路径。
1)组建多员参与的标准组织，完成顶层规划。从智慧城市、智慧林业等标准的发展情况以及TD技术标准联盟的分析[22]来看，智慧化标准制定的第一步应该组建由政府牵头、行业内具备相关能力的企业参与的专业标准制定组织。该组织应包含煤炭行业专家、多家龙头企业、软硬件供应商、政府协调专员等，还应具备持续的财力、影响力和示范力。组织的首要任务是讨论研究智慧矿山标准顶层规划，明确目标和方向。
2)从关键标准入手，逐步完善标准体系。紧跟顶层规划的步伐，明确关键标准和里程碑，逐步完善标准体系。标准体系既要具备前瞻性、科学性还要符合实际、能解决实践问题。分析智慧矿山建设现状，还应确定哪些对象标准先行、哪些对象应用先行、哪些对象的标准应强制实施、哪些应重点发展企业标准等问题，针对以上诸多问题，出台规范文件和智慧矿山标准集。
3)开展试点示范，加强标准宣贯。实践是检验真理的唯一标准，标准化的最终目标是实现煤炭企业和煤炭行业的资源高效利用和效益提升，故开展试点示范是智慧标准建设的重要一步。通过智慧矿山示范试点项目体现标准化的价值，不仅能检验标准的完备性，而且能提高标准体系的接受程度，有利于吸引其他企业的加入，壮大标准组织规模，为标准宣贯提供有利条件。
4)发挥、推广标准化优势，扩大影响力。智慧矿山标准升级是智慧矿山发展不可跨越的途径[10]，持续的评价升级是智慧矿山标准具备生命力的有效手段。广泛使用的标准是证明标准有效性的明显特征，因此结合内外部环境制定合适的标准推广策略，比如利用标准的外部性、成立标准咨询组织等，是强化标准生命力、影响力的有效保障措施，有利于发挥网络效应的优点。标准评价升级、加强推广是实现标准化最终目标的关键。
5 结 论
1)总体规划、标准先行，是历史经验教训的结晶。智慧矿山标准的发展对智慧矿山建设至关重要。目前，智慧矿山已逐步进入研究建设阶段，但智慧矿山标准远滞后于智慧矿山的发展，国内发布的标准与智慧矿山标准体系相差甚远。
2)智慧矿山总体标准应作为先导标准尽快制定，基础设施层作为智慧矿山的基础标准，应充分结合煤矿特点进行专业化处理，信息资源层作为智慧矿山的核心标准，应根据行业资源和企业资源进行区分设置，以确保智慧矿山资源调度的灵活性。
3)我国智慧矿山标准不健全主要是由于缺乏专业组织引领，专业人士梳理、制定和推广。智慧矿山标准的发展应遵循第一步组建专业的标准组织，然后完成顶层规划和关键标准的制定，再开展试点示范推广标准化优势，逐步完善标准，升级标准，实现智慧矿山标准制定、实施、宣贯、优化的发展路径。
4)智慧矿山标准建设任重道远，笔者基于对标准现状的调查以及实际经验，分析了现状和存在问题。提出在标准制定和标准扩散策略等方面还需更深入的研究。
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