煤炭在我國能源體系中的主體地位在未來幾十年難有大的改變，智能化高質量發(fā)展已成為煤炭工業(yè)的主基調。目前，我國有在生產煤礦3000余處，從業(yè)人員280余萬，2021年原煤產量41億噸。2020年2月國家八部委聯(lián)合發(fā)布《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》以來，我國有近400座煤礦開展了智能化建設，已建成煤礦智能化采掘工作面813個，其中采煤工作面477個，掘進工作面336個。智能化技術為煤礦減人增安提效做出了重要貢獻，也是煤炭行業(yè)立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構建新發(fā)展格局、推動煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的必由之路。
近年來，以5G、人工智能、物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據為代表的新一代信息技術爭相在煤礦行業(yè)落地生根，形成了礦用5G通信專網、露天礦無人駕駛、礦鴻操作系統(tǒng)、煤礦數(shù)字孿生等典型創(chuàng)新應用，有力推動了煤礦智能化發(fā)展。然而，我們也應清醒認識到，目前煤礦智能化建設還處于起步階段，主要集中在采煤、掘進等生產單元智能化和煤礦機器人的應用試點。雖然煤礦的單機或單系統(tǒng)智能化水平取得了長足的進步，但在煤礦生產全流程的系統(tǒng)智能化方面還有很長的路要走。未來的煤礦智能化發(fā)展形態(tài)不僅是煤炭生產環(huán)節(jié)的智能化，還包括煤礦地質勘探、礦井設計建造、廢棄礦井綜合利用等礦井全生命周期管控智能化以及煤礦“產、運、銷、儲、用”全流程調控的智能系統(tǒng)化。
為實現(xiàn)上述目標，須有工業(yè)互聯(lián)網、操作系統(tǒng)和數(shù)字孿生作為強力支撐。
一是構建全域覆蓋的煤礦工業(yè)互聯(lián)網，聯(lián)通礦井、礦區(qū)、集團乃至全行業(yè)，解決煤炭行業(yè)長期以來存在的信息孤島嚴重、數(shù)據流匯聚不足等老大難問題，實現(xiàn)煤礦全生產要素、全生產流程、全產業(yè)鏈條數(shù)據與信息的實時互聯(lián)與融合應用。
二是研發(fā)煤礦泛在互聯(lián)操作系統(tǒng)，在裝備層面，加大礦鴻等國產操作系統(tǒng)的完善程度和應用廣度，解決數(shù)據接入標準規(guī)范不統(tǒng)一的問題；在系統(tǒng)層面，研發(fā)計算引擎、三維可視化引擎、物理仿真引擎、AI計算框架等中間件，構建良好的應用開發(fā)生態(tài)。
三是研發(fā)智能煤礦數(shù)字孿生技術，通過虛實交互反饋、數(shù)據融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，建設生產條件先知先覺、生產過程可視可控、生產安全可防可測、生產要素可調可配的煤炭“產、運、銷、儲、用”全流程透明化系統(tǒng)。最終構建智能低碳、安全高效的現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用體系，推動煤炭工業(yè)高質量發(fā)展。
煤礦工業(yè)互聯(lián)網
煤礦智能化系統(tǒng)的神經
工業(yè)互聯(lián)網作為新一代信息技術與工業(yè)經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業(yè)生態(tài)，將成為智能煤礦信息交互的關鍵基礎。2021年，工信部發(fā)布“5G+工業(yè)互聯(lián)網”第一批重點行業(yè)和應用場景，采礦業(yè)作為重點行業(yè)，已有山西新元煤礦、陜煤小保當煤礦、曹家灘煤礦等數(shù)十個煤礦建成基于5G的礦山物聯(lián)網，利用5G通信網絡高帶寬、低時延、海量接入等特性，實現(xiàn)工作面一鍵啟動、高清視頻傳輸、設備遠程操控等采礦生產環(huán)節(jié)的智能化。
煤礦工業(yè)互聯(lián)網（Mine Internet of Things, MIOT）是覆蓋煤炭生產、洗選加工、運輸、銷售、使用以及安全監(jiān)管、企業(yè)決策、生態(tài)影響等全煤流、全生產要素、全產業(yè)鏈的互聯(lián)體系。煤礦工業(yè)互聯(lián)網是煤礦智能化系統(tǒng)的神經網絡，負責煤炭工業(yè)系統(tǒng)信息感知匯聚、數(shù)據融合共享、資源優(yōu)化配置與產業(yè)價值發(fā)掘，屬于煤炭行業(yè)更高層級、更大范圍的信息化與工業(yè)化緊密融合應用的概念。
當前，煤礦工業(yè)互聯(lián)網的建設還有諸多亟需解決的問題：
首先，煤炭行業(yè)要高度重視煤礦工業(yè)互聯(lián)網系統(tǒng)建設，將其作為煤礦智能化發(fā)展的基石與賦能企業(yè)高質量發(fā)展的重要技術手段來對待；
其次，要加快煤礦工業(yè)互聯(lián)網頂層架構設計、構建煤礦工業(yè)互聯(lián)網技術體系，要將煤炭生產、安全監(jiān)管、存儲運銷、行業(yè)轉型發(fā)展、智能化發(fā)展等各方面需求系統(tǒng)地謀劃嵌入到煤礦工業(yè)互聯(lián)網當中；
再次，要加快煤礦工業(yè)互聯(lián)網標準規(guī)范制定，2021年11月，工信部、國家標準委聯(lián)合印發(fā)《工業(yè)互聯(lián)網綜合標準化體系建設指南（2021版）》，以標準規(guī)范建設引領工業(yè)互聯(lián)網高質量發(fā)展。在煤炭領域，也亟需加快標準體系的頂層設計與研制實施，為各類煤礦生產子系統(tǒng)、安全監(jiān)控子系統(tǒng)、運營管理子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的通信接口與數(shù)據規(guī)范；
最后，要突破系列關鍵核心技術，例如：統(tǒng)一開放的礦山裝備及零部件標識解析體系、煤礦工業(yè)互聯(lián)網可信隱私計算與安全防護技術、面向行業(yè)賦能的工業(yè)大數(shù)據與人工智能技術等。
煤礦泛在互聯(lián)操作系統(tǒng)
煤礦智能化系統(tǒng)的中樞
操作系統(tǒng)是智能系統(tǒng)最基本和最重要的基礎性系統(tǒng)軟件?；仡櫜僮飨到y(tǒng)70年的發(fā)展歷程，存在主輔兩條發(fā)展路線。主線是面向單機的操作系統(tǒng)發(fā)展路線，像Windows、Linux、Android、HarmonyOS等桌面/手機操作系統(tǒng)以及VxWorks、uC/OS、FreeRTOS、RT-Thread等嵌入式操作系統(tǒng)均屬于單機操作系統(tǒng)。隨著網絡技術的發(fā)展，計算機數(shù)據總線可以通過互聯(lián)網延伸至其他計算機，并將其視作外部設備進行通信和協(xié)作，因此，在單機操作系統(tǒng)發(fā)展主線之外，還出現(xiàn)了網絡化操作系統(tǒng)的發(fā)展輔線。兩條發(fā)展路線一直相互借鑒、相互交迭，操作系統(tǒng)概念也一直在擴展和泛化中，出現(xiàn)了云計算操作系統(tǒng)、機器人操作系統(tǒng)、物聯(lián)網操作系統(tǒng)等新概念。
在工業(yè)自動化領域，集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS）利用工業(yè)以太網等現(xiàn)場總線技術，實現(xiàn)設備監(jiān)控、人機交互、工藝制定、物料管理等功能，廣義上來講也是一種行業(yè)應用操作系統(tǒng)。近年來，GE、西門子、ABB等著名工業(yè)自動化公司陸續(xù)發(fā)布了Predix、MindSphere、Ability等物聯(lián)網操作系統(tǒng)，國內也研發(fā)出了XiUOS（矽璓）、supOS（藍卓）等具有自主知識產權的工業(yè)物聯(lián)操作系統(tǒng)。
2021年9月，國家能源集團與華為公司聯(lián)合發(fā)布了“礦鴻”操作系統(tǒng)，可使井下多種設備間的連接更緊密，設備的交互對話有了統(tǒng)一語言，為構建煤礦工業(yè)互聯(lián)網提供了重要技術支撐。目前，礦鴻操作系統(tǒng)的全礦適配應用正在烏蘭木倫煤礦緊鑼密鼓地進行，有18個廠家的33種500余臺套設備接入礦鴻操作系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)獨特的“軟總線”和近場通信技術，以統(tǒng)一的接口和協(xié)議標準，解決不同廠家設備協(xié)同與互通的問題，實現(xiàn)設備“無屏變有屏、固定按鍵操作變手機移動操作”、巡檢機器人和傳感器“近場無感式”快速數(shù)據采集等功能。
煤礦泛在互聯(lián)操作系統(tǒng)是煤礦智能化系統(tǒng)的中樞，為各種行業(yè)應用中間件和APP等提供生態(tài)支撐。它應該包括兩層架構，第一層是面向裝備的單機操作系統(tǒng)，對下提供設備層數(shù)據流和控制流的標準通信架構與驅動開發(fā)管理框架，對上為應用層提供數(shù)據通信服務、資源管理調度、應用程序開發(fā)框架等系統(tǒng)服務；第二層是行業(yè)應用操作系統(tǒng)，面向煤礦工業(yè)互聯(lián)網應用提供完整的中間件服務，例如業(yè)務數(shù)據管理、行業(yè)知識模型庫、AI計算框架、可視化引擎、物理仿真引擎等。二者的關系有點類似于Linux與機器人操作系統(tǒng)ROS的關系。加快煤礦泛在互聯(lián)操作系統(tǒng)研發(fā)和應用一方面需要加強基礎研究，在操作系統(tǒng)體系架構、運行機制、應用構造、可信保障等方面持續(xù)突破；另一方要加大開源力度，通過開源社區(qū)聚集行業(yè)企業(yè)、科研院所和個人力量，協(xié)同推進操作系統(tǒng)技術的迭代創(chuàng)新，構建完善的應用開發(fā)生態(tài)。
煤礦數(shù)字孿生系統(tǒng)
煤礦智能化系統(tǒng)的大腦
數(shù)字孿生是近年快速發(fā)展的工業(yè)數(shù)字化技術，建設數(shù)字孿生城市已列入我國“十四五”規(guī)劃綱要，有15個不同領域的“十四五”規(guī)劃把數(shù)字孿生作為重點突破的基礎技術。2020年，我們率先提出了煤礦數(shù)字孿生概念，系統(tǒng)闡述了數(shù)字孿生的內涵，指出數(shù)字孿生是智能煤礦發(fā)展的必然趨勢。針對智采工作面，提出了融合5G 通信技術、物聯(lián)網技術和仿生智能技術的數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)架構，總結了數(shù)字孿生智采工作面10項關鍵技術。
煤礦數(shù)字孿生系統(tǒng)是以煤礦工業(yè)互聯(lián)網為基礎，在煤礦泛在互聯(lián)操作系統(tǒng)平臺上構建的煤炭“產、運、銷、儲、用”全流程透明化系統(tǒng)，通過虛實交互反饋、數(shù)據融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，實現(xiàn)煤礦生產條件先知先覺、生產過程可視可控、生產安全可防可測、生產要素可調可配，是在更高層次上構建煤礦智能化系統(tǒng)的大腦。
構建煤礦數(shù)字孿生系統(tǒng)可分為四個步驟：
一是實現(xiàn)離散數(shù)字孿生，針對一臺采煤機、掘進機或其他礦用裝備，著重數(shù)字孿生模型構建、虛實仿真交互、裝備全生命周期管控等；
二是實現(xiàn)復合數(shù)字孿生，主要針對煤礦子系統(tǒng)，例如一個采煤或掘進工作面、一條主煤流運輸線，是基于離散數(shù)字孿生和外部數(shù)字資源復合而成的數(shù)字孿生體，著重多個數(shù)字孿生裝備的協(xié)同作業(yè)、裝備與環(huán)境的相互作用、礦井災害的監(jiān)測預警等，這是當前煤礦智能化建設的主要努力方向；
三是實現(xiàn)全煤礦數(shù)字孿生，面向開采全流程，通過數(shù)據實時交互、虛擬仿真反饋、大數(shù)據分析決策，實現(xiàn)煤炭的安全高效開發(fā)利用；
四是實現(xiàn)“產、運、銷、儲、用”全煤流數(shù)字孿生，最終達到全要素、全流程、全鏈條集成融合與價值共生的目的。
煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的必由之路，信息技術作為煤礦智能化的核心支撐技術，在實現(xiàn)煤礦智能化高質量發(fā)展的道路上任重而道遠。需要我們以科技創(chuàng)新為驅動、加強組織引導、加大政策支持、凝聚各方共識，以開放共享的姿態(tài)匯聚各方力量，加速信息技術與煤炭工業(yè)的深度融合與產業(yè)落地，共同推進煤礦智能化高質量發(fā)展。
作者：中國工程院院士、中國礦業(yè)大學（北京）校長葛世榮
