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   煤炭人訊：近年來(lái),，以5G,、人工智能,、物聯(lián)網(wǎng),、云計(jì)算,、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)在煤炭行業(yè)落地生根,，形成了礦用5G通信專網(wǎng),、露天礦無(wú)人駕駛、礦鴻操作系統(tǒng),、煤礦數(shù)字孿生等典型創(chuàng)新應(yīng)用,，有力推動(dòng)了煤礦智能化發(fā)展。然而,，我們也應(yīng)清醒認(rèn)識(shí)到,，目前煤礦智能化建設(shè)還處于起步階段，主要集中在采煤,、掘進(jìn)等生產(chǎn)單元智能化和煤礦機(jī)器人的應(yīng)用試點(diǎn),。雖然煤礦的單機(jī)或單系統(tǒng)智能化水平取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在煤礦生產(chǎn)全流程的系統(tǒng)智能化方面還有很長(zhǎng)的路要走,。未來(lái)煤礦智能化的發(fā)展形態(tài)不僅是煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化,，還包括煤礦地質(zhì)勘探、礦井設(shè)計(jì)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(chǎn),、運(yùn)、銷,、儲(chǔ),、用”全流程調(diào)控的智能系統(tǒng)化。

　　為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),，須有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),、操作系統(tǒng)和數(shù)字孿生系統(tǒng)作為強(qiáng)力支撐。一是構(gòu)建覆蓋全域的煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),，聯(lián)通礦井,、礦區(qū),、集團(tuán)乃至全行業(yè)，解決煤炭行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)存在的信息孤島嚴(yán)重,、數(shù)據(jù)流匯聚不足等老大難問(wèn)題,，實(shí)現(xiàn)煤礦全生產(chǎn)要素、全生產(chǎn)流程,、全產(chǎn)業(yè)鏈條數(shù)據(jù)與信息的實(shí)時(shí)互聯(lián)與融合應(yīng)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(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的完善程度和應(yīng)用廣度,，解決數(shù)據(jù)接入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不統(tǒng)一的問(wèn)題；在系統(tǒng)層面,，研發(fā)計(jì)算引擎,、三維可視化引擎、物理仿真引擎,、AI計(jì)算框架等中間件,，構(gòu)建良好的應(yīng)用開(kāi)發(fā)生態(tài)。三是研發(fā)智能煤礦數(shù)字孿生技術(shù),，通過(guò)虛實(shí)交互反饋,、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,，建設(shè)生產(chǎn)條件先知先覺(jué),、生產(chǎn)過(guò)程可視可控、生產(chǎn)安全可防可測(cè),、生產(chǎn)要素可調(diào)可配的煤炭“產(chǎn),、運(yùn)、銷,、儲(chǔ),、用”全流程透明化系統(tǒng)。最終構(gòu)建智能低碳,、安全高效的現(xiàn)代煤炭開(kāi)發(fā)利用體系,，推動(dòng)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施,、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài),，將成為智能煤礦信息交互的關(guān)鍵基礎(chǔ)。2021年,，工信部發(fā)布“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”第一批重點(diǎn)行業(yè)和應(yīng)用場(chǎng)景,，采礦業(yè)作為重點(diǎn)行業(yè)，已有山西新元煤礦，陜煤小保當(dāng)煤礦,、曹家灘煤礦等數(shù)十處煤礦建成基于5G技術(shù)的礦山物聯(lián)網(wǎng),，利用5G通信網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時(shí)延,、海量接入等特性,，實(shí)現(xiàn)工作面一鍵啟動(dòng)、高清視頻傳輸,、設(shè)備遠(yuǎn)程操控等采礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化。

神東煤炭集團(tuán)液壓支架搭載礦鴻操作系統(tǒng)

　　煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是覆蓋煤炭生產(chǎn),、洗選加工,、運(yùn)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(chǎn)要素,、全產(chǎn)業(yè)鏈的互聯(lián)體系。煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是煤礦智能化系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，負(fù)責(zé)煤炭工業(yè)系統(tǒng)信息感知匯聚,、數(shù)據(jù)融合共享、資源優(yōu)化配置與產(chǎn)業(yè)價(jià)值發(fā)掘,，屬于煤炭行業(yè)更高層級(jí),、更大范圍的信息化與工業(yè)化緊密融合應(yīng)用的概念。

　　當(dāng)前,，煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)還有諸多亟須解決的問(wèn)題,。

　　首先，煤炭行業(yè)要高度重視煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè),，將其作為煤礦智能化發(fā)展的基石與賦能企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)手段來(lái)對(duì)待,。其次，要加快煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頂層架構(gòu)設(shè)計(jì),、構(gòu)建煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系,，要將煤炭生產(chǎn)、安全監(jiān)管,、存儲(chǔ)運(yùn)銷,、行業(yè)轉(zhuǎn)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(wǎng)當(dāng)中,。再其次,，要加快煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定。2021年11月，工信部,、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委聯(lián)合印發(fā)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)指南（2021版）》,，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)引領(lǐng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展。在煤炭領(lǐng)域,，也亟須加快標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層設(shè)計(jì)與研制實(shí)施,，為各類煤礦生產(chǎn)子系統(tǒng)、安全監(jiān)控子系統(tǒng),、運(yùn)營(yíng)管理子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的通信接口與數(shù)據(jù)規(guī)范,；最后，要突破系列關(guān)鍵核心技術(shù),，例如,，統(tǒng)一開(kāi)放的礦山裝備及零部件標(biāo)識(shí)解析體系、煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可信隱私計(jì)算與安全防護(hù)技術(shù),、面向行業(yè)賦能的工業(yè)大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)等,。

　　操作系統(tǒng)是智能系統(tǒng)最基本和最重要的基礎(chǔ)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(jī)的操作系統(tǒng)發(fā)展路線,，像Windows,、Linux、Android,、HarmonyOS等桌面/手機(jī)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(jī)操作系統(tǒng),。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)延伸至其他計(jì)算機(jī),，并將其視作外部設(shè)備進(jìn)行通信和協(xié)作,，因此，在單機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)展主線之外,，還出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)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(kuò)展和泛化中,，出現(xiàn)了云計(jì)算操作系統(tǒng)、機(jī)器人操作系統(tǒng),、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)等新概念,。

　　在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,，集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）利用工業(yè)以太網(wǎng)等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控,、人機(jī)交互、工藝制定,、物料管理等功能,，廣義上來(lái)講也是一種行業(yè)應(yīng)用操作系統(tǒng)。近年來(lái),，GE,、西門子、ABB等著名工業(yè)自動(dòng)化公司陸續(xù)發(fā)布了Predix,、MindSphere,、Ability等物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也研發(fā)出了XiUOS（矽璓）,、supOS（藍(lán)卓）等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)物聯(lián)操作系統(tǒng)。

　　2021年9月,，國(guó)家能源集團(tuán)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(shè)備間的連接更緊密，設(shè)備的交互對(duì)話有了統(tǒng)一語(yǔ)言,，為構(gòu)建煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供了重要技術(shù)支撐,。目前，礦鴻操作系統(tǒng)的全礦適配應(yīng)用正在烏蘭木倫煤礦緊鑼密鼓地進(jìn)行,，有18個(gè)廠家的33種,、500余臺(tái)（套）設(shè)備接入礦鴻操作系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)獨(dú)特的“軟總線”和近場(chǎng)通信技術(shù),，以統(tǒng)一的接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),，解決不同廠家設(shè)備協(xié)同與互通的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備“無(wú)屏變有屏,、固定按鍵操作變手機(jī)移動(dòng)操作”,、巡檢機(jī)器人和傳感器“近場(chǎng)無(wú)感式”快速數(shù)據(jù)采集等功能。

山東能源集團(tuán)郭屯煤礦職工在地面安全生產(chǎn)調(diào)度指揮中心操作井下采煤機(jī)

　　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(yīng)用中間件和APP等提供生態(tài)支撐,。它應(yīng)該包括兩層架構(gòu)。第一層是面向裝備的單機(jī)操作系統(tǒng),，對(duì)下提供設(shè)備層數(shù)據(jù)流和控制流的標(biāo)準(zhǔn)通信架構(gòu)與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)管理框架,，對(duì)上為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)、資源管理調(diào)度,、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架等系統(tǒng)服務(wù),。第二層是行業(yè)應(yīng)用操作系統(tǒng)，面向煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供完整的中間件服務(wù)，例如業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理,、行業(yè)知識(shí)模型庫(kù),、AI計(jì)算框架、可視化引擎,、物理仿真引擎等,。兩者的關(guān)系有點(diǎn)類似于Linux與機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS的關(guān)系。加快煤礦泛在互聯(lián)操作系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用一方面需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,，在操作系統(tǒng)體系架構(gòu),、運(yùn)行機(jī)制、應(yīng)用構(gòu)造,、可信保障等方面持續(xù)突破,；另一方要加大開(kāi)源力度，通過(guò)開(kāi)源社區(qū)聚集行業(yè)企業(yè),、科研院所和個(gè)人力量,，協(xié)同推進(jìn)操作系統(tǒng)技術(shù)的迭代創(chuàng)新，構(gòu)建完善的應(yīng)用開(kāi)發(fā)生態(tài),。

　　數(shù)字孿生是近年快速發(fā)展的工業(yè)數(shù)字化技術(shù),，建設(shè)數(shù)字孿生城市已被列入我國(guó)“十四五”規(guī)劃綱要，有15個(gè)不同領(lǐng)域的“十四五”規(guī)劃把數(shù)字孿生作為重點(diǎn)突破的基礎(chǔ)技術(shù),。2020年,，我們率先提出煤礦數(shù)字孿生概念，系統(tǒng)闡述了數(shù)字孿生的內(nèi)涵,，指出數(shù)字孿生是智能煤礦發(fā)展的必然趨勢(shì),。針對(duì)智采工作面，我們提出了融合5G通信技術(shù),、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和仿生智能技術(shù)的數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)架構(gòu),，總結(jié)了數(shù)字孿生智采工作面10項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　煤礦數(shù)字孿生系統(tǒng)是以煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),，在煤礦泛在互聯(lián)操作系統(tǒng)平臺(tái)上構(gòu)建的煤炭“產(chǎn),、運(yùn)、銷,、儲(chǔ),、用”全流程透明化系統(tǒng)，通過(guò)虛實(shí)交互反饋,、數(shù)據(jù)融合分析,、決策迭代優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)條件先知先覺(jué),、生產(chǎn)過(guò)程可視可控,、生產(chǎn)安全可防可測(cè),、生產(chǎn)要素可調(diào)可配，是在更高層次上構(gòu)建煤礦智能化系統(tǒng)的大腦,。

　　構(gòu)建煤礦數(shù)字孿生系統(tǒng)可分為以下四個(gè)步驟,。

　　一是實(shí)現(xiàn)離散數(shù)字孿生，針對(duì)一臺(tái)采煤機(jī),、掘進(jìn)機(jī)或其他礦用裝備,，著重?cái)?shù)字孿生模型構(gòu)建、虛實(shí)仿真交互,、裝備全生命周期管控等,。

　　二是實(shí)現(xiàn)復(fù)合數(shù)字孿生，主要針對(duì)煤礦子系統(tǒng),，例如一個(gè)采煤或掘進(jìn)工作面,、一條主煤流運(yùn)輸線，是基于離散數(shù)字孿生和外部數(shù)字資源復(fù)合而成的數(shù)字孿生體,，著重多個(gè)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(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警等,，這是當(dāng)前煤礦智能化建設(shè)的主要努力方向,。

　　三是實(shí)現(xiàn)全煤礦數(shù)字孿生，面向開(kāi)采全流程,，通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互、虛擬仿真反饋,、大數(shù)據(jù)分析決策,，實(shí)現(xiàn)煤炭的安全高效開(kāi)發(fā)利用。

　　四是實(shí)現(xiàn)“產(chǎn),、運(yùn),、銷、儲(chǔ),、用”全煤流數(shù)字孿生,，最終達(dá)到全要素、全流程,、全鏈條集成融合與價(jià)值共生的目的,。

　　煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，信息技術(shù)作為煤礦智能化的核心支撐技術(shù),，在實(shí)現(xiàn)煤礦智能化高質(zhì)量發(fā)展的道路上任重而道遠(yuǎn),。需要我們以科技創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)、加強(qiáng)組織引導(dǎo),、加大政策支持,、凝聚各方共識(shí),，以開(kāi)放共享的姿態(tài)匯聚各方力量，加速信息技術(shù)與煤炭工業(yè)的深度融合與產(chǎn)業(yè)落地,，共同推進(jìn)煤礦智能化高質(zhì)量發(fā)展,。

【作者系中國(guó)工程院院士、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）校長(zhǎng)】