煤礦智能化的神經、中樞和大腦--工業互聯網、操作系統、數字孿生

通信世界網消息（CWW）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，智能化高質量發展已成為煤炭工業的主基調。目前，我國有在生產煤礦3000余處，從業人員280余萬，2021年原煤產量41億噸。2020年2月國家八部委聯合發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》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，也是煤炭行業立足新發展階段、貫徹新發展理念、構建新發展格局、推動煤炭工業高質量發展的必由之路。

近年來，以5G、人工智能、物聯網、云計算、大數據為代表的新一代信息技術爭相在煤礦行業落地生根，形成了礦用5G通信專網、露天礦無人駕駛、礦鴻操作系統、煤礦數字孿生等典型創新應用，有力推動了煤礦智能化發展。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智能化方面還有很長的路要走。未來的煤礦智能化發展形態不僅是煤炭生產環節的智能化，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化。

為實現上述目標，須有工業互聯網、操作系統和數字孿生作為強力支撐。一是構建全域覆蓋的煤礦工業互聯網，聯通礦井、礦區、集團乃至全行業，解決煤炭行業長期以來存在的信息孤島嚴重、數據流匯聚不足等老大難問題，實現煤礦全生產要素、全生產流程、全產業鏈條數據與信息的實時互聯與融合應用。二是研發煤礦泛在互聯操作系統，在裝備層面，加大礦鴻等國產操作系統的完善程度和應用廣度，解決數據接入標準規范不統一的問題；在系統層面，研發計算引擎、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生態。三是研發智能煤礦數字孿生技術，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，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。最終構建智能低碳、安全高效的現代煤炭開發利用體系，推動煤炭工業高質量發展。

煤礦工業互聯網——煤礦智能化系統的神經

工業互聯網作為新一代信息技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態，將成為智能煤礦信息交互的關鍵基礎。2021年，工信部發布“5G+工業互聯網”第一批重點行業和應用場景，采礦業作為重點行業，已有山西新元煤礦、陜煤小保當煤礦、曹家灘煤礦等數十個煤礦建成基于5G的礦山物聯網，利用5G通信網絡高帶寬、低時延、海量接入等特性，實現工作面一鍵啟動、高清視頻傳輸、設備遠程操控等采礦生產環節的智能化。

煤礦工業互聯網（Mine Internet of Things, MIOT）是覆蓋煤炭生產、洗選加工、運輸、銷售、使用以及安全監管、企業決策、生態影響等全煤流、全生產要素、全產業鏈的互聯體系。煤礦工業互聯網是煤礦智能化系統的神經網絡，負責煤炭工業系統信息感知匯聚、數據融合共享、資源優化配置與產業價值發掘，屬于煤炭行業更高層級、更大范圍的信息化與工業化緊密融合應用的概念。

當前，煤礦工業互聯網的建設還有諸多亟需解決的問題。首先，煤炭行業要高度重視煤礦工業互聯網系統建設，將其作為煤礦智能化發展的基石與賦能企業高質量發展的重要技術手段來對待；其次，要加快煤礦工業互聯網頂層架構設計、構建煤礦工業互聯網技術體系，要將煤炭生產、安全監管、存儲運銷、行業轉型發展、智能化發展等各方面需求系統地謀劃嵌入到煤礦工業互聯網當中；再次，要加快煤礦工業互聯網標準規范制定，2021年11月，工信部、國家標準委聯合印發《工業互聯網綜合標準化體系建設指南（2021版）》，以標準規范建設引領工業互聯網高質量發展。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、安全監控子系統、運營管理子系統提供統一的通信接口與數據規范；最后，要突破系列關鍵核心技術，例如：統一開放的礦山裝備及零部件標識解析體系、煤礦工業互聯網可信隱私計算與安全防護技術、面向行業賦能的工業大數據與人工智能技術等。

煤礦泛在互聯操作系統——煤礦智能化系統的中樞

操作系統是智能系統最基本和最重要的基礎性系統軟件?；仡櫜僮飨到y70年的發展歷程，存在主輔兩條發展路線。主線是面向單機的操作系統發展路線，像Windows、Linux、Android、HarmonyOS等桌面/手機操作系統以及VxWorks、uC/OS、FreeRTOS、RT-Thread等嵌入式操作系統均屬于單機操作系統。隨著網絡技術的發展，計算機數據總線可以通過互聯網延伸至其他計算機，并將其視作外部設備進行通信和協作，因此，在單機操作系統發展主線之外，還出現了網絡化操作系統的發展輔線。兩條發展路線一直相互借鑒、相互交迭，操作系統概念也一直在擴展和泛化中，出現了云計算操作系統、機器人操作系統、物聯網操作系統等新概念。

在工業自動化領域，集散控制系統（Distributed Control System, DCS）利用工業以太網等現場總線技術，實現設備監控、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應用操作系統。近年來，GE、西門子、ABB等著名工業自動化公司陸續發布了Predix、MindSphere、Ability等物聯網操作系統，國內也研發出了XiUOS（矽璓）、supOS（藍卓）等具有自主知識產權的工業物聯操作系統。

2021年9月，國家能源集團與華為公司聯合發布了“礦鴻”操作系統，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一語言，為構建煤礦工業互聯網提供了重要技術支撐。目前，礦鴻操作系統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，通過該系統獨特的“軟總線”和近場通信技術，以統一的接口和協議標準，解決不同廠家設備協同與互通的問題，實現設備“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”快速數據采集等功能。

煤礦泛在互聯操作系統是煤礦智能化系統的中樞，為各種行業應用中間件和APP等提供生態支撐。它應該包括兩層架構，第一層是面向裝備的單機操作系統，對下提供設備層數據流和控制流的標準通信架構與驅動開發管理框架，對上為應用層提供數據通信服務、資源管理調度、應用程序開發框架等系統服務；第二層是行業應用操作系統，面向煤礦工業互聯網應用提供完整的中間件服務，例如業務數據管理、行業知識模型庫、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ROS的關系。加快煤礦泛在互聯操作系統研發和應用一方面需要加強基礎研究，在操作系統體系架構、運行機制、應用構造、可信保障等方面持續突破；另一方要加大開源力度，通過開源社區聚集行業企業、科研院所和個人力量，協同推進操作系統技術的迭代創新，構建完善的應用開發生態。

煤礦數字孿生系統——煤礦智能化系統的大腦

數字孿生是近年快速發展的工業數字化技術，建設數字孿生城市已列入我國“十四五”規劃綱要，有15個不同領域的“十四五”規劃把數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字孿生概念，系統闡述了數字孿生的內涵，指出數字孿生是智能煤礦發展的必然趨勢。針對智采工作面，提出了融合5G 通信技術、物聯網技術和仿生智能技術的數字孿生智采工作面系統架構，總結了數字孿生智采工作面10項關鍵技術。

煤礦數字孿生系統是以煤礦工業互聯網為基礎，在煤礦泛在互聯操作系統平臺上構建的煤炭“產、運、銷、儲、用”全流程透明化系統，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，實現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的大腦。構建煤礦數字孿生系統可分為四個步驟：

一是實現離散數字孿生，針對一臺采煤機、掘進機或其他礦用裝備，著重數字孿生模型構建、虛實仿真交互、裝備全生命周期管控等；

二是實現復合數字孿生，主要針對煤礦子系統，例如一個采煤或掘進工作面、一條主煤流運輸線，是基于離散數字孿生和外部數字資源復合而成的數字孿生體，著重多個數字孿生裝備的協同作業、裝備與環境的相互作用、礦井災害的監測預警等，這是當前煤礦智能化建設的主要努力方向；

三是實現全煤礦數字孿生，面向開采全流程，通過數據實時交互、虛擬仿真反饋、大數據分析決策，實現煤炭的安全高效開發利用；

四是實現“產、運、銷、儲、用”全煤流數字孿生，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高質量發展的必由之路，信息技術作為煤礦智能化的核心支撐技術，在實現煤礦智能化高質量發展的道路上任重而道遠。需要我們以科技創新為驅動、加強組織引導、加大政策支持、凝聚各方共識，以開放共享的姿態匯聚各方力量，加速信息技術與煤炭工業的深度融合與產業落地，共同推進煤礦智能化高質量發展。

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