煤礦智能化的神經(jīng)、中樞和大腦--工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、操作系統(tǒng)、數(shù)字孿生

煤礦智能化的神經(jīng)、中樞和大腦--工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、操作系統(tǒng)、數(shù)字孿生

中國工程院院士

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）

葛世榮 校長/院士

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(zhì)量發(fā)展已成為煤炭工業(yè)的主基調(diào)。目前，我國有在生產(chǎn)煤礦3000余處，從業(yè)人員280余萬，2021年原煤產(chǎn)量41億噸。2020年2月國家八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》以來，我國有近400座煤礦開展了智能化建設(shè)，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(jìn)工作面336個。智能化技術(shù)為煤礦減人增安提效做出了重要貢獻(xiàn)，也是煤炭行業(yè)立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局、推動煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

近年來，以5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)爭相在煤礦行業(yè)落地生根，形成了礦用5G通信專網(wǎng)、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(yīng)用，有力推動了煤礦智能化發(fā)展。然而，我們也應(yīng)清醒認(rèn)識到，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(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化，還包括煤礦地質(zhì)勘探、礦井設(shè)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(chǎn)、運(yùn)、銷、儲、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)字孿生作為強(qiáng)力支撐。一是構(gòu)建全域覆蓋的煤礦工業(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)長期以來存在的信息孤島嚴(yán)重、數(shù)據(jù)流匯聚不足等老大難問題，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(gòu)建良好的應(yīng)用開發(fā)生態(tài)。三是研發(fā)智能煤礦數(shù)字孿生技術(shù)，通過虛實(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、生產(chǎn)過程可視可控、生產(chǎn)安全可防可測、生產(chǎn)要素可調(diào)可配的煤炭“產(chǎn)、運(yùn)、銷、儲、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)代煤炭開發(fā)利用體系，推動煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)——煤礦智能化系統(tǒng)的神經(jīng)

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)十個煤礦建成基于5G的礦山物聯(lián)網(wǎng)，利用5G通信網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時延、海量接入等特性，實(shí)現(xiàn)工作面一鍵啟動、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。

煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Mine Internet of Things, MIOT）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(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(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)手段來對待；其次，要加快煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頂層架構(gòu)設(shè)計、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，也亟需加快標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層設(shè)計與研制實(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)一開放的礦山裝備及零部件標(biāo)識解析體系、煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可信隱私計算與安全防護(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。

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(chǔ)性系統(tǒng)軟件。回顧操作系統(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，計算機(jī)數(shù)據(jù)總線可以通過互聯(lián)網(wǎng)延伸至其他計算機(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，廣義上來講也是一種行業(yè)應(yīng)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(wǎng)操作系統(tǒng)，國內(nèi)也研發(fā)出了XiUOS（矽璓）、supOS（藍(lán)卓）等具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)物聯(lián)操作系統(tǒng)。

2021年9月，國家能源集團(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)備的交互對話有了統(tǒng)一語言，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個廠家的33種500余臺套設(shè)備接入礦鴻操作系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)獨(dú)特的“軟總線”和近場通信技術(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)同與互通的問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備“無屏變有屏、固定按鍵操作變手機(jī)移動操作”、巡檢機(jī)器人和傳感器“近場無感式”快速數(shù)據(jù)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(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)動開發(fā)管理框架，對上為應(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)知識模型庫、AI計算框架、可視化引擎、物理仿真引擎等。二者的關(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(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(shù)，建設(shè)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(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，我們率先提出了煤礦數(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。針對智采工作面，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)平臺上構(gòu)建的煤炭“產(chǎn)、運(yùn)、銷、儲、用”全流程透明化系統(tǒng)，通過虛實(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、生產(chǎn)過程可視可控、生產(chǎn)安全可防可測、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)可分為四個步驟：

一是實(shí)現(xiàn)離散數(shù)字孿生，針對一臺采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)或其他礦用裝備，著重數(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，主要針對煤礦子系統(tǒng)，例如一個采煤或掘進(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，面向開采全流程，通過數(shù)據(jù)實(shí)時交互、虛擬仿真反饋、大數(shù)據(jù)分析決策，實(shí)現(xiàn)煤炭的安全高效開發(fā)利用；

四是實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)、運(yùn)、銷、儲、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、加強(qiáng)組織引導(dǎo)、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(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。

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