煤矿智能化的神经、中枢和大脑--工业互联网、操作系统、数字孪生
中国工程院院士
中国矿业大学（北京）
葛世荣 校长/院士
煤炭在我国能源体系中的主体地位在未来几十年难有大的改变，智能化高质量发展已成为煤炭工业的主基调。目前，我国有在生产煤矿3000余处，从业人员280余万，2021年原煤产量41亿吨。2020年2月国家八部委联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》以来，我国有近400座煤矿开展了智能化建设，已建成煤矿智能化采掘工作面813个，其中采煤工作面477个，掘进工作面336个。智能化技术为煤矿减人增安提效做出了重要贡献，也是煤炭行业立足新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动煤炭工业高质量发展的必由之路。
近年来，以5G、人工智能、物联网、云计算、大数据为代表的新一代信息技术争相在煤矿行业落地生根，形成了矿用5G通信专网、露天矿无人驾驶、矿鸿操作系统、煤矿数字孪生等典型创新应用，有力推动了煤矿智能化发展。然而，我们也应清醒认识到，目前煤矿智能化建设还处于起步阶段，主要集中在采煤、掘进等生产单元智能化和煤矿机器人的应用试点。虽然煤矿的单机或单系统智能化水平取得了长足的进步，但在煤矿生产全流程的系统智能化方面还有很长的路要走。未来的煤矿智能化发展形态不仅是煤炭生产环节的智能化，还包括煤矿地质勘探、矿井设计建造、废弃矿井综合利用等矿井全生命周期管控智能化以及煤矿“产、运、销、储、用”全流程调控的智能系统化。
为实现上述目标，须有工业互联网、操作系统和数字孪生作为强力支撑。一是构建全域覆盖的煤矿工业互联网，联通矿井、矿区、集团乃至全行业，解决煤炭行业长期以来存在的信息孤岛严重、数据流汇聚不足等老大难问题，实现煤矿全生产要素、全生产流程、全产业链条数据与信息的实时互联与融合应用。二是研发煤矿泛在互联操作系统，在装备层面，加大矿鸿等国产操作系统的完善程度和应用广度，解决数据接入标准规范不统一的问题；在系统层面，研发计算引擎、三维可视化引擎、物理仿真引擎、AI计算框架等中间件，构建良好的应用开发生态。三是研发智能煤矿数字孪生技术，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，建设生产条件先知先觉、生产过程可视可控、生产安全可防可测、生产要素可调可配的煤炭“产、运、销、储、用”全流程透明化系统。最终构建智能低碳、安全高效的现代煤炭开发利用体系，推动煤炭工业高质量发展。
煤矿工业互联网——煤矿智能化系统的神经
工业互联网作为新一代信息技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，将成为智能煤矿信息交互的关键基础。2021年，工信部发布“5G+工业互联网”第一批重点行业和应用场景，采矿业作为重点行业，已有山西新元煤矿、陕煤小保当煤矿、曹家滩煤矿等数十个煤矿建成基于5G的矿山物联网，利用5G通信网络高带宽、低时延、海量接入等特性，实现工作面一键启动、高清视频传输、设备远程操控等采矿生产环节的智能化。
煤矿工业互联网（Mine Internet of Things, MIOT）是覆盖煤炭生产、洗选加工、运输、销售、使用以及安全监管、企业决策、生态影响等全煤流、全生产要素、全产业链的互联体系。煤矿工业互联网是煤矿智能化系统的神经网络，负责煤炭工业系统信息感知汇聚、数据融合共享、资源优化配置与产业价值发掘，属于煤炭行业更高层级、更大范围的信息化与工业化紧密融合应用的概念。
当前，煤矿工业互联网的建设还有诸多亟需解决的问题。首先，煤炭行业要高度重视煤矿工业互联网系统建设，将其作为煤矿智能化发展的基石与赋能企业高质量发展的重要技术手段来对待；其次，要加快煤矿工业互联网顶层架构设计、构建煤矿工业互联网技术体系，要将煤炭生产、安全监管、存储运销、行业转型发展、智能化发展等各方面需求系统地谋划嵌入到煤矿工业互联网当中；再次，要加快煤矿工业互联网标准规范制定，2021年11月，工信部、国家标准委联合印发《工业互联网综合标准化体系建设指南（2021版）》，以标准规范建设引领工业互联网高质量发展。在煤炭领域，也亟需加快标准体系的顶层设计与研制实施，为各类煤矿生产子系统、安全监控子系统、运营管理子系统提供统一的通信接口与数据规范；最后，要突破系列关键核心技术，例如：统一开放的矿山装备及零部件标识解析体系、煤矿工业互联网可信隐私计算与安全防护技术、面向行业赋能的工业大数据与人工智能技术等。
煤矿泛在互联操作系统——煤矿智能化系统的中枢
操作系统是智能系统最基本和最重要的基础性系统软件。回顾操作系统70年的发展历程，存在主辅两条发展路线。主线是面向单机的操作系统发展路线，像Windows、Linux、Android、HarmonyOS等桌面/手机操作系统以及VxWorks、uC/OS、FreeRTOS、RT-Thread等嵌入式操作系统均属于单机操作系统。随着网络技术的发展，计算机数据总线可以通过互联网延伸至其他计算机，并将其视作外部设备进行通信和协作，因此，在单机操作系统发展主线之外，还出现了网络化操作系统的发展辅线。两条发展路线一直相互借鉴、相互交迭，操作系统概念也一直在扩展和泛化中，出现了云计算操作系统、机器人操作系统、物联网操作系统等新概念。
在工业自动化领域，集散控制系统（Distributed Control System, DCS）利用工业以太网等现场总线技术，实现设备监控、人机交互、工艺制定、物料管理等功能，广义上来讲也是一种行业应用操作系统。近年来，GE、西门子、ABB等著名工业自动化公司陆续发布了Predix、MindSphere、Ability等物联网操作系统，国内也研发出了XiUOS（矽璓）、supOS（蓝卓）等具有自主知识产权的工业物联操作系统。
2021年9月，国家能源集团与华为公司联合发布了“矿鸿”操作系统，可使井下多种设备间的连接更紧密，设备的交互对话有了统一语言，为构建煤矿工业互联网提供了重要技术支撑。目前，矿鸿操作系统的全矿适配应用正在乌兰木伦煤矿紧锣密鼓地进行，有18个厂家的33种500余台套设备接入矿鸿操作系统，通过该系统独特的“软总线”和近场通信技术，以统一的接口和协议标准，解决不同厂家设备协同与互通的问题，实现设备“无屏变有屏、固定按键操作变手机移动操作”、巡检机器人和传感器“近场无感式”快速数据采集等功能。
煤矿泛在互联操作系统是煤矿智能化系统的中枢，为各种行业应用中间件和APP等提供生态支撑。它应该包括两层架构，第一层是面向装备的单机操作系统，对下提供设备层数据流和控制流的标准通信架构与驱动开发管理框架，对上为应用层提供数据通信服务、资源管理调度、应用程序开发框架等系统服务；第二层是行业应用操作系统，面向煤矿工业互联网应用提供完整的中间件服务，例如业务数据管理、行业知识模型库、AI计算框架、可视化引擎、物理仿真引擎等。二者的关系有点类似于Linux与机器人操作系统ROS的关系。加快煤矿泛在互联操作系统研发和应用一方面需要加强基础研究，在操作系统体系架构、运行机制、应用构造、可信保障等方面持续突破；另一方要加大开源力度，通过开源社区聚集行业企业、科研院所和个人力量，协同推进操作系统技术的迭代创新，构建完善的应用开发生态。
煤矿数字孪生系统——煤矿智能化系统的大脑
数字孪生是近年快速发展的工业数字化技术，建设数字孪生城市已列入我国“十四五”规划纲要，有15个不同领域的“十四五”规划把数字孪生作为重点突破的基础技术。2020年，我们率先提出了煤矿数字孪生概念，系统阐述了数字孪生的内涵，指出数字孪生是智能煤矿发展的必然趋势。针对智采工作面，提出了融合5G 通信技术、物联网技术和仿生智能技术的数字孪生智采工作面系统架构，总结了数字孪生智采工作面10项关键技术。
煤矿数字孪生系统是以煤矿工业互联网为基础，在煤矿泛在互联操作系统平台上构建的煤炭“产、运、销、储、用”全流程透明化系统，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，实现煤矿生产条件先知先觉、生产过程可视可控、生产安全可防可测、生产要素可调可配，是在更高层次上构建煤矿智能化系统的大脑。构建煤矿数字孪生系统可分为四个步骤：
一是实现离散数字孪生，针对一台采煤机、掘进机或其他矿用装备，着重数字孪生模型构建、虚实仿真交互、装备全生命周期管控等；
二是实现复合数字孪生，主要针对煤矿子系统，例如一个采煤或掘进工作面、一条主煤流运输线，是基于离散数字孪生和外部数字资源复合而成的数字孪生体，着重多个数字孪生装备的协同作业、装备与环境的相互作用、矿井灾害的监测预警等，这是当前煤矿智能化建设的主要努力方向；
三是实现全煤矿数字孪生，面向开采全流程，通过数据实时交互、虚拟仿真反馈、大数据分析决策，实现煤炭的安全高效开发利用；
四是实现“产、运、销、储、用”全煤流数字孪生，最终达到全要素、全流程、全链条集成融合与价值共生的目的。
煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的必由之路，信息技术作为煤矿智能化的核心支撑技术，在实现煤矿智能化高质量发展的道路上任重而道远。需要我们以科技创新为驱动、加强组织引导、加大政策支持、凝聚各方共识，以开放共享的姿态汇聚各方力量，加速信息技术与煤炭工业的深度融合与产业落地，共同推进煤矿智能化高质量发展。
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