近年來，以5G、人工智能、物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術在煤炭行業(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。未來煤礦智能化的發(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)字孿生系統(tǒng)作為強力支撐。一是構建覆蓋全域的煤礦工業(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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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)的神經網絡
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)十處煤礦建成基于5G技術的礦山物聯(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。
神東煤炭集團液壓支架搭載礦鴻操作系統(tǒng)
煤礦工業(yè)互聯(lián)網是覆蓋煤炭生產、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(jù)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須解決的問題。
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。再其次，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，也亟須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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)采集等功能。
山東能源集團郭屯煤礦職工在地面安全生產調度指揮中心操作井下采煤機
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(jù)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(jù)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(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。兩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)字孿生城市已被列入我國“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，我們提出了融合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(jù)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)可分為以下四個步驟。
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(jù)實時交互、虛擬仿真反饋、大數(shù)據(jù)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。
【作者系中國工程院院士、中國礦業(yè)大學（北京）校長】
來源：中國煤炭報
