以工業互聯網推進煤炭產業數字化轉型研究與實踐

李新華

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315)

1 煤炭產業數字化轉型的意義

2020年4月公布的《中共中央 國務院關于構建更加完善的要素市場化配置體制機制的意見》首次明確，數據成為繼土地、勞動力、資本、技術之外的第五大生產要素。大數據戰略成為當下推動時代變革的一個重要抓手。[1]以數據服務能力為核心，以萬物感知、萬物互聯、萬物智能為特征的數字經濟時代正在加速到來，新一輪科技革命正在全方位地改變社會生產生活方式。

數字經濟是全球未來的發展方向，要大力發展數字經濟，加快推進數字產業化、產業數字化，推動數字經濟和實體經濟深度融合。加快推進能源行業數字化是能源產業經濟轉型升級和高質量發展的必由之路。從企業長遠發展來看，構建智能化、低碳化、高效化、產業化發展格局，也是神東可持續發展的戰略選擇。神東推進智能化建設、數字化轉型已經不是“錦上添花”的“選擇題”，而是“雪中送炭”的“必答題”，就是要破解安全發展難題，把人從復雜危險的勞動環境中解放出來，進一步提高煤礦工人的體面感、尊嚴感、獲得感、幸福感、安全感；就是要實現“智慧生產、智慧安全、智慧經營、智慧環保”，推動煤炭行業可持續發展和高質量發展。

2 企業現狀以及智能煤礦建設中面臨的問題

數據已成為國家基礎性戰略資源，國家能源集團高度重視數字化轉型，大力推進智能礦山建設。神東作為國家能源集團的骨干企業，是我國首個2億t煤炭生產基地，現有大型現代化安全高效礦井13個，產能3 000萬t/a以上礦井1個，2 000萬～3 000萬t/a礦井2個，1 000萬～2 000萬t/a礦井5個，1 000萬t/a以下礦井5個。神東致力打造煤炭行業煤礦智能化建設的示范標桿，目前已建成15個智能采煤工作面、15個井工智能掘進工作面和1個智能選煤廠，但繼續推進煤礦智能化建設仍然存在以下問題和短板。

2.1 生產運營模式尚未形成生產與決策的智能協同體系

神東有1 370多家主要設備供應商，13.4萬臺各類設備，10余類操作系統，500多種需要適配對接的通信協議。不同的設備裝置具有不同的操作系統，同一供應商不同時期提供的操作系統及應用彼此不兼容，造成設備之間數據共享難、信息互通難、生產作業智能聯動難，尤其在采煤與運輸、采煤與通風、工控系統協同方面，不同廠商的采煤機、液壓支架、刮板輸送機的接口及協議互不兼容。而煤礦智能化建設需要要統一標準統一架構[2]。建立統一的信息化智能化作業支撐系統，實現智能化協同作業和生產控制，實現自感知自優化的決策支撐，是神東需要著力解決的關鍵問題。

2.2 安全管理模式尚未形成全域泛在的智能預警體系

神東辨識出各類危險源約20 000多條，每年排查出各類安全問題隱患11 000多條，但安全管理依然靠“人盯人、人防人、人管人”，“人機環管”等方面沒有智能預警功能，無法動態、在線超前預判重大危險源帶來的安全風險。利用AI(人工智能)在線識別已知風險源和不安全行為，自動觸發整改電子流，管控整改過程節點，實施整改結果智能評價，實現安全領域快速信息傳遞、自感知風險預測、智能故障預防、智慧應急管理，是神東智能安全管理體系的研究核心。

2.3 經營管理尚未形成跨越生產和經營的智能決策體系

神東目前尚未建立起與智能煤礦、世界一流企業相匹配的、系統的、全面的智能化經營管理系統。各業務系統間數據不能共享，缺乏統一平臺，形成“數據孤島”，讓煤礦海量數據陷入“沉睡”。神東自主搭建的生產數據倉庫2019年上線，截至目前，持續采集1萬臺設備的生產數據709 d，在用測點26.8萬個，累計存儲數據1.43萬億條。今后測點將達到60萬～80萬個，數據量至少是現在的10～100倍。海量數據可進行收集、整理，但缺乏分析、交互和應用，沒有轉化成具有智慧決策的支撐力量。神東需要建立一套跨部門、跨專業、跨領域、跨層級“業財聯動”的智能化經營管理體系，以實現“生產成本實時精準管理”。

2.4 環保管理尚未形成生產生活實時全天候的智能聯動體系

神東的環保監測監控體系未能集成環境治理、水土保持、節能低碳、地質環境與土地復墾相關監測監控指標，沒有實現全天候實時監測，未形成神東礦區一體化生態環境監測監控系統，未能實現污染防治、生態修復、營造管護等指標的全部數字化、體系化、標準化。

3 工業互聯網是實現煤礦數字化轉型的重要基礎

要補上以上短板，必須應用工業互聯網。工業互聯網是數據標準和運行規則集成的技術體系，更是產業鏈、供應鏈、價值鏈、創新鏈上下游協同的生態體系。

3.1 工業互聯網是能源產業數字化轉型的重要保障

在新一輪科技革命和產業變革深入發展的背景下，數字經濟及其與實體經濟的深度融合終將演變為一種數據驅動型經濟，生產力和生產關系都將被重新定義[3]。數字經濟時代，數據是核心生產資料，算力成為生產力，工業互聯網組織了新的生產關系，使得大數據和AI成為重要的生產工具。工業互聯網構建的數字產業大生態，將推動能源產業發展模式、生產方式深刻變革，為行業智能化建設、數字化轉型提供強大支撐保障。

工業互聯網主要體現在對人、機、物、系統進行全面數字化連接，實現能源產業“生產要素的數字化”，可造就產業資源要素新形態；對產業全時域泛在海量數據進行融合共享與價值挖掘，使能源產業各環節數字化智能化，改變能源產業的生產方式，實現“生產方式與資源配置模式的變革”。打造工業互聯網數字化平臺，可實現能源產業“智能化生產、網絡化協同、個性化定制和服務化延伸”，改進生產關系，同時又可促進能源產業生產力的發展。

3.2 工業互聯網可助推建設煤礦數字化新生態

加速工業互聯網在煤礦的應用落地，將改變煤炭產業的產業形態、價值形態和交易結構，實現煤炭產業的數字化轉型。未來煤礦將以“安全可信、自主可控”的工業互聯網為主要平臺，實現數字經濟與能源經濟的融合發展，實現煤炭穩定供應、安全態勢平穩、經濟持續發展、生態環境保護的高度協同，創造以工業互聯網建設為標志的“煤炭工業文明”，如圖1所示。

經過數字化轉型，煤礦將以“業務數字化、數字能力化、能力平臺化、平臺生態化”為主線，以“安全、高效、綠色、智能”為目標，實現煤礦全體系、全鏈條、全流程、全要素的端到端(E2E)數字化智慧運營。

(1)通過“泛在的連接”，對人、物、設備、系統、環境各類要素數據進行全面采集融合，實現“人-機”“機-機”萬物互聯的數字化。

(2)通過“平臺化的服務”，實現煤礦生產海量數據的存儲、管理、計算與分析，挖掘數據價值，支撐煤礦各種安全生產應用，實現平臺服務的智能化。

(3)通過“知識的積累”，將基于煤礦生產實踐的數據分析能力變現成知識，并進行固化、積累、共享與復用，提升知識的價值創造能力，實現行業知識的智能化。

(4)通過架構解耦與微服務化能力，借助平臺的各種資源、生態體系，廣泛應用于工業實踐，營造更大規模的生態化應用場景，實現迭代創新的智能化。

3.3 工業互聯網可破解煤礦智能化建設關鍵難題

未來煤礦將是智能化的生態體系，以工業互聯網為核心，通過煤礦泛在全時域的數字化轉型，實現煤礦連接數字化到生產數字化、安全數字化到運營數字化、管理數字化到決策數字化、創新數字化到生態數字化，實現煤礦“向產業生態化要能力、向系統數字化要價值、向生產智能化要效率、向經營智慧化要效益、向運營服務化要發展”的美好藍圖?，F階段，工業互聯網可以破解煤礦智能化建設過程中的關鍵難題。

(1)解決技術封鎖和芯片卡脖子問題。數據是重要的生產要素，必須牢牢掌控在自己手中。神東用鴻蒙操作系統替代國外操作系統，將生產數據搬遷到自研數據庫，用國產芯片替代進口芯片，確保了企業生產管理安全可信、自主可控。

(2)解決工業網絡實時傳輸的問題。實現礦用5G無線覆蓋，通過F5G構建井下本安硬管道，配合工業交換機，確保傳輸網絡低時延、高可靠。

(3)解決生產要素萬物互聯的問題。大力發展鴻蒙生態，用鴻蒙操作系統進行工業環境的適配，替代國外操作系統，實現連接協議和標準的統一。

(4)解決通信協議標準化問題。推行工控標準協議EIP，解決協議龐雜對接成本高的問題，打造《新一代自主可控的工業通信標準》，使設備間互聯互通簡單高效。

(5)解決數據治理手段落后的問題。基于統一的數據平臺，將大數據與人工智能相結合，打造煤礦數據架構體系與能力體系，提升數據治理能力。

4 聯合創新，研發能源(煤炭)工業互聯網體系

工業互聯網事關工業體系未來發展，神東為此進行了前瞻性、系統性、戰略性的謀劃，全力構建能源(煤炭)工業互聯網生態體系、架構體系，以支撐企業的數字化轉型。華為是我國信息技術能力最強的企業之一，華為煤礦軍團是志在打造世界一流智能礦山解決方案的專業團隊。神東與華為煤礦軍團達成合作，目的就是立足工業互聯網，研發攻克煤礦智能化的深層次難題，打造億噸級智能化礦井群“超級工程”，引領煤炭行業數字化轉型。

4.1 聯合攻關

2021年5月，神東與華為煤礦軍團成立了智慧煤礦聯合創新項目組，確定聯合創新課題18個，子項目21個。8月舉行了戰略合作協議簽約和聯合創新中心揭牌儀式。截至目前，神東投入各部門業務骨干80多人，華為常駐神東創新中心70多人，華為總部投入研發人員200多人，合作廠家投入160多人共同進行技術攻關。

未來煤礦的智慧化建設、產業化協同、生態化運營，需要在工業互聯網基礎架構之上采用一套標準體系構建一張端到端全面感知的網絡，才能實現真正意義上的產業數字化運營。當前煤礦企業的生產設備種類繁多、操作系統彼此不兼容、設備間需要適配對接的通信協議達到幾千種之多，設備之間數據共享難、信息互通難，生產作業智能聯動更難。鑒于此，煤炭企業的泛在連接層已然成為煤礦智能化生產的嚴重阻滯，急需一套統一的操作系統實現不同設備間高效通信。

神東與華為公司共同創新研發的“礦山鴻蒙”操作系統完美地解決了以上問題?！暗V山鴻蒙”通過為大大小小的智能終端設備提供統一的操作語言，實現了人與設備、設備與設備間的互通與協同，通過萬物互聯實現終端設備網絡化智能化的協同作業、智能化的生產控制，大大提高了煤礦企業的生產效率及安全管理水平，助力煤炭企業實現智能化生產數字化運營。

當前“礦山鴻蒙”操作系統已成功適配煤礦井下綜采工作面的液壓支架主控器、工作面通訊控制器、組合開關顯示控制器，以及吊軌式、膠輪式等各類巡檢機器人共20種設備、398個應用單元。

4.2 主要聯合創新計劃

鴻蒙系統是華為公司歷經近10年、6 000多名科學家嘔心瀝血、砥礪奮斗的結果，是一款面向萬物互聯時代的、全新的分布式操作系統。在傳統的單設備系統能力基礎上，鴻蒙操作系統提出了基于同一套系統能力、適配多種終端形態的分布式理念。2021年9月14日，國家能源集團與華為公司聯合召開“礦山鴻蒙”系統首次工業化應用發布會(圖2)。雙方將來主要聯合創新計劃是，在國家能源集團總的框架體系下，進一步做好“礦山鴻蒙”操作系統現場試驗、應用和推廣。

圖2 “礦山鴻蒙系統”首次工業化應用發布會現場

(1)鴻蒙系統生態鏈體系方面，秉承“安全可信、自主可控”的理念，全面推廣“礦山鴻蒙”操作系統[4]、國產數據庫和鯤鵬、昇騰芯片的應用。計劃2021年年底前完成26個系統應用到國產高斯數據庫的遷移，建成國家能源集團鯤鵬和昇騰異構AI計算中心；2022年實現“礦山鴻蒙”操作系統在煤礦“采、掘、機、運、通”各系統的全面應用。

(2)工業網絡實時可靠方面，2021年底前，完成布爾臺煤礦綜采和掘進面5G技術生產場景驗證；完成保德煤礦F5G數據可靠通信硬管道技術試點應用，實現多業務高質量一網承載，全面提升井下網絡的實時可靠性。

(3)生產要素萬物互聯方面，完成一個綜采工作面全部工業裝備網聯化的應用實踐，實現“礦山鴻蒙”操作系統工業互聯網領域“首商用”。實現井下傳感器、液壓支架、采煤機等設備的網聯化，力爭2021年年內形成“礦山鴻蒙”操作系統神東企業標準。

(4)煤炭行業工業協議標準方面，與華為合作首創基于EIP的《新一代自主可控工業通信標準》，貢獻給國家標準組織，助力煤炭行業率先實施數字化轉型。

(5)數據高效協同智能治理方面，基于數據與應用集成的羅馬(ROMA)平臺，通過建立強大的跨云、跨地域集成能力，聚焦煤礦企業應用與數據聯接，達到內部互通、內外互通、多云互通，解決多廠商設備接口協議差異，消除數字鴻溝，驅動煤礦企業數字化轉型的目的；基于大禹(DAYU)平臺的數據全生命周期管理與智能數據管理能力，支持知識庫智能化建設，快速構建從數據接入到數據分析端到端智能數據系統，消除數據孤島，統一數據標準，實現神東各業務系統協同；基于人工智能在線訓練，提高安全生產領域圖像和聲音的識別精度，釋放行業數據價值，加速企業數字化轉型。

4.3 聯合創新的最終目標

(1)打造能源工業互聯網生態鏈體系?；谌A為芯片、操作系統、數據庫、網絡設備、云/AI算法模型全套核心技術，打造國內首個“安全可信、自主可控”的工業互聯網生態鏈體系。

(2)打造能源工業互聯網平臺。設計設備物聯、基礎工業網絡、數據治理、業務應用、網絡安全5層架構，基于一套標準體系、一張全面感知的網絡，通過“采集交換-集成處理-建模分析-決策與控制”的閉環數據驅動，實現“智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸”的生態智慧運營。

5 結語

在國家能源集團的大力支持下，神東煤炭集團和華為煤礦軍團現已達成戰略共識，進一步明確了合作方向。目前“礦山鴻蒙”操作系統應用已經在神東取得實質性進展?！暗V山鴻蒙”操作系統的研發與應用，突破了煤礦智能化建設“卡脖子”技術瓶頸，為煤礦數字化轉型做出了突出貢獻。

面向未來，神東將在國家能源集團總的工作框架體系下，構建“智能化生產、數字化運營、平臺化發展、生態化協作、產業鏈協同”的發展新格局，賦能行業智能化建設和數字化轉型，為國家能源安全和行業高質量發展積極貢獻力量。