煤礦企業數字化重構轉型實踐與探索研究

杭成寶

(神華北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特 026015)

0 引 言

“兩化融合”即工業化和信息技術化相互融合，帶動新的工業模式邁向數字化。煤礦生產與信息化技術融合實現了增安、降本、提效的目的，全國百萬噸煤礦死亡率從2009年的0.892降至2019年的0.083，為安全管控、成本管控、效益管控提供支撐。隨著我國“四個革命、一個合作”能源安全新戰略的不斷深化，我國煤炭工業已經轉向高質量發展階段，2020年新冠肺炎疫情加速了我國企業調整產業結構，進行智能化轉型[1]，推動了煤礦數字化和智能化的發展步伐，我國能源行業正式提出進入能源5.0平行化時代[2]。

早在2006年，數字化礦山就被學者提出[3]，并就數字化礦山體系結構模型[4]、煤礦數字化礦山發展及關鍵技術[5]、四層全域模型[6]、煤礦數字化礦山架構[7]、數字化礦山存在的問題等開展了探討與展望[8-9]，對數字化礦山異構數據[10]、數字化維修VR仿真[11]及其他新技術新裝備開始應用及研究[12]，初步建立了露天礦數字化平臺[13]，此階段的數字化只作為一種技術服務于礦山工藝。5G、F5G、BIM、區塊鏈、AR、AI、大數據、云計算、物聯網、區塊鏈、虛擬化等新技術的應用推動了煤礦工藝由數字化向智能化發展，煤礦數字化與煤礦智能化并非獨立存在，2019年，王國法等[14-15]明確了二者的內涵和關聯關系，并就核心技術、關鍵技術、開采工藝、煤礦智能化標準體系等展開研究分析，2020年，基于“戰略+運營”提出企業數字化轉型[16]，并就數字化轉型機制、3階段轉型框架等展開研究[17]。

企業數字化、煤礦智能化在高科技的推動下實現“兩化融合”，其發展的路線是相輔相成、相互補充的，而采用的技術也隨著科技的發展不斷提升。要實現煤礦企業數字化、煤礦智能化就必須要與時俱進，創新理念，運用成熟的信息技術作為支點，實現業務、管理、商業模式的重構。本文基于理論研究+實踐經驗的方式，以煤礦企業國家能源集團神華北電勝利能源有限公司(以下簡稱“勝利能源”)為例，分析了開展數字化和智能化建設現狀與需求，提出數字化實踐和數字化探索是實現煤礦企業數字化重構轉型的重要方式并展開論述，尤其是運用沙漏模型探索性分析了數字化思維理念轉變的必要性。最后采用魚骨圖分析了數字化重構過程中的問題，并從組織、資金、技術、人才4個方面運用PDCA戴明環管理模型對企業數字化重構轉型保障措施進行分析，為加快煤礦企業實現數字化服務于“戰略+運營”的管控模式，智能化服務于生產工藝，達到增安、降本、提效的目標，實現企業高質量發展提供參考。

1 煤礦企業數字化建設現狀和需求

科學技術作為第一生產力，無論是井工煤礦炮采、普采、綜采時期，還是露天煤礦單一人力、人與機械共享、大規模機械化時期都得到充分體現，云計算、大數據、5G等新技術促使數字化、智能化各類應用噴發式推進，而煤礦企業在這方面相對滯后，由于IT技術更新迭代快，煤礦企業一般在前期投入建設時比較重視，后期更新發展相對緩慢。勝利能源在成立初期比較重視信息化、數字化應用建設，比如基于MESH網的露天礦智能車輛管理系統、輪胎全壽命管理系統都是首次應用于國內露天煤礦，處于國內乃至國際領先水平，然而隨著IT新技術的迭代更新，部分數字化系統落后，應用孤島性劣勢明顯。2020年2月，國家發展和改革委員會等聯合發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，為煤礦智能化發展指明了方向。為貫徹落實該意見，科學規范有序地開展煤礦智能化建設。但按指導意見要求，煤礦企業離數字化轉型和智能化礦山建設達標仍存在一定的差距，主要差距及建設需求體現在以下方面。

1) 煤礦企業數字化轉型和煤礦智能化建設路線戰略規劃設計不夠明晰。

2) 煤礦企業數字化轉型和煤礦智能化建設頂層設計相對滯后，邊界不清，架構不清，可操作性不強。

3) 煤礦企業數字化轉型和煤礦智能化建設在IT技術基礎設施包括工控環網、數據中心、網絡安全等方面不完全具備條件，缺少智能一體化管控平臺，數據治理體系不完善、不完整。

4) 煤礦企業災害預警、采、運、排等各類智能化業務系統或者智能化煤礦工藝應用不完善，部分系統面臨升級或者淘汰，部分數字業務之間無法實現數據共享，存在孤島，無法直接為經營決策快速有效地提供數據分析支撐。

5) 煤礦企業無人駕駛、遠程操控，數字化檢修有待推進應用。

6) 人工智能機器人無法真正做到崗位無人值守，實現崗位減人，有待進一步完善開發應用。

7) 企業轉型期間專業性高端技術人才不足，一專多能復合類π型人才欠缺，普通崗冗余人員漸多，需要做好人才發展、人才戰略規劃。

2 煤礦企業數字化重構實踐

盡管企業發展不能完全依靠“拿來主義”，但借鑒、吸收其他企業成功的經驗卻是行之有效的方式之一。勝利能源要實現高質量發展，實現企業數字化轉型和煤礦智能化建設目標，需要根據自身的建設需求，通過“走出去、引進來”的方式開展技術交流，了解同行業優秀煤礦企業在數字化、智能化方面已經開展的技術和業務達到何種水平，存在哪些問題，然后針對頂層設計、IT基礎設施、成熟技術應用、成型智能化業務建設開展自身實踐，在實踐中進一步發現問題、解決問題。

2.1 加強頂層設計精準規劃布局

煤礦工業化與信息化融合是一項科學工程，需要嚴謹合理的規劃才能避免投資風險。面對未知及不確定性，能夠高瞻遠矚，前瞻性預判，從“后知后覺”到“先知先覺”，規劃頂層設計，精準布局是成功轉型的重要因素。勝利能源在數字化轉型開展之際，智能化推進之初，首要的就是加強頂層設計。圖1為勝利能源智慧企業五層模型應用架構，與安全生產密切相關的L3生產執行層、L2生產控制層、L1設備層建設，通過5G+WiFi6+高速傳輸融合“一張網”，通過系統集成、云邊協同、區塊鏈等技術構建勝利能源邊端智能一體化管控平臺，通過云計算、大數據等技術構建數據平臺形成公司端和礦端兩級數據中心，通過GPS/北斗定位、BIM+GIS等技術繪制高精度立體虛擬地圖模型，運用平行世界理論建立數字孿生平行安全體系，實現“一張網、一平臺、一數據、一張圖、一體系”的數字化運營生產、管理、決策模式。

圖1 勝利能源智慧企業五層模型應用架構Fig.1 Smart enterprise five-tier model application architecture for Shengli Energy Co.,Ltd.

2.2 注重IT基礎建設保障關鍵支撐

注重數字化轉型的IT基礎建設是保障數字化轉型成功的關鍵支撐。勝利能源以集團網絡安全和信息化總體規劃為指導，依據網絡安全等級保護標準2.0體系，充分結合公司信息化現狀，考慮未來數字化轉型、智能化建設需求，按照勝利能源智慧企業五層模型應用架構，應用新一代網絡技術發展成果開展勝利能源IT基礎設施建設，打造“一張網、一數據”，完善網絡、信息安全和數據中心等基礎設施和管理體系建設，開展基于IaaS基礎設施和PaaS平臺兩種云服務模式，減少重復投入，為后期各類數字化智能應用系統的建設，提供安全穩定的IT基礎運行環境。

2.3 積極推進成型數字應用穩妥落地

勝利能源通過對標集團信息專業化隊伍，對標同行業先進企業，對于比較成功的經驗、成熟的信息技術、成型實用的數字業務系統，積極推進實施，加快公司數字化重構、智能化的步伐。

1) 積極配合集團公司實施統建數字化系統，提升自身數字化應用水平。借助在L4經營管理層和L5決策支持層集團統建的業務系統，依托ERP實現人、財、物、項目和設備數字化管理，提升經營決策管控水平，依托國能E購加速招投標，提升采購效率。依托基石項目逐漸提升運營協調指揮業務的信息化管理能力，提升一體化管控的集約化管理水平。

2) 積極組織實施集團智能一體化管控平臺底座統建項目，在L3生產執行層，對于集團統建執行類系統采用“定制化實施+個性化優化”的方式建設，對于勝利能源根據業務需求自建的執行類系統則按照集團智能一體化管控平臺底座的標準，開展數據接口集成接入到勝利能源智能一體化管控平臺，進而搭建適合于勝利能源實際業務需求的生產執行系統和生產運營監測系統。

3) 數據庫是數字化轉型最核心的生產要素，現有的數據存儲、數據管理、大數據分析等技術已經比較成熟，各類數據庫比如空間數據庫、關系數據庫、實時數據庫的數據處理技術適用于煤礦結構化數據和非結構化數據的治理，建立公司端和礦端兩級數據中心。按照集團數據管理標準，完善公司數據管理體系，對公司各類數據資源進行整合形成標準數據資源，實現數據資源的互聯互通、信息共享，實現業務橫向協同、縱向貫通的深度利用目標，使生產數據應用水平得到進一步提高，數據資產價值得到更有效的發揮。

4) 依靠先進的技術提升數字化應用。比如通過引入毫米波雷達防碰撞自動剎車系統解決坑下卡車運行過程中存在的重大安全隱患，有效避免和緩解車輛碰撞、追尾等交通事故；通過引進智能車輛管理系統對坑下外委車輛實現定位、超速報警，并提供安全考核數據依據；引進成熟視頻AI智能分析技術，結合同類企業成功的視頻智能分析應用經驗及發現的問題，如楊成龍等[18]對煤礦帶式輸送機場景智能視頻技術的難點、關鍵點進行了探討，按照自身輸煤皮帶、設備維修、安全生產等應用場景借助視頻模型訓練細化場景模型算法，滿足勝利能源各應用場景下視頻AI智能分析需求，并做出報警處理等響應。

3 煤礦企業數字化重構探索

煤礦企業數字化重構除了做好引進落實先進技術經驗之外，更需要始終有創新探索精神，貫穿轉型之路，在穩妥實施成熟數字化應用期間，同步從數字化思維理念轉變和煤礦“兩化融合”應用兩方面開展數字化重構創新探索。

3.1 數字化思維轉變探索

企業數字化轉型最終會改變企業管理模式、生產模式、組織模式和運營模式，因此思維模式管理觀念需要轉變。利用數字化技術驅動生產運營的理念是轉變形成數字化管理思維的關鍵，如圖2所示，勝利能源通過沙漏模型層級式推動數字化思維理念的轉變，達成企業數字化轉型發展共識如下所述。

圖2 企業數字化思維轉變沙漏模型Fig.2 Hourglass model for enterprise digital thinking changing

1) “走出去”。組織各層級領導、管理人員對標交流先進煤礦企業、IT技術企業、數字化比較先進的制造企業和科研機構，從而開闊眼界、啟迪思想、拓寬思路，讓企業高層人員真正意識到通過“兩化融合”實現數字化的價值。讓企業高層人員了解當前的國家政策和市場發展現狀，充分認識到實施數字化重構的迫切性和必要性，進而支持推動勝利能源數字化、智能化發展工作。

2) “引進來”。邀請煤礦類科研機構、軟硬件應用開發商等方面的專家進行技術交流，通過交流讓勝利能源技術人員更加深刻地了解露天煤礦數字化、智能化的關鍵技術、主要設備、應用成果價值，可以推進勝利能源技術人員結合實際工作開拓創新。

3) 開展戰略合作。尋求在數字化技術成熟、數字化設備可靠、數字化研發投入力度大的企業開展戰略合作，形成數字化運營管理思維戰略同盟，保持數字化研究與數字化應用同步。

4) 建立創新型和學習型企業。通過宣傳煤礦數字化和智能化應用研發成果，讓全體員工感受科技創新的價值所在，鼓勵員工自主學習數字化技術，適應數字化轉型發展需要，打造勝利能源數字化生態人文環境。

3.2 煤礦數字化技術應用探索

按照數字化頂層規劃設計，基于業務需求，煤礦企業要從智能采掘、機器人應用、數字化維修、智能篩選等方面開展煤礦數字化技術應用探索。

1) 智能采掘。為實現勝利能源露天煤礦智能采掘，主要從兩個方面開展技術應用探索。一是露天礦生產工藝的轉變，目前勝利露天礦主要采用電鏟+卡車+破碎+膠帶運輸機半連續生產工藝。按照露天礦后期的開采規劃需要，勝利能源正在研究采用輪斗+膠帶運輸機智能化連續生產工藝實現土方剝離和采煤。通過方案技術論證，勝利能源露天礦采煤按運距1.5 km規劃，噸煤成本由半連續工藝的5.41元/t，降為連續工藝的2.93元/t，5號煤層和6號煤層之間土方剝離3 000萬m3按兩條3 km皮帶運輸規劃，剝離成本由半連續工藝的8.95元/m3，降為連續工藝的1.94元/m3。連續采煤工藝再賦能數字化、智能化技術，較半連續工藝將大幅度實現減人、節能、降本、提效的目標，提升安全生產水平。二是智能化實現電鏟遠程操控+卡車無人駕駛。目前，大型高寒地區露天礦已經開展礦用卡車無人駕駛關鍵技術及效益預測研究[19]，并進行了無人車編組、有人無人混編重載運行，實現無人礦卡“裝、運、卸”智能化運行，據寶日希勒露天煤礦無人駕駛應用研究統計，每臺車節省人力4人，無人駕駛最大運輸量可以達到有人駕駛運輸量的82%。隨著無人駕駛系統的逐漸完善，運行路線、裝載、排土流程的逐步優化，無人運輸效率將穩步提高。勝利能源可以直接引進先進的經驗實施無人駕駛，并在下一步同有科研能力的企業聯合開展電鏟遠程操控的研究探索。

2) 激勵開展自主機器人應用探索。盡管有很多企業開展機器人應用研究，有些應用場景一致，但各個單位應用條件和應用環境差別比較大。針對個性化問題，勝利能源激勵開展自主機器人應用探索，目前已經通過創新自主研發智能停送電機器人和輸煤皮帶巡檢機器人，配套建立智能配電室實現了流程審批無紙化、停送電操作智能化和配電室巡檢無人化，在試運行期間安全可靠性較高，計劃推廣應用成果。目前著重組織實施儲煤倉倉下、室外膠帶機、篩分樓等區域的巡檢機器人研發。

3) 研究打造數字化維修平臺。勝利能源技術人員自主開發建立了WK-35電鏟全時狀態數字化平臺，充分運用數據采集、實時狀態數據分析實現了電鏟的精準高效監測；自主研發“銀粉涂層式結構件裂紋監測傳感器”，大幅度提高對結構件的監測效率，有效保障設備的安全運行。研究實踐表明，數字化維修在預防性維修方面具有非常實用的數據價值，可以實現故障預測、問題預判、提前報警，為此勝利能源規劃研究打造勝利能源數字化維修平臺，從而降低設備故障率，提高設備出動率。

4) 智能篩選。為了讓地面生產系統操作人員、巡檢人員離開繁重危險的崗位，讓設備維修人員對設備進行預知性維修，勝利能源全面打造地面生產系統智能篩選，實現從破碎站自動破碎，輸煤皮帶無人巡檢，建造智能選煤廠，到裝車站自動快速定量裝車全流程的數字化集控智能化生產。在此期間要針對勝利能源現場環境利用紅外、電磁波、3D激光堆體測量、視頻分析等新技術研究解決冬季車廂內凍黏物料識別與精準計量、冬季物料霧氣對視頻識別技術的干擾、大塊物料自動識別與破除等問題。

4 數字化重構問題及保障分析

4.1 數字化重構問題分析

國家要淘汰落后產能煤礦，煤礦企業就要實現高質量發展，必須進行數字化重構轉型，這個轉型過程并沒有統一的道路，也并非是一成不變的。如圖3所示，勝利能源在數字化重構轉型過程中必然存在一系列問題，通過魚骨圖分析大概涉及理念思維、路徑方式、組織協調、資金投入、人力配備、技術支撐6個方面，包括思維模式管理觀念轉變難、轉型路徑不清晰、缺乏系統性思考、企業產業鏈數字化認識不一致、協調難、資金投入大、回報周期長、效果不明顯、技術門檻要求高、專業人才不足等18個原因，要保證數字化重構轉型順利開展，必須針對這些問題提供保障措施。

4.2 數字化重構保障分析

由圖3可知，數字化轉型中的問題涉及理念思維和路徑方式主要是做好理念的轉變，開闊思路，進行頂層設計規劃和實施路徑規劃，上述問題已在前文進行分析。其余的問題主要涉及組織、人力、資金、技術4個方面。基于PDCA戴明環管理理論，對這4個方面進行數字化重構保障分析(圖4)。

圖3 數字化重構問題魚骨圖Fig.3 Fishbone diagram of digital reconstruction problem

圖4 數字化重構保障PDCA分析圖Fig.4 PDCA analysis chart of digital reconstruction guarantee

1) 4個方面均應該分為計劃(Plan)、執行(Do)、檢查(Check)、處理(Act) 4個階段形成閉環管理。比如組織方面，必須要進行規劃，明確組織機構，管辦分離，權責明確，要嚴格按照組織流程執行項目的審批，由監督職能部門按制定的標準進行考核檢查，對發現的問題要及時采取處理措施，優化調整組織體系，開展后期組織協調工作。人力、資金、技術3個方面也應該采取PDCA戴明環管理理論進行管控。

2) 由圖4可知，組織協調是4個方面中最重要的，一是組織機構本身必須清晰才能權責明確；二是數字化重構轉型本身是一個創新類長期性的業務工程，需要企業領導層組織對人力、技術、資金全方位大力的協調支持。

3) 人力、資金、技術之間是相互獨立運作的，但也是相互制約、相輔相成、相互補充的，比如非IT企業專業信息人才的引進可以在一定程度上解決類似技術專業性的問題，需要優化發展空間，提升晉升通道[20]，但是也需要考慮企業的性質，考慮資金成本。完全按照市場需求滿足類似人才的需要是不現實的。因此，人力、資金、技術必須在組織的統一協調下，根據企業實際情況科學地、合理地統籌開展數字化重構人力配備體系、資金管控體系和技術保障體系。

5 結 語

本文以勝利能源為例，分析了煤礦企業自身數字化建設現狀與建設需求，強調理念轉變，采用理論研究+實踐經驗的方式探討數字化重構轉型之路。本文運用魚骨圖分析了所存在的問題，采用PDCA戴明環管理模型從組織、資金、技術、人才4個方面分析了如何做好數字化重構轉型的保障，取得了一定的建設成效。企業數字化轉型、煤礦智能化并非一次性工程，而是一個利用5G、大數據、云計算、工業互聯網等技術將傳統技術深度融合信息技術的轉變過程，進而創新決策模式、運營模式、生產模式、服務模式以及安全管控模式，企業需要真正認識到，數據就是資產，就是財富，能夠創造價值。煤礦企業應積極踐行煤礦少人則安、無人則安的理念，進一步加強數字化、智能化建設的探索與實踐，向煤礦高質量發展邁進。