以工业互联网推进煤炭产业数字化转型研究与实践

李新华

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西省榆林市，719315)

1 煤炭产业数字化转型的意义

2020年4月公布的《中共中央 国务院关于构建更加完善的要素市场化配置体制机制的意见》首次明确，数据成为继土地、劳动力、资本、技术之外的第五大生产要素。大数据战略成为当下推动时代变革的一个重要抓手。[1]以数据服务能力为核心，以万物感知、万物互联、万物智能为特征的数字经济时代正在加速到来，新一轮科技革命正在全方位地改变社会生产生活方式。

数字经济是全球未来的发展方向，要大力发展数字经济，加快推进数字产业化、产业数字化，推动数字经济和实体经济深度融合。加快推进能源行业数字化是能源产业经济转型升级和高质量发展的必由之路。从企业长远发展来看，构建智能化、低碳化、高效化、产业化发展格局，也是神东可持续发展的战略选择。神东推进智能化建设、数字化转型已经不是“锦上添花”的“选择题”，而是“雪中送炭”的“必答题”，就是要破解安全发展难题，把人从复杂危险的劳动环境中解放出来，进一步提高煤矿工人的体面感、尊严感、获得感、幸福感、安全感；就是要实现“智慧生产、智慧安全、智慧经营、智慧环保”，推动煤炭行业可持续发展和高质量发展。

2 企业现状以及智能煤矿建设中面临的问题

数据已成为国家基础性战略资源，国家能源集团高度重视数字化转型，大力推进智能矿山建设。神东作为国家能源集团的骨干企业，是我国首个2亿t煤炭生产基地，现有大型现代化安全高效矿井13个，产能3 000万t/a以上矿井1个，2 000万～3 000万t/a矿井2个，1 000万～2 000万t/a矿井5个，1 000万t/a以下矿井5个。神东致力打造煤炭行业煤矿智能化建设的示范标杆，目前已建成15个智能采煤工作面、15个井工智能掘进工作面和1个智能选煤厂，但继续推进煤矿智能化建设仍然存在以下问题和短板。

2.1 生产运营模式尚未形成生产与决策的智能协同体系

神东有1 370多家主要设备供应商，13.4万台各类设备，10余类操作系统，500多种需要适配对接的通信协议。不同的设备装置具有不同的操作系统，同一供应商不同时期提供的操作系统及应用彼此不兼容，造成设备之间数据共享难、信息互通难、生产作业智能联动难，尤其在采煤与运输、采煤与通风、工控系统协同方面，不同厂商的采煤机、液压支架、刮板输送机的接口及协议互不兼容。而煤矿智能化建设需要要统一标准统一架构[2]。建立统一的信息化智能化作业支撑系统，实现智能化协同作业和生产控制，实现自感知自优化的决策支撑，是神东需要着力解决的关键问题。

2.2 安全管理模式尚未形成全域泛在的智能预警体系

神东辨识出各类危险源约20 000多条，每年排查出各类安全问题隐患11 000多条，但安全管理依然靠“人盯人、人防人、人管人”，“人机环管”等方面没有智能预警功能，无法动态、在线超前预判重大危险源带来的安全风险。利用AI(人工智能)在线识别已知风险源和不安全行为，自动触发整改电子流，管控整改过程节点，实施整改结果智能评价，实现安全领域快速信息传递、自感知风险预测、智能故障预防、智慧应急管理，是神东智能安全管理体系的研究核心。

2.3 经营管理尚未形成跨越生产和经营的智能决策体系

神东目前尚未建立起与智能煤矿、世界一流企业相匹配的、系统的、全面的智能化经营管理系统。各业务系统间数据不能共享，缺乏统一平台，形成“数据孤岛”，让煤矿海量数据陷入“沉睡”。神东自主搭建的生产数据仓库2019年上线，截至目前，持续采集1万台设备的生产数据709 d，在用测点26.8万个，累计存储数据1.43万亿条。今后测点将达到60万～80万个，数据量至少是现在的10～100倍。海量数据可进行收集、整理，但缺乏分析、交互和应用，没有转化成具有智慧决策的支撑力量。神东需要建立一套跨部门、跨专业、跨领域、跨层级“业财联动”的智能化经营管理体系，以实现“生产成本实时精准管理”。

2.4 环保管理尚未形成生产生活实时全天候的智能联动体系

神东的环保监测监控体系未能集成环境治理、水土保持、节能低碳、地质环境与土地复垦相关监测监控指标，没有实现全天候实时监测，未形成神东矿区一体化生态环境监测监控系统，未能实现污染防治、生态修复、营造管护等指标的全部数字化、体系化、标准化。

3 工业互联网是实现煤矿数字化转型的重要基础

要补上以上短板，必须应用工业互联网。工业互联网是数据标准和运行规则集成的技术体系，更是产业链、供应链、价值链、创新链上下游协同的生态体系。

3.1 工业互联网是能源产业数字化转型的重要保障

在新一轮科技革命和产业变革深入发展的背景下，数字经济及其与实体经济的深度融合终将演变为一种数据驱动型经济，生产力和生产关系都将被重新定义[3]。数字经济时代，数据是核心生产资料，算力成为生产力，工业互联网组织了新的生产关系，使得大数据和AI成为重要的生产工具。工业互联网构建的数字产业大生态，将推动能源产业发展模式、生产方式深刻变革，为行业智能化建设、数字化转型提供强大支撑保障。

工业互联网主要体现在对人、机、物、系统进行全面数字化连接，实现能源产业“生产要素的数字化”，可造就产业资源要素新形态；对产业全时域泛在海量数据进行融合共享与价值挖掘，使能源产业各环节数字化智能化，改变能源产业的生产方式，实现“生产方式与资源配置模式的变革”。打造工业互联网数字化平台，可实现能源产业“智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸”，改进生产关系，同时又可促进能源产业生产力的发展。

3.2 工业互联网可助推建设煤矿数字化新生态

加速工业互联网在煤矿的应用落地，将改变煤炭产业的产业形态、价值形态和交易结构，实现煤炭产业的数字化转型。未来煤矿将以“安全可信、自主可控”的工业互联网为主要平台，实现数字经济与能源经济的融合发展，实现煤炭稳定供应、安全态势平稳、经济持续发展、生态环境保护的高度协同，创造以工业互联网建设为标志的“煤炭工业文明”，如图1所示。

经过数字化转型，煤矿将以“业务数字化、数字能力化、能力平台化、平台生态化”为主线，以“安全、高效、绿色、智能”为目标，实现煤矿全体系、全链条、全流程、全要素的端到端(E2E)数字化智慧运营。

(1)通过“泛在的连接”，对人、物、设备、系统、环境各类要素数据进行全面采集融合，实现“人-机”“机-机”万物互联的数字化。

(2)通过“平台化的服务”，实现煤矿生产海量数据的存储、管理、计算与分析，挖掘数据价值，支撑煤矿各种安全生产应用，实现平台服务的智能化。

(3)通过“知识的积累”，将基于煤矿生产实践的数据分析能力变现成知识，并进行固化、积累、共享与复用，提升知识的价值创造能力，实现行业知识的智能化。

(4)通过架构解耦与微服务化能力，借助平台的各种资源、生态体系，广泛应用于工业实践，营造更大规模的生态化应用场景，实现迭代创新的智能化。

3.3 工业互联网可破解煤矿智能化建设关键难题

未来煤矿将是智能化的生态体系，以工业互联网为核心，通过煤矿泛在全时域的数字化转型，实现煤矿连接数字化到生产数字化、安全数字化到运营数字化、管理数字化到决策数字化、创新数字化到生态数字化，实现煤矿“向产业生态化要能力、向系统数字化要价值、向生产智能化要效率、向经营智慧化要效益、向运营服务化要发展”的美好蓝图。现阶段，工业互联网可以破解煤矿智能化建设过程中的关键难题。

(1)解决技术封锁和芯片卡脖子问题。数据是重要的生产要素，必须牢牢掌控在自己手中。神东用鸿蒙操作系统替代国外操作系统，将生产数据搬迁到自研数据库，用国产芯片替代进口芯片，确保了企业生产管理安全可信、自主可控。

(2)解决工业网络实时传输的问题。实现矿用5G无线覆盖，通过F5G构建井下本安硬管道，配合工业交换机，确保传输网络低时延、高可靠。

(3)解决生产要素万物互联的问题。大力发展鸿蒙生态，用鸿蒙操作系统进行工业环境的适配，替代国外操作系统，实现连接协议和标准的统一。

(4)解决通信协议标准化问题。推行工控标准协议EIP，解决协议庞杂对接成本高的问题，打造《新一代自主可控的工业通信标准》，使设备间互联互通简单高效。

(5)解决数据治理手段落后的问题。基于统一的数据平台，将大数据与人工智能相结合，打造煤矿数据架构体系与能力体系，提升数据治理能力。

4 联合创新，研发能源(煤炭)工业互联网体系

工业互联网事关工业体系未来发展，神东为此进行了前瞻性、系统性、战略性的谋划，全力构建能源(煤炭)工业互联网生态体系、架构体系，以支撑企业的数字化转型。华为是我国信息技术能力最强的企业之一，华为煤矿军团是志在打造世界一流智能矿山解决方案的专业团队。神东与华为煤矿军团达成合作，目的就是立足工业互联网，研发攻克煤矿智能化的深层次难题，打造亿吨级智能化矿井群“超级工程”，引领煤炭行业数字化转型。

4.1 联合攻关

2021年5月，神东与华为煤矿军团成立了智慧煤矿联合创新项目组，确定联合创新课题18个，子项目21个。8月举行了战略合作协议签约和联合创新中心揭牌仪式。截至目前，神东投入各部门业务骨干80多人，华为常驻神东创新中心70多人，华为总部投入研发人员200多人，合作厂家投入160多人共同进行技术攻关。

未来煤矿的智慧化建设、产业化协同、生态化运营，需要在工业互联网基础架构之上采用一套标准体系构建一张端到端全面感知的网络，才能实现真正意义上的产业数字化运营。当前煤矿企业的生产设备种类繁多、操作系统彼此不兼容、设备间需要适配对接的通信协议达到几千种之多，设备之间数据共享难、信息互通难，生产作业智能联动更难。鉴于此，煤炭企业的泛在连接层已然成为煤矿智能化生产的严重阻滞，急需一套统一的操作系统实现不同设备间高效通信。

神东与华为公司共同创新研发的“矿山鸿蒙”操作系统完美地解决了以上问题。“矿山鸿蒙”通过为大大小小的智能终端设备提供统一的操作语言，实现了人与设备、设备与设备间的互通与协同，通过万物互联实现终端设备网络化智能化的协同作业、智能化的生产控制，大大提高了煤矿企业的生产效率及安全管理水平，助力煤炭企业实现智能化生产数字化运营。

当前“矿山鸿蒙”操作系统已成功适配煤矿井下综采工作面的液压支架主控器、工作面通讯控制器、组合开关显示控制器，以及吊轨式、胶轮式等各类巡检机器人共20种设备、398个应用单元。

4.2 主要联合创新计划

鸿蒙系统是华为公司历经近10年、6 000多名科学家呕心沥血、砥砺奋斗的结果，是一款面向万物互联时代的、全新的分布式操作系统。在传统的单设备系统能力基础上，鸿蒙操作系统提出了基于同一套系统能力、适配多种终端形态的分布式理念。2021年9月14日，国家能源集团与华为公司联合召开“矿山鸿蒙”系统首次工业化应用发布会(图2)。双方将来主要联合创新计划是，在国家能源集团总的框架体系下，进一步做好“矿山鸿蒙”操作系统现场试验、应用和推广。

图2 “矿山鸿蒙系统”首次工业化应用发布会现场

(1)鸿蒙系统生态链体系方面，秉承“安全可信、自主可控”的理念，全面推广“矿山鸿蒙”操作系统[4]、国产数据库和鲲鹏、昇腾芯片的应用。计划2021年年底前完成26个系统应用到国产高斯数据库的迁移，建成国家能源集团鲲鹏和昇腾异构AI计算中心；2022年实现“矿山鸿蒙”操作系统在煤矿“采、掘、机、运、通”各系统的全面应用。

(2)工业网络实时可靠方面，2021年底前，完成布尔台煤矿综采和掘进面5G技术生产场景验证；完成保德煤矿F5G数据可靠通信硬管道技术试点应用，实现多业务高质量一网承载，全面提升井下网络的实时可靠性。

(3)生产要素万物互联方面，完成一个综采工作面全部工业装备网联化的应用实践，实现“矿山鸿蒙”操作系统工业互联网领域“首商用”。实现井下传感器、液压支架、采煤机等设备的网联化，力争2021年年内形成“矿山鸿蒙”操作系统神东企业标准。

(4)煤炭行业工业协议标准方面，与华为合作首创基于EIP的《新一代自主可控工业通信标准》，贡献给国家标准组织，助力煤炭行业率先实施数字化转型。

(5)数据高效协同智能治理方面，基于数据与应用集成的罗马(ROMA)平台，通过建立强大的跨云、跨地域集成能力，聚焦煤矿企业应用与数据联接，达到内部互通、内外互通、多云互通，解决多厂商设备接口协议差异，消除数字鸿沟，驱动煤矿企业数字化转型的目的；基于大禹(DAYU)平台的数据全生命周期管理与智能数据管理能力，支持知识库智能化建设，快速构建从数据接入到数据分析端到端智能数据系统，消除数据孤岛，统一数据标准，实现神东各业务系统协同；基于人工智能在线训练，提高安全生产领域图像和声音的识别精度，释放行业数据价值，加速企业数字化转型。

4.3 联合创新的最终目标

(1)打造能源工业互联网生态链体系。基于华为芯片、操作系统、数据库、网络设备、云/AI算法模型全套核心技术，打造国内首个“安全可信、自主可控”的工业互联网生态链体系。

(2)打造能源工业互联网平台。设计设备物联、基础工业网络、数据治理、业务应用、网络安全5层架构，基于一套标准体系、一张全面感知的网络，通过“采集交换-集成处理-建模分析-决策与控制”的闭环数据驱动，实现“智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸”的生态智慧运营。

5 结语

在国家能源集团的大力支持下，神东煤炭集团和华为煤矿军团现已达成战略共识，进一步明确了合作方向。目前“矿山鸿蒙”操作系统应用已经在神东取得实质性进展。“矿山鸿蒙”操作系统的研发与应用，突破了煤矿智能化建设“卡脖子”技术瓶颈，为煤矿数字化转型做出了突出贡献。

面向未来，神东将在国家能源集团总的工作框架体系下，构建“智能化生产、数字化运营、平台化发展、生态化协作、产业链协同”的发展新格局，赋能行业智能化建设和数字化转型，为国家能源安全和行业高质量发展积极贡献力量。