煤矿企业数字化重构转型实践与探索研究

杭成宝

(神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026015)

0 引 言

“两化融合”即工业化和信息技术化相互融合，带动新的工业模式迈向数字化。煤矿生产与信息化技术融合实现了增安、降本、提效的目的，全国百万吨煤矿死亡率从2009年的0.892降至2019年的0.083，为安全管控、成本管控、效益管控提供支撑。随着我国“四个革命、一个合作”能源安全新战略的不断深化，我国煤炭工业已经转向高质量发展阶段，2020年新冠肺炎疫情加速了我国企业调整产业结构，进行智能化转型[1]，推动了煤矿数字化和智能化的发展步伐，我国能源行业正式提出进入能源5.0平行化时代[2]。

早在2006年，数字化矿山就被学者提出[3]，并就数字化矿山体系结构模型[4]、煤矿数字化矿山发展及关键技术[5]、四层全域模型[6]、煤矿数字化矿山架构[7]、数字化矿山存在的问题等开展了探讨与展望[8-9]，对数字化矿山异构数据[10]、数字化维修VR仿真[11]及其他新技术新装备开始应用及研究[12]，初步建立了露天矿数字化平台[13]，此阶段的数字化只作为一种技术服务于矿山工艺。5G、F5G、BIM、区块链、AR、AI、大数据、云计算、物联网、区块链、虚拟化等新技术的应用推动了煤矿工艺由数字化向智能化发展，煤矿数字化与煤矿智能化并非独立存在，2019年，王国法等[14-15]明确了二者的内涵和关联关系，并就核心技术、关键技术、开采工艺、煤矿智能化标准体系等展开研究分析，2020年，基于“战略+运营”提出企业数字化转型[16]，并就数字化转型机制、3阶段转型框架等展开研究[17]。

企业数字化、煤矿智能化在高科技的推动下实现“两化融合”，其发展的路线是相辅相成、相互补充的，而采用的技术也随着科技的发展不断提升。要实现煤矿企业数字化、煤矿智能化就必须要与时俱进，创新理念，运用成熟的信息技术作为支点，实现业务、管理、商业模式的重构。本文基于理论研究+实践经验的方式，以煤矿企业国家能源集团神华北电胜利能源有限公司(以下简称“胜利能源”)为例，分析了开展数字化和智能化建设现状与需求，提出数字化实践和数字化探索是实现煤矿企业数字化重构转型的重要方式并展开论述，尤其是运用沙漏模型探索性分析了数字化思维理念转变的必要性。最后采用鱼骨图分析了数字化重构过程中的问题，并从组织、资金、技术、人才4个方面运用PDCA戴明环管理模型对企业数字化重构转型保障措施进行分析，为加快煤矿企业实现数字化服务于“战略+运营”的管控模式，智能化服务于生产工艺，达到增安、降本、提效的目标，实现企业高质量发展提供参考。

1 煤矿企业数字化建设现状和需求

科学技术作为第一生产力，无论是井工煤矿炮采、普采、综采时期，还是露天煤矿单一人力、人与机械共享、大规模机械化时期都得到充分体现，云计算、大数据、5G等新技术促使数字化、智能化各类应用喷发式推进，而煤矿企业在这方面相对滞后，由于IT技术更新迭代快，煤矿企业一般在前期投入建设时比较重视，后期更新发展相对缓慢。胜利能源在成立初期比较重视信息化、数字化应用建设，比如基于MESH网的露天矿智能车辆管理系统、轮胎全寿命管理系统都是首次应用于国内露天煤矿，处于国内乃至国际领先水平，然而随着IT新技术的迭代更新，部分数字化系统落后，应用孤岛性劣势明显。2020年2月，国家发展和改革委员会等联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，为煤矿智能化发展指明了方向。为贯彻落实该意见，科学规范有序地开展煤矿智能化建设。但按指导意见要求，煤矿企业离数字化转型和智能化矿山建设达标仍存在一定的差距，主要差距及建设需求体现在以下方面。

1) 煤矿企业数字化转型和煤矿智能化建设路线战略规划设计不够明晰。

2) 煤矿企业数字化转型和煤矿智能化建设顶层设计相对滞后，边界不清，架构不清，可操作性不强。

3) 煤矿企业数字化转型和煤矿智能化建设在IT技术基础设施包括工控环网、数据中心、网络安全等方面不完全具备条件，缺少智能一体化管控平台，数据治理体系不完善、不完整。

4) 煤矿企业灾害预警、采、运、排等各类智能化业务系统或者智能化煤矿工艺应用不完善，部分系统面临升级或者淘汰，部分数字业务之间无法实现数据共享，存在孤岛，无法直接为经营决策快速有效地提供数据分析支撑。

5) 煤矿企业无人驾驶、远程操控，数字化检修有待推进应用。

6) 人工智能机器人无法真正做到岗位无人值守，实现岗位减人，有待进一步完善开发应用。

7) 企业转型期间专业性高端技术人才不足，一专多能复合类π型人才欠缺，普通岗冗余人员渐多，需要做好人才发展、人才战略规划。

2 煤矿企业数字化重构实践

尽管企业发展不能完全依靠“拿来主义”，但借鉴、吸收其他企业成功的经验却是行之有效的方式之一。胜利能源要实现高质量发展，实现企业数字化转型和煤矿智能化建设目标，需要根据自身的建设需求，通过“走出去、引进来”的方式开展技术交流，了解同行业优秀煤矿企业在数字化、智能化方面已经开展的技术和业务达到何种水平，存在哪些问题，然后针对顶层设计、IT基础设施、成熟技术应用、成型智能化业务建设开展自身实践，在实践中进一步发现问题、解决问题。

2.1 加强顶层设计精准规划布局

煤矿工业化与信息化融合是一项科学工程，需要严谨合理的规划才能避免投资风险。面对未知及不确定性，能够高瞻远瞩，前瞻性预判，从“后知后觉”到“先知先觉”，规划顶层设计，精准布局是成功转型的重要因素。胜利能源在数字化转型开展之际，智能化推进之初，首要的就是加强顶层设计。图1为胜利能源智慧企业五层模型应用架构，与安全生产密切相关的L3生产执行层、L2生产控制层、L1设备层建设，通过5G+WiFi6+高速传输融合“一张网”，通过系统集成、云边协同、区块链等技术构建胜利能源边端智能一体化管控平台，通过云计算、大数据等技术构建数据平台形成公司端和矿端两级数据中心，通过GPS/北斗定位、BIM+GIS等技术绘制高精度立体虚拟地图模型，运用平行世界理论建立数字孪生平行安全体系，实现“一张网、一平台、一数据、一张图、一体系”的数字化运营生产、管理、决策模式。

图1 胜利能源智慧企业五层模型应用架构Fig.1 Smart enterprise five-tier model application architecture for Shengli Energy Co.,Ltd.

2.2 注重IT基础建设保障关键支撑

注重数字化转型的IT基础建设是保障数字化转型成功的关键支撑。胜利能源以集团网络安全和信息化总体规划为指导，依据网络安全等级保护标准2.0体系，充分结合公司信息化现状，考虑未来数字化转型、智能化建设需求，按照胜利能源智慧企业五层模型应用架构，应用新一代网络技术发展成果开展胜利能源IT基础设施建设，打造“一张网、一数据”，完善网络、信息安全和数据中心等基础设施和管理体系建设，开展基于IaaS基础设施和PaaS平台两种云服务模式，减少重复投入，为后期各类数字化智能应用系统的建设，提供安全稳定的IT基础运行环境。

2.3 积极推进成型数字应用稳妥落地

胜利能源通过对标集团信息专业化队伍，对标同行业先进企业，对于比较成功的经验、成熟的信息技术、成型实用的数字业务系统，积极推进实施，加快公司数字化重构、智能化的步伐。

1) 积极配合集团公司实施统建数字化系统，提升自身数字化应用水平。借助在L4经营管理层和L5决策支持层集团统建的业务系统，依托ERP实现人、财、物、项目和设备数字化管理，提升经营决策管控水平，依托国能E购加速招投标，提升采购效率。依托基石项目逐渐提升运营协调指挥业务的信息化管理能力，提升一体化管控的集约化管理水平。

2) 积极组织实施集团智能一体化管控平台底座统建项目，在L3生产执行层，对于集团统建执行类系统采用“定制化实施+个性化优化”的方式建设，对于胜利能源根据业务需求自建的执行类系统则按照集团智能一体化管控平台底座的标准，开展数据接口集成接入到胜利能源智能一体化管控平台，进而搭建适合于胜利能源实际业务需求的生产执行系统和生产运营监测系统。

3) 数据库是数字化转型最核心的生产要素，现有的数据存储、数据管理、大数据分析等技术已经比较成熟，各类数据库比如空间数据库、关系数据库、实时数据库的数据处理技术适用于煤矿结构化数据和非结构化数据的治理，建立公司端和矿端两级数据中心。按照集团数据管理标准，完善公司数据管理体系，对公司各类数据资源进行整合形成标准数据资源，实现数据资源的互联互通、信息共享，实现业务横向协同、纵向贯通的深度利用目标，使生产数据应用水平得到进一步提高，数据资产价值得到更有效的发挥。

4) 依靠先进的技术提升数字化应用。比如通过引入毫米波雷达防碰撞自动刹车系统解决坑下卡车运行过程中存在的重大安全隐患，有效避免和缓解车辆碰撞、追尾等交通事故；通过引进智能车辆管理系统对坑下外委车辆实现定位、超速报警，并提供安全考核数据依据；引进成熟视频AI智能分析技术，结合同类企业成功的视频智能分析应用经验及发现的问题，如杨成龙等[18]对煤矿带式输送机场景智能视频技术的难点、关键点进行了探讨，按照自身输煤皮带、设备维修、安全生产等应用场景借助视频模型训练细化场景模型算法，满足胜利能源各应用场景下视频AI智能分析需求，并做出报警处理等响应。

3 煤矿企业数字化重构探索

煤矿企业数字化重构除了做好引进落实先进技术经验之外，更需要始终有创新探索精神，贯穿转型之路，在稳妥实施成熟数字化应用期间，同步从数字化思维理念转变和煤矿“两化融合”应用两方面开展数字化重构创新探索。

3.1 数字化思维转变探索

企业数字化转型最终会改变企业管理模式、生产模式、组织模式和运营模式，因此思维模式管理观念需要转变。利用数字化技术驱动生产运营的理念是转变形成数字化管理思维的关键，如图2所示，胜利能源通过沙漏模型层级式推动数字化思维理念的转变，达成企业数字化转型发展共识如下所述。

图2 企业数字化思维转变沙漏模型Fig.2 Hourglass model for enterprise digital thinking changing

1) “走出去”。组织各层级领导、管理人员对标交流先进煤矿企业、IT技术企业、数字化比较先进的制造企业和科研机构，从而开阔眼界、启迪思想、拓宽思路，让企业高层人员真正意识到通过“两化融合”实现数字化的价值。让企业高层人员了解当前的国家政策和市场发展现状，充分认识到实施数字化重构的迫切性和必要性，进而支持推动胜利能源数字化、智能化发展工作。

2) “引进来”。邀请煤矿类科研机构、软硬件应用开发商等方面的专家进行技术交流，通过交流让胜利能源技术人员更加深刻地了解露天煤矿数字化、智能化的关键技术、主要设备、应用成果价值，可以推进胜利能源技术人员结合实际工作开拓创新。

3) 开展战略合作。寻求在数字化技术成熟、数字化设备可靠、数字化研发投入力度大的企业开展战略合作，形成数字化运营管理思维战略同盟，保持数字化研究与数字化应用同步。

4) 建立创新型和学习型企业。通过宣传煤矿数字化和智能化应用研发成果，让全体员工感受科技创新的价值所在，鼓励员工自主学习数字化技术，适应数字化转型发展需要，打造胜利能源数字化生态人文环境。

3.2 煤矿数字化技术应用探索

按照数字化顶层规划设计，基于业务需求，煤矿企业要从智能采掘、机器人应用、数字化维修、智能筛选等方面开展煤矿数字化技术应用探索。

1) 智能采掘。为实现胜利能源露天煤矿智能采掘，主要从两个方面开展技术应用探索。一是露天矿生产工艺的转变，目前胜利露天矿主要采用电铲+卡车+破碎+胶带运输机半连续生产工艺。按照露天矿后期的开采规划需要，胜利能源正在研究采用轮斗+胶带运输机智能化连续生产工艺实现土方剥离和采煤。通过方案技术论证，胜利能源露天矿采煤按运距1.5 km规划，吨煤成本由半连续工艺的5.41元/t，降为连续工艺的2.93元/t，5号煤层和6号煤层之间土方剥离3 000万m3按两条3 km皮带运输规划，剥离成本由半连续工艺的8.95元/m3，降为连续工艺的1.94元/m3。连续采煤工艺再赋能数字化、智能化技术，较半连续工艺将大幅度实现减人、节能、降本、提效的目标，提升安全生产水平。二是智能化实现电铲远程操控+卡车无人驾驶。目前，大型高寒地区露天矿已经开展矿用卡车无人驾驶关键技术及效益预测研究[19]，并进行了无人车编组、有人无人混编重载运行，实现无人矿卡“装、运、卸”智能化运行，据宝日希勒露天煤矿无人驾驶应用研究统计，每台车节省人力4人，无人驾驶最大运输量可以达到有人驾驶运输量的82%。随着无人驾驶系统的逐渐完善，运行路线、装载、排土流程的逐步优化，无人运输效率将稳步提高。胜利能源可以直接引进先进的经验实施无人驾驶，并在下一步同有科研能力的企业联合开展电铲远程操控的研究探索。

2) 激励开展自主机器人应用探索。尽管有很多企业开展机器人应用研究，有些应用场景一致，但各个单位应用条件和应用环境差别比较大。针对个性化问题，胜利能源激励开展自主机器人应用探索，目前已经通过创新自主研发智能停送电机器人和输煤皮带巡检机器人，配套建立智能配电室实现了流程审批无纸化、停送电操作智能化和配电室巡检无人化，在试运行期间安全可靠性较高，计划推广应用成果。目前着重组织实施储煤仓仓下、室外胶带机、筛分楼等区域的巡检机器人研发。

3) 研究打造数字化维修平台。胜利能源技术人员自主开发建立了WK-35电铲全时状态数字化平台，充分运用数据采集、实时状态数据分析实现了电铲的精准高效监测；自主研发“银粉涂层式结构件裂纹监测传感器”，大幅度提高对结构件的监测效率，有效保障设备的安全运行。研究实践表明，数字化维修在预防性维修方面具有非常实用的数据价值，可以实现故障预测、问题预判、提前报警，为此胜利能源规划研究打造胜利能源数字化维修平台，从而降低设备故障率，提高设备出动率。

4) 智能筛选。为了让地面生产系统操作人员、巡检人员离开繁重危险的岗位，让设备维修人员对设备进行预知性维修，胜利能源全面打造地面生产系统智能筛选，实现从破碎站自动破碎，输煤皮带无人巡检，建造智能选煤厂，到装车站自动快速定量装车全流程的数字化集控智能化生产。在此期间要针对胜利能源现场环境利用红外、电磁波、3D激光堆体测量、视频分析等新技术研究解决冬季车厢内冻黏物料识别与精准计量、冬季物料雾气对视频识别技术的干扰、大块物料自动识别与破除等问题。

4 数字化重构问题及保障分析

4.1 数字化重构问题分析

国家要淘汰落后产能煤矿，煤矿企业就要实现高质量发展，必须进行数字化重构转型，这个转型过程并没有统一的道路，也并非是一成不变的。如图3所示，胜利能源在数字化重构转型过程中必然存在一系列问题，通过鱼骨图分析大概涉及理念思维、路径方式、组织协调、资金投入、人力配备、技术支撑6个方面，包括思维模式管理观念转变难、转型路径不清晰、缺乏系统性思考、企业产业链数字化认识不一致、协调难、资金投入大、回报周期长、效果不明显、技术门槛要求高、专业人才不足等18个原因，要保证数字化重构转型顺利开展，必须针对这些问题提供保障措施。

4.2 数字化重构保障分析

由图3可知，数字化转型中的问题涉及理念思维和路径方式主要是做好理念的转变，开阔思路，进行顶层设计规划和实施路径规划，上述问题已在前文进行分析。其余的问题主要涉及组织、人力、资金、技术4个方面。基于PDCA戴明环管理理论，对这4个方面进行数字化重构保障分析(图4)。

图3 数字化重构问题鱼骨图Fig.3 Fishbone diagram of digital reconstruction problem

图4 数字化重构保障PDCA分析图Fig.4 PDCA analysis chart of digital reconstruction guarantee

1) 4个方面均应该分为计划(Plan)、执行(Do)、检查(Check)、处理(Act) 4个阶段形成闭环管理。比如组织方面，必须要进行规划，明确组织机构，管办分离，权责明确，要严格按照组织流程执行项目的审批，由监督职能部门按制定的标准进行考核检查，对发现的问题要及时采取处理措施，优化调整组织体系，开展后期组织协调工作。人力、资金、技术3个方面也应该采取PDCA戴明环管理理论进行管控。

2) 由图4可知，组织协调是4个方面中最重要的，一是组织机构本身必须清晰才能权责明确；二是数字化重构转型本身是一个创新类长期性的业务工程，需要企业领导层组织对人力、技术、资金全方位大力的协调支持。

3) 人力、资金、技术之间是相互独立运作的，但也是相互制约、相辅相成、相互补充的，比如非IT企业专业信息人才的引进可以在一定程度上解决类似技术专业性的问题，需要优化发展空间，提升晋升通道[20]，但是也需要考虑企业的性质，考虑资金成本。完全按照市场需求满足类似人才的需要是不现实的。因此，人力、资金、技术必须在组织的统一协调下，根据企业实际情况科学地、合理地统筹开展数字化重构人力配备体系、资金管控体系和技术保障体系。

5 结 语

本文以胜利能源为例，分析了煤矿企业自身数字化建设现状与建设需求，强调理念转变，采用理论研究+实践经验的方式探讨数字化重构转型之路。本文运用鱼骨图分析了所存在的问题，采用PDCA戴明环管理模型从组织、资金、技术、人才4个方面分析了如何做好数字化重构转型的保障，取得了一定的建设成效。企业数字化转型、煤矿智能化并非一次性工程，而是一个利用5G、大数据、云计算、工业互联网等技术将传统技术深度融合信息技术的转变过程，进而创新决策模式、运营模式、生产模式、服务模式以及安全管控模式，企业需要真正认识到，数据就是资产，就是财富，能够创造价值。煤矿企业应积极践行煤矿少人则安、无人则安的理念，进一步加强数字化、智能化建设的探索与实践，向煤矿高质量发展迈进。