“东数西算”战略背景下煤炭行业智能矿山建设存在的问题与对策

2023-01-06杨昊睿

中国煤炭地质 2022年4期

丁恋，任辉，孙杰，杨昊睿

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039； 2.中国煤炭地质总局，北京 100038 )

0 引言

当前，我国能源资源革命处于关键期，面临着经济结构优化、新旧动能转换的重要任务，国民经济发展也由高速增长步入高质量发展阶段。云计算、大数据、人工智能、物联网等数字技术与能源资源发展有机融合，将对能源资源产业变革、创新驱动发展提供强劲助推力。2020年，国家发改委发布《数字化转型伙伴行动倡议》，推动数字化生态构建，促进数字经济进一步发展。一批传统能源企业作为第一批成员出现在倡议名单中，以煤炭为代表的传统能源资源行业已经加入数字化转型方阵中。在数字经济发展背景下，煤炭资源智能矿山建设作为传统能源资源产业数字化转型的重要技术应用，是先进数字技术与能源资源行业的深度融合，是落实我国能源安全新战略和“双碳”目标的必然选择和重要支撑。

2020年颁布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，是我国首次从国家层面提出煤矿智能化发展的目标任务，对煤炭智能矿山建设具有里程碑意义；同年4月，国务院安委会印发《全国安全生产专项整治三年行动计划》，针对采掘智能化工作面数量做出要求；7月智能化发展被写入《煤炭法》修订草案，并纳入国家“十四五”煤炭工业发展规划；2021年6月国家能源局、国家矿山安全监察局印发《煤矿智能化建设指南(2021年版)》，为煤矿的智能化建设工作起到了引航作用；“十四五”规划以及2035年远景目标纲要中明确提出“加快数字化发展，建设数字中国”，一系列地方政策措施也相继出台，能源资源行业数字化相关政策对能源行业数字化发展发挥了有效的指引作用。2022年2月17日国家级战略“东数西算”工程正式启动。煤炭行业未来的发展，通过建设信息化智能矿山，来提升行业资深的核心竞争力，不仅有利于适应新的市场环境，也是我国从矿业大国发展为矿业强国的必由之路。煤炭开发开采智能化取得初步成效的同时，一些亟待解决的问题仍需引起我们的重视。本文首先从空间信息技术、矿山生产经营、技术创新等不同角度梳理智能矿山的概念以及特征，进而分析当前我国煤炭资源开发利用智能矿山中存在的问题，从政府、企业、社会三个层面分别提出发展对策及具体建议。

1 智能矿山的概念及特征

1.1 不同角度下智能矿山的概念分析

智能矿山是一个具有强技术性、理论性、实践性特征，多学科交叉融合的前沿研究领域。国内学者从不同角度对智能矿山的定义和特征进行了深入研究分析，无论从理论方面或者实践出发，对智能矿山达成完整、统一、科学的一致认识，都具有较大难度[1]。

从矿山生产经营角度出发，智能矿山的核心是“智能”。它将大数据、物联网、云计算等现代技术与矿产资源开发技术深度融合，搭建一套通过自主感知、智能决策分析实现数据的高效互联、对矿山安全进行动态预警和精准协同控制的矿山智能化运作系统[2]。通过对生产、安全以及管理数据的统一采集、存储、展示，加大安全管控智能化建设力度，不间断地推进信息数据与安全生产管控深度融合，使“互联网+安全管控”的应用场景得到不断丰富和完善[3]。智能矿山建设在数据深度利用方面更加侧重，整个矿山是在不断的收集、学习、分析数据、知识、经验的过程中运行的。

从空间信息技术的角度出发，智能矿山是指借助遥感技术和全球定位系统、5G通信网络等一系列技术手段对矿山进行测量和监测，对信息数据进行精准采集，通过物联网传输，最终在虚拟数据中心完成规范集成，并采用专业模型实现数据的可视展现、挖掘和预测，最终向全行业提供全方位智能化信息服务，满足矿山高效安全生产需求[4]。智能矿山以数据处理为核心，以高效服务矿山生产为目标，运用区块链、边缘计算、云计算等新一代最便捷的信息技术给最需要的对象提供最需要的服务。

从技术创新角度出发，智能矿山将信息、控制、网络等技术与采矿技术有机融合，探索安全高效的生产方案，通过对整个矿山运作系统的协同控制，跟随地质环境、生产要素等不断更新控制流程，适应不同环境因素下对矿山管理的要求。智能矿山不仅局限于数据的采集、处理和自动系统集成[5]，更要在此基础上通过大数据、移动互联网等现代技术智能应对生产过程中可能存在的各种变动因素，对数据进行综合利用、深度挖掘，为矿山精细化管理提供实时动态的决策支持，以最便捷的方式给最需要的对象提供最需要的服务，实现安全生产[6]。智能矿山将现代数据技术作为载体，开发智能关键工艺和关键技术装备、开发智能井下巡检机器人产品、井下精准定位关键技术和产品、矿山高速通讯定位技术和产品，开发探测、采掘等关键技术和产品，解决矿业开发利用中的效率、安全和效益问题[7]。

1.2 智能矿山的特征

智能矿山作为传统矿产资源持久发展的新方向，标志着我国矿山企业发展将进入一个高技术水平的新时期。智能矿山在数据收集、处理、分析、响应各方面，都有极强的优势，通过将多门学科深度有机融合，为需求对象提供更便捷、更智能的应用服务。智能矿山的独特属性，具体有以下几方面表现：

1)数字信息智能化。智能矿山通过功能齐全的各类传感器，将矿山的所有内容在确保信息完整性的基础上进行处理，最终加工为可以实现储存、拷贝和加工的数据资料[8]；既要满足信息及时性，又要保证在任意时空下，实现数据信息精准采集，挖掘、转换，形成功能齐全的数据库系统[9]。

2)以5G技术为代表的物联网系统建设。5G技术全称是第五代移动通信技术，在提升数据传播速度、降低数据传输延迟、扩大通信带宽等方面具有显著的应用优势[10]。目前5G技术被广泛应用于矿山智能化建设中，在促进智能矿山发展的同时，带动矿山产业的规模化发展。通过5G的无线数据传输，可以提高智能矿山建设和运行中的安全性。通过5G技术建设物联网系统，矿山企业生产管理人员可以通过手机移动终端传输和获取矿山系统的各类信息，对矿山的生产实际情况进行了解和掌握，及时排查安全隐患，最终实现对生产系统的监控和管理，提高生产效率，保障生产安全。

3)可视模型智能化。智能矿山通过四维地理信息系统、虚拟现实、模拟仿真及可视化分析等技术[11]，采用专业模型实现数据的可视展现、挖掘和预测，充分表达及管理数据，从而实现矿山的安全、高效生产。

4)可视化表达和矿山数据库构建。资源开采数字化应用，是智能矿山的特征之一。通过大量虚拟现实技术的应用，以3S技术为基础，利用5G互联网将勘探、测绘等各类矿山生产数据导入，通过三维地学建模系统进行数据处理及可视化表达，实现矿山结构分析及矿产开采过程的仿真模拟，提高矿山生产的科学性。智能矿山的高效性体现在将各类信息与矿山生产实行无缝衔接，可视表达，通过构建一个庞大数据库，实现在一个统一的数据空间内的数据采集、存储、加工、分析、查询，实现数据在不同矿山之间，不同矿山企业之间的共享[12]。

5)自动化制定和实时跟踪。智能矿山通过智能化制定开采技术方案，对矿山进行监测数据分析，并按照分析结构进一步分析提取数据，支撑采矿设计，为矿山企业管理者提供可靠的决策支持[13]；通过决策与支持系统的进一步完善，指导矿山管理者制定未来管理计划。

2 煤炭智能矿山建设发展现状

2.1 智能矿山建设进程加快

1)政策体系逐步完善，为煤矿智能化发展提供保障。2016年，国土资源部发布的《全国矿产资源规划(2016—2020年)》，明确提出未来五年要大力推进矿业领域科技创新，加快建设数字化、智能化、自动化矿山，大力发展“互联网+矿业”；2018年国家标准《智慧矿山信息系统通用技术规范》(GB/T34679—2017)正式颁布实施，大力度推动着智能化矿山建设进度。2019年国家煤矿安全监察局发布《煤矿机器人重点研发目录》，对大力推动煤矿现场作业的少人化和无人化提出了明确要求。2020年，国家发改委等八部门联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出，到2025年大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，到2035年各类煤矿基本实现智能化。

在一系列国家政策支持鼓励下，我国煤矿智能化建设政策体系逐步完善，2021年，我国25个产煤省(区)已制定发布50余项关于煤矿智能化建设的政策文件，包含实施方案、意见以及验收办法等，我国各大煤炭企业逐步开展智能化改造。截至目前，我国首批智能化示范建设煤矿，已经实现6亿t总产能。政策体系的完善，为煤矿智能化发展提供了依据和保障，很大程度上推动了我国煤炭智能矿山建设进程。

2)智能化标准体系建设同步发展，统筹规划智能矿山建设。过去，各地区、各行业自行发展，缺乏整体战略，重复投资、重复建设现象频发。煤炭智能矿山建设过程在缺乏人力、物力、财力等多方面投入和统筹配置的情形下，没有经过合理充分的科学规划和正确的智能化体系运作，高投入并未产生高收益的效果。部分矿山企业简单的认为，高投入就可以替代智能化规划，结果买一堆先进装备却收效甚微的案例比比皆是。随着智能化标准体系逐步完善，我国在智能化综采工作面、煤矿5G通信、露天煤矿无人驾驶、煤矿井下机器人等方面启动标准制定工作[14]。煤矿智能化建设中，进行科学合理的统筹规划，通过统一实用的标准对智能矿建设进行指导和约束，对于加快煤炭智能矿山建设进程具有重要意义。

2.2 智能矿山开采技术、煤机装备持续升级

数字经济时代的到来，我国越来越多的煤矿企业认识到煤矿智能化建设对于企业自身发展不可或缺。在这样的发展大环境下，煤矿加大在智能化装备、技术方面的投资，使开采技术水平、煤机装备制造能力各方面不断提升。新型快掘装备，可以实现在不同地质条件下安全、高效、稳定的巷道掘进。煤矿机器人关键技术发展，也得到不断突破。但无可否认，我国煤矿智能矿山建设还处于起步阶段，在提高关键智能设备的导航定位精度、提升传感器感知的可靠度以及增强生产设备群的协同作用等方面仍有较大的发展空间，煤矿智能化发展理论方法有待更深层次的研究落实。

3 煤炭智能矿山建设中存在的问题

3.1 “数字鸿沟”与“信息孤岛”现象凸显

一方面，煤炭与其他能源行业之间，因为各个企业自身建设的各类综合自动化系统、管理信息系统以及工程数字化系统等，存在开发商、开发技术、编码规则等诸多不同，导致各个系统之间获取的海量数据无法实现有效共享及融合分析，产生行业之间的“数字鸿沟”，为能源数据的融合以及数据价值挖掘带来极大困难[15]。另一方面，从煤炭企业自身出发，也会存在下属公司多，各个子公司分散布局，扩大了矿井管理涵盖面，不同层面不同环节之间存在“信息孤岛”，为企业与下属公司的信息系统集成与数据传输带来难度。即使引进了自动化生产线、生产设备等，也最终因为缺乏完善的智能矿山信息传输体系，无法充分发挥先进工艺生产线的优势。“数字鸿沟”与“信息孤岛”现象，无疑成为制约煤炭智能矿山效用最大化发挥的重要因素。

3.2 煤炭智能矿山建设顶层设计有待进一步完善

虽然近年来国家针对煤矿智能化发展出台了诸多政策，但是在传统能源领域数字化转型实施意见、行动方案等相关政策仍有待出台，指导、规划煤炭智能矿山建设[16]。同时，各职能部门可以根据上层规划开展信息化建设工作，而非独立运作，可以很大程度上避免系统厂家之间的无序竞争等错象，提高各个系统之间的互联互通。在煤炭资源供需的市场调节机制和价格机制方面需要进一步的优化调整，数据要素的治理方式、交易规则等相关政策也亟待制定出台，进一步完善市场环境。

3.3 煤矿智能化新技术开发难度大，数字技术有待加强

当前，煤炭行业数字化正处于起步阶段，虽然企业努力向智慧化发展，但在智能矿山建设方面，由于井下作业范围广，井下各类数据直接反映了井下生产过程的安全问题，受制于井下环境的复杂性，数据采集难度大。5G网络覆盖不完善，井下智能化开采的应用仍然处于试点示范阶段，数字化技术与煤炭等传统能源的融合不够深入[17]。因此，迫切需要采用新一代信息技术，铺设更加完善的感知设施和传感网络，更加实时和智能地采集、传输、分析和处理各类数据[18]。对于绝大多数企业而言这是新的挑战。

3.4 智能化专业人才队伍匮乏，专职岗位设置有待完善

诸多煤矿企业在智能矿山建设过程中，信息化、智能化专职岗位设置不健全，与厂家的沟通协调全部依靠机电部门，没有配备专业化的智能运维队伍，直接导致花高价格购买的智能化设备得不到充分利用和良好的维护[19]。同时，在智能矿山建设方面的人才储备严重不足，高层次技术队伍力量有待加强。矿井艰苦的作业环境难以吸引高水平专业技术人才，长期以来，这种制约因素使资源开发人才引进环节形成恶性循环圈，后续亟须通过智能矿山的建设，优化改善矿山作业环境，改善当前的不良循环模式[20]。以上都成为阻碍煤炭智能化矿山建设的不利因素。

4 煤炭智能矿山建设对策与建议

4.1 政府层面

1)完善相关配套政策，鼓励成立智能矿山产业联盟。

政府层面鼓励行业协会、各大高校、科研1机构、设计研究院以及设备厂商等成立智能矿山产业联盟，通过制定统一规划，使联盟成员在自己的专业领域各司所长，提升智能矿山生产及安全运行。

2)搭建省、市、区级煤炭资源数据平台。

推动省、市、区级煤炭资源数据平台建设，深化能源资源大数据分析应用，开展“数字化+资源监管”，构建“数据”管理机制，强化数据对煤炭资源开发利用的支撑力度。提升资源安全管理能力，实现煤矿安全检查、隐患排查、重大危险源管理等实时自动排查与监管；通过煤炭安全生产风险识别库的建设，设置风险预警、分析模型，对安全隐患实现在线评估以及有效的动态管控；政府层面应积极提升应急指挥联动能力，通过大数据联网实现政府与企业之间的在线联动。政府平台数字化应用，也可以成为煤矿企业安全积极建设智能矿山的风向标。

3)推进能源资源大数据中心建设，助力煤企智能矿山建设。

加快建设城市群能源资源数据中心，通过完善资源数据基础设施，推进基础设施互联互通，统一资源数据标准规范。统筹推进不同城市群数据中心建设示范项目，开展跨城市资源数据共享平台建设，实现跨城市、跨企业之间海量数据的互通共享及深度融合分析[21-22]。最终实现提升各个煤炭智能矿山高效、高质量运行的目标。

4)建立协同推进机制。

通过建立智能矿山协同推进机制，制定出台相关产业发展政策，在自己及财税方面给予大力支持，激发企业技术改造的积极性；协调解决发展中出现的重大问题，敦促有关部门制定相关的技术规范和标准并加快推广应用，为煤炭智能化矿山建设营造良好的发展环境[21]。

4.2 企业层面

1)以技术创新为主导，为智能矿山建设提供强劲动能。

随着数字化在全球矿产资源开采领域的持续扩展，越来越多的煤炭企业开始进行运营策略及营销模式的调整，而实现智能矿山运营质的飞跃，核心是数字技术的应用和推广。以大数据、人工智能、物联网等技术和矿山结合而生的智能矿山技术创新“领跑者”将在矿山企业未来发展中获得强劲的竞争优势。“领跑者”们因为技术创新，前期成本曲线下降，相比没有技术创新的同行业竞争者，更容易获得超额利润，充分体现自身市场价值，占据行业发展优势地位。技术创新可以帮助矿山企业获得更好、更快、更高效的发展。

2)系统布局矿山智能管理系统，引领生产全要素效能提升。

煤炭矿山企业应该高度重视现代化企业治理体系的构建，使企业的传统管理体制机制与现代信息化管理模式深度融合，持续提升企业智慧管理水平。通过运用“云计算、大数据、物联网”等数字技术，使矿山产运销系统融会贯通，打破信息壁垒，实现多项矿山业务的数据联通、集成、应用、分析，有效提升管理者的战略决策数字化水平[23]。煤炭矿山企业对矿山智能管理系统的系统布局，在引领矿山生产全要素效能提升的同时，也有利于安全风险的防护[24]。数字智能管理，可以处理好数据挖掘与隐私保护之间的关系，营造良好的智能化运营环境。

3)做好煤炭智能矿山建设路径规划，加快建设步伐。

“东数西算”国家战略已经正式启动，煤炭企业应抓住时机，做好智能矿山建设的路径规划。以建设智能矿山，提升矿山生产效率及生产安全为目标，编制切实可行的建设规划，促进矿山企业一体化运营，不断提升智能生产、智慧管理、智慧运营水平，加快智能矿山建设步伐，向矿山企业高质量发展持续赋能[25]。

4)注重人才培养，强化人才驱动。

智能矿山，不仅仅是纯粹的技术型矿山，也是智能化的需要人才驱动的管理型矿山[19]。人才矿山是建设智能矿山的基础和前提，技术操作、财务管理、物流管理、人事管理、思想政治工作等都是智能矿山运行中不可或缺的重要组成元素。能源资源开发企业建立先进科学的人才引进、培养、使用、激励淘汰机制体系，吸引多专业人才聚集；建立工作人员培训机制，对工作人员进行新系统培训，使其掌握系统操作技能等，都是智能矿山为企业所用的重要保障。

5)推进煤矿智能化全产业链融合发展。

在煤矿智能矿山建设中，不能把资金完全投入智能化技术的研发，同时也应继续在煤矿安全开采的基础理论下功夫，对灾害指标、检测数据门槛值的设定要进行透彻的研究，做到智能化技术与煤炭安全生产基础理论的深度融合。将新一代信息技术与煤炭勘查、设计、开采、洗选加工、运输等全产业链融合发展，促进煤炭行业数字化、智能化转型升级，保障我国传统能源行业高质量发展[27-28]。