智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，對于提升煤礦安全生產(chǎn)水平、保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。經(jīng)過前期有益探索，部分礦井已建成一批少人、無人開采工作面，但目前技術(shù)體系參差不齊，尤其是集群智能化技術(shù)尚未跟上。例如，復(fù)雜的開采環(huán)境對設(shè)備及其操作的要求嚴(yán)苛，井下有十幾種綜采設(shè)備，這些設(shè)備之間的互聯(lián)度不夠高、信息互通性不夠強(qiáng)、人機(jī)交互性不夠好，現(xiàn)有數(shù)字化手段難以動態(tài)反映采煤流程變化，進(jìn)而影響對采煤工作面的實(shí)時監(jiān)控。

如何全面升級？中國工程院院士、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）校長葛世榮提出“數(shù)字孿生智采工作面”的新理念。

目前側(cè)重礦山生產(chǎn)過程的自動化

“我國現(xiàn)有煤礦4200余處，其中在產(chǎn)約3500處。自2018年全面推行煤礦智能化以來，目前已建成680余個初級智能化采掘工作面，其中包括采煤工作面430余個、掘進(jìn)工作面250余個，2022年有望建成1千個智能化采掘工作面。”智能化技術(shù)對煤礦安全高效開采發(fā)揮了重要提升作用，葛世榮舉例，截至2020年底，全國建成安全高效煤礦901處，其煤炭產(chǎn)量、利潤總額分別占到全行業(yè)的56%和78%，采煤機(jī)械化程度達(dá)到99.9%，智能化采煤工作面有285個。“這些礦井的百萬噸死亡率約0.0015，遠(yuǎn)低于0.02的國際先進(jìn)水平，其中898處礦井為零死亡。實(shí)踐證明，通過智能化改造，煤礦可以實(shí)現(xiàn)高程度、高效率的安全生產(chǎn)。”

在葛世榮看來，“智能化”是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的采礦設(shè)備自動化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、開采過程透明化、采掘現(xiàn)場無人化、礦山環(huán)境低損化，能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效、無人操作的自協(xié)作礦山系統(tǒng)。“既要做到采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備單機(jī)自主運(yùn)行，也要實(shí)現(xiàn)工作面的機(jī)群平行協(xié)作和系統(tǒng)數(shù)字孿生。從聚焦個體智能，到基于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的群體智能，這是智能化煤礦的轉(zhuǎn)型特征之一。”

按照上述標(biāo)準(zhǔn)，煤礦智能化進(jìn)展如何？葛世榮坦言，處于初級智能化的礦山，建設(shè)重點(diǎn)多放在礦山生產(chǎn)過程的自動化。“高度自主化、信息化的智能礦山是未來目標(biāo)，而目前的智能煤礦還缺少全系統(tǒng)的數(shù)字化融合。邊緣計(jì)算、時延網(wǎng)絡(luò)等礦業(yè)IT技術(shù)，與操作相關(guān)的采礦OT技術(shù)，以及智能安全監(jiān)控、煤礦機(jī)器人等礦山物聯(lián)網(wǎng)MIOT技術(shù)均是各自在做，智能系統(tǒng)化方面仍是短板。”

反過來，“各自獨(dú)立”也影響著智能化的整體效果。比如，設(shè)備單元獨(dú)立運(yùn)行，造成數(shù)據(jù)采集量不夠、信息共享不暢、數(shù)據(jù)交互困難、無法構(gòu)建數(shù)字線程，礦井難以實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同管控。“需要實(shí)現(xiàn)采煤狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控，采用仿生傳感技術(shù)，使智采工作面具有視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、動覺等類腦感知能力。”葛世榮稱。

礦山物聯(lián)網(wǎng)是智能化的主要骨架

補(bǔ)齊短板，離不開新基建工程的支撐。“大數(shù)據(jù)是知識，人工智能是大腦，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是骨骼，5G是通信神經(jīng)，采礦機(jī)器人是臂膀。”據(jù)此，葛世榮提出四方面升級路徑。一是工藝升級，以數(shù)據(jù)驅(qū)動、軟件定義、平臺支撐、智能管理等要素，改造采礦生產(chǎn)流程；二是設(shè)備升級，基于人工智能和深度學(xué)習(xí)，使采掘裝備具有自主運(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)無人化操作；三是功能升級，對采礦業(yè)嵌入數(shù)字化功能，使采掘云流程持續(xù)保持連接和交互，提高生產(chǎn)效率；四是融合升級，依托大數(shù)據(jù)管理，以數(shù)據(jù)、算例、算法為核心，建立部門跨業(yè)務(wù)智能運(yùn)營條件。

“煤礦智能化是在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和感控技術(shù)加強(qiáng)大數(shù)據(jù)服務(wù)，以提高生產(chǎn)過程可控性、減少采礦人工參與、優(yōu)化生產(chǎn)排程。”葛世榮這樣類比：人的智慧衡量維度包括觀察力、記憶力、學(xué)習(xí)力、思考力及行動力等，對應(yīng)的“煤礦智慧維度”應(yīng)包括信息采集、信息存儲、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)應(yīng)用及自動控制等能力。“智能化是由‘數(shù)據(jù)+算法+算力’構(gòu)成的決策系統(tǒng)，揭開了數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏的巨大能量，在人類和機(jī)器活動中，提供生產(chǎn)工具、配置資源、創(chuàng)造價值。”

葛世榮介紹，智能化煤礦的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來自于服務(wù)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等，合起來成為大數(shù)據(jù)。“礦山物聯(lián)網(wǎng)是主要骨架，也是獲得更高程度采礦自動化基礎(chǔ)條件，涵蓋礦山生產(chǎn)過程控制數(shù)據(jù)采集、處理、交換和分析的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)是關(guān)鍵平臺，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)流的狀態(tài)感知、實(shí)時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的系統(tǒng)級閉環(huán)賦能體系，可提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源協(xié)同優(yōu)化。目前，對數(shù)據(jù)獲取的重視程度不夠，缺少將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的信息，采礦數(shù)據(jù)反饋的智能處理還是空白，采礦的自感知、自預(yù)測、自協(xié)調(diào)能力處于起步階段。”

以數(shù)字孿生工作面模擬實(shí)際采煤

什么樣的工作面才能達(dá)到理想效果？葛世榮提出利用數(shù)字孿生搭建智能化新平臺。

“數(shù)字孿生智采工作面是一個數(shù)據(jù)可視化、人機(jī)強(qiáng)交互、工藝自優(yōu)化的高逼真采煤工作面三維鏡像場景，包括物理工作面、數(shù)字工作面和數(shù)據(jù)信息交互三部分。”葛世榮強(qiáng)調(diào)，數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體提供更加實(shí)時、高效、智能的運(yùn)行或操作服務(wù)。換言之，其不是傳統(tǒng)仿真模型，而是動態(tài)反饋的數(shù)字化工作面鏡像體，基于設(shè)備運(yùn)行的感知數(shù)據(jù)，以數(shù)字映射的智采工作面來逼真地模擬實(shí)際采煤狀況。

葛世榮表示，基于設(shè)備和工作面數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)透明化的采礦生產(chǎn)、運(yùn)維和服務(wù)，可分為四個步驟：一是實(shí)現(xiàn)離散數(shù)字孿生的連接和可見。“離散”即一個一個來做，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、人員等單一資源的數(shù)據(jù)連接、數(shù)字可視，比如一臺采煤機(jī)、一臺掘進(jìn)機(jī)，率先實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)備、流程和系統(tǒng)的診斷、描述性分析預(yù)測。目前，煤礦智能化發(fā)展多數(shù)處于這一階段。

“二是實(shí)現(xiàn)復(fù)合數(shù)字孿生互聯(lián)與數(shù)據(jù)驅(qū)動。一個采煤或掘進(jìn)工作面、一條主煤流運(yùn)輸線，基于內(nèi)部離散數(shù)字孿生和外部數(shù)字資源復(fù)合而成的數(shù)字孿生體，這是智能化建設(shè)的主要努力方向。下一步是面向采礦全流程，通過數(shù)據(jù)孿生監(jiān)測和驅(qū)動的業(yè)務(wù)運(yùn)行，形成一種可持續(xù)自動采集、自動分析、自主執(zhí)行、自主決策的數(shù)據(jù)驅(qū)動閉環(huán)。最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的生態(tài)服務(wù)與價值共生，除了單個礦井，還包括選煤廠、輸配系統(tǒng)、甚至用戶在內(nèi)，也就是集合產(chǎn)業(yè)上下游數(shù)字孿生組織，成為以鏈主為核心的產(chǎn)業(yè)數(shù)字孿生。”葛世榮表示，數(shù)字孿生技術(shù)將推動智能化采礦進(jìn)入新時代，實(shí)現(xiàn)全要素、全流程、全數(shù)據(jù)的集成和融合，達(dá)到礦山生產(chǎn)系統(tǒng)最優(yōu)配置、裝備自主協(xié)同、開采安全高效的目的。