王国法院士：煤矿智能化发展方向与数字化智能化生态建设展望- 大数跨境

首页

王国法院士：煤矿智能化发展方向与数字化智能化生态建设展望

矿山安全天地

2023-05-31

导读：王国法，中国工程院院士，中国煤炭科工集团首席科学家，现任中国煤炭科工集团煤矿智能化工作委员会主任、煤矿智能化创新联盟理事长兼技术委员会主任、中国自动化学会智慧矿山专业委员会主任。

分享是最大的支持，关注是最好的鼓励

©《智能矿山》杂志

王国法，中国工程院院士，中国煤炭科工集团首席科学家，现任中国煤炭科工集团煤矿智能化工作委员会主任、煤矿智能化创新联盟理事长兼技术委员会主任、中国自动化学会智慧矿山专业委员会主任。

在全国上下深入学习贯彻党的二十大精神之际，国家能源局在陕西陕煤黄陵矿业有限公司组织召开了全国煤矿智能化建设现场推进会，系统总结煤矿智能化建设先进经验，宣传展示智能化示范煤矿建设成效，对深入推进煤矿智能化建设进程，助力煤炭工业高质量发展具有重大意义。

自2020年国家八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》以来，我国煤矿智能化建设进入快速发展阶段，煤矿智能化理论与技术创新不断取得新进展，一批智能化示范煤矿建设成效显著，为全面推进煤矿智能化建设提供了可推广和可复制的经验，煤矿智能化是煤炭企业高质量发展的核心技术支撑和必由之路这一观点已成为行业共识。同时，当前煤矿智能化建设也面临着多种挑战。

文章来源：《智能矿山》2023年第5期“封面文章”专栏

作者单位：中国煤炭科工集团有限公司

引用格式：王国法.煤矿智能化发展方向与数字化智能化生态建设展望——王国法院士在2023年全国煤矿智能化建设现场推进会上的发言[J].智能矿山，2023，4（5）：2-10.

煤矿智能化建设进展与挑战

《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》发布3年来，煤矿智能化建设与技术创新相互推进，煤矿高可靠融合通信系统、工业互联网平台、智能化综合管控平台等先进技术得到广泛推广应用（图1），供配电系统、主煤流运输系统、供排水系统等实现了常态化无人值守作业，智能采掘系统、智能辅助运输系统、煤矿机器人、露天矿用卡车无人驾驶系统等取得了积极进展，煤矿智能化技术装备国产化、成套化水平明显提升，初步形成了适用于不同煤层赋存条件的智能化煤矿建设模式，减人、增安、提效成果显著。

图1 智能化综合管控平台

在取得阶段性成果的同时，煤矿智能化建设仍然存在诸多短板，面临诸多挑战。

（1）数字化、智能化生态脆弱，呈现出产业链不完善、技术链片面、标准体系不统一等问题，数据融合、数据治理等差距较大。智能化建设过程中“重硬件轻软件、重平台轻数据、重展示轻操控”，煤矿复杂巨系统之间仍存在信息壁垒、数据孤岛，数据安全、系统安全缺乏保障。

（2）煤矿智能装备的可靠性及对复杂条件的适应性不能充分满足智能化煤矿建设需要，高端芯片、高性能检测设备、关键材料、工业基础设计软件等仍存在技术瓶颈。

（3）片面追求建设成效显示度，简单场景投入较大，复杂场景问题解决难度大，资源投入反而少。智能化技术装备对复杂煤层条件的适应性较差，导致煤矿智能化建设出现系统之间不平衡、区域之间差异大等问题。如何提高煤矿智能化建设质量和水平是重要挑战。

（4）智能化人才匮乏，智能化煤矿运维保障体系尚未建立，智能化煤矿管理体系亟待提升。亟需开展智能化煤矿管理模式重塑、业务流程再造，实现煤矿全系统、全流程、全链条智能化的整体推进。

煤矿智能化发展方向与路径

我国煤矿生产技术条件复杂性和多样性突出，发展不平衡是必须面对的现实。煤矿智能化是一个不断迭代发展的过程，理论技术创新与建设实践相互促进。应当按照基于目标导向的煤矿智能化分类、分级建设范式与技术路径，因矿施策，推进全国煤矿智能化高质量发展。

（1）针对赋存条件简单的一类煤矿，应全面开展信息感知数字化、数据模型多元化、管控平台一体化、系统设备可靠化、工艺流程精细化、灾害防治精准化、智能运行常态化、管理运维标准化、开发利用绿色化、生产供给柔性化等“十化”建设，实现智能生产、绿色矿区、智慧生活。“十化”建设数字化平台如图2所示。

图2 “十化”建设数字化平台

（2）针对赋存条件一般的二类煤矿，应着力开展“五优先、五重点”建设：优先开展固定场所无人值守、智能主辅运输、智能供电与供排水、智能采掘工作面、智能安全保障一体化系统等建设；重点突破灾害精准预测预警、机器人集群作业、一体化综合管控平台、智能地质探测与建模、智能快速掘进等技术装备的创新研发与实践，实现减人、增安、提质、创效。

（3）针对赋存条件复杂的三类煤矿，应开展“人机协同智能化”建设，重点建设智能化采掘、智能化安控、信息化管理等系统，切实提高煤矿安全、高效、智能化水平。

在智能化煤矿主要系统建设方面，针对煤矿智能快速掘进难题，应综合考虑优化巷道支护参数、减少支护工艺流程、提高同时作业钻臂数量等措施，通过创新巷道掘进模式，有效提升巷道掘进效率与智能化水平；智能化采煤系统应重点突破工作面高精度地质建模、装备几何孪生与数据机理孪生建模等难题，实现基于机理与数据融合驱动的数字孪生+自适应控制智能化采煤；智能辅助运输系统应重点突破物料的集装化运输与自动装卸接驳技术，探索自主控制无人驾驶技术，实现天轨、地轨、无轨三轨融合的智能化连续运输；加强智能传感与监测监控技术装备研发应用，突破感知信息一站式汇接、数据就地快速处理、灾害趋势精准预测等难题，形成集监测、预警、防控、应急于一体的智能安全闭环管控体系，全面提升矿井灾害防控系统的安全保障能力。构建煤矿智能化运维管理体系，建设“智能化服务平台、规范化流程制度、专业化运维队伍、精细化物资管理”技术标准体系及智能化煤矿运维知识库，形成以“流程为导向、服务为核心、技术为支点”的智能化煤矿运维与管理体系。

煤矿智能化建设是一个复杂的系统工程，不仅需要实现上述采、掘、机、运、通各业务系统的智能化运行，还应开展采前的智能地质探测与高精度地质建模，以及采后的智能洗选加工与增值利用、智慧循环经济园区等，应将矿井、矿区、社区3大要素进行有机融合，统一协调矿区智能化发展、工业园区智能低碳发展及社区人文智慧融合，构建多能融合智慧生态系统。

强化创新能力 突破理论、技术和装备瓶颈

理论与技术装备创新是提升煤矿智能化建设水平的基石，当前煤矿智能化理论、技术和装备发展与绿色、安全、高效开发的实际需求之间还存在着一定的差距，基础理论研究滞后、关键核心技术瓶颈难突破，部分生产工艺环节用人多、效率低、安全隐患和安全风险双重预防难度大。

应重点开展煤矿复杂系统建模、分析及控制，开展采场围岩与开采系统的动态耦合作用规律，工作面开采装备自主响应机制和开采过程智能化调控策略研究（图3）。针对井下复杂电磁环境空间物联机制与智能感知难题，应开展井下全时空同步测量原理与智能感知、煤矿无线通信与全光传输组网、井下电磁环境特性及电磁兼容、地下自主定位导航等研究。针对装备可靠性保障理论问题，应开展液压支架及关键元部件可靠性、水基液压系统高精度控制、立柱抗冲击及动态响应、井下大功率电池防爆快速充电，系统安全与可靠性验证等实验研究。探索柔性煤炭开发供给体系，开展煤矿生产链系统评估及优化、煤炭产供销策略体系研究，煤炭智能柔性开发供给体系如图4所示。促进煤炭行业在需求旺盛时可快速增加产能，在需求低迷时可低成本抑制产能，同时满足订单式生产要求。

（a) 井下跨系统全时空信息感知数据结构

（b ) 煤矿井下多元异构数据处理

图3 煤矿井下复杂建模

（a ) 煤炭智能柔性开发供给体系架构

（b ) 智能柔性煤炭开发供给体系运行方式

图4 煤炭智能柔性开发供给体系

着力突破复杂条件煤层高精度地质探测，形成工作面综合探测、多源数据融合、三维地质建模、规划截割、数字孪生、矿井云平台6项技术一体化的综合解决方案。以智能感知、位置服务、边缘计算、云计算应用为平台，打造矿山类北斗全坐标体系位置服务。突破掘支运并行作业、掘锚一体化、自动支护、柔性连续运输、远程智能协同控制等关键技术。突破智能传感器和自校准、机器人动态编程等难题，加快井下搬运、自动打钻、巷道清理、清淤等各种作业机器人研发和集群应用，有效替代井下工人高强度劳动工作岗位。搭建大数据中心及综合管控平台，进一步解决系统数据汇聚不足、融合性差的问题，为煤矿全矿井智能化、数字化升级赋能。智能化煤矿大数据分析平台技术架构如图5所示。

图5 智能化煤矿大数据分析平台技术架构

创新能力的提升离不开产业链与创新链的融合发展，要加强双链融合，加强政产学研合作。充分发挥“全国煤矿智能化创新联盟”、行业协会、学会的作用，构建汇聚行业内外优势资源的创新生态圈，进一步提升全领域的科技创新能力。

推进煤矿数字化智能化生态建设

当前，受中美贸易摩擦、地缘政治冲突等因素影响，我国能源安全保障问题日益突出，基于新一代信息技术在煤炭领域的创新突破与融合应用，进行煤炭工业治理体制、机制创新，推进煤矿数字化智能化生态建设，已经成为构建安全高效、清洁低碳的煤炭产-供-销体系的核心要素，基于我国煤矿智能化发展现状及趋势，提出以下6点建议：

（1）加快煤矿智能化标准体系建设

通过煤矿智能化建设大幅降低了数据获取门槛和获取成本，但设备接口不统一、数据协议不兼容、数据格式不一致等问题造成数据采集、传输、集成、共享难以高效完成，系统之间数据融合难度与成本成倍提高。亟需从行业层面上构建数据标准体系与法规，规范智能化煤矿建设网络通信协议与数据标准，采用统一格式进行交换和存储，使数据管理流程和机制清晰，从而激活数据要素潜能，发挥煤矿海量数据和丰富应用场景优势，煤矿智能化数据标准体系如图6所示。

图6 煤矿智能化数据标准体系

（2）以业务为导向深化煤矿数据治理，构建煤炭行业知识图谱

煤矿数据治理是构建煤矿数据逻辑模型，实现“虚实映射+融合共享”的过程。由于煤矿数据具有较强的时空关联性及事件关联性，因此在进行煤矿数据治理过程中，应以业务为导向，根据系统关联，完成数据模型的分级建设，形成面向产、运、储、销、用全过程和全生命周期的共享数据湖。在此基础上对煤炭行业知识进行流程固化，通过数据描述语言进行转化积累，从而形成煤炭行业知识图谱，由点及面推进向企业全业务链、价值链的渗透延伸。

（3）加速数据驱动下管理变革转型，增强信息安全保障能力

随着煤炭行业数字化转型的深入推进，必然带来煤炭企业生产组织模式与管理方式的调整，管理者认知水平、组织体制、管理方法、人才储备等因素，都可能制约数字化智能化建设应用效果。煤炭企业需打破过去以物理世界为中心的组织模式和管理模式，围绕数字化智能化重塑企业的战略愿景、业务流程、组织架构、管理文化等，持续加强人才培养，尤其是具备煤炭技术与数字技术知识融合的跨界复合型人才，并加大力度强化信息系统网络安全动态防护，推进网络安全风险态势感知、预警和应急处置能力建设。

（4）建设煤矿行业云平台，打造行业数据生态圈

煤炭行业具有产业链条长、辐射范围广、上下游关联度强，生产运营涉及众多学科专业知识，地质条件和生产场景复杂多变，生产设备及应用种类繁多等特点。通过建设煤炭行业云数据平台，构建煤炭企业-煤机企业-软件开发企业-ICT企业间数据流动、交换、共享路径，打破行业数据孤岛，形成共赢数据生态圈，才能激发煤炭行业数据价值潜力，煤炭行业“煤智云”工业互联网平台如图7所示。

图7 国资可信云：煤炭行业“煤智云”工业互联网平台

（5）建立国家级的煤矿安全生产智能化平台

将煤炭生产的主要危险源、高危作业岗位、安全生产监测系统等信息纳入平台，进行重大工程作业的全流程安全管控，实现煤炭生产、利用全流程智能化运行。构建基于工业互联网的安全感知、监测、预警、处置及评估体系，提升煤炭企业安全生产数字化、网络化、智能化水平，培育“工业互联网+安全生产”协同创新模式，实现重大灾害的智能预测预警、救援快速响应、应急物资快速配置，各级煤矿安全生产智能化平台如图8所示。

图8 煤矿安全生产智能化平台

（6）建立国家级的煤炭交易监管平台

建设国家级-行业级-省级-企业级4层架构的国家级煤炭交易监管平台（图9），涵盖生产端、销售端、用户及物流服务商、银行保险金融机构等各环节。基于新一代信息技术实现对煤炭资源的存量信息、消耗量信息、交易信息等全面及时可靠采集，对煤炭资源的实时交易信息进行监管；基于区块链技术实现煤炭交易的透明化、公平化，提高市场对煤炭生产消费的引导水平，保障我国能源的交易安全。