葛世荣院士：煤矿智能化的神经、中枢和大脑

近年来，以5G、人工智能、物联网、云计算、大数据为代表的新一代信息技术争相在煤矿行业落地生根，形成了矿用5G通信专网、露天矿无人驾驶、矿鸿操作系统、煤矿数字孪生等典型创新应用，有力推动了煤矿智能化发展。然而，我们也应清醒认识到，目前煤矿智能化建设还处于起步阶段，主要集中在采煤、掘进等生产单元智能化和煤矿机器人的应用试点。虽然煤矿的单机或单系统智能化水平取得了长足的进步，但在煤矿生产全流程的系统智能化方面还有很长的路要走。未来的煤矿智能化发展形态不仅是煤炭生产环节的智能化，还包括煤矿地质勘探、矿井设计建造、废弃矿井综合利用等矿井全生命周期管控智能化以及煤矿“产、运、销、储、用”全流程调控的智能系统化。

煤矿泛在互联操作系统是煤矿智能化系统的中枢，为各种行业应用中间件和APP等提供生态支撑。它应该包括两层架构，第一层是面向装备的单机操作系统，对下提供设备层数据流和控制流的标准通信架构与驱动开发管理框架，对上为应用层提供数据通信服务、资源管理调度、应用程序开发框架等系统服务；第二层是行业应用操作系统，面向煤矿工业互联网应用提供完整的中间件服务，例如业务数据管理、行业知识模型库、AI计算框架、可视化引擎、物理仿真引擎等。二者的关系有点类似于Linux与机器人操作系统ROS的关系。加快煤矿泛在互联操作系统研发和应用一方面需要加强基础研究，在操作系统体系架构、运行机制、应用构造、可信保障等方面持续突破；另一方要加大开源力度，通过开源社区聚集行业企业、科研院所和个人力量，协同推进操作系统技术的迭代创新，构建完善的应用开发生态。

煤矿数字孪生系统是以煤矿工业互联网为基础，在煤矿泛在互联操作系统平台上构建的煤炭“产、运、销、储、用”全流程透明化系统，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，实现煤矿生产条件先知先觉、生产过程可视可控、生产安全可防可测、生产要素可调可配，是在更高层次上构建煤矿智能化系统的大脑。构建煤矿数字孪生系统可分为四个步骤：

为实现上述目标，须有工业互联网、操作系统和数字孪生作为强力支撑。一是构建全域覆盖的煤矿工业互联网，联通矿井、矿区、集团乃至全行业，解决煤炭行业长期以来存在的信息孤岛严重、数据流汇聚不足等老大难问题，实现煤矿全生产要素、全生产流程、全产业链条数据与信息的实时互联与融合应用。二是研发煤矿泛在互联操作系统，在装备层面，加大矿鸿等国产操作系统的完善程度和应用广度，解决数据接入标准规范不统一的问题；在系统层面，研发计算引擎、三维可视化引擎、物理仿真引擎、AI计算框架等中间件，构建良好的应用开发生态。三是研发智能煤矿数字孪生技术，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，建设生产条件先知先觉、生产过程可视可控、生产安全可防可测、生产要素可调可配的煤炭“产、运、销、储、用”全流程透明化系统。最终构建智能低碳、安全高效的现代煤炭开发利用体系，推动煤炭工业高质量发展。

二是实现复合数字孪生，主要针对煤矿子系统，例如一个采煤或掘进工作面、一条主煤流运输线，是基于离散数字孪生和外部数字资源复合而成的数字孪生体，着重多个数字孪生装备的协同作业、装备与环境的相互作用、矿井灾害的监测预警等，这是当前煤矿智能化建设的主要努力方向；

当前，煤矿工业互联网的建设还有诸多亟需解决的问题。首先，煤炭行业要高度重视煤矿工业互联网系统建设，将其作为煤矿智能化发展的基石与赋能企业高质量发展的重要技术手段来对待；其次，要加快煤矿工业互联网顶层架构设计、构建煤矿工业互联网技术体系，要将煤炭生产、安全监管、存储运销、行业转型发展、智能化发展等各方面需求系统地谋划嵌入到煤矿工业互联网当中；再次，要加快煤矿工业互联网标准规范制定，2021年11月，工信部、国家标准委联合印发《工业互联网综合标准化体系建设指南（2021版）》，以标准规范建设引领工业互联网高质量发展。在煤炭领域，也亟需加快标准体系的顶层设计与研制实施，为各类煤矿生产子系统、安全监控子系统、运营管理子系统提供统一的通信接口与数据规范；最后，要突破系列关键核心技术，例如：统一开放的矿山装备及零部件标识解析体系、煤矿工业互联网可信隐私计算与安全防护技术、面向行业赋能的工业大数据与人工智能技术等。

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