吳群英 郭佐寧 ?;⒚?符立梅 習(xí) 曉 周曉明
(1.陜煤集團(tuán)陜北礦業(yè)有限公司,陜西省榆林市,719000;2. 西安科技大學(xué), 陜西省西安市, 710054)
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)工業(yè)面臨著信息化時(shí)代的深刻變革,因此如何推進(jìn)煤炭行業(yè)兩化深度融合、貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記提出的“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略、加快推進(jìn)煤炭行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、推動(dòng)智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展、促進(jìn)礦山數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)礦區(qū)智慧化成為了煤炭領(lǐng)域的新發(fā)展主題[1]。2020年2月25日,國(guó)家8部委聯(lián)合制定了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》[2],新一代信息技術(shù)的發(fā)展為煤礦智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了契機(jī)[3]。陜煤集團(tuán)陜北礦業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“陜北礦業(yè)公司”)智慧化建設(shè)采用新一代信息技術(shù),按照“統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)、統(tǒng)一投資管理、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系、統(tǒng)一建設(shè)運(yùn)維”的理念,制定了智能化建設(shè)戰(zhàn)略布局,并將智慧礦區(qū)建設(shè)作為信息化重大戰(zhàn)略目標(biāo),通過(guò)智慧化建設(shè)不斷提升企業(yè)“二優(yōu)三商三打造”高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)涵品質(zhì)。
陜北礦業(yè)公司是陜煤集團(tuán)在陜北國(guó)家能源基地規(guī)劃建設(shè)的大型煤炭生產(chǎn)企業(yè),下屬紅柳林礦業(yè)公司、檸條塔礦業(yè)公司、張家峁礦業(yè)公司、韓家灣煤炭公司、孫家岔龍華礦業(yè)公司、中能煤田公司、涌鑫礦業(yè)公司、神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展公司、神南煤炭科技孵化公司和“沿黃煤環(huán)”發(fā)展生態(tài)大數(shù)據(jù)有限公司10個(gè)單位(8對(duì)生產(chǎn)礦井),主導(dǎo)并聯(lián)合中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)等單位成立了陜北煤炭綠色發(fā)展研究院。陜北礦業(yè)公司擁有優(yōu)質(zhì)煤炭產(chǎn)能7000萬(wàn)t/a(其中50%用于化工原料)、2億t/a煤炭生產(chǎn)服務(wù)能力和1000 m2科技孵化基地,盈利超100億元/a。2019年,陜北礦業(yè)公司商品煤產(chǎn)量為6700萬(wàn)t,實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入209億元,利潤(rùn)達(dá)到101億元。
近年來(lái),陜北礦業(yè)公司堅(jiān)決貫徹國(guó)家及集團(tuán)公司的決策部署,取得了15項(xiàng)煤炭行業(yè)第一,榮獲了“國(guó)家級(jí)兩化融合貫標(biāo)示范企業(yè)”“中國(guó)能源企業(yè)信息化管理創(chuàng)新獎(jiǎng)”“陜西省質(zhì)量獎(jiǎng)”“中國(guó)工業(yè)大獎(jiǎng)”“全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)狀”等重大獎(jiǎng)項(xiàng)。
陜北礦業(yè)公司通過(guò)不斷全面深化“兩化融合”,加快智能化礦區(qū)建設(shè)步伐,近幾年下屬各生產(chǎn)礦井取得卓越成效。
(1)下屬各生產(chǎn)礦井均實(shí)現(xiàn)了人員(車輛)定位、安全監(jiān)測(cè)、應(yīng)急廣播、調(diào)度通訊、無(wú)線通訊、工業(yè)視頻的多系統(tǒng)融合,通過(guò)融合基站實(shí)現(xiàn)了底層應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。
(2)部分礦井現(xiàn)已建成了地質(zhì)一張圖、智慧導(dǎo)航、智能化選煤廠和工會(huì)管理等信息化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了信息采集全覆蓋、數(shù)據(jù)資源全覆蓋、統(tǒng)計(jì)分析全自動(dòng)、業(yè)務(wù)管理全透明。
(3)礦井智能化工作面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)常態(tài)化自動(dòng)割煤,切實(shí)做到了減人增效的目標(biāo)。
(4)陜北礦業(yè)公司業(yè)務(wù)管理方面推行全面預(yù)算管理,導(dǎo)入卓越績(jī)效管理體系,不斷優(yōu)化管理機(jī)制,經(jīng)營(yíng)管理成效顯著。
雖然陜北礦業(yè)公司及其下屬生產(chǎn)礦井已具備較高智能化應(yīng)用水平,并取得良好效果,但仍面臨以下諸多痛點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。
一是信息化應(yīng)用范圍覆蓋不全面。部分關(guān)鍵業(yè)務(wù)如設(shè)備管理、固定資產(chǎn)管理、工程項(xiàng)目管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理等存在較為明顯的信息化缺口。
二是信息孤島現(xiàn)象較為嚴(yán)重。應(yīng)用系統(tǒng)之間基本沒(méi)有集成關(guān)系,阻礙了業(yè)務(wù)的融合銜接,不能為企業(yè)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。
三是缺乏整體架構(gòu)。信息系統(tǒng)的整體架構(gòu)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì),各單位獨(dú)立建設(shè),沒(méi)有在整體上形成平臺(tái)化架構(gòu),缺乏靈活性和可擴(kuò)展性,不能完全做到隨需而變,難以適應(yīng)企業(yè)發(fā)展的需要。
四是存在業(yè)務(wù)斷層。單一業(yè)務(wù)線向下延伸多級(jí)才能到生產(chǎn)基層,整體效率低,信息失真程度高。
五是缺少管控支撐工具。缺乏實(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)據(jù)集成、能力集成和應(yīng)用集成的智能化管控平臺(tái)。
為此,陜北礦業(yè)公司根據(jù)實(shí)際需求和前期工作基礎(chǔ),結(jié)合最新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和跨行業(yè)經(jīng)驗(yàn),探索了符合陜北礦業(yè)公司發(fā)展要求、以智慧礦區(qū)為核心、以實(shí)現(xiàn)礦井智能化為最終目標(biāo)的智慧化建設(shè)方案。
目前眾多學(xué)者基于現(xiàn)代智慧理念根據(jù)不同的生產(chǎn)條件及應(yīng)用角度給出了不同的智慧礦區(qū)定義[4-6]。陜北礦業(yè)公司根據(jù)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的根本需求,構(gòu)建了以數(shù)據(jù)獲取為核心和以系統(tǒng)建設(shè)一體化為原則的分布式統(tǒng)一架構(gòu)的智慧化體系。
陜北礦業(yè)公司利用新一代信息技術(shù),在供應(yīng)銷售等環(huán)節(jié)中,通過(guò)構(gòu)建“客戶端-生產(chǎn)端-供應(yīng)端”數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、反饋的閉環(huán)體系,打破不同層級(jí)、不同業(yè)務(wù)間的數(shù)據(jù)壁壘,健全安全、高效、協(xié)調(diào)、綠色的煤基經(jīng)濟(jì)社會(huì)體系,定義全新陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū),礦區(qū)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為支撐,自主學(xué)習(xí)決策形成全新的數(shù)字經(jīng)濟(jì)體系,推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)以數(shù)字經(jīng)濟(jì)、系統(tǒng)工程、信息科學(xué)及采礦工程等多學(xué)科交叉融合為基礎(chǔ),最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人、安全、高效、綠色及定制化礦山,具有縱向、橫向及端到端高度集成,系統(tǒng)間深度互聯(lián)互通;基于傳感器、控制器、泛在網(wǎng)絡(luò)、條碼/UWB等泛在感知技術(shù),實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)的全面透徹感知;采用數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)發(fā)現(xiàn)及動(dòng)態(tài)建模等技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng);基于人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、智能穿越等智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)環(huán)協(xié)同作業(yè);通過(guò)訂單式生產(chǎn)、彈性保障制度及貫通的管控能力實(shí)現(xiàn)彈性供給等特征。
2.2.1 智能化發(fā)展背景
(1)新道路。新道路即創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量保障、效益優(yōu)先、全要素生產(chǎn)率提高的高質(zhì)量發(fā)展之路,其核心問(wèn)題是全要素生產(chǎn)率的提高,質(zhì)量強(qiáng)國(guó),需要解決的是要素分割、低效率配置及循環(huán)問(wèn)題。
(2)新方向。新方向即數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字中國(guó)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)方向,其核心問(wèn)題是數(shù)字經(jīng)濟(jì)建設(shè),需要解決的是業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型問(wèn)題。
(3)新格局。新格局即形成強(qiáng)大的國(guó)內(nèi)市場(chǎng),構(gòu)建新發(fā)展格局,堅(jiān)持?jǐn)U大內(nèi)需這個(gè)戰(zhàn)略基點(diǎn),加快培育完整內(nèi)需體系,暢通國(guó)內(nèi)大循環(huán),促進(jìn)國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)的國(guó)際國(guó)內(nèi)雙循環(huán)格局,核心問(wèn)題是暢通國(guó)內(nèi)大循環(huán),需要解決的是循環(huán)暢通的基礎(chǔ)及技術(shù)問(wèn)題。
(4)新挑戰(zhàn)。新挑戰(zhàn)即整體智能化之戰(zhàn),核心問(wèn)題是礦區(qū)整體智能化,需要解決的是礦區(qū)要素內(nèi)循環(huán)、礦區(qū)要素與社會(huì)產(chǎn)業(yè)大循環(huán)。
2.2.2 智能化發(fā)展趨勢(shì)
礦井各單元智能化不等同于礦井整體智能化,礦井整體智能化亦不等同于礦區(qū)智能化。陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)有如下使命。
(1)從點(diǎn)狀、專業(yè)狀智能化向多系統(tǒng)協(xié)同及全礦區(qū)智慧化邁進(jìn)。點(diǎn)狀、專業(yè)狀智能化實(shí)踐提升和訓(xùn)練了智能化的知識(shí)與能力,但造成了信息孤島,成為智能化的最大障礙。陜北礦業(yè)公司礦區(qū)智能化歷程如圖1所示。
圖1 陜北礦業(yè)公司礦區(qū)智能化歷程
由圖1可以看出,從業(yè)務(wù)鏈角度看,點(diǎn)狀、線狀、鏈狀協(xié)同相對(duì)較多,網(wǎng)狀整體協(xié)同少;從區(qū)域角度看,礦井內(nèi)部協(xié)同較多,礦區(qū)整體協(xié)同循環(huán)少,礦區(qū)與外部高效協(xié)同循環(huán)少。因此需要向多系統(tǒng)及礦區(qū)整體智慧化發(fā)展。
(2)從主系統(tǒng)智能化向輔助維護(hù)工程智能化并重邁進(jìn),解決零星輔助工作及運(yùn)行支撐系統(tǒng)的智能化問(wèn)題。“十四五”期間,地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、識(shí)別、分析、預(yù)警全流程智能化將是煤礦智能化發(fā)展的具體方向。采用圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)、圖像語(yǔ)義分割、場(chǎng)景文字識(shí)別、圖像生成、視頻分類、度量學(xué)習(xí)等技術(shù),立足地質(zhì)災(zāi)害空間分異性,加強(qiáng)案例積累與挖掘,在建設(shè)更加精密群測(cè)群防網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,研發(fā)自適應(yīng)性較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)傳感采集設(shè)備,探索更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)預(yù)警模型與算法,為精細(xì)化的防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)奠定基礎(chǔ)。
(3)從智能技術(shù)升級(jí)改造向管理系統(tǒng)智慧化邁進(jìn)。管理變革才能適應(yīng)智能化這一生產(chǎn)力變革,使其發(fā)揮應(yīng)有的效能。管理的方向是承載物理實(shí)體的數(shù)據(jù)及價(jià)值,建設(shè)以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為管理方式、以開(kāi)放平臺(tái)為基礎(chǔ)支撐、以數(shù)字技術(shù)為核心要素的企業(yè)新形態(tài)。管理研究的對(duì)象包括數(shù)字資源的獲取、數(shù)據(jù)資產(chǎn)的權(quán)益、分析獲得的勞動(dòng)價(jià)值、應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)增值、創(chuàng)新拓展的科技與管理的良性循環(huán),研究?jī)?nèi)容包括數(shù)字經(jīng)濟(jì)學(xué)與數(shù)字管理學(xué),其中數(shù)字管理學(xué)是指產(chǎn)業(yè)體系中資源配置、科研創(chuàng)新、生產(chǎn)組織、商業(yè)模式以數(shù)據(jù)為中心重構(gòu)技術(shù)流、資金流、人才流、物資流,實(shí)現(xiàn)體系重構(gòu)、動(dòng)力變革、范式遷移;數(shù)字經(jīng)濟(jì)學(xué)是指以萬(wàn)物互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、軟體定義、平臺(tái)支撐、智能主導(dǎo)的五大特征數(shù)字經(jīng)濟(jì)新時(shí)代。
(4)從礦井智能化向礦區(qū)智慧化邁進(jìn),解決礦井、礦區(qū)全要素生產(chǎn)率的提升,打破“專業(yè)墻”“礦井墻”,實(shí)現(xiàn)集約化運(yùn)行,整體提升效率效益?;诘V山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè),礦井側(cè)通過(guò)生產(chǎn)組織方式、生產(chǎn)保障方式及績(jī)效激勵(lì)方式等方面的變革,解決設(shè)備與環(huán)境、設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人、人與人、設(shè)備與產(chǎn)品的關(guān)系,礦區(qū)側(cè)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)管理模式、企業(yè)組織架構(gòu)、業(yè)態(tài)體系規(guī)劃等方面的變革,解決礦區(qū)與生產(chǎn)資料高效配置關(guān)系、礦區(qū)與客戶需求精準(zhǔn)供給關(guān)系、礦區(qū)與礦區(qū)需求質(zhì)量決策關(guān)系、礦區(qū)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈關(guān)系、礦區(qū)與社會(huì)文明的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)供銷服”方式升級(jí)、“安全高效綠色”功能升級(jí)、“產(chǎn)業(yè)生態(tài)”協(xié)同升級(jí)及“設(shè)計(jì)制造供應(yīng)鏈”質(zhì)量升級(jí)。
(5)從追求“少人、無(wú)人”的“安全、高效”向“清潔、綠色、生態(tài)、精準(zhǔn)供給”并重的功能邁進(jìn),解決智能化全面要義落實(shí)問(wèn)題,即實(shí)現(xiàn)安全、高效、清潔、綠色、生態(tài)的全方面智能化。
陜北礦業(yè)公司提出了“1543” 智慧礦區(qū)建設(shè)模式,即1個(gè)以價(jià)值創(chuàng)造為核心目標(biāo)的戰(zhàn)略布局,包含創(chuàng)新引領(lǐng)、規(guī)劃先行、技術(shù)支撐、梯度推進(jìn)、全面協(xié)同的5個(gè)推進(jìn)原則,在新道路、新方向、新格局、新挑戰(zhàn)上的4項(xiàng)根本任務(wù),以管理為核心、技術(shù)為支撐、效能為評(píng)價(jià)的3大實(shí)踐方法。其中,戰(zhàn)略引領(lǐng)建設(shè)體系并指導(dǎo)實(shí)踐方法,建設(shè)體系與實(shí)踐方法達(dá)到相互驗(yàn)證與支撐關(guān)系。陜北礦業(yè)公司“1543”智慧礦區(qū)建設(shè)模式如圖2所示。
圖2 陜北礦業(yè)公司“1543”智慧礦區(qū)建設(shè)模式
陜北礦業(yè)公司全面開(kāi)展“21851”黑金工程戰(zhàn)略布局,即構(gòu)建礦井+礦區(qū)2級(jí)大數(shù)據(jù)智能管控云平臺(tái)、1個(gè)5G+智慧礦區(qū)創(chuàng)新試驗(yàn)區(qū)和8大5G+智慧礦區(qū)應(yīng)用場(chǎng)景,聯(lián)合5類產(chǎn)業(yè)鏈伙伴建立智慧礦區(qū)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,最終打造1個(gè)具有協(xié)同、生態(tài)、情懷的綠色智慧創(chuàng)新谷,實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)品、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)裝備、技術(shù)力量及運(yùn)維服務(wù)等全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。其中8大5G+智慧礦區(qū)應(yīng)用場(chǎng)景包括智能生產(chǎn)協(xié)同調(diào)度、采動(dòng)災(zāi)害智能預(yù)警、礦山裝備運(yùn)行監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)性維護(hù)、供應(yīng)鏈協(xié)同資源配置、智能無(wú)人化綜采工作面、智能環(huán)境感知及安全檢測(cè)、智能化巷道快速掘進(jìn)、智能化生產(chǎn)輔助保障,5類產(chǎn)業(yè)鏈伙伴,包括通信運(yùn)營(yíng)商、科研院校、設(shè)備制造商、終端供應(yīng)商及系統(tǒng)集成商。陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)戰(zhàn)略布局如圖3所示。
圖3 陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)戰(zhàn)略布局
陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)基于現(xiàn)代管理理念和新一代信息技術(shù),將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動(dòng)控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器人、智能化裝備等與現(xiàn)代煤礦開(kāi)發(fā)技術(shù)深度融合,形成礦區(qū)全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)礦區(qū)開(kāi)拓、采掘、運(yùn)通、洗選、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管控等全過(guò)程智能化運(yùn)行的體系。其總體目標(biāo)是形成煤礦完整智能系統(tǒng)、全面智能運(yùn)行、科學(xué)綠色開(kāi)發(fā)的全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行新模式,為保障國(guó)家能源安全、實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供核心技術(shù)支撐。
數(shù)據(jù)是驅(qū)動(dòng)礦山數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)要素,陜北礦業(yè)公司通過(guò)下屬生產(chǎn)礦井、生產(chǎn)服務(wù)公司、科技孵化公司及生態(tài)研究院構(gòu)建邊緣側(cè),為礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)資源;平臺(tái)基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)服務(wù)體系,為礦區(qū)提供應(yīng)用服務(wù),如生產(chǎn)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、保障系統(tǒng)、經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)、決策系統(tǒng)及生態(tài)系統(tǒng)等軟件服務(wù),形成數(shù)字化的知識(shí)與信息,為礦區(qū)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵的生產(chǎn)要素。陜北礦業(yè)公司通過(guò)5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈新信息技術(shù)的綜合運(yùn)用,以及信息化人才培養(yǎng)、生態(tài)治理、隱私安全、綠色可持續(xù)發(fā)展等社會(huì)約束激勵(lì),催生了礦山新業(yè)態(tài)、新組織、新管理以及新技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)礦區(qū)智慧化建設(shè)。陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)總體思路如圖4所示。
(1)新業(yè)態(tài)。陜北礦業(yè)公司基于數(shù)據(jù)化供應(yīng)鏈的視角,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳遞、分析管理和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)從定制化訂單、自動(dòng)化數(shù)字化生產(chǎn)、智能運(yùn)輸、精準(zhǔn)化供給服務(wù)全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化轉(zhuǎn)型;同時(shí),將礦山大數(shù)據(jù)作為一種新的資產(chǎn)、資源和生產(chǎn)要素,提高生產(chǎn)和決策的智能化,驅(qū)動(dòng)企業(yè)以客戶需求為導(dǎo)向的價(jià)值創(chuàng)造模式變革。
(2)新組織。隨著礦區(qū)全生產(chǎn)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的即時(shí)連接、深度透明與高度智能化,外部合作伙伴和內(nèi)部業(yè)務(wù)單元逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化無(wú)縫連接,內(nèi)部各個(gè)層級(jí)和業(yè)務(wù)模塊開(kāi)始實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)知識(shí)與信息的對(duì)等與對(duì)稱。數(shù)字化、平臺(tái)化與生態(tài)化將推動(dòng)企業(yè)發(fā)展新的經(jīng)濟(jì)模式。
(3)新管理。數(shù)字化轉(zhuǎn)型給礦區(qū)組織架構(gòu)、管理模式及管理方式帶來(lái)了深刻的變化,陜北礦業(yè)公司基于新一代信息技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了管理的數(shù)字化與智慧化,即管理結(jié)構(gòu)扁平化、管理模式自組織化和管理方式數(shù)字化。
(4)新技術(shù)。數(shù)字化轉(zhuǎn)型的前沿科學(xué)技術(shù)主要包括人工智能、區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)安全防護(hù)體系。對(duì)企業(yè)產(chǎn)業(yè)價(jià)值有巨大影響力的數(shù)字化技術(shù)包括數(shù)據(jù)、計(jì)算能力和連接、分析和人工智能、人機(jī)交互及先進(jìn)開(kāi)采工藝。
陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)遵循國(guó)家和集團(tuán)的整體戰(zhàn)略,基于實(shí)際需求和管理模式,通過(guò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、技術(shù)平臺(tái)、應(yīng)用系統(tǒng)、保障體系、數(shù)據(jù)服務(wù)的搭建和逐步完善,整體上形成平臺(tái)化技術(shù)架構(gòu)、一體化應(yīng)用系統(tǒng)、專業(yè)化組織保障、共享化數(shù)據(jù)服務(wù),最終全面實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)、透徹化感知、可視化管理、數(shù)字化決策的智慧礦區(qū)。
圖4 陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)總體思路
3.3.1 頂層設(shè)計(jì)原則
(1)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),而平臺(tái)是貫徹標(biāo)準(zhǔn)的手段。
(2)統(tǒng)一規(guī)則和分步實(shí)施相結(jié)合。統(tǒng)一規(guī)劃保證多系統(tǒng)建設(shè)的一致性和完整性,分步實(shí)施是自下而上的執(zhí)行,難點(diǎn)在于一張藍(lán)圖繪制到底的能力。
(3)兼顧創(chuàng)新性和成熟性。既要考慮發(fā)展趨勢(shì)和先進(jìn)性,又要考慮采用成熟、可用、可靠的產(chǎn)品,同時(shí)還要兼顧經(jīng)濟(jì)性,在滿足當(dāng)下需求的同時(shí)適應(yīng)未來(lái)發(fā)展。
(4)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、融合和分析能力。擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集范圍、推動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)字化,建立數(shù)據(jù)共享共用機(jī)制,加快推動(dòng)系統(tǒng)間、各層級(jí)、內(nèi)外部數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和共享聚合。
3.3.2 設(shè)計(jì)要求
陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)需求是對(duì)下實(shí)現(xiàn)所屬礦井的透視化管控,對(duì)上支撐上級(jí)集團(tuán)公司發(fā)展,滿足國(guó)家戰(zhàn)略與社會(huì)需求,通過(guò)各層級(jí)間的數(shù)據(jù)融合分析,對(duì)外實(shí)現(xiàn)與供應(yīng)商、制造商與客戶的業(yè)務(wù)協(xié)同。因此,公司規(guī)劃有如下設(shè)計(jì)要求。
(1)使價(jià)值有效、高效地流動(dòng),即業(yè)務(wù)有效。
(2)服務(wù)于全要素生產(chǎn)力提升,即要素和效能要發(fā)揮出來(lái),即噸煤效益。
(3)服務(wù)于扁平化的生產(chǎn)過(guò)程。
(4)服務(wù)于精準(zhǔn)的市場(chǎng)響應(yīng)。
(5)服務(wù)于企業(yè)的業(yè)務(wù)生態(tài)健康,即健全的供應(yīng)鏈、銷售鏈。
(6)智慧化內(nèi)涵、目標(biāo)、架構(gòu)、原則、路徑及技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成了智慧礦區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)體系。
陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)技術(shù)體系包含總體架構(gòu)、業(yè)務(wù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)及數(shù)據(jù)架構(gòu)4個(gè)部分[7]。
(1)總體架構(gòu)??傮w架構(gòu)與傳統(tǒng)的平臺(tái)體系不同,是基于私有云架構(gòu)的智慧礦區(qū)基礎(chǔ)平臺(tái),包括基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層 、平臺(tái)服務(wù)層、軟件服務(wù)層、管理模式層。此外,該架構(gòu)支持大數(shù)據(jù)分析能力和邊緣計(jì)算的能力,并且融合“1+4”體系結(jié)構(gòu)(1個(gè)數(shù)據(jù)中心和4類業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的軟件服務(wù)綜合體系結(jié)構(gòu))。其中,基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層提供相關(guān)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和其他硬件設(shè)備資源;平臺(tái)服務(wù)層主要包括業(yè)務(wù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)和技術(shù)中臺(tái);軟件服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)中安全管控、生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)度協(xié)同和經(jīng)營(yíng)管理4大類業(yè)務(wù)場(chǎng)景下不同軟件系統(tǒng)的功能模塊,并以統(tǒng)一接口的形式對(duì)不同功能的模塊進(jìn)行封裝和管理;管理模式層主要包括人才培養(yǎng)和新技術(shù)條件下的4類業(yè)務(wù)場(chǎng)景的工作方式變革。
(2)業(yè)務(wù)架構(gòu)。上述體系架構(gòu)較難細(xì)致描述智慧礦區(qū)建設(shè)中業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系等信息,為此,陜北礦業(yè)公司在智慧礦區(qū)總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過(guò)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的劃分,建立了智慧礦區(qū)的業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)。該架構(gòu)以云計(jì)算和大數(shù)據(jù)平臺(tái)為基礎(chǔ),通過(guò)實(shí)現(xiàn)一體化的綜合管控業(yè)務(wù)功能,減少因系統(tǒng)互操作、標(biāo)準(zhǔn)化不健全和缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)等因素引起的數(shù)據(jù)孤島和信息煙囪問(wèn)題,最終實(shí)現(xiàn)智慧礦山的智能化管控服務(wù)。
(3)技術(shù)架構(gòu)。技術(shù)架構(gòu)主要包括7個(gè)部分:數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)整合層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、數(shù)據(jù)分析層、業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用表示層。此外,還包括安全控制和管理配置等相關(guān)技術(shù)。本架構(gòu)的特點(diǎn)在于各類技術(shù)的組件化與服務(wù)化。
(4)數(shù)據(jù)架構(gòu)。在構(gòu)建業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,為了能夠更好地挖掘和利用數(shù)據(jù),提供智能化服務(wù),改變了以數(shù)據(jù)獲取為核心的架構(gòu)方式,構(gòu)建以數(shù)據(jù)利用為核心的智慧礦山數(shù)據(jù)架構(gòu)。該架構(gòu)主要包括5個(gè)部分:數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)建設(shè)、系統(tǒng)運(yùn)維、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)管理及規(guī)劃與部署。通過(guò)建立智慧礦區(qū)的數(shù)據(jù)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)智慧礦山數(shù)據(jù)的深入應(yīng)用。
陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)“六協(xié)同”策略將“數(shù)據(jù)孤島”變?yōu)椤皡f(xié)同共享”,通過(guò)智慧礦區(qū)建設(shè)全力打造煤基園區(qū)(榆神四期)綠色智能創(chuàng)新谷產(chǎn)業(yè)群。
(1)價(jià)值協(xié)同與價(jià)值流管理。打破業(yè)務(wù)間、企業(yè)間、產(chǎn)業(yè)間之“墻”,價(jià)值創(chuàng)造求最優(yōu)解。
(2)信息集成共享。政策、市場(chǎng)、生產(chǎn)、供應(yīng)、銷售、轉(zhuǎn)化、循環(huán)等信息集成。
(3)高效扁平化管理協(xié)同。業(yè)務(wù)、管理高效,政令迅達(dá)。
(4)創(chuàng)新協(xié)同。構(gòu)建多主體協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟,政產(chǎn)學(xué)研用五位一體創(chuàng)新,力求改革政策體系。
(5)頂層協(xié)同設(shè)計(jì)。多產(chǎn)業(yè)、多行業(yè)、多專業(yè)一體化設(shè)計(jì),形成立體式“綠色智能化”園區(qū),引領(lǐng)“煤竭亦興”的新型道路。
(6)全要素協(xié)同提升。從農(nóng)林到煤炭生產(chǎn)及服務(wù),再到煤炭化工電力轉(zhuǎn)化融合發(fā)展。
基于陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)總體規(guī)劃,擬采用“總體規(guī)劃、分步實(shí)施、礦區(qū)引領(lǐng)、礦井支撐、強(qiáng)基保產(chǎn)、穩(wěn)步推進(jìn)”的實(shí)施原則,最終全面實(shí)現(xiàn)“高效協(xié)同、成本可控、效益顯著”的智慧化陜北礦業(yè)新局面。
陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)建設(shè)將按照“3個(gè)層級(jí)梯度推進(jìn)”的基調(diào)進(jìn)行總體推進(jìn)。其中,2018年開(kāi)始啟動(dòng)煤基園區(qū)層的榆神四期“綠色智能創(chuàng)新谷”方案研究;2018-2021年完成礦井層的智能化建設(shè),2020年陜北礦業(yè)公司共建設(shè)完成張家峁礦業(yè)公司、紅柳林礦業(yè)公司、檸條塔礦業(yè)公司3個(gè)國(guó)家首批智能化示范礦井[8];2022年完成礦區(qū)層的陜北礦業(yè)“5G+智能礦區(qū)”建設(shè)統(tǒng)籌規(guī)劃。
統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)和大數(shù)據(jù)體系實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間共用基礎(chǔ)信息的源頭統(tǒng)一、實(shí)時(shí)共享,保證數(shù)據(jù)的規(guī)范性、一致性、及時(shí)性和安全性。同時(shí),為未來(lái)的數(shù)據(jù)抽取、匯總、分析和決策提供準(zhǔn)確、一致、相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
(1)多協(xié)議轉(zhuǎn)換接口開(kāi)發(fā)。支持市場(chǎng)上主流的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)通訊協(xié)議(串口、網(wǎng)絡(luò)、通訊中間件以及軟件API等)、多種業(yè)界常用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(TCP/IP協(xié)議、OPC UA協(xié)議、DDENET協(xié)議、FTP協(xié)議、Modbus、ODBC)以及其它非標(biāo)準(zhǔn)串行通訊協(xié)議多種數(shù)據(jù)接口方式。
(2)數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理,基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)分析和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、融合,支撐業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成應(yīng)用。
(3)數(shù)據(jù)分析。利用數(shù)據(jù)分析技術(shù),對(duì)采集的各類煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、整理,形成實(shí)時(shí)比對(duì)柱狀圖及其他比對(duì)形式,達(dá)到任務(wù)完成率實(shí)時(shí)掌握、一目了然的目的,同時(shí)根據(jù)狀態(tài)提示、操作提示、故障提示,對(duì)發(fā)現(xiàn)異常后造成周邊環(huán)境安全、設(shè)備及影響生產(chǎn)的可能性進(jìn)行預(yù)警,能夠在分析界面展示出上下級(jí)設(shè)備、系統(tǒng)、流程、影響因素的分析結(jié)果,并可根據(jù)事態(tài)級(jí)別大小,預(yù)演分析結(jié)果并推送至不同層級(jí)人員,進(jìn)而建立影響礦井安全生產(chǎn)的重要因素構(gòu)建多種分析模型。
基于陜北礦業(yè)公司安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),全面梳理整合基礎(chǔ)信息,實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)深度應(yīng)用。
(1)基于云平臺(tái)的泛在連接,建設(shè)邊緣云和 5G+邊緣計(jì)算,采集礦壓、地下水位和流量、瓦斯、溫度、濕度、一氧化碳等數(shù)據(jù),構(gòu)成礦山監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù),針對(duì)煤礦隱患、事故、重大危險(xiǎn)源、煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、煤礦事故風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、重大危險(xiǎn)源等多維在線分析及關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘,為煤礦決策提供支持。
(2)研究礦井水害形成機(jī)理,以礦井長(zhǎng)期水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng),采用大數(shù)據(jù)與人工智能探索水害預(yù)警新途徑;利用粒計(jì)算將瓦斯和礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行信息粒化,然后利用人工智能技術(shù)對(duì)瓦斯和礦壓進(jìn)行預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、智能預(yù)警和超前預(yù)警;研究無(wú)網(wǎng)格 SPH 方法的計(jì)算效率、精度和收斂性,以及在水害預(yù)警和礦壓預(yù)警中的適用性。
礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是典型的信息物理融合系統(tǒng)[9],容易受到網(wǎng)絡(luò)干擾或攻擊,而礦山行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于信息化建設(shè)速度。
(1)針對(duì)礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全需求, 利用離散事件系統(tǒng)監(jiān)督控制理論,研究其安全與控制問(wèn)題。
(2)基于隨機(jī) Petri 網(wǎng)對(duì)礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行可信性分析和評(píng)估,并研究其安全傳輸機(jī)制與加密方法、多方合同安全計(jì)算等。
(3)針對(duì)惡意軟件在礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳播問(wèn)題,研究其傳播機(jī)制,為控制惡意軟件傳播提供技術(shù)支撐。
基于大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐平臺(tái)匯聚的感知數(shù)據(jù),通過(guò) 5G 技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸,從而構(gòu)建礦山綜采工作面物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型,精確表征數(shù)字孿生模型的時(shí)空演化特性與映射重構(gòu)性能,實(shí)現(xiàn)礦山綜采工作面生產(chǎn)過(guò)程遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)、設(shè)備性能實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)場(chǎng)景三維可視化。
(1)開(kāi)采工藝數(shù)字孿生。模擬綜采工作面在各種場(chǎng)景下的效果,從而避免不成熟、有潛在風(fēng)險(xiǎn)的開(kāi)采工藝,把開(kāi)采流程適應(yīng)時(shí)間減至最短。通過(guò)預(yù)先調(diào)設(shè)多個(gè)開(kāi)采參數(shù),能在投產(chǎn)之前對(duì)工藝有效性及安全性進(jìn)行模擬測(cè)試和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。
(2)開(kāi)采過(guò)程數(shù)字孿生。對(duì)綜采工作面智能化生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)變化的生產(chǎn)條件進(jìn)行采煤工作面運(yùn)行參數(shù)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)完全自主化運(yùn)行,代替人工的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制。
(3)設(shè)備性能數(shù)字孿生。通過(guò)在線收集采煤設(shè)備和工作面系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)設(shè)備的性能狀態(tài)、能耗峰值及停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù),即通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判別故障趨勢(shì),提前介入維護(hù)以減少停機(jī)時(shí)間,利用數(shù)字模型快速查證故障致因并給予及時(shí)維護(hù)。
(4)生產(chǎn)管理數(shù)字孿生。模擬煤礦開(kāi)采工藝,對(duì)開(kāi)采效果進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估,從而提高煤炭開(kāi)采效率。另外,通過(guò)對(duì)工作面場(chǎng)景、采煤機(jī)械和整個(gè)開(kāi)采流程的數(shù)字化模擬,管理人員能以虛擬場(chǎng)景來(lái)測(cè)試新流程、新工藝,從而選出可行的優(yōu)化開(kāi)采方法,做出最佳決策。
(5)采煤安全數(shù)字孿生。通過(guò)數(shù)字孿生場(chǎng)景對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋,提前發(fā)現(xiàn)瓦斯超限、突水前期、頂板來(lái)壓及設(shè)備沖突、行為異常等事故征兆,自動(dòng)執(zhí)行預(yù)警和相關(guān)安全措施預(yù)案,從而提前避免事故發(fā)生,保證智能開(kāi)采工作面的生產(chǎn)安全性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。
(1)安全。零傷亡,本安型。
(2)高效。礦井端實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)+機(jī)器人輔助工作系統(tǒng);礦區(qū)端實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)供銷+人財(cái)物+責(zé)權(quán)利”網(wǎng)絡(luò)化、智能化集成管理運(yùn)行;各礦井實(shí)現(xiàn)入井單班百人限員目標(biāo)(“0-1-4-6-8-10”:固定崗位0人值守、運(yùn)輸系統(tǒng)1人操作、片區(qū)安檢員4人、采煤工作面6人、掘進(jìn)工作面8人、采掘常規(guī)檢修10人)。礦井平均產(chǎn)量為1.5萬(wàn)t/(人·a),單日入井人數(shù)不超過(guò)100人、150人 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
(3)清潔。煤炭定制化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)非電力用煤供給占產(chǎn)能70%;煤炭服務(wù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)輻射500 km、50多家礦井,服務(wù)上中下游供應(yīng)鏈企業(yè)3000家;煤炭科技產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)孵化企業(yè)100家,成熟10項(xiàng)煤炭企業(yè)核心技術(shù);煤炭綠色大數(shù)據(jù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)服務(wù)黃河中游煤炭產(chǎn)業(yè)生態(tài)治理及產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展。
(4)綠色。綠色礦區(qū)建成形成示范;立體式生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)形成示范。
(5)質(zhì)量?!蹲吭娇?jī)效評(píng)價(jià)準(zhǔn)側(cè)》成熟運(yùn)行;數(shù)字型企業(yè)運(yùn)行體系全面運(yùn)行;煤炭服務(wù)、孵化技術(shù)等非煤炭產(chǎn)品銷售收入超過(guò)煤炭產(chǎn)品銷售收入;“6個(gè)融合”一體化發(fā)展模式在新礦區(qū)實(shí)施。
陜北礦業(yè)公司智慧礦區(qū)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈“6個(gè)融合”一體化發(fā)展模式:礦區(qū)多個(gè)礦井一體化系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè);礦區(qū)一、二、三產(chǎn)業(yè)門類系統(tǒng)研究規(guī)劃設(shè)計(jì);實(shí)現(xiàn)立體式生態(tài)型礦區(qū);礦區(qū)以價(jià)值創(chuàng)造并流動(dòng)的“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”,不是目前有“部門墻”“業(yè)務(wù)墻”“企業(yè)墻”“產(chǎn)業(yè)墻”各自為戰(zhàn)的園區(qū),是“融合”不是“聚堆”;是“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”深度合作機(jī)制的園區(qū),是多學(xué)科集成的園區(qū),不是各自設(shè)置規(guī)劃及研發(fā)創(chuàng)新的園區(qū);是規(guī)劃推動(dòng)起來(lái)難度很大,需要國(guó)家層面政策支持的園區(qū),不是一個(gè)企業(yè)和行業(yè)能完全推進(jìn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的園區(qū)。