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            2022-09-09 22:16 星期五 中國煤炭工業協會主辦
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            5G+礦業:技術補課攻破產業發展瓶頸——訪中國工程院院士、中國礦業大學(北京)校長葛世榮
            字號:[    ] 發布時間:2022-08-08 10:06:20 來源:科技日報 發布人:馬穎
              在以5G為代表的信息技術的加持下,智慧礦山從理念走向落地,為我國礦山行業逐步實現少人無人化作業提供了有力支撐。
             
              2022世界5G大會即將在哈爾濱召開,中國工程院院士、中國礦業大學(北京)校長葛世榮在接受科技日報采訪時表示,期待看到越來越多的科研院所、高科技公司、行業企業投身到智慧礦山5G生態圈的構建,從而進一步豐富5G在智慧礦山的應用。
             
              科技日報:礦業的安全化、無人化作業被視為5G等新興技術最適合切入的環節,但目前礦業環境對設備及其操作的要求嚴苛,如何借助5G以及其他ICT技術更好更快地解決這些問題?
             
              葛世榮:礦山無人化作業是一項系統工程,也是礦山智能化的發展目標。然而,礦山作業環境十分惡劣,對設備的要求也異常嚴苛,智能化開采還存在感知能力不夠強、裝備可靠性不夠高、終端計算速度不夠快、信息互通性不夠強、人機交互性不夠好等諸多問題亟待解決。
             
              礦山智能化應深度融合5G、工業互聯網、人工智能、大數據、數字孿生等新一代ICT技術。借助于5G和工業互聯網技術,更好地實現數據的泛在接入與高速傳輸以及裝備的實時控制,解決設備之間的互聯度不夠高、信息互通性不夠強等問題;借助于人工智能與大數據技術,實現圖像視頻的智能分析、傳感器數據的回歸預測、大型機電裝備故障診斷預警,有效增強系統的智能感知能力、災害預警能力以及提升裝備可靠性;借助于數字孿生技術,通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段,構建礦山產運銷儲用全流程透明化系統,實現礦山生產條件先知先覺、生產過程可視可控、生產安全可防可測、生產要素可調可配;借助于云計算技術,可以將大量數據通過5G網絡上傳云端進行分析處理,有效解決終端設備計算能力不夠強等問題。新一代ICT技術作為礦山智能化的核心支撐技術,須以科技創新為驅動,促進ICT技術與礦業的深度融合與產業落地,實現礦山的安全化、無人化作業,最終推進礦業高質量發展。
             
              科技日報:您曾提到“煤礦智能化是在數字化的基礎上,利用物聯網技術和感控技術加強大數據服務,以提高生產過程可控性、減少采礦人工參與。”目前中國比較知名的煤礦企業生產過程智能化程度大致處于什么水平?5G已經或將在其中扮演什么角色?
             
              葛世榮:截至2022年4月,我國有近400座煤礦開展了智能化建設,已建成煤礦智能化采掘工作面813個,其中采煤工作面477個,掘進工作面336個,智能化技術在煤礦減人增安提效方面做出了重要貢獻。國家能源集團已建成神東大柳塔、烏海黃白茨、新疆烏東等智能化示范煤礦16處,產能2.25億噸。未來,國家能源集團要實現智能采煤工作面、智能掘進工作面、智能選煤廠100%全覆蓋,固定崗位100%無人值守,煤礦智能化技術及建設覆蓋率100%。
             
              中煤能源集團已建成智能化采煤工作面36個、智能化掘進工作面25個,將新建智能化采掘工作面140個以上,建成15處以上智能化煤礦,3處煤礦建成智能化煤礦行業標桿,建設1個面內無人常態化智能采煤工作面,推進1個年產500萬噸級單班下井50人以下、1個年產2000萬噸單班下井200人以下示范煤礦建設。目前的初級智能化采煤工作面基于5G通信和邊緣計算技術,實現了工作面全景高清視頻監控、基于視頻AI分析的液壓支架狀態識別以及人員“三違”行為識別等智能化應用,已達到“一鍵啟停、無人操作、有人巡視、遠程干預”的智能化建設目標。
             
              在露天礦無人駕駛方面,國家能源集團聯合中國礦業大學(北京)、航天重工、中科院自動化研究所等國內礦山無人駕駛領域主要科研院所和企業,共同研發露天礦機器人化自主運輸裝卸系統,將在露天礦無人駕駛、裝卸協同、群體調度、安全保障技術等方面持續突破,推動無人駕駛技術在露天礦更深更廣的應用。
             
              在這些煤礦智能化技術的研發和應用中,5G通信技術充分發揮了其大帶寬、低時延的特點,一方面為海量感知數據的高速接入提供了更加便捷的傳輸通道,有效提高了工作面及其他危險作業區域的透明化程度;另一方面為裝備群的網絡化協同控制提供了超低時延的交互路徑,有效解決了信息反饋不及時、執行動作不到位等致命問題,保證了控制行為的快速性和準確性,提升了智能化作業系統的安全性。當前,煤礦行業正在廣泛開展“5G下礦井”工程應用,神東上灣煤礦、山西新元煤礦、陜煤小保當和曹家灘煤礦等數十個煤礦已率先建成基于5G的礦山移動通信專網,國家能源集團、中煤集團等大型煤礦企業所屬的數十處礦山也正在開展5G網絡建設;5G網絡構建的煤礦工業互聯網是煤礦智能化系統的神經網絡,將會使得數據接入更便捷、數據傳輸更高速、決策控制更加及時可靠,有力促進煤礦智能化水平的整體提升。
             
              科技日報:您曾提出“利用數字孿生搭建智能化新平臺”,模擬實際采煤。這樣的平臺建設還有哪些障礙,在哪些環節會用到5G/6G技術?
             
              葛世榮:數字孿生是近年來快速發展的工業數字化技術,2020年我們率先提出了煤礦數字孿生概念,系統闡述了數字孿生的內涵,提出了融合5G 通信技術、物聯網技術和仿生智能技術的數字孿生智采工作面10項關鍵技術。
             
              目前煤礦數字孿生系統還停留在頂層規劃和系統架構設計層面,還存在眾多理論和技術問題需要突破。首先要解決煤礦地質精細化模型構建問題,為數字孿生系統的虛實交互提供高度逼真的仿真環境;其次要研發礦山多物理場仿真引擎,為數字孿生體模型的精確構建和運行狀態的高精度仿真預測提供工具軟件及開發環境;此外,還需要突破數字孿生建模、虛實交互、自主決策、智能控制與三維可視化等技術。5G/6G技術也將會在煤礦數字孿生系統中發揮作用,例如在孿生體與實體系統的虛實交互方面,數字孿生系統會產生大量的雙向交互數據,對數據傳輸的帶寬和時延有很高的要求,這正是5G/6G通信技術的優勢;特別是在礦用移動裝備(例如露天礦作業車輛和井工礦無軌膠輪車等)的數據接入方面,5G/6G應該是首選的通信技術。
             
              科技日報:2021年9月,國家能源集團與華為聯合發布了礦鴻操作系統,您怎么看它的價值?目前我國煤礦行業還在使用哪些操作系統?
             
              葛世榮:操作系統是計算機系統最基本和最重要的基礎性系統軟件,自主可控的操作系統對于我國國家安全具有非常重要的意義。2021年9月,國家能源集團與華為公司聯合發布了礦鴻操作系統,其價值體現在:可使井下多種設備間的連接更緊密,設備的交互對話有了統一語言,為構建煤礦工業互聯網提供了重要技術支撐。目前,礦鴻操作系統的全礦適配應用正在烏蘭木倫煤礦緊鑼密鼓地進行,有18個廠家的33種500余臺套設備接入礦鴻操作系統,通過該系統獨特的“軟總線”和近場通信技術,以統一的接口和協議標準,解決了不同廠家設備協同與互通的問題,實現設備“無屏變有屏、固定按鍵操作變手機移動操作”、巡檢機器人和傳感器“近場無感式”快速數據采集等功能。
             
              此外,礦鴻操作系統有助于解決我國煤礦行業長期存在的“七國八制、數據孤島”等問題,對于推動煤礦工業互聯網的構建、提升煤礦生產系統的智能系統化水平具有重要意義。礦鴻操作系統是應用于煤礦終端設備的嵌入式操作系統,目前煤礦裝備使用的操作系統種類繁多,例如嵌入式Linux,uC/OS-Ⅱ,FreeRTOS,RT-Thread,VxWorks等,據統計,一臺采煤機上最多有20多種不同的操作系統,由不同的廠家開發和維護,給數據的統一接入帶來了不便,現在基于礦鴻操作系統提供的統一接口和協議標準,可以更加方便地實現多種設備的數據融合接入和智能決策控制。
             
              科技日報:我國煤炭綠色開采的最大難題是什么?機器人能在多大程度上發揮作用?
             
              葛世榮:我國煤炭綠色開采的重要難題是如何實現煤炭開采的低損化和低碳化。在低損化開采方面,要重點解決煤炭開發帶來的地下水破壞和地表生態損傷等問題,一方面要推廣應用低損化開采技術,例如膏體充填開采技術等,另一方面要加快礦區土地復墾與生態治理,例如利用微生物提升土壤肥力等;在低碳化開采方面,一方面要降低煤炭開發過程的碳排放,開展礦區能耗及碳排放管理和優化,加大高能耗生產環節和裝備的節能改造力度,鼓勵有條件的礦區加大新能源消納及綜合能源系統建設力度,降低礦區碳排放強度,推廣應用二氧化碳捕集與封存技術,建設零碳或負碳礦區,另一方面要嚴格控制煤炭開采過程的甲烷排放量,大力推廣煤層氣抽采、低濃度瓦斯利用等技術。
             
              煤礦機器人是實現煤礦智能化的主要載體,主要還是在智能化減人增安提效方面發揮作用。2019年,原國家煤礦安監局發布了《煤礦機器人重點研發目錄》,近年來,煤礦機器人的研發和應用已取得了長足的進步,采煤、掘進機器人群已成為智能采煤工作面和智能掘進工作面的主要裝備。巡檢、安控、運輸、輔助作業等煤礦機器人也得到了大量應用,例如國家能源集團已研發應用巡檢、噴漿、選矸等各類機器人200余臺(套),替代850余名操作工;中煤能源已有25處煤礦機器人應用項目,已應用的機器人種類包括運輸類、安控類、救援類等5大類共計56臺(套)。未來,將會有越來越多的危險環境和繁重作業崗位被煤礦機器人所替代,這也是我們煤礦行業堅持人民至上、生命至上,實現廣大礦工更加安全、更加體面、更有尊嚴的勞動作業,不斷增強他們的獲得感、幸福感、安全感的主要措施和途徑。
             
              科技日報:作為本屆世界5G大會5G與智慧礦山論壇主席,您對這個論壇有什么期待?
             
              葛世榮:首先,我期待5G在礦山行業得到更多的落地應用,更好地促進智慧礦山的建設與發展,發掘更多的5G應用場景,構建更加良好的5G生態圈。因此,我期待在本屆世界5G大會上能夠看到越來越多的科研院所、高科技公司、行業企業能夠投身到智慧礦山5G生態圈的構建中來,從而進一步豐富5G在智慧礦山的應用。
             
              其次,世界5G大會匯聚了國內眾多的頂尖學者、行業專家和著名企業家,是一個思想和技術交互碰撞、激發創新靈感的大會,5G作為一項新技術,其本身也在不斷演進之中,我期待著參會各方能夠帶來更多的新技術、新理念和新模式,并共同探討在礦山領域落地的可能性和實現途徑,促進5G與礦山的深度融合。
             
              再次,世界5G大會作為一個交流合作平臺,為學術界和工業界、通信領域和礦山領域提供了很好的交流機會,能有效促進不同領域的跨界融合,期待本次論壇能夠成為一個產、學、研、用各方進行有效交流的平臺,能夠促進更多的合作,在互利互惠的同時,共同促進智慧礦山的發展。
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