智眼看5G丨5G+矿业：技术补课攻破产业发展瓶颈——访中国工程院院士、中国矿业大学（北京）校长葛世荣

科技日报记者 刘艳

在以5G为代表的信息技术的加持下，智慧矿山从理念走向落地，为我国矿山行业逐步实现少人无人化作业提供了有力支撑。

2022世界5G大会即将在哈尔滨召开，中国工程院院士、中国矿业大学（北京）校长葛世荣在接受科技日报采访时表示，期待看到越来越多的科研院所、高科技公司、行业企业投身到智慧矿山5G生态圈的构建，从而进一步丰富5G在智慧矿山的应用。

科技日报：矿业的安全化、无人化作业被视为5G等新兴技术最适合切入的环节，但目前矿业环境对设备及其操作的要求严苛，如何借助5G以及其他ICT技术更好更快地解决这些问题？

葛世荣：矿山无人化作业是一项系统工程，也是矿山智能化的发展目标。然而，矿山作业环境十分恶劣，对设备的要求也异常严苛，智能化开采还存在感知能力不够强、装备可靠性不够高、终端计算速度不够快、信息互通性不够强、人机交互性不够好等诸多问题亟待解决。

矿山智能化应深度融合5G、工业互联网、人工智能、大数据、数字孪生等新一代ICT技术。借助于5G和工业互联网技术，更好地实现数据的泛在接入与高速传输以及装备的实时控制，解决设备之间的互联度不够高、信息互通性不够强等问题；借助于人工智能与大数据技术，实现图像视频的智能分析、传感器数据的回归预测、大型机电装备故障诊断预警，有效增强系统的智能感知能力、灾害预警能力以及提升装备可靠性；借助于数字孪生技术，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，构建矿山产运销储用全流程透明化系统，实现矿山生产条件先知先觉、生产过程可视可控、生产安全可防可测、生产要素可调可配；借助于云计算技术，可以将大量数据通过5G网络上传云端进行分析处理，有效解决终端设备计算能力不够强等问题。新一代ICT技术作为矿山智能化的核心支撑技术，须以科技创新为驱动，促进ICT技术与矿业的深度融合与产业落地，实现矿山的安全化、无人化作业，最终推进矿业高质量发展。

科技日报：您曾提到“煤矿智能化是在数字化的基础上，利用物联网技术和感控技术加强大数据服务，以提高生产过程可控性、减少采矿人工参与。”目前中国比较知名的煤矿企业生产过程智能化程度大致处于什么水平？5G已经或将在其中扮演什么角色？

葛世荣：截至2022年4月，我国有近400座煤矿开展了智能化建设，已建成煤矿智能化采掘工作面813个，其中采煤工作面477个，掘进工作面336个，智能化技术在煤矿减人增安提效方面做出了重要贡献。国家能源集团已建成神东大柳塔、乌海黄白茨、新疆乌东等智能化示范煤矿16处，产能2.25亿吨。未来，国家能源集团要实现智能采煤工作面、智能掘进工作面、智能选煤厂100%全覆盖，固定岗位100%无人值守，煤矿智能化技术及建设覆盖率100%。

中煤能源集团已建成智能化采煤工作面36个、智能化掘进工作面25个，将新建智能化采掘工作面140个以上，建成15处以上智能化煤矿，3处煤矿建成智能化煤矿行业标杆，建设1个面内无人常态化智能采煤工作面，推进1个年产500万吨级单班下井50人以下、1个年产2000万吨单班下井200人以下示范煤矿建设。目前的初级智能化采煤工作面基于5G通信和边缘计算技术，实现了工作面全景高清视频监控、基于视频AI分析的液压支架状态识别以及人员“三违”行为识别等智能化应用，已达到“一键启停、无人操作、有人巡视、远程干预”的智能化建设目标。

在露天矿无人驾驶方面，国家能源集团联合中国矿业大学（北京）、航天重工、中科院自动化研究所等国内矿山无人驾驶领域主要科研院所和企业，共同研发露天矿机器人化自主运输装卸系统，将在露天矿无人驾驶、装卸协同、群体调度、安全保障技术等方面持续突破，推动无人驾驶技术在露天矿更深更广的应用。

在这些煤矿智能化技术的研发和应用中，5G通信技术充分发挥了其大带宽、低时延的特点，一方面为海量感知数据的高速接入提供了更加便捷的传输通道，有效提高了工作面及其他危险作业区域的透明化程度；另一方面为装备群的网络化协同控制提供了超低时延的交互路径，有效解决了信息反馈不及时、执行动作不到位等致命问题，保证了控制行为的快速性和准确性，提升了智能化作业系统的安全性。当前，煤矿行业正在广泛开展“5G下矿井”工程应用，神东上湾煤矿、山西新元煤矿、陕煤小保当和曹家滩煤矿等数十个煤矿已率先建成基于5G的矿山移动通信专网，国家能源集团、中煤集团等大型煤矿企业所属的数十处矿山也正在开展5G网络建设。基于5G网络构建的煤矿工业互联网是煤矿智能化系统的神经网络，将会使得数据接入更便捷、数据传输更高速、决策控制更加及时可靠，有力促进煤矿智能化水平的整体提升。

科技日报：您曾提出“利用数字孪生搭建智能化新平台”，模拟实际采煤。这样的平台建设还有哪些障碍，在哪些环节会用到5G/6G技术？

葛世荣：数字孪生是近年来快速发展的工业数字化技术，2020年我们率先提出了煤矿数字孪生概念，系统阐述了数字孪生的内涵，提出了融合5G 通信技术、物联网技术和仿生智能技术的数字孪生智采工作面10项关键技术。

目前煤矿数字孪生系统还停留在顶层规划和系统架构设计层面，还存在众多理论和技术问题需要突破。首先要解决煤矿地质精细化模型构建问题，为数字孪生系统的虚实交互提供高度逼真的仿真环境；其次要研发矿山多物理场仿真引擎，为数字孪生体模型的精确构建和运行状态的高精度仿真预测提供工具软件及开发环境；此外，还需要突破数字孪生建模、虚实交互、自主决策、智能控制与三维可视化等技术。5G/6G技术也将会在煤矿数字孪生系统中发挥作用，例如在孪生体与实体系统的虚实交互方面，数字孪生系统会产生大量的双向交互数据，对数据传输的带宽和时延有很高的要求，这正是5G/6G通信技术的优势；特别是在矿用移动装备（例如露天矿作业车辆和井工矿无轨胶轮车等）的数据接入方面，5G/6G应该是首选的通信技术。

科技日报：2021年9月，国家能源集团与华为联合发布了矿鸿操作系统，您怎么看它的价值？目前我国煤矿行业还在使用哪些操作系统？

葛世荣：操作系统是计算机系统最基本和最重要的基础性系统软件，自主可控的操作系统对于我国国家安全具有非常重要的意义。2021年9月，国家能源集团与华为公司联合发布了矿鸿操作系统，其价值体现在：可使井下多种设备间的连接更紧密，设备的交互对话有了统一语言，为构建煤矿工业互联网提供了重要技术支撑。目前，矿鸿操作系统的全矿适配应用正在乌兰木伦煤矿紧锣密鼓地进行，有18个厂家的33种500余台套设备接入矿鸿操作系统，通过该系统独特的“软总线”和近场通信技术，以统一的接口和协议标准，解决了不同厂家设备协同与互通的问题，实现设备“无屏变有屏、固定按键操作变手机移动操作”、巡检机器人和传感器“近场无感式”快速数据采集等功能。

此外，矿鸿操作系统有助于解决我国煤矿行业长期存在的“七国八制、数据孤岛”等问题，对于推动煤矿工业互联网的构建、提升煤矿生产系统的智能系统化水平具有重要意义。矿鸿操作系统是应用于煤矿终端设备的嵌入式操作系统，目前煤矿装备使用的操作系统种类繁多，例如嵌入式Linux，uC/OS-Ⅱ，FreeRTOS，RT-Thread，VxWorks等，据统计，一台采煤机上最多有20多种不同的操作系统，由不同的厂家开发和维护，给数据的统一接入带来了不便，现在基于矿鸿操作系统提供的统一接口和协议标准，可以更加方便地实现多种设备的数据融合接入和智能决策控制。

科技日报：我国煤炭绿色开采的最大难题是什么？机器人能在多大程度上发挥作用？

葛世荣：我国煤炭绿色开采的重要难题是如何实现煤炭开采的低损化和低碳化。在低损化开采方面，要重点解决煤炭开发带来的地下水破坏和地表生态损伤等问题，一方面要推广应用低损化开采技术，例如膏体充填开采技术等，另一方面要加快矿区土地复垦与生态治理，例如利用微生物提升土壤肥力等；在低碳化开采方面，一方面要降低煤炭开发过程的碳排放，开展矿区能耗及碳排放管理和优化，加大高能耗生产环节和装备的节能改造力度，鼓励有条件的矿区加大新能源消纳及综合能源系统建设力度，降低矿区碳排放强度，推广应用二氧化碳捕集与封存技术，建设零碳或负碳矿区，另一方面要严格控制煤炭开采过程的甲烷排放量，大力推广煤层气抽采、低浓度瓦斯利用等技术。

煤矿机器人是实现煤矿智能化的主要载体，主要还是在智能化减人增安提效方面发挥作用。2019年，原国家煤矿安监局发布了《煤矿机器人重点研发目录》，近年来，煤矿机器人的研发和应用已取得了长足的进步，采煤、掘进机器人群已成为智能采煤工作面和智能掘进工作面的主要装备。巡检、安控、运输、辅助作业等煤矿机器人也得到了大量应用，例如国家能源集团已研发应用巡检、喷浆、选矸等各类机器人200余台（套），替代850余名操作工；中煤能源已有25处煤矿机器人应用项目，已应用的机器人种类包括运输类、安控类、救援类等5大类共计56台(套)。未来，将会有越来越多的危险环境和繁重作业岗位被煤矿机器人所替代，这也是我们煤矿行业坚持人民至上、生命至上，实现广大矿工更加安全、更加体面、更有尊严的劳动作业，不断增强他们的获得感、幸福感、安全感的主要措施和途径。

科技日报：作为本届世界5G大会5G与智慧矿山论坛主席，您对这个论坛有什么期待？

葛世荣：首先，我期待5G在矿山行业得到更多的落地应用，更好地促进智慧矿山的建设与发展，发掘更多的5G应用场景，构建更加良好的5G生态圈。因此，我期待在本届世界5G大会上能够看到越来越多的科研院所、高科技公司、行业企业能够投身到智慧矿山5G生态圈的构建中来，从而进一步丰富5G在智慧矿山的应用。

其次，世界5G大会汇聚了国内众多的顶尖学者、行业专家和著名企业家，是一个思想和技术交互碰撞、激发创新灵感的大会，5G作为一项新技术，其本身也在不断演进之中，我期待着参会各方能够带来更多的新技术、新理念和新模式，并共同探讨在矿山领域落地的可能性和实现途径，促进5G与矿山的深度融合。

再次，世界5G大会作为一个交流合作平台，为学术界和工业界、通信领域和矿山领域提供了很好的交流机会，能有效促进不同领域的跨界融合，期待本次论坛能够成为一个产、学、研、用各方进行有效交流的平台，能够促进更多的合作，在互利互惠的同时，共同促进智慧矿山的发展。（图片由采访对象提供）