王國法,趙路正,龐義輝,吳立新,管世輝

(1.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013; 2.煤炭科學研究總院, 北京 100013；3.煤炭工業(yè)規(guī)劃設計研究院有限公司, 北京 100120)

0 引 言

煤炭是我國的主體基礎能源，是可以實現(xiàn)安全高效開發(fā)與清潔低碳利用最經濟、最安全的礦產資源[1-2]，改革開放以來，我國煤炭開采量達到約827億t，為國民經濟和社會發(fā)展提供了堅實的能源安全保障[3]。

“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”目標的實現(xiàn)，必將推動我國廣泛而深刻的經濟社會系統(tǒng)性變革。但是碳達峰不是能源達峰，碳中和也不是“零碳”，美國、日本、德國等發(fā)達國家實現(xiàn)碳達峰后仍有10～20年的煤炭消費平臺期[4-5]，且我國能源資源稟賦與發(fā)達國家存在本質差異，不能照搬國外的發(fā)展模式?；谖覈洕?、社會和能源發(fā)展規(guī)律與發(fā)展要求，能源供應安全是能源轉型的根基，煤炭保障我國能源安全的主體地位短期內難以改變。

近年來，受極端天氣、疫情等突發(fā)事件影響，我國能源需求呈現(xiàn)出較大的波動性與不確定性，新能源的不穩(wěn)定性和國內外經濟環(huán)境的變化，增加了能源需求側的不確定性，亟需建立適應需求側不確定性的能源智能柔性開發(fā)供給保障體系，保障國家能源安全穩(wěn)定供給[6]。2020年，我國原油對外依存度達73%，天然氣對外依存度達43%，在國際能源博弈和地緣政治沖突不斷加劇的背景下，油氣進口安全風險增加。風、光等新能源短期內難以形成穩(wěn)定可靠的供給，且惡劣天氣下其不穩(wěn)定的供給增加了新能源體系的脆弱性，尚難以大規(guī)模接入我國現(xiàn)有能源供給體系。我國煤炭資源儲量豐富，構建煤炭智能柔性開發(fā)供給體系，利用煤炭、煤電作為提升新能源占比的穩(wěn)定器和壓艙石，實現(xiàn)新能源和煤炭相互助力、耦合發(fā)展將是我國形成多種能源融合穩(wěn)定供給的必由之路[7-8]。

我國在推進高質量發(fā)展進程中，受產業(yè)調整和能源轉型等多重因素影響，煤炭市場波動異常劇烈，煤炭價格不穩(wěn)定性因素增大，甚至出現(xiàn)由于缺煤導致拉閘限電等現(xiàn)象，煤炭現(xiàn)有生產與供給模式將難以適應新發(fā)展要求，亟需建立以煤礦智能化為支撐的煤炭智能柔性生產和供給體系，充分發(fā)揮煤炭為能源安全兜底、為國家安全兜底的保障作用。

1 煤炭高質量穩(wěn)定供給需求分析

1.1 煤炭高質量穩(wěn)定供給現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

我國相對富煤、貧油、少氣的資源賦存條件決定了煤炭在今后相當長一段時間內仍將是我國的主體能源，油氣資源的高度對外依賴性需要穩(wěn)定的煤炭供給發(fā)揮保障能源安全壓艙石的作用，但我國煤炭資源開發(fā)供給的不均衡性和需求變化的不確定性給能源安全穩(wěn)定供給帶來巨大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下3個方面。

1)煤炭生產區(qū)域不均衡加劇了煤炭供需的區(qū)域性失衡局面[9]。我國煤炭資源分布區(qū)域極不平衡，生產和消費空間格局存在很大錯位。東部地區(qū)淺層煤炭資源逐漸枯竭，煤炭資源開發(fā)深度逐年增加，開發(fā)難度加大，但東部地區(qū)作為社會經濟最發(fā)達的地區(qū)，是我國能源消費的主要區(qū)域，對能源的需求逐年增加，每年需要從外部調入大量的煤炭資源；西部地區(qū)對能源的需求較少，但優(yōu)質煤炭資源儲量豐富，開發(fā)潛力巨大，已經成為我國煤炭主產區(qū)[10-11]。

截至2021年6月，我國西部地區(qū)煤礦數(shù)量、產能分別約為2 316處、23.37億t，占全國的55.1%和54.3%。東部地區(qū)煤炭產量占比已經由1978年的42.3%下降到2020年的6.9%；西部地區(qū)煤炭產量占比由1978年的21.2%增加到2020年的59.7%。2020年晉陜蒙三省(區(qū))原煤產量27.9億t，占全國的71.5%，三省(區(qū))調出煤炭約17.3億t[12]。2019年，除晉陜蒙新四省(區(qū))外，其他省(區(qū))煤炭生產量均小于消費量，尤其是山東、江蘇和河北煤炭缺口達2億t以上，缺口達1億t以上的省份還有廣東、浙江、遼寧、河南和湖北等地區(qū)；東部地區(qū)煤炭產量為2.23億t，煤炭調入量為13.24億t，進口量為1.64億t，煤炭消費量為15.24億t，東部地區(qū)煤炭對外依存度高達85%左右[13]。隨著煤炭生產繼續(xù)向西部資源富集區(qū)聚集，將進一步加劇煤炭供需的區(qū)域性矛盾。

2)煤炭需求季節(jié)性波動和時段性緊張局面加劇。煤炭需求季節(jié)性波動的峰谷差值逐漸加大，對煤炭供給柔性要求增加。2017—2020年全國商品煤消耗量在每年的12月份出現(xiàn)峰值，平均約為3.8億t；在每年的2月份出現(xiàn)峰谷，平均約為2.9億t。近年來，煤炭消費的峰谷差值呈逐漸加大趨勢，2017—2020年峰谷差值分別為0.58億t、0.64億t、0.7億t和1.35億t，如圖1所示。

圖1 2017—2020年全國商品煤月度消費量

極端天氣、新冠疫情等突發(fā)事件增大了煤炭需求的不穩(wěn)定性。近年來由于極端天氣逐年增加，煤炭供需頻繁出現(xiàn)區(qū)域性、時段性緊張的現(xiàn)象，導致拉閘限電、煤價暴漲等一系列不良現(xiàn)象。如2021年9月，“拉閘限電”現(xiàn)象已波及黑龍江、吉林、遼寧、廣東、江蘇等10余個省份，而煤價也漲至歷史高點，煤炭供需異常緊張的現(xiàn)象極不利于煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對國家經濟社會穩(wěn)定發(fā)展也造成了較大影響。

3)煤炭對能源調峰作用的重要性逐年凸顯，增強了構建煤炭智能柔性供給體系的迫切性與重要意義。2020年，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量突破5.3億kW，發(fā)電量占比9.5%[14]；到2025年，風電、太陽能發(fā)電量預計占比16.5%；到2030年，風電、太陽能發(fā)電裝機總量預計達到12億kW。隨著新能源加速發(fā)展和用電結構調整，由于風電、光伏等新能源的波動性和間歇性，電力系統(tǒng)對煤電調峰容量的需求將不斷提高。同時，對煤電調峰能力要求越來越高，相應地對電煤供給柔性的需求也隨之增大。

1.2 煤炭高質量穩(wěn)定供給需求與趨勢

當前，中國經濟由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段，高質量發(fā)展亟需高質量的能源供給支撐。受制于大規(guī)模、低成本儲能技術還未能取得實質性突破，新能源尚難以全面或高比例納入現(xiàn)有能源體系，煤炭資源清潔低碳開發(fā)利用和“新能源+儲能”兩大能源轉型方向將長期并存。能源低碳轉型迫切需要構建更高質量的煤炭供給保障體系，《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中明確提出：“提高能源供給保障能力，增強能源持續(xù)穩(wěn)定供應和風險管控能力，實現(xiàn)煤炭供應安全兜底”。2021年10月9日，國家能源委員會會議上強調：“能源需求不可避免繼續(xù)增長，必須以保障安全為前提構建現(xiàn)代能源體系，不斷豐富能源安全供應的保險工具”。

我國煤炭年產量達到近40億t，如圖2所示，單個工作面的年生產能力突破1 500萬t，基本實現(xiàn)了安全、高效、高采出率開采，但煤炭高質量穩(wěn)定供給能力仍較低，主要表現(xiàn)在以下3個方面：

圖2 2011—2020年全國煤炭生產情況

1)現(xiàn)有生產方式的產能調節(jié)能力有限，難以適應需求側異常波動。傳統(tǒng)煤炭開采方式需要大量的人力支撐，且生產效率較低、效益較差，為維持礦井正常運營及盈利目標，煤礦必須完成一定的產量目標。由于傳統(tǒng)煤炭開采方式對工人數(shù)量具有較強的依賴性，難以實現(xiàn)在煤炭需求高峰時段短期內進行增人、增產，并在煤炭需求低谷時段進行大規(guī)模裁員減產，因此，亟需加快推進煤礦智能柔性化建設，建立煤礦智能柔性供給生產系統(tǒng)，在保障生產安全、降低開采成本、保證開采效率與效益的前提下，根據(jù)需求側的變化實現(xiàn)煤炭產量的智能柔性調整。

2)由于缺少對煤炭需求的精準預測、預警，現(xiàn)有煤炭生產與運輸銜接方式制約了短期內實現(xiàn)煤炭智能柔性供給。煤炭運輸主要通過鐵路、公路和水運，但鐵路的裝車能力、公路的發(fā)車能力、港口碼頭的運輸能力等需要國家對各種供應物資進行統(tǒng)籌安排，尤其是鐵路運輸，煤炭季節(jié)性、突發(fā)性調峰協(xié)調難度大。另外，由于煤炭運輸時間較長，大秦線的運輸需要20多天，由山西到中南地區(qū)、東南沿海地區(qū)鐵路運輸也要7～15 d，應急功能有限，亟需基于新一代信息技術對煤炭需求進行超前預測、預警，提前對煤炭生產運輸進行協(xié)調安排。

3)現(xiàn)有生產管理方式難以適應供給側彈性變化要求。根據(jù)2021年4月應急管理部、國家礦山安全監(jiān)察局、國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布修訂后的《煤礦生產能力管理辦法》相關規(guī)定，煤礦月度原煤產量不得超過生產能力的10%，調節(jié)范圍較小，難以發(fā)揮調峰作用。

提高煤炭開發(fā)供給體系的柔性關鍵在于提高生產端、運輸側的柔性。近年來，新一代信息技術與煤炭開發(fā)、運輸?shù)燃夹g進行了深度融合發(fā)展，推動構建了減人、增安、提效的煤礦智能化開發(fā)、運輸系統(tǒng)，為傳統(tǒng)開發(fā)方式受制于人數(shù)多、產能調整成本高、難以實現(xiàn)柔性供給等難題提供了解決方案[15-19]。同時，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術，構建煤炭供需預測模型，優(yōu)化現(xiàn)有煤炭運輸倉儲體系，為實現(xiàn)煤炭運輸側的超前預測與柔性供給提供了技術支撐。

2 煤炭智能柔性開發(fā)供給響應模型

2.1 煤炭智能柔性開發(fā)供給體系內涵與特征

煤炭智能柔性開發(fā)供給體系是將新一代信息技術與煤炭開發(fā)、運輸、倉儲、需求預測等進行深度融合，建立以數(shù)字化為基礎、智能化賦能的多層次網(wǎng)狀煤炭開發(fā)供應鏈，實現(xiàn)對煤炭需求的超前精準預測，并基于預測結果對煤炭生產、運輸、倉儲等進行自動智能優(yōu)化調節(jié)，實現(xiàn)煤炭資源安全、高效、穩(wěn)定、柔性供給。

生產系統(tǒng)柔性是指生產系統(tǒng)能夠根據(jù)外部市場的需求變化而進行生產能力調整的動態(tài)響應[20]，煤礦生產系統(tǒng)柔性是智能化柔性煤炭開發(fā)供給體系的核心，主要依托煤礦智能化開采技術裝備及智能管理系統(tǒng)實現(xiàn)。由于煤礦智能化開采技術可以大幅減少井下作業(yè)人員數(shù)量，煤礦生產能力不再受煤礦作業(yè)人員數(shù)量的制約，可以根據(jù)外部需求變化對礦井生產能力進行動態(tài)調整，當市場需求旺盛時可快速增加產能，當市場需求低迷時可低成本抑制產能，能夠充分滿足訂單式生產要求。

煤炭供給柔性則主要依托大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術，對煤炭供給與需求的平衡度進行超前預測預警。基于區(qū)塊鏈技術的分布式采集存儲、信息不可篡改、智能合約等特點，并結合大數(shù)據(jù)技術對低價值密度、海量多源信息進行數(shù)據(jù)建模，構建全國煤炭供需監(jiān)測預警平臺/中心，對煤炭供需柔性度進行分析計算，如圖3所示，根據(jù)供需柔性度對煤炭的需求量進行精準預測反饋，并將預測結果反饋給煤炭生產、運輸、倉儲等各個環(huán)節(jié)，使各環(huán)節(jié)能夠及時進行調整。

圖3 煤炭開發(fā)供給柔性度計算邏輯

煤炭智能柔性開發(fā)供給體系應以最低的生產、運輸成本和最優(yōu)的調控能力對煤炭供需變化進行超前快速響應，該體系應具有敏捷性、精準性和協(xié)同性的特征。① 敏捷性。敏捷性的本質是對煤炭供需變化快速精準感知，并將市場信息高效地傳遞、反饋給煤炭生產供給系統(tǒng)。煤炭智能柔性開發(fā)供給體系基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術，實現(xiàn)需求驅動、超前預測、智能預警、快速響應、按需生產，對生產運輸側進行靈活調整。② 精準性。采用物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術對煤炭生產、運輸、銷售、利用等各種數(shù)據(jù)進行全面采集與深度挖掘，精準洞察生產運輸側與需求側的變化，超前制定合理的生產、運輸、倉儲方案。③ 協(xié)同性。煤炭供需平衡體系是一個十分復雜的系統(tǒng)，需要生產、運輸、倉儲、消費等整個供應鏈上的各部門進行協(xié)同作業(yè)，且每個環(huán)節(jié)內部也需要多系統(tǒng)的協(xié)同，從而實現(xiàn)上下游產業(yè)鏈之間的協(xié)同。

2.2 煤炭開發(fā)供給柔性度

煤炭開發(fā)供給柔性度可用煤礦生產能力柔性系數(shù)和煤炭運銷能力柔性系數(shù)表征。煤礦生產能力柔性即煤礦生產能力、實際產量能夠靈活變化以及時應對煤炭需求變化的能力；煤炭運銷能力柔性即煤炭供應鏈上的鐵路、港口等煤炭運輸能力應對煤炭需求變化的能力。

1)煤礦生產能力柔性系數(shù)。煤礦生產能力柔性系數(shù)表示方式如下：

(1)

式中：U1為煤礦生產能力柔性系數(shù)；i為某煤礦(i=1,…,I)；φi為煤礦i的基本生產能力；zi為煤礦i的科學增產能力；Xi為煤礦i的實際產量。

核定基本生產能力是礦井常態(tài)生產計劃依據(jù)，科學增產潛能是根據(jù)礦井生產技術條件和智能化水平核定的具有安全可靠增產能力。若U1=1，則說明煤礦正處于全負荷生產；若U1>1，則說明煤礦具有柔性增產潛力；若U1<1，則說明煤礦正處于超安全能力生產。

2)煤炭運銷能力柔性系數(shù)。煤炭運銷能力柔性系數(shù)表示方式如下：

(2)

式中：U2為煤炭運銷能力柔性系數(shù)；α為煤炭每周實際運輸量；αz為每周可增加運量潛力；M為每周煤炭銷售量；Xp為每周煤炭生產量。

若U2=1，則說明產-運-銷能力基本平衡；若U2>1，則說明運輸能力富裕，(因生產側、消費側一般都會有一定庫存，用短期生產與消費量可以體現(xiàn)產-運-銷情況，敏感捕捉運輸銷售端的問題)；若U2<1，則說明運力不足。

3)煤炭開發(fā)供給綜合柔性度。煤炭開發(fā)供給柔性度表示方式如下：

(3)

式中：U為煤炭開發(fā)供給柔性度；K為每周煤炭消費總量；H為每周煤炭進口量。

令U=1為供給平衡點，可設定U=0.99為緊平衡點，高于1則表明供應側寬松或出現(xiàn)過剩，0.9≤U<0.95黃色預警，U<0.90紅色預警。

可結合煤礦生產能力柔性系數(shù)與煤炭運銷能力柔性系數(shù)對煤炭開發(fā)供給綜合柔性度的具體內涵及產生原因進行分析判斷。

2.3 煤炭智能柔性開發(fā)供給響應模型

基于上述分析，將煤炭開發(fā)供給體系細分為煤礦(I個)、運銷中心(J個)、煤炭消費區(qū)(K個)及全國煤炭供需監(jiān)測預警平臺/中心，全國煤炭供需監(jiān)測預警平臺/中心采用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式采集分析，利用區(qū)塊鏈技術的不可篡改性、可追溯和集體維護等特性，可有效解決煤炭供給運銷過程中的寡頭壟斷、信息壁壘等諸多問題。采用大數(shù)據(jù)技術對監(jiān)測信息進行數(shù)據(jù)建模分析，制定最優(yōu)的供給運銷方案并自動向產業(yè)鏈各節(jié)點進行分發(fā)，如圖4所示。

圖4 煤炭智能柔性開發(fā)供給體系模型

煤炭供應鏈的柔性主要體現(xiàn)在煤礦生產、煤炭運銷環(huán)節(jié)中，表現(xiàn)為生產柔性和運銷柔性，根據(jù)需求預測值，以及每種柔性系數(shù)對供應鏈總體柔性度的貢獻不同，確定期望柔性，以總成本最小為優(yōu)化準則，通過模型確定整個供應鏈最優(yōu)的生產、運輸方案。

煤炭產銷柔性響應模型是煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的底層邏輯，主要目的是基于不同的煤炭開發(fā)供給柔性，以煤礦、運銷中心和煤炭消費區(qū)組成的供應鏈最優(yōu)成本為準則，確定供應鏈結構和煤礦產量。借鑒原油等領域，采用運籌學方法[21-26]，建立煤炭產銷供應鏈的總成本模型如下:

(4)

其中：Y為煤炭供應鏈的總成本；f1i為煤礦固定成本；q1i為煤礦設置，取值為1或0，取1時代表選擇該煤礦供給，取0時代表不選擇該煤礦供給；m1i為煤礦i生產煤炭的單位成本；f2j為運銷中心的固定成本；m2j為運銷中心j運銷煤炭的單位運銷成本；Dk為煤炭消費區(qū)k的煤炭需求量；cij為從煤礦i到運銷中心j的運輸煤炭的單位成本；Cij為從煤礦i運輸?shù)竭\銷中心j的煤炭數(shù)量；djk為從運銷中心j到煤炭消費區(qū)k運輸煤炭的單位成本；q2j為運銷中心設置，取值為1或0；yjk為運銷中心j對煤炭消費區(qū)k的服務，取值為1或0，取1時代表選擇該運銷中心為煤炭消費區(qū)服務，取0時代表不選擇。即煤炭產銷供應鏈總成本包括3部分：①煤礦生產的固定成本和變動成本；②運銷中心搬運和庫存產品變動成本和從煤礦到運銷中心的運輸成本；③運銷中心到煤炭消費區(qū)的運輸成本。約束條件如下：

Xi≤(φi+zi)q1i

(?i)(5)

ξi≤Xi≤ζiq1i

(6)

(?j)(7)

(?k)(8)

(?j)(9)

(10)

(?j)(11)

Xi,Cij≥0

(?i,j)(12)

q1i,q2j,yjk=0或1

(?i,j,k)(13)

式(5)為生產約束，表示煤礦產量不能超過其生產能力；式(6)為煤礦產量維持在煤礦最大生產規(guī)模和最小規(guī)模之間，其中ξi和ζi分別為煤礦的最小和最大生產規(guī)模；式(7)保證運銷中心分銷數(shù)量在最大和最小分銷規(guī)模之間，αj和βj分別為運銷中心j的最大和最小分銷量；式(8)保證每一個煤炭消費區(qū)都至少有1個運銷中心；式(9)保證煤礦運輸?shù)竭\銷中心的數(shù)量等于煤礦產量；式(10)保證所有的需求都能夠得到滿足，即運輸?shù)矫禾肯M區(qū)的數(shù)量等于煤炭需求的預測值；式(11)保證每個煤炭消費區(qū)的需求都得到滿足。

實際決策中，將煤炭開發(fā)供給柔性作為約束條件，根據(jù)煤炭需求形勢，選擇適當?shù)娜嵝云谕郸?，然后?/p>

U≥ε

(14)

式(1)—式(14)組成了煤炭產銷柔性響應模型，在約束條件式(5)—式(14)條件下求目標函數(shù)式(4)的最小值，即求解Xi，Cij，q2j，yjk的優(yōu)化問題。首先采用相關數(shù)學模型、人工智能等方法預測煤炭消費區(qū)域的煤炭需求量Dk，然后根據(jù)需求量的預測值設定柔性期望ε；其次，利用煤炭工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺等途徑采集的各個煤礦的核定產能、智能煤礦柔性調節(jié)產能、生產成本、各煤礦到各運銷中心的運輸成本、各運銷中心的運銷成本、各運銷中心到各煤炭消費區(qū)的運輸成本等基礎數(shù)據(jù)，通過模型可求得成本最優(yōu)條件下各個煤礦的最優(yōu)煤炭產量，以及通過何種運輸方式運送到何地的煤炭量。該模型可以采用優(yōu)化搜索算法(如進化規(guī)劃算法)進行求解[27]。

3 煤炭智能柔性開發(fā)供給技術體系

3.1 煤炭智能柔性開發(fā)供給體系核心要素

智能煤礦建設是構建煤炭柔性開發(fā)供給體系的基礎，將新一代信息技術(5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等)與煤炭開發(fā)、運輸、銷售、利用等進行深度融合，支撐構建煤炭智能柔性開發(fā)供給體系。煤炭智能柔性開發(fā)供給體系以煤礦生產系統(tǒng)柔性和運輸柔性為核心，以煤炭開發(fā)供給柔性度為基礎，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術為代表的支撐技術和以橫向集成、縱向擴展等使能技術為支撐，實現(xiàn)煤炭供給的智能柔性生產、安全穩(wěn)定供給、動態(tài)供需平衡目標，如圖5所示。

圖5 煤炭智能柔性開發(fā)供給體系架構

煤炭智能柔性開發(fā)供給體系具有以下3點核心要素：

1)智能化柔性煤礦是建設煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的關鍵[28]。提高煤炭開發(fā)供給體系的柔性，關鍵在于提高生產端的柔性，由于傳統(tǒng)煤炭開發(fā)方式的產能利用率普遍呈剛性，由式(1)可知，增加煤礦生產能力柔性系數(shù)的關鍵在于通過智能化開采技術對煤礦的產能進行柔性調節(jié)。

2)新一代信息技術與煤炭開發(fā)、運輸、銷售進行融合是建設煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的基礎。5G通信技術以其特有的大帶寬、低延時和廣連接優(yōu)勢，不僅可以為煤礦智能化建設構建數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定傳輸通道，還可以為煤炭智能柔性供給體系的構建搭建數(shù)據(jù)傳輸高速公路，確保信息高速、可靠傳輸。運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術不僅可以對煤礦進行實時、多維度安全監(jiān)控，從而實現(xiàn)煤礦減人、增安、提效，而且可以為煤炭供需響應模型的構建提供數(shù)據(jù)、算法支撐。區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)技術將助力實現(xiàn)信息的安全、可靠及深度挖掘與融合應用，通過區(qū)塊鏈的去中心化、信息共享和數(shù)據(jù)不可篡改性等特征可以保證煤炭產銷量數(shù)據(jù)的準確性，并利用大數(shù)據(jù)算法對煤炭產銷平衡及供給方案進行數(shù)據(jù)建模與優(yōu)化。因此，新一代信息技術與煤炭開發(fā)、運輸、銷售進行融合，是構建廣泛互聯(lián)、精準預測、智能運行和科學決策的煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的基礎。

3)構建柔性協(xié)同管理系統(tǒng)是實現(xiàn)煤炭智能柔性供給的保障。建設煤炭智能柔性開發(fā)供給體系，不僅需要在支撐技術、使能技術等方面發(fā)力，更需要用系統(tǒng)思維對供應鏈中的信息流、物流進行規(guī)劃和控制，圍繞智能柔性供給目標，促進信息共享和協(xié)調經營，以提高各環(huán)節(jié)運作效率和動態(tài)響應水平，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、柔性的供需關系?；谛乱淮畔⒓夹g構建從集團至礦業(yè)公司再至礦井的多級大數(shù)據(jù)中心，通過煤礦開采全過程的數(shù)據(jù)鏈條，支撐煤礦決策的智能化和運行的自動化，達到集成化管理，實現(xiàn)煤炭智能柔性供給，如圖6所示。

圖6 煤礦智能柔性協(xié)同管理

3.2 煤炭智能柔性開發(fā)供給支撐技術

煤炭智能柔性開發(fā)供給支撐技術主要包括生產端支撐技術、運輸端支撐技術、消費端支撐技術及基礎平臺支撐技術。

1)生產端支撐技術。智能化柔性煤礦是煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的關鍵，建設智能化柔性煤礦仍需深入開展井下海量多源異構數(shù)據(jù)融合分析、復雜環(huán)境與開采系統(tǒng)耦合機理、重大危險源致災機理與智能預測預警等基礎理論研究，并對井下智能地質探測儀器、高可靠性智能采掘裝備、井下防爆作業(yè)重載機器人等短板技術進行攻關，解決制約復雜條件煤礦智能化發(fā)展的理論與技術短板；加大對高端綜采綜掘智能化裝備、智能化無人值守運輸提升裝備、重大災害應急救援智能裝備和煤礦機器人等重大裝備的研發(fā)和應用，為煤礦智能化建設提供高可靠性的先進裝備保障；建設安全、共享、高效的全國煤礦大數(shù)據(jù)中心，開發(fā)煤礦多源異構數(shù)據(jù)的深度融合處理與高效利用技術、煤礦系統(tǒng)裝備云端運維的遠程專業(yè)化分析處理等增值服務，形成煤礦全時空多源信息實時感知，安全風險雙重預防閉環(huán)管控，生產運營全流程人-機-環(huán)-管數(shù)字互聯(lián)高效協(xié)同，智能決策自動化運行的能力和高質量運行新模式。

2)運輸端支撐技術。構建煤炭智能物流運輸體系需要從煤炭企業(yè)自營鐵路建設、公路運輸建設、港口建設等多個方面入手，共同推動煤炭物流運輸數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化水平提升，形成高效的煤炭物流運輸系統(tǒng)。煤炭企業(yè)自營鐵路需建設機車車載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、車輛調度和導航系統(tǒng)、鐵軌故障預警系統(tǒng)等；鐵路運輸專線要加快5G、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛技術的研發(fā)推廣應用，大力提高列車安全、穩(wěn)定和智能化調度運行水平；構建覆蓋全國的煤炭運輸?shù)乩硇畔⑵脚_和感知網(wǎng)絡，推進鐵路、公路、水路運輸數(shù)字化展現(xiàn)。深度挖掘5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術在煤炭物流體系的運用潛力，研究基于區(qū)塊鏈架構的“供應鏈-物流鏈”雙鏈融合技術、基于大數(shù)據(jù)分析的智能化物流運營管理新模式，整合煤礦、鐵路、公路、水路和港口信息資源，提高煤炭物流應急、調度、決策、監(jiān)控分析和管控能力。

3)消費端支撐技術。將電廠、化工、鋼鐵、建材等重點耗煤用戶納入監(jiān)控體系，基于區(qū)塊鏈技術的分布式采集存儲及去中心化的思想，建設國家級煤炭消費智能監(jiān)測系統(tǒng)，制定信息采集與傳輸、存儲、共享與交換、服務等相關標準，保證煤炭的產-運-儲-銷-用數(shù)據(jù)全生命周期管理與多源異構數(shù)據(jù)的深度融合及高效利用，基于重點用煤行業(yè)、企業(yè)、區(qū)域的煤炭消費大數(shù)據(jù)，建立煤炭消費預報、預警技術體系，為煤炭產-運-儲-銷-用全鏈條柔性供給提供信息和決策支持。

4)基礎平臺支撐技術。構建全國煤炭供需監(jiān)測預警平臺(中心)，涵蓋生產端、運輸端、銷售端、用戶以及物流服務商、銀行保險金融機構等各環(huán)節(jié)，將現(xiàn)有的煤炭行業(yè)和區(qū)域級交易統(tǒng)一納入其中；基于新一代信息技術實現(xiàn)對煤炭的存量信息、消耗量信息、交易信息等全面及時可靠采集，對煤炭的實時交易信息進行監(jiān)管；基于區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)煤炭交易的透明化、公平化，提高市場對煤炭供需的引導水平。研究廣覆蓋的多樣用能精準監(jiān)控技術，基于AI數(shù)據(jù)驅動模式的用能負荷精準預測，借助5G低時延、廣覆蓋的特性，結合人工智能技術的強感知、挖掘、預測能力，在獲取海量用戶數(shù)據(jù)基礎上對能源、煤炭消費情況做出精準預測，實現(xiàn)煤炭流動展示、煤炭生產消費戰(zhàn)略推演模擬等，建立煤炭供需科學決策體系。

4 煤炭智能柔性開發(fā)供給運行模式

基于新一代信息技術與煤炭開發(fā)、運輸、消費等全產業(yè)鏈的深度融合，形成需求驅動、精準預測、上下游協(xié)同、一體化運行的煤炭智能柔性開發(fā)供給運行模式，實現(xiàn)煤炭供給的精準化、平臺化、協(xié)同化。

煤炭智能柔性開發(fā)供給體系運行主要包括4個方面：① 進行智能化煤礦可柔性調節(jié)科學增產潛能評估和備案；② 建設“煤礦-集團-省級-國家級”煤礦生產和交易智能化平臺，進行安全生產、 高效產能精準分析及預測，實現(xiàn)供需信息共享；③ 建立生產、銷售、運輸和消費監(jiān)測分析服務機構與機制，確定合理的供應鏈柔性度；④ 強化政府指導調節(jié)和政策激勵機制，如圖7所示。

圖7 智能柔性煤炭開發(fā)供給體系運行方式

1)進行智能化煤礦可柔性調節(jié)科學增產潛能評估和備案。對傳統(tǒng)煤炭開發(fā)方式進行智能化升級改造，提升煤礦生產系統(tǒng)的柔性度，對改造后的智能化煤礦可柔性調節(jié)科學增產潛能進行綜合評估，并將評估結果進行備案。

2)建設“煤礦-集團-省級-國家級”煤礦生產和交易智能化平臺。該平臺涵蓋生產端、供貨端、銷售端、用戶以及物流服務商、銀行保險金融機構等各環(huán)節(jié)，采用區(qū)塊鏈技術將現(xiàn)有的煤炭行業(yè)和區(qū)域級交易統(tǒng)一納入其中，進行安全生產、高效產能精準分析及預測，實現(xiàn)供需信息共享。

3)建立生產、銷售、運輸和消費監(jiān)測分析服務機構與機制?；凇懊旱V-集團-省級-國家級”煤礦生產和交易智能化平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)，構建全國煤炭供需監(jiān)測預警平臺(中心)，設立專業(yè)數(shù)據(jù)分析服務機構，對煤炭產-運-儲-銷-用全流程進行全方位信息分析、預測、預警，確定合理的供應鏈柔性度。

4)強化政府指導調節(jié)和政策激勵機制。雖然采用物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術實現(xiàn)了煤炭產-運-儲-銷-用全流程數(shù)據(jù)的可靠采集與精準預測，并自動將最優(yōu)的柔性供給方案向各節(jié)點進行推送，但根據(jù)柔性供給方案進行煤礦生產能力調節(jié)、運輸能力調整等還需要政府進行干預和指導，制定相關的激勵機制，推動煤炭智能柔性開發(fā)供給實現(xiàn)需求牽引、數(shù)據(jù)模型驅動、市場調節(jié)、政策激勵、柔性供給的全產業(yè)鏈協(xié)同運行，確保國家能源的安全穩(wěn)定供給。

5 結 論

1)我國煤炭供給具有明顯的區(qū)域不平衡特征，且煤炭需求存在季節(jié)性波動大和時段性緊張的問題，傳統(tǒng)煤炭生產方式,產-運-儲-用運行模式難以滿足煤炭對能源調峰的作用，亟需構建煤炭智能柔性開發(fā)供給體系。

2)綜合考慮煤礦生產能力柔性系數(shù)和煤炭運銷能力柔性系數(shù)，構建了煤炭智能柔性開發(fā)供給響應模型，可以根據(jù)不同的煤炭開發(fā)供給柔性需求，對煤礦產能、產量、運輸?shù)冗M行優(yōu)化調整，確定最優(yōu)的供應鏈結構參數(shù)、運行成本及運行模式。

3)智能化煤礦是建設煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的基礎和關鍵，新一代信息技術與煤炭開發(fā)、運輸、銷售等深度融合為煤炭智能柔性開發(fā)供給體系賦能，構建柔性協(xié)同管理系統(tǒng)是實現(xiàn)煤炭智能柔性供給的保障。

4)煤炭智能柔性開發(fā)供給支撐技術主要包括生產端支撐技術、運輸端支撐技術、消費端支撐技術及基礎平臺支撐技術，需要進一步攻關解決煤炭智能柔性開發(fā)供給支撐技術存在的一些“瓶頸”技術和管理難題，才能保障煤炭智能柔性開發(fā)供給體系高質量穩(wěn)定運行。