煤炭智能柔性開發(fā)供給體系模型與技術(shù)架構(gòu)

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(xué)研究總院, 北京 100013；3.煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100120)

0 引 言

煤炭是我國的主體基礎(chǔ)能源，是可以實(shí)現(xiàn)安全高效開發(fā)與清潔低碳利用最經(jīng)濟(jì)、最安全的礦產(chǎn)資源[1-2]，改革開放以來，我國煤炭開采量達(dá)到約827億t，為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的能源安全保障[3]。

“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必將推動(dòng)我國廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革。但是碳達(dá)峰不是能源達(dá)峰，碳中和也不是“零碳”，美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰后仍有10～20年的煤炭消費(fèi)平臺(tái)期[4-5]，且我國能源資源稟賦與發(fā)達(dá)國家存在本質(zhì)差異，不能照搬國外的發(fā)展模式?；谖覈?jīng)濟(jì)、社會(huì)和能源發(fā)展規(guī)律與發(fā)展要求，能源供應(yīng)安全是能源轉(zhuǎn)型的根基，煤炭保障我國能源安全的主體地位短期內(nèi)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(dòng)性與不確定性，新能源的不穩(wěn)定性和國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)環(huán)境的變化，增加了能源需求側(cè)的不確定性，亟需建立適應(yīng)需求側(cè)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(duì)外依存度達(dá)73%，天然氣對(duì)外依存度達(dá)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(jìn)口安全風(fēng)險(xiǎn)增加。風(fēng)、光等新能源短期內(nèi)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(chǔ)量豐富，構(gòu)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(shí)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(jìn)高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程中，受產(chǎn)業(yè)調(diào)整和能源轉(zhuǎn)型等多重因素影響，煤炭市場波動(dòng)異常劇烈，煤炭價(jià)格不穩(wěn)定性因素增大，甚至出現(xiàn)由于缺煤導(dǎo)致拉閘限電等現(xiàn)象，煤炭現(xiàn)有生產(chǎn)與供給模式將難以適應(yīng)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(chǎn)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(zhì)量穩(wěn)定供給需求分析

1.1 煤炭高質(zhì)量穩(wěn)定供給現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

我國相對(duì)富煤、貧油、少氣的資源賦存條件決定了煤炭在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍將是我國的主體能源，油氣資源的高度對(duì)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(gè)方面。

1)煤炭生產(chǎn)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(chǎn)和消費(fèi)空間格局存在很大錯(cuò)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(huì)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，是我國能源消費(fèi)的主要區(qū)域，對(duì)能源的需求逐年增加，每年需要從外部調(diào)入大量的煤炭資源；西部地區(qū)對(duì)能源的需求較少，但優(yōu)質(zhì)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，開發(fā)潛力巨大，已經(jīng)成為我國煤炭主產(chǎn)區(qū)[10-11]。

截至2021年6月，我國西部地區(qū)煤礦數(shù)量、產(chǎn)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(chǎn)量占比已經(jīng)由1978年的42.3%下降到2020年的6.9%；西部地區(qū)煤炭產(chǎn)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(chǎn)量27.9億t，占全國的71.5%，三省(區(qū))調(diào)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(chǎn)量均小于消費(fèi)量，尤其是山東、江蘇和河北煤炭缺口達(dá)2億t以上，缺口達(dá)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(chǎn)量為2.23億t，煤炭調(diào)入量為13.24億t，進(jìn)口量為1.64億t，煤炭消費(fèi)量為15.24億t，東部地區(qū)煤炭對(duì)外依存度高達(dá)85%左右[13]。隨著煤炭生產(chǎn)繼續(xù)向西部資源富集區(qū)聚集，將進(jìn)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(dòng)和時(shí)段性緊張局面加劇。煤炭需求季節(jié)性波動(dòng)的峰谷差值逐漸加大，對(duì)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(fèi)的峰谷差值呈逐漸加大趨勢(shì)，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(fèi)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(shí)段性緊張的現(xiàn)象，導(dǎo)致拉閘限電、煤價(jià)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(gè)省份，而煤價(jià)也漲至歷史高點(diǎn)，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(duì)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展也造成了較大影響。

3)煤炭對(duì)能源調(diào)峰作用的重要性逐年凸顯，增強(qiáng)了構(gòu)建煤炭智能柔性供給體系的迫切性與重要意義。2020年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量突破5.3億kW，發(fā)電量占比9.5%[14]；到2025年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電量預(yù)計(jì)占比16.5%；到2030年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)總量預(yù)計(jì)達(dá)到12億kW。隨著新能源加速發(fā)展和用電結(jié)構(gòu)調(diào)整，由于風(fēng)電、光伏等新能源的波動(dòng)性和間歇性，電力系統(tǒng)對(duì)煤電調(diào)峰容量的需求將不斷提高。同時(shí)，對(duì)煤電調(diào)峰能力要求越來越高，相應(yīng)地對(duì)電煤供給柔性的需求也隨之增大。

1.2 煤炭高質(zhì)量穩(wěn)定供給需求與趨勢(shì)

當(dāng)前，中國經(jīng)濟(jì)由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，高質(zhì)量發(fā)展亟需高質(zhì)量的能源供給支撐。受制于大規(guī)模、低成本儲(chǔ)能技術(shù)還未能取得實(shí)質(zhì)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(chǔ)能”兩大能源轉(zhuǎn)型方向?qū)㈤L期并存。能源低碳轉(zhuǎn)型迫切需要構(gòu)建更高質(zhì)量的煤炭供給保障體系，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確提出：“提高能源供給保障能力，增強(qiáng)能源持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)和風(fēng)險(xiǎn)管控能力，實(shí)現(xiàn)煤炭供應(yīng)安全兜底”。2021年10月9日，國家能源委員會(huì)會(huì)議上強(qiáng)調(diào)：“能源需求不可避免繼續(xù)增長，必須以保障安全為前提構(gòu)建現(xiàn)代能源體系，不斷豐富能源安全供應(yīng)的保險(xiǎn)工具”。

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

圖2 2011—2020年全國煤炭生產(chǎn)情況

1)現(xiàn)有生產(chǎn)方式的產(chǎn)能調(diào)節(jié)能力有限，難以適應(yīng)需求側(cè)異常波動(dòng)。傳統(tǒng)煤炭開采方式需要大量的人力支撐，且生產(chǎn)效率較低、效益較差，為維持礦井正常運(yùn)營及盈利目標(biāo)，煤礦必須完成一定的產(chǎn)量目標(biāo)。由于傳統(tǒng)煤炭開采方式對(duì)工人數(shù)量具有較強(qiáng)的依賴性，難以實(shí)現(xiàn)在煤炭需求高峰時(shí)段短期內(nèi)進(jìn)行增人、增產(chǎn)，并在煤炭需求低谷時(shí)段進(jìn)行大規(guī)模裁員減產(chǎn)，因此，亟需加快推進(jìn)煤礦智能柔性化建設(shè)，建立煤礦智能柔性供給生產(chǎn)系統(tǒng)，在保障生產(chǎn)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(cè)的變化實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)量的智能柔性調(diào)整。

2)由于缺少對(duì)煤炭需求的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、預(yù)警，現(xiàn)有煤炭生產(chǎn)與運(yùn)輸銜接方式制約了短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)煤炭智能柔性供給。煤炭運(yùn)輸主要通過鐵路、公路和水運(yùn)，但鐵路的裝車能力、公路的發(fā)車能力、港口碼頭的運(yùn)輸能力等需要國家對(duì)各種供應(yīng)物資進(jìn)行統(tǒng)籌安排，尤其是鐵路運(yùn)輸，煤炭季節(jié)性、突發(fā)性調(diào)峰協(xié)調(diào)難度大。另外，由于煤炭運(yùn)輸時(shí)間較長，大秦線的運(yùn)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(yùn)輸也要7～15 d，應(yīng)急功能有限，亟需基于新一代信息技術(shù)對(duì)煤炭需求進(jìn)行超前預(yù)測(cè)、預(yù)警，提前對(duì)煤炭生產(chǎn)運(yùn)輸進(jìn)行協(xié)調(diào)安排。

3)現(xiàn)有生產(chǎn)管理方式難以適應(yīng)供給側(cè)彈性變化要求。根據(jù)2021年4月應(yīng)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(chǎn)能力管理辦法》相關(guān)規(guī)定，煤礦月度原煤產(chǎn)量不得超過生產(chǎn)能力的10%，調(diào)節(jié)范圍較小，難以發(fā)揮調(diào)峰作用。

提高煤炭開發(fā)供給體系的柔性關(guān)鍵在于提高生產(chǎn)端、運(yùn)輸側(cè)的柔性。近年來，新一代信息技術(shù)與煤炭開發(fā)、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)進(jìn)行了深度融合發(fā)展，推動(dòng)構(gòu)建了減人、增安、提效的煤礦智能化開發(fā)、運(yùn)輸系統(tǒng)，為傳統(tǒng)開發(fā)方式受制于人數(shù)多、產(chǎn)能調(diào)整成本高、難以實(shí)現(xiàn)柔性供給等難題提供了解決方案[15-19]。同時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，構(gòu)建煤炭供需預(yù)測(cè)模型，優(yōu)化現(xiàn)有煤炭運(yùn)輸倉儲(chǔ)體系，為實(shí)現(xiàn)煤炭運(yùn)輸側(cè)的超前預(yù)測(cè)與柔性供給提供了技術(shù)支撐。

2 煤炭智能柔性開發(fā)供給響應(yīng)模型

2.1 煤炭智能柔性開發(fā)供給體系內(nèi)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(shù)與煤炭開發(fā)、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、需求預(yù)測(cè)等進(jìn)行深度融合，建立以數(shù)字化為基礎(chǔ)、智能化賦能的多層次網(wǎng)狀煤炭開發(fā)供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭需求的超前精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并基于預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)煤炭生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)等進(jìn)行自動(dòng)智能優(yōu)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全、高效、穩(wěn)定、柔性供給。

生產(chǎn)系統(tǒng)柔性是指生產(chǎn)系統(tǒng)能夠根據(jù)外部市場的需求變化而進(jìn)行生產(chǎn)能力調(diào)整的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[20]，煤礦生產(chǎn)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(shù)裝備及智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。由于煤礦智能化開采技術(shù)可以大幅減少井下作業(yè)人員數(shù)量，煤礦生產(chǎn)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(duì)礦井生產(chǎn)能力進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，當(dāng)市場需求旺盛時(shí)可快速增加產(chǎn)能，當(dāng)市場需求低迷時(shí)可低成本抑制產(chǎn)能，能夠充分滿足訂單式生產(chǎn)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(shù)，對(duì)煤炭供給與需求的平衡度進(jìn)行超前預(yù)測(cè)預(yù)警?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的分布式采集存儲(chǔ)、信息不可篡改、智能合約等特點(diǎn)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)低價(jià)值密度、海量多源信息進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，構(gòu)建全國煤炭供需監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)/中心，對(duì)煤炭供需柔性度進(jìn)行分析計(jì)算，如圖3所示，根據(jù)供需柔性度對(duì)煤炭的需求量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)反饋，并將預(yù)測(cè)結(jié)果反饋給煤炭生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)，使各環(huán)節(jié)能夠及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

圖3 煤炭開發(fā)供給柔性度計(jì)算邏輯

煤炭智能柔性開發(fā)供給體系應(yīng)以最低的生產(chǎn)、運(yùn)輸成本和最優(yōu)的調(diào)控能力對(duì)煤炭供需變化進(jìn)行超前快速響應(yīng)，該體系應(yīng)具有敏捷性、精準(zhǔn)性和協(xié)同性的特征。① 敏捷性。敏捷性的本質(zhì)是對(duì)煤炭供需變化快速精準(zhǔn)感知，并將市場信息高效地傳遞、反饋給煤炭生產(chǎn)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(shù)，實(shí)現(xiàn)需求驅(qū)動(dòng)、超前預(yù)測(cè)、智能預(yù)警、快速響應(yīng)、按需生產(chǎn)，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)輸側(cè)進(jìn)行靈活調(diào)整。② 精準(zhǔn)性。采用物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)對(duì)煤炭生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、利用等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集與深度挖掘，精準(zhǔn)洞察生產(chǎn)運(yùn)輸側(cè)與需求側(cè)的變化，超前制定合理的生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)方案。③ 協(xié)同性。煤炭供需平衡體系是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，需要生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、消費(fèi)等整個(gè)供應(yīng)鏈上的各部門進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，且每個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)部也需要多系統(tǒng)的協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)上下游產(chǎn)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(chǎn)能力柔性系數(shù)和煤炭運(yùn)銷能力柔性系數(shù)表征。煤礦生產(chǎn)能力柔性即煤礦生產(chǎn)能力、實(shí)際產(chǎn)量能夠靈活變化以及時(shí)應(yīng)對(duì)煤炭需求變化的能力；煤炭運(yùn)銷能力柔性即煤炭供應(yīng)鏈上的鐵路、港口等煤炭運(yùn)輸能力應(yīng)對(duì)煤炭需求變化的能力。

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

(1)

式中：U1為煤礦生產(chǎn)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(chǎn)能力；zi為煤礦i的科學(xué)增產(chǎn)能力；Xi為煤礦i的實(shí)際產(chǎn)量。

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

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

(2)

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

若U2=1，則說明產(chǎn)-運(yùn)-銷能力基本平衡；若U2>1，則說明運(yùn)輸能力富裕，(因生產(chǎn)側(cè)、消費(fèi)側(cè)一般都會(huì)有一定庫存，用短期生產(chǎn)與消費(fèi)量可以體現(xiàn)產(chǎn)-運(yùn)-銷情況，敏感捕捉運(yùn)輸銷售端的問題)；若U2<1，則說明運(yùn)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(fèi)總量；H為每周煤炭進(jìn)口量。

令U=1為供給平衡點(diǎn)，可設(shè)定U=0.99為緊平衡點(diǎn)，高于1則表明供應(yīng)側(cè)寬松或出現(xiàn)過剩，0.9≤U<0.95黃色預(yù)警，U<0.90紅色預(yù)警。

可結(jié)合煤礦生產(chǎn)能力柔性系數(shù)與煤炭運(yùn)銷能力柔性系數(shù)對(duì)煤炭開發(fā)供給綜合柔性度的具體內(nèi)涵及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析判斷。

2.3 煤炭智能柔性開發(fā)供給響應(yīng)模型

基于上述分析，將煤炭開發(fā)供給體系細(xì)分為煤礦(I個(gè))、運(yùn)銷中心(J個(gè))、煤炭消費(fèi)區(qū)(K個(gè))及全國煤炭供需監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)/中心，全國煤炭供需監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)/中心采用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式采集分析，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性、可追溯和集體維護(hù)等特性，可有效解決煤炭供給運(yùn)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(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)建模分析，制定最優(yōu)的供給運(yùn)銷方案并自動(dòng)向產(chǎn)業(yè)鏈各節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(yīng)鏈的柔性主要體現(xiàn)在煤礦生產(chǎn)、煤炭運(yùn)銷環(huán)節(jié)中，表現(xiàn)為生產(chǎn)柔性和運(yùn)銷柔性，根據(jù)需求預(yù)測(cè)值，以及每種柔性系數(shù)對(duì)供應(yīng)鏈總體柔性度的貢獻(xiàn)不同，確定期望柔性，以總成本最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，通過模型確定整個(gè)供應(yīng)鏈最優(yōu)的生產(chǎn)、運(yùn)輸方案。

煤炭產(chǎn)銷柔性響應(yīng)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(yùn)銷中心和煤炭消費(fèi)區(qū)組成的供應(yīng)鏈最優(yōu)成本為準(zhǔn)則，確定供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)和煤礦產(chǎn)量。借鑒原油等領(lǐng)域，采用運(yùn)籌學(xué)方法[21-26]，建立煤炭產(chǎn)銷供應(yīng)鏈的總成本模型如下:

(4)

其中：Y為煤炭供應(yīng)鏈的總成本；f1i為煤礦固定成本；q1i為煤礦設(shè)置，取值為1或0，取1時(shí)代表選擇該煤礦供給，取0時(shí)代表不選擇該煤礦供給；m1i為煤礦i生產(chǎn)煤炭的單位成本；f2j為運(yùn)銷中心的固定成本；m2j為運(yùn)銷中心j運(yùn)銷煤炭的單位運(yùn)銷成本；Dk為煤炭消費(fèi)區(qū)k的煤炭需求量；cij為從煤礦i到運(yùn)銷中心j的運(yùn)輸煤炭的單位成本；Cij為從煤礦i運(yùn)輸?shù)竭\(yùn)銷中心j的煤炭數(shù)量；djk為從運(yùn)銷中心j到煤炭消費(fèi)區(qū)k運(yùn)輸煤炭的單位成本；q2j為運(yùn)銷中心設(shè)置，取值為1或0；yjk為運(yùn)銷中心j對(duì)煤炭消費(fèi)區(qū)k的服務(wù)，取值為1或0，取1時(shí)代表選擇該運(yùn)銷中心為煤炭消費(fèi)區(qū)服務(wù)，取0時(shí)代表不選擇。即煤炭產(chǎn)銷供應(yīng)鏈總成本包括3部分：①煤礦生產(chǎn)的固定成本和變動(dòng)成本；②運(yùn)銷中心搬運(yùn)和庫存產(chǎn)品變動(dòng)成本和從煤礦到運(yùn)銷中心的運(yùn)輸成本；③運(yùn)銷中心到煤炭消費(fèi)區(qū)的運(yùn)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(chǎn)約束，表示煤礦產(chǎn)量不能超過其生產(chǎn)能力；式(6)為煤礦產(chǎn)量維持在煤礦最大生產(chǎn)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(chǎn)規(guī)模；式(7)保證運(yùn)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(yùn)銷中心j的最大和最小分銷量；式(8)保證每一個(gè)煤炭消費(fèi)區(qū)都至少有1個(gè)運(yùn)銷中心；式(9)保證煤礦運(yùn)輸?shù)竭\(yùn)銷中心的數(shù)量等于煤礦產(chǎn)量；式(10)保證所有的需求都能夠得到滿足，即運(yùn)輸?shù)矫禾肯M(fèi)區(qū)的數(shù)量等于煤炭需求的預(yù)測(cè)值；式(11)保證每個(gè)煤炭消費(fèi)區(qū)的需求都得到滿足。

實(shí)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(shì)，選擇適當(dāng)?shù)娜嵝云谕郸?，然后?/p>

U≥ε

(14)

式(1)—式(14)組成了煤炭產(chǎn)銷柔性響應(yīng)模型，在約束條件式(5)—式(14)條件下求目標(biāo)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(guān)數(shù)學(xué)模型、人工智能等方法預(yù)測(cè)煤炭消費(fèi)區(qū)域的煤炭需求量Dk，然后根據(jù)需求量的預(yù)測(cè)值設(shè)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(tái)等途徑采集的各個(gè)煤礦的核定產(chǎn)能、智能煤礦柔性調(diào)節(jié)產(chǎn)能、生產(chǎn)成本、各煤礦到各運(yùn)銷中心的運(yùn)輸成本、各運(yùn)銷中心的運(yùn)銷成本、各運(yùn)銷中心到各煤炭消費(fèi)區(qū)的運(yùn)輸成本等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過模型可求得成本最優(yōu)條件下各個(gè)煤礦的最優(yōu)煤炭產(chǎn)量，以及通過何種運(yùn)輸方式運(yùn)送到何地的煤炭量。該模型可以采用優(yōu)化搜索算法(如進(jìn)化規(guī)劃算法)進(jìn)行求解[27]。

3 煤炭智能柔性開發(fā)供給技術(shù)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(shè)是構(gòu)建煤炭柔性開發(fā)供給體系的基礎(chǔ)，將新一代信息技術(shù)(5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等)與煤炭開發(fā)、運(yùn)輸、銷售、利用等進(jìn)行深度融合，支撐構(gòu)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(chǎn)系統(tǒng)柔性和運(yùn)輸柔性為核心，以煤炭開發(fā)供給柔性度為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)為代表的支撐技術(shù)和以橫向集成、縱向擴(kuò)展等使能技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)煤炭供給的智能柔性生產(chǎn)、安全穩(wěn)定供給、動(dòng)態(tài)供需平衡目標(biāo)，如圖5所示。

圖5 煤炭智能柔性開發(fā)供給體系架構(gòu)

煤炭智能柔性開發(fā)供給體系具有以下3點(diǎn)核心要素：

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

2)新一代信息技術(shù)與煤炭開發(fā)、運(yùn)輸、銷售進(jìn)行融合是建設(shè)煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的基礎(chǔ)。5G通信技術(shù)以其特有的大帶寬、低延時(shí)和廣連接優(yōu)勢(shì)，不僅可以為煤礦智能化建設(shè)構(gòu)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(gòu)建搭建數(shù)據(jù)傳輸高速公路，確保信息高速、可靠傳輸。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)不僅可以對(duì)煤礦進(jìn)行實(shí)時(shí)、多維度安全監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)煤礦減人、增安、提效，而且可以為煤炭供需響應(yīng)模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)、算法支撐。區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)技術(shù)將助力實(shí)現(xiàn)信息的安全、可靠及深度挖掘與融合應(yīng)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(chǎn)銷量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并利用大數(shù)據(jù)算法對(duì)煤炭產(chǎn)銷平衡及供給方案進(jìn)行數(shù)據(jù)建模與優(yōu)化。因此，新一代信息技術(shù)與煤炭開發(fā)、運(yùn)輸、銷售進(jìn)行融合，是構(gòu)建廣泛互聯(lián)、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、智能運(yùn)行和科學(xué)決策的煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的基礎(chǔ)。

3)構(gòu)建柔性協(xié)同管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)煤炭智能柔性供給的保障。建設(shè)煤炭智能柔性開發(fā)供給體系，不僅需要在支撐技術(shù)、使能技術(shù)等方面發(fā)力，更需要用系統(tǒng)思維對(duì)供應(yīng)鏈中的信息流、物流進(jìn)行規(guī)劃和控制，圍繞智能柔性供給目標(biāo)，促進(jìn)信息共享和協(xié)調(diào)經(jīng)營，以提高各環(huán)節(jié)運(yùn)作效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)水平，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、柔性的供需關(guān)系?；谛乱淮畔⒓夹g(shù)構(gòu)建從集團(tuán)至礦業(yè)公司再至礦井的多級(jí)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(yùn)行的自動(dòng)化，達(dá)到集成化管理，實(shí)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(shù)

煤炭智能柔性開發(fā)供給支撐技術(shù)主要包括生產(chǎn)端支撐技術(shù)、運(yùn)輸端支撐技術(shù)、消費(fèi)端支撐技術(shù)及基礎(chǔ)平臺(tái)支撐技術(shù)。

1)生產(chǎn)端支撐技術(shù)。智能化柔性煤礦是煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的關(guān)鍵，建設(shè)智能化柔性煤礦仍需深入開展井下海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合分析、復(fù)雜環(huán)境與開采系統(tǒng)耦合機(jī)理、重大危險(xiǎn)源致災(zāi)機(jī)理與智能預(yù)測(cè)預(yù)警等基礎(chǔ)理論研究，并對(duì)井下智能地質(zhì)探測(cè)儀器、高可靠性智能采掘裝備、井下防爆作業(yè)重載機(jī)器人等短板技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，解決制約復(fù)雜條件煤礦智能化發(fā)展的理論與技術(shù)短板；加大對(duì)高端綜采綜掘智能化裝備、智能化無人值守運(yùn)輸提升裝備、重大災(zāi)害應(yīng)急救援智能裝備和煤礦機(jī)器人等重大裝備的研發(fā)和應(yīng)用，為煤礦智能化建設(shè)提供高可靠性的先進(jìn)裝備保障；建設(shè)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(gòu)數(shù)據(jù)的深度融合處理與高效利用技術(shù)、煤礦系統(tǒng)裝備云端運(yùn)維的遠(yuǎn)程專業(yè)化分析處理等增值服務(wù)，形成煤礦全時(shí)空多源信息實(shí)時(shí)感知，安全風(fēng)險(xiǎn)雙重預(yù)防閉環(huán)管控，生產(chǎn)運(yùn)營全流程人-機(jī)-環(huán)-管數(shù)字互聯(lián)高效協(xié)同，智能決策自動(dòng)化運(yùn)行的能力和高質(zhì)量運(yùn)行新模式。

2)運(yùn)輸端支撐技術(shù)。構(gòu)建煤炭智能物流運(yùn)輸體系需要從煤炭企業(yè)自營鐵路建設(shè)、公路運(yùn)輸建設(shè)、港口建設(shè)等多個(gè)方面入手，共同推動(dòng)煤炭物流運(yùn)輸數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平提升，形成高效的煤炭物流運(yùn)輸系統(tǒng)。煤炭企業(yè)自營鐵路需建設(shè)機(jī)車車載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、車輛調(diào)度和導(dǎo)航系統(tǒng)、鐵軌故障預(yù)警系統(tǒng)等；鐵路運(yùn)輸專線要加快5G、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛技術(shù)的研發(fā)推廣應(yīng)用，大力提高列車安全、穩(wěn)定和智能化調(diào)度運(yùn)行水平；構(gòu)建覆蓋全國的煤炭運(yùn)輸?shù)乩硇畔⑵脚_(tái)和感知網(wǎng)絡(luò)，推進(jìn)鐵路、公路、水路運(yùn)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(shù)在煤炭物流體系的運(yùn)用潛力，研究基于區(qū)塊鏈架構(gòu)的“供應(yīng)鏈-物流鏈”雙鏈融合技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)分析的智能化物流運(yùn)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(yīng)急、調(diào)度、決策、監(jiān)控分析和管控能力。

3)消費(fèi)端支撐技術(shù)。將電廠、化工、鋼鐵、建材等重點(diǎn)耗煤用戶納入監(jiān)控體系，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式采集存儲(chǔ)及去中心化的思想，建設(shè)國家級(jí)煤炭消費(fèi)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，制定信息采集與傳輸、存儲(chǔ)、共享與交換、服務(wù)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證煤炭的產(chǎn)-運(yùn)-儲(chǔ)-銷-用數(shù)據(jù)全生命周期管理與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的深度融合及高效利用，基于重點(diǎn)用煤行業(yè)、企業(yè)、區(qū)域的煤炭消費(fèi)大數(shù)據(jù)，建立煤炭消費(fèi)預(yù)報(bào)、預(yù)警技術(shù)體系，為煤炭產(chǎn)-運(yùn)-儲(chǔ)-銷-用全鏈條柔性供給提供信息和決策支持。

4)基礎(chǔ)平臺(tái)支撐技術(shù)。構(gòu)建全國煤炭供需監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)(中心)，涵蓋生產(chǎn)端、運(yùn)輸端、銷售端、用戶以及物流服務(wù)商、銀行保險(xiǎn)金融機(jī)構(gòu)等各環(huán)節(jié)，將現(xiàn)有的煤炭行業(yè)和區(qū)域級(jí)交易統(tǒng)一納入其中；基于新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的存量信息、消耗量信息、交易信息等全面及時(shí)可靠采集，對(duì)煤炭的實(shí)時(shí)交易信息進(jìn)行監(jiān)管；基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤炭交易的透明化、公平化，提高市場對(duì)煤炭供需的引導(dǎo)水平。研究廣覆蓋的多樣用能精準(zhǔn)監(jiān)控技術(shù)，基于AI數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式的用能負(fù)荷精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，借助5G低時(shí)延、廣覆蓋的特性，結(jié)合人工智能技術(shù)的強(qiáng)感知、挖掘、預(yù)測(cè)能力，在獲取海量用戶數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)能源、煤炭消費(fèi)情況做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)煤炭流動(dòng)展示、煤炭生產(chǎn)消費(fèi)戰(zhàn)略推演模擬等，建立煤炭供需科學(xué)決策體系。

4 煤炭智能柔性開發(fā)供給運(yùn)行模式

基于新一代信息技術(shù)與煤炭開發(fā)、運(yùn)輸、消費(fèi)等全產(chǎn)業(yè)鏈的深度融合，形成需求驅(qū)動(dòng)、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、上下游協(xié)同、一體化運(yùn)行的煤炭智能柔性開發(fā)供給運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)煤炭供給的精準(zhǔn)化、平臺(tái)化、協(xié)同化。

煤炭智能柔性開發(fā)供給體系運(yùn)行主要包括4個(gè)方面：① 進(jìn)行智能化煤礦可柔性調(diào)節(jié)科學(xué)增產(chǎn)潛能評(píng)估和備案；② 建設(shè)“煤礦-集團(tuán)-省級(jí)-國家級(jí)”煤礦生產(chǎn)和交易智能化平臺(tái)，進(jìn)行安全生產(chǎn)、 高效產(chǎn)能精準(zhǔn)分析及預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)供需信息共享；③ 建立生產(chǎn)、銷售、運(yùn)輸和消費(fèi)監(jiān)測(cè)分析服務(wù)機(jī)構(gòu)與機(jī)制，確定合理的供應(yīng)鏈柔性度；④ 強(qiáng)化政府指導(dǎo)調(diào)節(jié)和政策激勵(lì)機(jī)制，如圖7所示。

圖7 智能柔性煤炭開發(fā)供給體系運(yùn)行方式

1)進(jìn)行智能化煤礦可柔性調(diào)節(jié)科學(xué)增產(chǎn)潛能評(píng)估和備案。對(duì)傳統(tǒng)煤炭開發(fā)方式進(jìn)行智能化升級(jí)改造，提升煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性度，對(duì)改造后的智能化煤礦可柔性調(diào)節(jié)科學(xué)增產(chǎn)潛能進(jìn)行綜合評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果進(jìn)行備案。

2)建設(shè)“煤礦-集團(tuán)-省級(jí)-國家級(jí)”煤礦生產(chǎn)和交易智能化平臺(tái)。該平臺(tái)涵蓋生產(chǎn)端、供貨端、銷售端、用戶以及物流服務(wù)商、銀行保險(xiǎn)金融機(jī)構(gòu)等各環(huán)節(jié)，采用區(qū)塊鏈技術(shù)將現(xiàn)有的煤炭行業(yè)和區(qū)域級(jí)交易統(tǒng)一納入其中，進(jìn)行安全生產(chǎn)、高效產(chǎn)能精準(zhǔn)分析及預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)供需信息共享。

3)建立生產(chǎn)、銷售、運(yùn)輸和消費(fèi)監(jiān)測(cè)分析服務(wù)機(jī)構(gòu)與機(jī)制?；凇懊旱V-集團(tuán)-省級(jí)-國家級(jí)”煤礦生產(chǎn)和交易智能化平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建全國煤炭供需監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)(中心)，設(shè)立專業(yè)數(shù)據(jù)分析服務(wù)機(jī)構(gòu)，對(duì)煤炭產(chǎn)-運(yùn)-儲(chǔ)-銷-用全流程進(jìn)行全方位信息分析、預(yù)測(cè)、預(yù)警，確定合理的供應(yīng)鏈柔性度。

4)強(qiáng)化政府指導(dǎo)調(diào)節(jié)和政策激勵(lì)機(jī)制。雖然采用物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤炭產(chǎn)-運(yùn)-儲(chǔ)-銷-用全流程數(shù)據(jù)的可靠采集與精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并自動(dòng)將最優(yōu)的柔性供給方案向各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行推送，但根據(jù)柔性供給方案進(jìn)行煤礦生產(chǎn)能力調(diào)節(jié)、運(yùn)輸能力調(diào)整等還需要政府進(jìn)行干預(yù)和指導(dǎo)，制定相關(guān)的激勵(lì)機(jī)制，推動(dòng)煤炭智能柔性開發(fā)供給實(shí)現(xiàn)需求牽引、數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)、市場調(diào)節(jié)、政策激勵(lì)、柔性供給的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同運(yùn)行，確保國家能源的安全穩(wěn)定供給。

5 結(jié) 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(dòng)大和時(shí)段性緊張的問題，傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)方式,產(chǎn)-運(yùn)-儲(chǔ)-用運(yùn)行模式難以滿足煤炭對(duì)能源調(diào)峰的作用，亟需構(gòu)建煤炭智能柔性開發(fā)供給體系。

2)綜合考慮煤礦生產(chǎn)能力柔性系數(shù)和煤炭運(yùn)銷能力柔性系數(shù)，構(gòu)建了煤炭智能柔性開發(fā)供給響應(yīng)模型，可以根據(jù)不同的煤炭開發(fā)供給柔性需求，對(duì)煤礦產(chǎn)能、產(chǎn)量、運(yùn)輸?shù)冗M(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確定最優(yōu)的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行成本及運(yùn)行模式。

3)智能化煤礦是建設(shè)煤炭智能柔性開發(fā)供給體系的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，新一代信息技術(shù)與煤炭開發(fā)、運(yùn)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(gòu)建柔性協(xié)同管理系統(tǒng)是實(shí)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(shù)主要包括生產(chǎn)端支撐技術(shù)、運(yùn)輸端支撐技術(shù)、消費(fèi)端支撐技術(shù)及基礎(chǔ)平臺(tái)支撐技術(shù)，需要進(jìn)一步攻關(guān)解決煤炭智能柔性開發(fā)供給支撐技術(shù)存在的一些“瓶頸”技術(shù)和管理難題，才能保障煤炭智能柔性開發(fā)供給體系高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行。