重大创新成果晋能控股集团智能矿山创新实验室人工智能计算中心助推智能矿山产业聚集及科技成果转化

　　文章来源：《智能矿山》2022年第9期＂煤矿智能化重大创新成果＂专题
　　第一作者：刘宏杰，正高级工程师，硕士
　　引用格式：刘宏杰，司凯文，张喜麟.智能矿山创新实验室人工智能计算中心助推智能矿山产业聚集及科技成果转化[J].智能矿山，2022，3（9）41-45.
　　近年来，国家大力支持和发展煤矿智能化建设，加快发展高端煤炭装备制造业，推动我国煤炭综采成套装备的研发制造及综采工作面的自动化、信息化和智能化发展。在此背景下，山西省作为全国煤炭生产大省，在煤矿智能化建设进程中先行先试，深入贯彻落实新发展理念和＂新基建＂战略部署。2021年2月，由山西省人民政府主导，晋能控股集团有限公司（以下简称晋能控股集团）与华为技术有限公司联合创建了山西人工智能矿山创新实验室，并于2021年4月启动了人工智能计算中心项目的建设。通过建设计算中心，汇聚矿山行业的知识和数据，构建行业知识图谱，开展创新方案研发和应用试点示范，推动晋能控股集团煤矿智能化建设进程，打造山西省能源革命排头兵，为全国煤炭行业智能化建设提供＂山西方案＂与＂山西模式＂。 01 人工智能计算中心建设内容
　　晋能控股集团智能矿山创新实验室人工智能计算中心（图1、图2）项目于2021年6月正式施工，2021年8月底基本建成。总用地面积约7 972 m2，采用华为预制模块化钢结构叠箱体系建设方式，将模块化数据中心技术与预制建筑技术相结合，最大程度地减少现场工作，打造极简、绿色、智能、安全的数据中心。人工智能计算中心的主体建筑为12个箱体拼接完成，从2021年6月初动工开挖地基，到2021年8月11日完成首箱的吊装，再到2021年8月21日完成尾箱的吊装，90天内完成了所有计算设备的进场工作，图3为预制模块化钢结构箱体安装现场。
　　图1 智能矿山创新实验室人工智能计算中心效果
　　图2 智能矿山创新实验室人工智能计算中心实景
　　图3 预制模块化钢结构箱体安装
　　智能矿山创新实验室人工智能计算中心采用以昇腾910处理器（图4）和以鲲鹏计算平台为核心的国产自主可控技术路线来搭建基础设施，旨在培育自主创新的矿山人工智能产业新生态。人工智能计算中心主要包含可提供20PFlops(FP16)算力的人工智能子系统和计算中心基础设施。
　　图4 昇腾910处理器
　　人工智能子系统
　　人工智能子系统主要内容包括人工智能计算子系统、人工智能算力使能子系统、人工智能算力服务平台、人工智能集群软件、人工智能集群网络。人工智能计算子系统针对人工智能场景推出了异构计算架构，通过提供多层次的编程接口，支持用户快速构建基于人工智能平台的人工智能业务和应用；提供了面向全场景的人工智能计算框架，帮助人工智能开发者更简单、更高效地开发和使用人工智能技术，更好地发挥人工智能处理器性能。同时，人工智能计算子系统集成了完备的工具链体系，将算子开发、模型训练、模型推理、应用开发、应用部署的全流程工具链进行整合。可帮助开发者更简单地实现工程管理、编译、调试、运行、性能分析等活动，支撑全流程开发新体验。面向行业的开发者，人工智能计算子系统还提供了行业开发套件，将行业所需的算法、训练过程、数据采集、数据预处理、反复调参等技术功能提前部署在SDK套件中，开发者仅需关注行业的特殊业务流程，无需再编写繁杂的训练脚本和模型算子。人工智能计算中心核心机房如图5所示。
　　图5 人工智能计算中心核心机房内部实景
　　人工智能子系统主要技术特点有以下5项：
　　（1）高计算密度。采用适合张量计算的创新人工智能芯片架构，提供高人工智能算力和极致能效比。
　　（2）高速互联技术。集成多级芯片高速互联，提升整个集群的通信效率与业务效率，使集群部署灵活、可扩展。
　　（3）高度集成化设计。简化交付部署流程，节省机房空间。
　　（4）模块化和冗余设计。主要部件采用模块化集成设计，系统具有易维护、易扩容、多冗余等特性，能满足最苛刻的可靠性要求。
　　（5）高效率液冷散热系统。采用板级液冷技术，打造绿色节能的高性能集群系统。
　　人工智能计算中心基础设施
　　人工智能计算中心基础设施采用华为预制模块化数据中心基础设施解决方案，打破了数据中心L0、L1层边界，将模块化数据中心技术与预制建筑技术相结合，采用全模块化设计，将高效节能子系统集成在一定尺寸的箱体模块内，箱体模块工厂预制预调试；模块箱体运到现场后，采用乐高积木搭建理念，将模块箱体堆叠拼接从而建成数据中心，规避了传统机房复杂的建设工艺工序，最大化减少现场工作，支持快速建设极简、绿色、智能、安全的预制模块化数据中心。与传统土建建设方式相比，建筑垃圾、施工用水均减少了80%，碳排放量减少了90%。
　　02 人工智能计算中心建设作用
　　智能矿山创新实验室人工智能计算中心是以人工智能芯片构建的人工智能计算机集群为基础，涵盖基础施工、硬件基础设施和软件基础设施的完整系统，用于解决煤矿及相关的人工智能领域课题。人工智能计算中心主要应用于人工智能深度学习模型开发、模型训练和模型推理等场景，提供从底层芯片算力释放到顶层应用使能的人工智能全栈能力。目前人工智能计算中心已完成建设，并于2021年10月19日在山西省晋城市举办了发布仪式（图6）。
　　图6 智能矿山创新实验室人工智能计算中心发布会现场
　　智能矿山创新实验室人工智能计算中心的建成创造了多项第一：全国第一个智能矿山主题的计算中心，全面保障智能矿山建设高质量推进；山西省第一个装配式预制模块化计算中心，响应了山西省发布的装配式建筑相关要求，大幅地缩短了建设周期；全国第一个建筑级弹性扩容数据中心，实现了横向扩容，按需部署；山西省内最优的供电效率计算中心，变压器至负载效率高达95.5%，且链路极简。
　　03 人工智能计算中心课题研究案
　　目前，智能矿山创新实验室紧紧围绕人工智能计算中心，以煤矿智能化发展为导向，采用＂煤炭专家+ICT技术专家＂的模式，由晋能控股集团和华为技术有限公司共同组建专家队伍，正在向煤矿＂一朵云＂、智能作业管理系统、5G+漏缆无线覆盖增强、掘进作业序列智能视频分析、智能选煤参数优化等方面开展课题研究。
　　掘进作业序列智能视频分析课题研究
　　以掘进作业序列智能视频分析课题研究为例，主要研究采用科学高效的信息技术手段，加强对煤矿掘进作业序列的实时监管，以提升煤矿安全生产管理水平。自2021年4月开始，智能矿山创新实验室组建了项目团队，在晋能控股煤业集团云冈煤矿开展试点研究。通过在掘进工作面安装智能摄像头，将现场作业视频通过井下网络传输到井上掘进智能视频管控系统。利用目标检测、目标跟踪和动作检测等算法，对掘进作业（如危险区域、支护过程等）进行智能监控，检查掘进作业工序中作业人员是否按照规程和标准进行操作，当系统分析发现作业隐患和风险时，将自动通过音频警告提示现场作业人员，直至达到标准作业要求后完成闭环，保证掘进作业质量和作业人员安全。
　　通过掘进作业序列智能视频分析系统的创新试点，未来将实现安监效率优化并规范提升现场作业质量，减少＂人的不安全行为＂对作业安全带来的影响，同时可以延伸扩展到其他作业序列当中，逐步完善、丰富相关场景，助力煤矿作业更加安全高效。
　　煤炭智能分选参数优化课题研究
　　以煤炭智能分选参数优化课题研究为例，主要针对目前选煤厂在用的原煤分选工艺，存在着分选参数设定依赖人工经验、系统各类数据采集不够全面等问题，选定晋能控股煤业集团塔山煤矿选煤厂作为试点进行课题研究。在云平台上将历史分选的经验数据入湖，将浅槽分选、旋流分选、干扰床TBS分选等主要分选场景的多种输入参数及分选结果的灰分、硫分等数据统一导入数据平台，通过触发模型训练更新生成4类分选的预测算法，生成优化后的分选参数。通过PLC接口将优化后的参数自动下发到分选设备，自动调整分选参数，实现从＂人控＂到＂数控＂＂智控＂的转变。通过初步测算，若精煤产率提升0.8%，则每年的收益将增加3 200万元，经济效益显著。
　　未来，这些创新成果将给晋能控股集团及下属单位的矿山智能化建设提供更加先进的技术支撑，同时也为整个煤炭行业的数字化和智能化的推进提供借鉴和参考
　　04 结 语
　　晋能控股集团人工智能计算中心建设的定位是成为矿山行业智能化产业的重要承载。作为全国煤炭行业首个科研创新的人工智能计算中心，对于我国煤炭行业发展具有重要的战略意义，有助于培育山西省煤矿人工智能产业集群，对提高区域知名度、增强区域影响力有着重要作用，未来将成为山西省智能矿山领域的地标与名片。同时，融合＂晋材晋用＂战略，通过＂内扶外引＂的方式，下一步将培育一批煤矿智能化企业，以实验室为载体，实现煤矿智能化产业聚集，繁荣壮大煤矿智能化产业。面向未来，智能矿山创新实验室将积极推动相关研究成果转化落地，助力我国煤矿智能化建设，实现＂安全、高效、绿色、智能＂生产，为山西省和全国煤炭工业高质量发展提供＂晋控智慧＂。