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“双碳”目标下我国能源与矿业发展面临诸多挑战，如传统产业转型升级困难、可再生能源大规模应用面临着诸多难题、低碳技术仍处于研发试验阶段等。针对挑战中的技术难题，充分利用新一代信息技术与能源及矿产资源开发技术融合，推进现代能源与矿业治理体系建设，是落实能源安全新战略，推动能源革命，支撑国家治理体系和治理能力现代化的关键。
日前，王国法院士团队联合矿大（北京）、天津大学、煤炭工业规划设计院的科研人员在研究5G、大数据、区块链、人工智能等新一代信息技术的特点及其在能源与矿业领域的应用前景基础上，提出了基于新一代信息技术助力我国能源与矿业治理体系变革的技术路径，从能源生产、能源运输、能源消费、能源市场与政府监管五大环节论述了新一代信息技术与能源矿业开发利用技术融合发展的技术方向及应用场景，阐述了新一代信息技术支撑能源与矿业治理体系重构，构建能源矿业体系治理新模式的战略思路。相关研究成果于2月17日以《基于新一代信息技术的能源与矿业治理体系发展战略研究》为题发表于《中国工程科学》。
一、新一代信息技术在能源与矿业领域的应用
能源矿业是一个庞大而复杂的运行体系，其包含能源生产、能源运输、能源消费、能源市场与政府监管五大环节，其各部分之间的关系。
（一）新一代信息技术助力能源与矿业生产
1.新一代信息技术助力能源与矿产资源勘查
采用人工智能技术（探测机器人等）可以实现探测过程的智能化控制，大幅降低工人的劳动强度；基于智能感知技术（多种类型的传感器）可以实现钻探、物探等探测信息的自动感知，并利用机器学习、深度学习等算法智能识别岩层岩性、构造等信息；利用5G通信网络可以实现地质探测信息的实时上传，并利用大数据技术对探测信息进行地质推演，构建高精度地质模型，为能源与矿产资源开发提供地质信息保障。
2.新一代信息技术支撑矿山智能绿色开采
5G通信技术以其特有的大带宽、低延时和广连接优势，将为矿山各系统提供统一优质的通信网络，从而有效提高开采过程设备互联和人机交互能力，助力矿产资源开采实现高效智能化。此外，基于5G的精确实时定位技术、设备到设备（D2D）物联通信技术，可实现精准定向开采，从而提高矿产资源开采品质。
3.物联网、大数据与人工智能技术助力提升井下安全生产
运用物联网和大数据将有效实现实时、多维度安全监控，并通过人工智能算法的融合应用，可从海量监测数据中敏锐发现隐藏的安全隐患，从而进行超前预警，消除安全隐患。运用数字孪生和虚拟现实技术，构建地上、地下智能化矿山，全面应用智能化技术、矿山机器人等替代人工作业，实现人–机–环–管信息实时联动高效协同自动化运行。
4.区块链、大数据技术助力矿产资源深加工环保监管巡查
矿产资源深加工技术是提高矿产资源低碳、高效利用的重要手段，但传统煤炭深加工过程对环境的友好度差。区块链、大数据技术将助力矿产资源深加工环保监管巡查，在减轻监管巡查人力、物力成本的前提下，通过区块链的去中心化、信息共享和数据不可篡改性等特征保证监管全过程的公开、公平、公正。另外，将人工智能技术运用在矿产资源深加工过程中，将有效提升如捡矸、排矸等大型机械系统的智能化水平。
5.人工智能技术实现清洁能源发电预测，助力高比例清洁能源新型电力系统建设
风、光发电受气候条件和环境因素的影响较大，具有强随机性、间歇性和波动性。我国的风电、光伏储量分布与能源消费区域存在明显的区域性不协调，随着可再生能源开发力度的加大，将可能导致严重弃风、弃光现象发生，其根本原因则是源–荷不匹配造成的。通过运用人工智能技术可以实现复杂因素影响下的清洁能源长短期发电预测，从而引导电力系统达到源–荷互济，实现高比例清洁能源并网的新型电力系统.
（二）新一代信息技术助力能源与矿业运输
我国特有的能源生产基地与主要消费市场逆向分布的特点决定了我国北煤南运、西气东输、西电东送的能源运输格局将长期存在，这就必然需要良好高效的能源矿业运输体系支撑。能源矿业综合运输通道体系主要包括铁路、公路、海运、输油气管道及高电压等级的长距离输电网络等，其运输效率对国民经济的发展具有决定性作用。
1.“供应链–区块链”双链融合技术提升能源与矿业运输效率
我国北部和西部广大地区是能源富集地区，而消费区域则集中在经济发达的东部和南部沿海地区，这种供给和需求在空间上存在较大偏差，同时在能源需求时间上也呈现明显的季节性。将区块链赋能供应链，打造能源与矿业领域的“供应链–区块链”双链融合技术体系，将有效解决当前我国突出的供–消时空错位难题：①探索能源与矿业上下游不同参与方信息获取与传输、链式数据块结构和点对点网络构建问题，以及供应链信息的分布式架构和存储等技术，在能源与矿业企业形成新的信息共享和协作机制；②通过规范开发环境和接口标准，构建双链融合的系统自治、分工、共享和协作机制，健全双链融合的技术标准和法律保障；③探索能源与矿业领域双链协同模式、资源与能力保障机制以及绩效提升机制，构建基于“供应链–区块链”双链融合技术的物流、信息流、资金流体系。
2.5G与大数据共享技术解决能源矿业运输、仓储与装卸高成本难题
煤炭、石油、天然气等能源原料具有运输危险性大、仓储成本高、物流装卸过程中损耗浪费严重等诸多难题。其形成原因则主要是当前物流企业对供需双方信息获取不够及时完整，运输仓储管理不科学，装卸机械化、智能化水平低等。通过5G与大数据共享、并融合区块链技术，建立能源与矿业运输管理信息平台，保证物流运输各方信息的准确性、及时性和可追溯性，实现具有强制信任和运输全环节透明化的协作优化传输，提高系统效率和安全品质。
3.人工智能技术助力输配电系统的可靠安全运行
输电系统的稳定运行关系发电与用电双侧的系统安全和电力可靠性，并且随着电压等级的不断升高，其重要程度越发凸显。人工智能技术将在故障分析与处理方面发挥巨大作用，如捕获来自输配电过程中多源数据的时间特性，进行输电系统中线路跳闸故障的预判，利用人工智能图像识别技术优势，结合电力系统“五遥”（遥测、遥信、遥控、遥调和遥视），实现对输电走廊线路、变压器/换流器、绝缘子等多状态量监控和故障诊断等。
（三）新一代信息技术助力能源与矿业消费
1.新一代信息技术实现能源消费模式剖析
通过新一代信息技术可以获取、存储分析大量的能源消耗数据，并且可以利用先进的人工智能算法更准确地分析能源消费数据，探索能源消费模式，获取每一类能源消费模式背后隐含的能源消费行为，对能源消费模式发展进行宏观预测和消费引导。如基于大数据平台的“能耗管理系统”可以实现工厂能源消费趋势预测。同时，新一代信息技术在能源、矿产资源消费场景中的负荷检测和分解技术等也在逐步推广，对能源互联网的发展、用户互动化服务、需求响应支撑、用户节能等方面意义重大，是制定智慧用能、节能策略的基础。
2.人工智能助推能源消费模式升级
利用新一代信息技术可以实现用户画像与用户能源消费行为特征分析。基于5G通信的智能量测终端、非侵入式负荷分解技术使能源用户的数据得以实时高密度采集，利用AI技术分析这些能源大数据的自相关性和互关联性，解析用户用能习惯和行为特性。基于这些信息建立的用能特征可进一步进行能源消耗量预测，为需求侧响应决策提供消费侧用能依据。
3.多技术融合促进能源消费平台智能化发展
基于大数据、5G、人工智能等新一代信息技术，打造多式联动能源消费综合服务平台，实现在不同地区、不同企业主体之间构建合作网络，将推动矿山企业、港口及物流园区等企业的能源消费信息共享、资源互通。
（1）智能化能源消费平台将具备能源监控、分析、管理、交易、运营等功能，通过监测能源交易状态，实现消费全景动态展现。
（2）通过构建客户画像，提供差异化服务策略；通过能源消费结算，满足多类型能源消费需求，为能源传输、销售等服务提供运营平台与数据支撑。
（3）通过平台对用户的用热、用电、用水、用气等能源消费数据开展实时监测，利用大数据分析技术开展区域能耗分析，对区域总体、各行业、各类型用户的能源消费开展监测对比，帮助政府掌握区域能源供需动态，支撑政府部门开展区域节能降耗、优化能源消费结构等。
（四）新一代信息技术助力能源与矿业市场交易
1.基于区块链技术的能源与矿业交易新机制
随着分布式能源的广泛接入，分布式能源交易呈现出参与者海量、单笔小额、位置分散等特点，增加了交易中心的处理难度、风险性和运行成本。同时，分布式能源交易还涉及多部门、多层级的补贴政策落实、消纳责任考核等问题。针对上述问题，可以利用区块链技术去中心化、透明可追溯、易实现智能合约等特点构建新型能源与矿业交易新机制，实现交易的发起、报送、订单合约生成、结算等各环节的自动化，以降低数量巨大的新能源交易流程复杂度和管理成本。同时，区块链平台还提供了透明可追溯的访问机制，利用特有的数字加密技术提供持久、双向平等和安全的访问机制。此外，还可将传统的交易审查审阅、公开账本维护工作交给由相关政府部门认证通过的第三方机构，利用区块链技术的可追溯性，实现对每笔交易的辅助监管，快速准确识别恶意节点或存在的隐秘违规行为，维护能源与矿业交易市场的健康秩序。
2.基于新一代信息技术的跨行业能源交易平台
全球能源组成结构由单一化石能源为主向化石能源与清洁能源多能融合驱动方向发展。不同能源在生产侧、运输侧和消费侧等不同环节以及在物理和信息等不同层面均存在互相渗透和相互融合特征。可利用5G通信技术实现针对能源交易过程中产生的海量账本、图像、视频、文本数据的敏捷可靠传输，实现各能源供应主体和终端用户之间高效安全的数据交互。同时，利用先进的数据中台技术，收集并处理平台内市场参与者详细的生产、运输、仓储和消费数据，将海量碎片化信息转化为高质量数据资产，并使用人工智能+大数据分析算法挖掘数据内在规律，对市场趋势、价格走势等问题进行预测，为上层业务提供底层数据基础。
3.基于大数据和人工智能技术的市场风险量化评估
能源与矿业市场风险评估是指对其潜在问题可能导致的风险及其后果实现量化评估，确定其严重程度，并做出正确的防范策略，执行防御措施。鉴于现代能源矿业市场所面临的风险复杂多样性，以及期货市场的不可预测性，通过建立不同市场主体风险预警体系，采用大数据和人工智能技术根据不同风险交易过程产生的数据量化各损失指标；随后发挥大数据的预判功能和人工智能的风险辨识能力，实现对重点、高危主体的交易数字化管控，主动发现、纠正扰乱市场秩序的违法行为，实现对市场的主动监管、动态监管和全程监管。
（五）新一代信息技术助力政府监管
1.新一代信息技术促进安全监管工作的深入开展
在能源矿业生产运输过程中，设备系统分散，人员、车辆流动性强。5G技术具备全新的网络架构、至少十倍于4G的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力，是提升能源矿业安全监管响应能力的重要手段。人工智能技术则能够提升系统和执行机械的智能化水平，进而代替人类完成能源与矿业全过程中复杂危险的监管作业，精准区分各种潜在危险，有效提升安全生产、运输的感知能力。大数据与云计算技术在多样化信息资产的应用，使得监管系统能够快速整合各级能源监管部门之间的安全监管数据，消除信息孤岛，实现信息共享，便于监管机构从全局角度进行管理。
2.大数据和区块链技术助力能源交易市场监管能力提升
构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的能源与矿业市场体系是能源体制改革的基本目标，而加强能源矿业市场监管是推进这一体系建设的重要保障。因此，亟需建立能源与矿业市场政府监管统一平台，对交易主体、能源价格等进行全面有效的监管和约束。平台可通过大数据挖掘技术提取能源市场监管有价值的信息，监测能源商品及其衍生品对金融市场产生的影响，便于政府采取相应措施避免能源市场被操纵或滥用，防范金融风险和能源价格失控，增强能源市场监管的靶向性和稳定性。同时，可利用区块链技术提升监管数据的安全性，防止伪造监管数据等情况发生，保证政府对交易源头的监督、审查和依法惩处。
3.物联网技术支撑环境保护监管的有效运行
融合物联网技术、遥感成像技术和基于人工智能的图像分析技术，构建智能化环境监管立体感知体系，实时感知能源生产过程中的环境变化，实现能源生产过程全周期、全覆盖的实时监测，对突发恶性事件进行快速甄别、快速响应，将能源矿业生产过程中的环保污染遏制于源头。
二、新一代信息技术支撑能源与矿业治理体系重构
随着国家经济的飞速发展和能源产业升级，综合考虑国际政治经济形势变化，传统的能源矿业体系与治理模式已经落后于产业实际发展，不能满足需求。新一代信息技术将极大地提升对能源矿业体系中各个环节的监测、分析、研判、监管和治理能力。
通过分析能源矿业领域全产业链环节的特性，实现新一代信息技术助力下的能源与矿业治理体系重构。
（1）实现能源矿业消费治理，形成绿色能源消费治理体系，提升能源利用效率和节能减排水平。
（2）实现能源矿业制度治理，对内根据发展现状加强相关方面的约束和治理，为自身的发展提供更为坚实的基础，对外为国际资本的合理涌入提供更为优越的环境。
（3）实现能源矿业技术治理，推动环境问题治理，推进全球环境污染治理进程。推进能源与矿业治理体系的组成系统化、治理高效化。
（4）实现能源矿业供给治理，切实保障国家能源供应安全，缓解能源博弈对经济社会发展的危害。
（5）实现能源矿业对外治理，缓解国内能源供需矛盾，促进能源经济的健康发展，加强国际话语权以促进国家能源新格局、新秩序的建立。
通过以上五大治理能力的提高，全方位构建能源矿业体系治理新模式，全面助力国家能源产业革命。
三、措施建议
(一)建立国家能源与矿业安全生产、交易智能化平台
建立国家级能源与矿业安全生产智能化平台，将能源生产的主要危险源、高危作业岗位、安全生产监测系统等信息纳入平台，实现能源生产全流程智能化运行。基于“5G+ABCD”技术支撑，即5G与人工智能（AI）、区块链、云计算、大数据等信息技术的紧密结合，建设矿企–集团–省级–国家四级煤炭生产和交易共享智能化平台，构建现代能源矿业治理技术体系。实现对各类能源与矿产资源存量信息、消耗量信息、交易信息等全面及时可靠采集与监管；通过易货交易、数字货币等方式实现能源交易“去美元化”，保障我国能源与矿山资源的交易安全。
(二)开展关键基础理论、短板技术和装备专项攻关
设立国家自然科学基金基础研究重大专项、科学仪器重大专项、重点研发计划等，深入开展海量多源异构数据融合分析、多场景的海量大链接低延时高可靠通信标准构建、人工智能弱稳定性突破和泛化能力提升、基于区域链的能源矿业交易智能合约技术构建等基础理论研究。建议将智能装备纳入国家智能制造发展规划，加大对于高端智能化装备、机器人等的研发和应用，并给予财税政策支持。
(三)支持能源与矿业领域新基建及关键性矿产资源储备
将新型基础设施建设、关键性矿产资源储备纳入国家战略发展规划，加大对能源与矿业领域5G网络部署优化技术、矿山数据特征筛选及融合技术、区块链等基础设施建设，加大关键矿产资源安全与管理研究，切实保障关键矿产资源安全。
(四)加强政策支持和资金保障
按照“政府主导、政策推动、企业实施”的原则，从国家层面设立能源与矿业治理信息平台专项资金，推动全国统一、部门联合、行业协同的国家级能源、矿业安全生产与交易智能化平台的顶层设计与基础建设，支持国有能源与矿业企业信息平台智能化改造。从省级层面出台能源与矿业新基建招商和产业扶持政策，积极争取金融机构贷款，加大金融机构融资力度，引导社会资本加大投入，挖掘企业自筹资金潜力，提升企业资金保障程度。
这项研究得到了中国工程院咨询项目、中国煤炭科工集团科技创新创业专项资金项目的资金支持。
引用格式：王国法,张铁岗,王成山,庞义辉,杨挺,孙春生,胡亚辉,张鹏.基于新一代信息技术的能源与矿业治理体系发展战略研究[J/OL].中国工程科学:1-14[2022-02-18].
能源矿产行业各个环节关系图
基于区块链的能源与矿业供应链管理新思路
基于新一代信息技术的智能绿色矿山
