智慧煤礦與智能化開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)分析
煤炭是世界上最經(jīng)濟(jì)的化石能源，也是可以清潔高效利用的能源。中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、印度、印度尼西亞、俄羅斯是世界前六位的產(chǎn)煤大國(guó)。煤炭一直是中國(guó) 的 主 體 能 源，占一次能源產(chǎn)量和消費(fèi)量的 70%和 60%以上。世界能源格局及現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)需求決定了在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將在世界能源結(jié)構(gòu)中占有較大比例，仍將是中國(guó)的主體能源，難以被替代，利用科技的進(jìn)步消除煤炭生產(chǎn)、利用的環(huán)境負(fù)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)安全高效綠色開(kāi)采和清潔高效利用是煤炭的發(fā)展方向[1-5]，其傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式亟待變革。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)+[6]、人工智能和大數(shù)據(jù)[7]等顛覆性技術(shù)的發(fā)展，拉開(kāi)了第四次工業(yè)革命的序幕，加速了傳統(tǒng)行業(yè)變革的進(jìn)程。德國(guó)提出了工業(yè) 4. 0，美國(guó)提出了“智慧地球( Smarter Planet) ”，中國(guó)提出了“中國(guó)制造 2025”戰(zhàn)略，發(fā)展智能制造、智能裝備、智能生產(chǎn)是其主要內(nèi)涵。建設(shè)智慧煤礦發(fā)展智能化開(kāi)采符合國(guó)家戰(zhàn)略，是煤炭工業(yè)發(fā)展的必然選擇。
1 智慧煤礦基礎(chǔ)與平臺(tái)建設(shè)
1. 1 智慧煤礦基礎(chǔ)智慧煤礦[8]是基于現(xiàn)代智慧理念，將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動(dòng)控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，機(jī)器人、智能化裝備等與現(xiàn)代煤礦開(kāi)發(fā)技術(shù)深度融合，形成礦井( 區(qū)) 全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井( 區(qū)) 開(kāi)拓、采掘、運(yùn)通、洗選、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管理等全過(guò)程智能化運(yùn)行的體系。智慧煤礦的總體目標(biāo)是形成煤礦完整智慧系統(tǒng)，全面智能運(yùn)行，科學(xué)綠色開(kāi)發(fā)的全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行新模式。數(shù)字化和信息化是智慧煤礦的基本要求，首先要解決 3 個(gè)基礎(chǔ)理論問(wèn)題: ① 數(shù)字煤礦多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)及信息動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系; ② 復(fù)雜圍巖環(huán)境-開(kāi)采系統(tǒng)作用機(jī)理及設(shè)備群全程路徑和姿態(tài)智能控制的理論基礎(chǔ); ③ 礦井設(shè)備群的系統(tǒng)健康狀況預(yù)測(cè)、維護(hù)決策機(jī)制。目前，針對(duì)這些基礎(chǔ)問(wèn)題正在開(kāi)展研究( 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目) ，以形成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理理論方法、復(fù)雜系統(tǒng)智能控制基礎(chǔ)理論及系統(tǒng)性維護(hù)構(gòu)成的數(shù)字煤礦及智能化開(kāi)采基礎(chǔ)理論體系，為數(shù)字煤礦智能決策、精準(zhǔn)控制、可靠性保障提供理論支撐。
1. 2 智慧煤礦智能平臺(tái)建設(shè)智慧煤礦要建設(shè)八大智能生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)[8]，首先要建設(shè)承載生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)的智能平臺(tái)。
1. 2. 1 MOS 智慧煤礦多系統(tǒng)綜合管理操作平臺(tái) MOS 智慧煤礦多系統(tǒng)綜合管理操作平臺(tái)是面向智慧礦山建設(shè)的一體化礦山信息感知、展示及應(yīng)用平臺(tái)，它對(duì)下應(yīng)能夠適配各煤礦子系統(tǒng)、傳感器、智能設(shè)備的數(shù)據(jù)，對(duì)上能夠支撐應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯的功能性軟件、多需求通訊、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等。通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置“礦區(qū)一張圖”、“智慧安監(jiān)”、“智能生產(chǎn)”及“設(shè)備及人員管理”等基本礦山業(yè)務(wù)的應(yīng)用功能模塊，構(gòu)建智慧礦山基礎(chǔ)骨架，全面覆蓋礦山生產(chǎn)、安全、設(shè)備及人員管理等業(yè)務(wù)，構(gòu)建實(shí)時(shí)、透明、清晰的礦山日常工作全息景象平臺(tái)，解決智慧化礦山建設(shè)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集困難、煙囪型子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)割裂、數(shù)據(jù)資源混亂、子系統(tǒng)無(wú)法聯(lián)動(dòng)、無(wú)法進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析支持決策等一系列關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、安全監(jiān)控?cái)?shù)字化、企業(yè)管理信息化、信息管理集約化，最終實(shí)現(xiàn)礦井管理決策科學(xué)化、現(xiàn)代化和智能化。為此，MOS 智慧煤礦多系統(tǒng)綜合管理操作平臺(tái)應(yīng)具有以下基本特征: ( 1) 全面的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。所有接入操作系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)均使用統(tǒng)一的格式進(jìn)行交換與存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通無(wú)障礙。 ( 2) 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的存儲(chǔ)方案，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢(xún)性能充分保障，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，解決數(shù)據(jù)資源混亂問(wèn)題。 ( 3) 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)與穩(wěn)定。數(shù)據(jù)傳輸首先要具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性，解決數(shù)據(jù)傳輸延遲問(wèn)題，滿足遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)決策控制的要求; 其次要具有強(qiáng)穩(wěn)定性，解決常見(jiàn)的數(shù)據(jù)通訊不穩(wěn)定問(wèn)題，滿足智能系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)可靠運(yùn)行的需求。
1. 2. 2 井下精確定位、導(dǎo)航、5G 通信管理操作平臺(tái)井下精確定位、導(dǎo)航是智慧煤礦精準(zhǔn)控制的基礎(chǔ)，5G 通訊及其衍生技術(shù)是實(shí)時(shí)決策控制的通訊保障。構(gòu)建井下精確定位、導(dǎo)航、5G 通信管理操作平臺(tái)，依托井下環(huán)境的三維模型，研究井下實(shí)時(shí)建圖和三維模型自動(dòng)更新技術(shù)、設(shè)備和人員精確定位和推進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)、信息實(shí)時(shí)更新技術(shù)，解決井下狹長(zhǎng)、多轉(zhuǎn)角、復(fù)雜干擾條件下的精確定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、移動(dòng)部署與自矯正等關(guān)鍵核心問(wèn)題，為井下設(shè)備、人員定位導(dǎo)航應(yīng)用場(chǎng)景提供核心芯片及成套技術(shù)解決方案。井下精確定位、導(dǎo)航、5G 通信管理操作平臺(tái)應(yīng)滿足以下基本要求: ( 1) 全覆蓋與低復(fù)雜度。井下狹長(zhǎng)、多轉(zhuǎn)角和復(fù)雜的電磁環(huán)境及設(shè)備遮擋等帶來(lái)了無(wú)線覆蓋的難題，研究固定與移動(dòng)基站的靈活配比和布置方式，移動(dòng)基站的自定位與自矯正方法，提高無(wú)線覆蓋率的同時(shí)，充分利用開(kāi)拓空間的相對(duì)“透明”性( 已開(kāi)拓空間的大致方向和位置是已知的) ，合理控制定位導(dǎo)航布置的復(fù)雜度，為定位導(dǎo)航模組的自主布置和組網(wǎng)提供支撐。 ( 2) 低成本、抗干擾和高精度。煤炭開(kāi)采空間是動(dòng)態(tài)推進(jìn)并不斷垮落掩埋的變化空間，定位空間動(dòng)態(tài)變化是區(qū)別于地面定位的首要特征，因此定位、導(dǎo)航和通訊系統(tǒng)要么動(dòng)態(tài)布置，要么隨開(kāi)采過(guò)程掩埋，但無(wú)論何種方式都要求低成本。井下狹長(zhǎng)、轉(zhuǎn)角多、電磁環(huán)境復(fù)雜、振動(dòng)大，因此抗干擾是系統(tǒng)需要解決的另一難題。井下巷道或工作面的截面空間尺寸最多為米級(jí)，加上電磁等多種因素的干擾，米級(jí)的定位導(dǎo)航精度顯然難以滿足井下的需求。目前基于超寬帶技術(shù)、捷聯(lián)式慣導(dǎo)技術(shù)等的定位導(dǎo)航方法經(jīng)研究相對(duì)適用于井下，但仍需從煤礦井下環(huán)境的現(xiàn)實(shí)出發(fā)，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和算法優(yōu)化等方面進(jìn)行改進(jìn)，以確保相關(guān)系統(tǒng)的適應(yīng)性和使用精度。
1. 2. 3 地質(zhì)及礦井采掘運(yùn)通信息動(dòng)態(tài)管理操作系統(tǒng)平臺(tái)準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的信息是智能化開(kāi)采的決策依據(jù)，地質(zhì)及礦井采掘運(yùn)通信息動(dòng)態(tài)管理操作系統(tǒng)主要解決的是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)推送及統(tǒng)一顯示問(wèn)題。通過(guò)研究礦山的各行為事件的關(guān)聯(lián)關(guān)系提出基于事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)智能匹配與推送策略; 通過(guò)研究智能化開(kāi)采模式提出開(kāi)采行為預(yù)測(cè)推理及自我更新方法; 通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的挖掘分析構(gòu)建地質(zhì)及礦井采掘運(yùn)通信息的智能服務(wù)平臺(tái)。
1. 2. 4 視頻增強(qiáng)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維場(chǎng)景再現(xiàn)遠(yuǎn)程干預(yù)操作平臺(tái)井下環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備種類(lèi)多，單純依靠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)難以保障智能化開(kāi)采的安全可靠運(yùn)行，視頻+三維場(chǎng)景再現(xiàn)技術(shù)可更加直觀、全面的展現(xiàn)井下工作情況，不但成為了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的有益補(bǔ)充，更逐漸發(fā)展為井下開(kāi)采遠(yuǎn)程干預(yù)操作的主要手段。但受制于井下低照度、高粉塵、潮濕、復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，視頻增強(qiáng)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維場(chǎng)景再現(xiàn)遠(yuǎn)程干預(yù)操作平臺(tái)仍需突破以下關(guān)鍵技術(shù): ( 1) 煤礦井下視頻增強(qiáng)及高清視頻壓縮處理技術(shù)。針對(duì)綜采生產(chǎn)設(shè)備布置復(fù)雜且相互遮擋，開(kāi)采時(shí)存在大量粉塵和水霧，全天候人工光照分布不均，環(huán)境狀況復(fù)雜、多變等不利條件，研究攝像頭自除塵裝置、低照度下的視頻增強(qiáng)和去燥技術(shù)、井下監(jiān)控視頻壓縮算法等，為基于視頻的應(yīng)用場(chǎng)景提供支撐。 ( 2) 基于視頻圖像的目標(biāo)識(shí)別及跟蹤技術(shù)。分析煤炭開(kāi)采場(chǎng)景視覺(jué)特點(diǎn)以及有關(guān)設(shè)備、圍巖和環(huán)境狀況視頻圖像特征，研究基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)跟蹤和異常狀況檢測(cè)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)井下主要設(shè)備目標(biāo)、環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及異常狀況的預(yù)警、報(bào)警處理。
1. 2. 5 環(huán)境及危險(xiǎn)源感知與安全預(yù)警系統(tǒng)管理操作平臺(tái)安全始終處在煤炭生產(chǎn)的首位，智能化開(kāi)采要建立煤礦井下環(huán)境的全面感知和安全預(yù)警，現(xiàn)有的傳感系統(tǒng)一是沒(méi)有全面覆蓋現(xiàn)有的安全監(jiān)測(cè)需求，二是傳感器的易用性和可靠性等還有待提升，三是不符合長(zhǎng)遠(yuǎn)智能化開(kāi)采的物聯(lián)需求。因此需要研究和解決以下關(guān)鍵問(wèn)題: ( 1) 連接泛在。研究井下物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)低功耗部署模式，研制井下傳感器物聯(lián)芯片或模組，構(gòu)建無(wú)縫網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 ( 2) 感知泛在。利用新原理、新技術(shù)和新材料研制傳感終端，提供低成本、低功耗、高安全性、高穩(wěn)定性、高集成度的解決方案，如利用光纖光柵抗電磁干擾、抗腐蝕、電絕緣、高靈敏度和低成本的特點(diǎn)研制井下溫度、應(yīng)力應(yīng)變傳感器等。
2 煤炭智能化開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)
智能化開(kāi)采是智慧煤礦的核心。目前，在地質(zhì)條件好的礦區(qū)煤炭智能開(kāi)采取得很好效果[9-17]。但由于煤礦開(kāi)采條件的多樣性和復(fù)雜性，智能化開(kāi)采遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期理想的效果和目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)智能化無(wú)人開(kāi)采目標(biāo)仍需補(bǔ)齊以下八大核心技術(shù)短板: ① 地下開(kāi)采裝備精確定位和導(dǎo)航; ② 地下復(fù)雜極端環(huán)境信息感知及穩(wěn)定可靠傳輸; ③ 大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析; ④ 復(fù)雜煤層自動(dòng)割煤智能決策與控制; ⑤ 井下大規(guī)模設(shè)備群網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制; ⑥ 井下復(fù)雜作業(yè)機(jī)器人; ⑦ 礦山采掘裝備關(guān)鍵元部件進(jìn)口替代; ⑧ 工作面設(shè)備故障自動(dòng)化處理。
2. 1 地下開(kāi)采裝備精確定位和導(dǎo)航地下開(kāi)采定位導(dǎo)航模型如圖 1 所示，為保證煤礦開(kāi)采、掘進(jìn)裝備沿著規(guī)劃的路徑和方向推進(jìn)，必須準(zhǔn)確測(cè)量設(shè)備的空間位置和運(yùn)行軌跡。然而，煤礦井下為完全封閉空間和復(fù)雜電磁環(huán)境，沒(méi)有衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)輔助，實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航的難度很大。
2. 2 地下復(fù)雜極端環(huán)境信息感知及穩(wěn)定可靠傳輸環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)的感知是實(shí)現(xiàn)智能決策、控制的先決條件。然而，井下狹長(zhǎng)、潮濕、粉塵易爆、復(fù)雜電磁環(huán)境嚴(yán)重制約著探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。三維激光掃描圖如圖 2 所示，煤巖識(shí)別、井下低照度空間視頻監(jiān)控、深地物理場(chǎng)探測(cè)等都在探索適于井下應(yīng)用的技術(shù)方案。
2. 3 大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析礦山生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)信息[18]。數(shù)字煤礦智慧邏輯模型如圖 3 所示，目前由于缺乏從這些數(shù)據(jù)中尋找、分析、挖掘信息的方法，因而一直無(wú)法有效得出開(kāi)采過(guò)程的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)律，并將其應(yīng)用于智能開(kāi)采的控制過(guò)程。
2. 4 復(fù)雜煤層自動(dòng)割煤智能決策與控制為最大限度、高效率獲取煤炭資源，需提高采煤裝備的適應(yīng)性和智能化水平，然而井下煤層厚度、走向復(fù)雜多變，斷層、陷落柱等地質(zhì)結(jié)構(gòu)也時(shí)常出現(xiàn)，給自動(dòng)截割帶來(lái)極大困難。多方法融合煤巖識(shí)別如圖 4 所示。目前開(kāi)展了振動(dòng)識(shí)別、灰度理論、圖像識(shí)別等多種煤巖識(shí)別方法研究，但效果均不理想，諸多問(wèn)題仍待解決。
2. 5 井下大規(guī)模設(shè)備群網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制井下無(wú)線網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)等多網(wǎng)并存，多通訊協(xié)議共在，造成互聯(lián)互通障礙且網(wǎng)絡(luò)承載能力差，嚴(yán)重阻礙了智能開(kāi)采的發(fā)展。目前雖然提出了“一網(wǎng)到底”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但隨著數(shù)據(jù)量的急劇增加，現(xiàn)有技術(shù)已不能滿足大數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)控制的要求。仍待突破的核心技術(shù)包括: ① 基于 5G 標(biāo)準(zhǔn)的井下高速通訊網(wǎng)絡(luò); ② 基于互聯(lián)網(wǎng)+的數(shù)字化礦山技術(shù); ③ 井下強(qiáng)時(shí)通訊與遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù); ④ 井下緊急情況應(yīng)急通訊保障系統(tǒng)。
3 智慧煤礦與智能化開(kāi)采發(fā)展對(duì)策
煤層賦存條件的多樣性和安全制約因素的復(fù)雜性是智能化開(kāi)采面臨的最大難題，要針對(duì)智能化開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)短板和煤礦機(jī)器人，開(kāi)展重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)，突破復(fù)雜煤層有限無(wú)人化開(kāi)采難題。數(shù)據(jù)的獲取利用、智能決策和技術(shù)裝備研發(fā)是 3 個(gè)主要方向:
( 1) 數(shù)據(jù)的獲取和利用。兩個(gè)重點(diǎn): 一是研發(fā)工作面煤層地質(zhì)條件高精度探測(cè)技術(shù)和裝備，構(gòu)造工作面煤層地質(zhì)數(shù)字模型; 二是研發(fā)低成本、高可靠性的井下設(shè)備精確定位和導(dǎo)航系統(tǒng)。( 2) 智能決策。研究高效的機(jī)器學(xué)習(xí)算法使綜采系統(tǒng)裝備擁有自主學(xué)習(xí)能力，提高智能化水平與開(kāi)采效率。 ( 3) 技術(shù)裝備研發(fā)。攻克井下特殊條件下的裝備關(guān)鍵元部件、設(shè)備群網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制技術(shù)，研制井下復(fù)雜作業(yè)機(jī)器人和遠(yuǎn)程智能診斷及服務(wù)中心。
在攻克智能化開(kāi)采技術(shù)難題的基礎(chǔ)上，合理的政策措施、科學(xué)的生產(chǎn)管理亦是全面推進(jìn)智能化開(kāi)采的重要因素: ( 1) 加快完善煤炭資源管理與產(chǎn)能布局，將煤炭的安全高效綠色開(kāi)采作為我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)的基本產(chǎn)業(yè)政策，淘汰落后開(kāi)采方法與產(chǎn)能裝備。 ( 2) 改革傳統(tǒng)煤礦的運(yùn)行和生產(chǎn)組織模式，推行智慧煤礦和智能化開(kāi)采系統(tǒng)一體化解決方案、系統(tǒng)維護(hù)云端服務(wù)、智能采掘?qū)I(yè)化隊(duì)伍、市場(chǎng)化服務(wù)，解決煤礦人才、管理運(yùn)行水平不平衡問(wèn)題。 ( 3) 加快建立智慧煤礦和智能開(kāi)采的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和運(yùn)行管理規(guī)范、安全規(guī)程體系，解決現(xiàn)有安全規(guī)程制約智能無(wú)人化開(kāi)采的問(wèn)題。鼓勵(lì)智能無(wú)人化開(kāi)采技術(shù)及裝備的創(chuàng)新。
4 結(jié) 語(yǔ)
智慧煤礦建設(shè)是煤炭工業(yè)技術(shù)革命、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的戰(zhàn)略方向和目標(biāo)，智能化開(kāi)采是智慧煤礦的核心技術(shù)。必須牢牢抓住新一代信息技術(shù)帶來(lái)的發(fā)展機(jī)遇，將數(shù)字礦山建設(shè)與煤炭安全高效開(kāi)發(fā)和清潔利用技術(shù)創(chuàng)新、管理改革相結(jié)合，利用信息化、數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)提升和改造傳統(tǒng)采礦業(yè)，不斷開(kāi)創(chuàng)安全、高效、綠色和可持續(xù)的智慧煤礦發(fā)展新模式。
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《智慧煤礦與智能化開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)分析》來(lái)源：《煤炭學(xué)報(bào)》，作者：王國(guó)法1，2，3 ，趙國(guó)瑞1，3 ，任懷偉1，3
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