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打造煤礦智能化的中國模式

葛世榮

　　八部委聯(lián)合印發(fā)的《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，為我國煤炭工業(yè)智能化發(fā)展指明了方向，是黨中央、國務院關于人工智能的決策部署在煤炭行業(yè)的重大行動，是中國制造2025戰(zhàn)略在煤礦企業(yè)的重大工程，為煤炭工業(yè)高質量發(fā)展帶來重大機遇。

　　煤礦邁向智能化新階段

　　智能化采煤是信息化與工業(yè)化在煤礦深度融合的體現(xiàn)，也是煤炭生產技術革命的重要途徑之一。自從上世紀50年代在英國誕生煤炭綜合機械化開采技術后，煤炭人就有一個夢想，期望有朝一日能實現(xiàn)智能化無人采礦。上世紀80年代末，國外采礦界開始了一些探索。40多年來，煤礦經(jīng)歷了數(shù)字化、信息化、自動化等多個階段并不斷升級，可以說目前邁向智能化新階段。

　　關于智能化煤礦或智能化開采，國內外有多種理解或定義，但至今對智能化煤礦還沒有給出規(guī)范化的定義，只是在學術界和產業(yè)界有一些不同表述。例如，2014年，我提出，智能化開采是指在不需要人工直接干預情況下，通過采掘環(huán)境的智能感知、采掘裝備的智能調控、采掘作業(yè)的自主巡航，由采掘裝備獨立完成的回采作業(yè)過程。這只是對煤礦最為重要的開采環(huán)節(jié)的智能化理解。

　　當前，我國對智能制造研究較為深入，如果參照智能工廠的定義，我認為智能化開采是利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術和泛在監(jiān)控技術，構建信息管理和服務系統(tǒng)，增強煤炭生產全過程的可控性，減少采掘運生產線的人工干預，形成自學習自優(yōu)化的安全高效工藝流程。

　　我認為，煤礦智能化可以分為初級、中級、高級三個等級。初級智能化煤礦具有高端自動化的技術內涵，采、掘、運、通、排等主要生產及安控環(huán)節(jié)都能實現(xiàn)基于傳感信息反饋的計算機程序控制，在這個階段，仍有約50%的工序需要人為干預。中級智能化煤礦實現(xiàn)半自主化操作運行模式，各個生產環(huán)節(jié)具有部分的自主感知能力，能自動執(zhí)行一些復雜條件的生產任務，但約有20%的工序還需要人為干預。高級智能化煤礦屬于全自主操作運行模式，對所有生產和保障環(huán)節(jié)具有廣泛感知能力，會自主決策運行，但鑒于煤礦生產的復雜性和特殊性，仍有約5%的工序需要人機交互。

　　近10年來，我國煤礦智能化裝備技術快速發(fā)展，已由過去的落后于國外，發(fā)展到當今處于整體技術并行、局部技術超越的局面，國產的采煤機、液壓支架、運輸裝備、安全監(jiān)控系統(tǒng)、巡檢機器人等已有較好的智能化內涵。但是，在高性能傳感器、自優(yōu)化策略、自主控制、集群協(xié)作等方面還有不少問題有待解決，未來5年~10年應加強研究并爭取實現(xiàn)突破，使我國煤礦智能化進入中級水平，這是我們煤炭人為之奮斗的階段性目標。

　　當前，需要選擇不同類型、不同地區(qū)的煤礦探索試驗智能化示范工程，例如華東礦區(qū)的深井開采煤礦、晉陜內蒙古礦區(qū)的千萬噸級煤礦、中原礦區(qū)的高瓦斯煤礦、西南礦區(qū)的中小煤礦，組成若干團隊定點、有針對性地提供全過程技術指導和幫助，從探索實踐中積累經(jīng)驗、匯集技術，形成煤礦智能化建設的中國模式。

　　一些關鍵核心技術存在短板

　　煤礦智能化建設是近10年世界煤炭開采技術的研究熱點。在習近平總書記2014年6月13日對能源革命發(fā)表重要講話之后，加快煤礦智能化技術發(fā)展成為我國煤炭工業(yè)轉型升級的驅動力、促進煤炭開采技術革命的聚集力。可以說，當前的煤礦企業(yè)界無人不談智能化，否則就會有跟不上步伐的危機感，科技界無話不講智能化，否則就有落后于生產實踐的緊迫感。在這種智能化生態(tài)下，采煤工作面首先成為我國煤礦智能化的先行落腳點，目前全國已建成200余個不同層次的智能化采煤工作面。據(jù)我所知，這個數(shù)量在世界采煤國家中是最多的，對于大幅度減少我國煤礦采煤工作面作業(yè)人員、提高采煤安全水平具有示范引領作用和變革性意義。其次，我國對煤礦機器人技術重點研發(fā)及應用領域做了系統(tǒng)性的規(guī)劃部署，當前許多企業(yè)都在研制和試驗各種煤礦機器人，這是實現(xiàn)煤礦智能化的重要體現(xiàn)形式之一，也是為未來煤礦實現(xiàn)智能化之后，讓機器人完成井下危險部位監(jiān)控和重要搬運、維護任務的保證。

　　但是，煤礦智能化的一些關鍵核心技術還存在短板或空白，主要體現(xiàn)為四方面。一是煤礦智能化整體技術架構還未明確，需要對此加強頂層設計，形成一整套技術標準，以引導煤礦智能化單元、設備以及系統(tǒng)研發(fā)和應用。二是煤礦智能化的關鍵技術有待突破，例如精準可靠傳感技術、煤礦生產大數(shù)據(jù)技術、煤礦災害風險超前感知技術、井下定位導航技術、采礦設備自動駕駛技術、重載移動作業(yè)機器人技術等。三是智能化發(fā)展存在不均衡問題，目前在采煤工作面智能化方面發(fā)展較快，而在掘進工作面、輔助運輸、設備搬家轉場等方面的智能化技術滯后、發(fā)展較慢。四是缺少針對煤礦特殊條件的智能化系統(tǒng)軟件。在智能化較早發(fā)展和應用的其他行業(yè)，操作系統(tǒng)軟件都是智能化的基礎和脊梁，例如數(shù)控加工系統(tǒng)有FANUC、SIEMENS（840D）、NUM操作系統(tǒng)，工業(yè)機器人有ROS操作系統(tǒng)，智能工廠有MES、ERP、CIM/SFC系統(tǒng)。而在煤礦領域，盡管已有一些數(shù)據(jù)管理、呈現(xiàn)和運用的軟件，但無論是單機設備還是系統(tǒng)集群都缺乏具有統(tǒng)一性、互換性、開放性的操作軟件。

　　機器人將在智能化系統(tǒng)中占重要位置

　　隨著我國煤礦智能化建設工作不斷推進，需要堅實的基礎理論研究作為基礎。

　　至今，國家已批準立項了“深部危險煤層無人采掘裝備關鍵基礎研究”“煤礦井下無人化綜采機組的智能感知與協(xié)同控制基礎研究”“煤礦智能開采安全技術與裝備研發(fā)”“千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關鍵技術及示范”“數(shù)字煤礦及智能化開采基礎理論研究”等一批基礎研究項目。從今年開始，國家自然科學基金在冶金與礦業(yè)學科目錄中增設了“智能礦山”方向，科技部在重點研發(fā)計劃的智能機器人領域增設煤礦機器人資助方向，其中包括井下精準定位與導航、自主學習模型、自動駕駛決策、掘進機器人、輔助運輸機器人、鉆孔探測機器人等關鍵基礎研究。

　　機器人技術由來已久，它是擬人智能化的最集中、最具體、最完美的體現(xiàn)。去年初，國家煤監(jiān)局發(fā)布了5類38種煤礦機器人的重點研發(fā)與應用目錄，也可以認為是一部技術方向指南。據(jù)我所知，這是世界上涵蓋種類最全、技術內涵最明晰的煤礦機器人技術體系，表明我國對煤礦機器人研發(fā)與應用的謀劃站在高位、走在前面。

　　煤礦機器人將在未來煤礦智能化系統(tǒng)中占有重要位置。它是實現(xiàn)無人值守、無人巡檢、無人排險、無人駕駛而替代人工操作的智能機器載體。實際上，機器人化采礦裝備也是煤礦機器人的一種體現(xiàn)，它對采、掘、運機器賦予一定程度的機器人功能，以機群自主協(xié)作、人機交互的方式完成預定的采礦任務。

　　目前，煤礦機器人技術較為成熟的是輕載機器人，重載化、自行走的機器人還存在驅動電機功率不足、減速器壽命不長、蓄電池容量不足、作業(yè)臂強度不高、輕量化材料防爆性能不明等問題。這些問題是煤礦機器人的特有難題，其他工業(yè)領域對其研究不多。因此，煤炭行業(yè)的高校和科研機構應把機器人技術與行業(yè)特點、專業(yè)功能緊密結合起來，加強協(xié)同創(chuàng)新，一同攻克煤礦機器人的難關。

　　加強基礎研究，培養(yǎng)智能化新工科人才

　　人才是煤礦智能化的頂梁柱，未來煤炭開采的全智能化過程需要具有煤礦基礎、智能生產、智能監(jiān)控、智能運維、智能安控復合知識的新工科人才。
　　
　　為此，中國礦業(yè)大學（北京）設立了機器人工程專業(yè)，已開始招生和學生培養(yǎng)；設立了智能采礦工程專業(yè)方向，啟動該方向本科生和研究生的培養(yǎng)；成立了國內高校首家智慧礦山與機器人研究院、機器人化采掘裝備研究所，致力于培養(yǎng)一批煤礦智能化方面的青年教師和研究生，也為煤礦企業(yè)提供新技術和新成果。

　　最近，應急管理部和教育部批準中國礦業(yè)大學（北京）與中國安科院共同成立國家安全科學與工程研究院，我們將以此為平臺加大智能安全監(jiān)控、智能應急救援方面的人才培養(yǎng)力度。未來，我們將進一步加強人工智能、大數(shù)據(jù)、智能裝備制造等專業(yè)建設，就像上世紀80年代初期，我國為了發(fā)展煤礦機械化開采，專門設立煤礦機械化、煤礦自動化專業(yè)一樣，形成有針對性、系統(tǒng)性的煤礦智能化專門人才培養(yǎng)體系。

　　同時，中國礦業(yè)大學（北京）把煤礦智能化發(fā)展作為改革人才培養(yǎng)、拓展學科方向的重大機遇，積極加強與高水平研發(fā)機構的深度合作。

　　例如，中國礦業(yè)大學（北京）與中國煤炭科工集團建立了智能礦山、煤礦機器人方面的協(xié)同創(chuàng)新合作體，與鄂爾多斯市合作研究智能化開采技術系統(tǒng)，與石家莊煤機公司合作研發(fā)重載煤礦機器人、無人駕駛膠輪車，與天地科技上海分公司、鄭州煤機集團、太重煤機集團聯(lián)合研發(fā)智能化采煤裝備，與開誠電氣公司合作研發(fā)巡檢機器人。此外，中國礦業(yè)大學（北京）與中國煤炭科工集團、中國聯(lián)通組建了地下空間5G技術創(chuàng)新應用聯(lián)合實驗室。這是一種產學研用緊密融合的創(chuàng)新模式，形成了從研究到應用的暢通機制。我認為，這些合作是開放的、包容的，將為我國煤礦智能化技術發(fā)展提供一個共建共享的合作平臺。

　　（作者系中國礦業(yè)大學（北京）校長，稿件由本報記者王世雅采訪整理）

促進科技成果在煤礦應用轉化

張興

　　近日，八部委聯(lián)合發(fā)布了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，對煤礦智能化建設目標、標準、形式、途徑、人才、制度等多方面進行了明確。這對于我們積極探索以人工智能技術與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合為主線，實現(xiàn)礦井安全、綠色、低碳、高效、智能的高質量發(fā)展模式，具有重要指導意義。

　　2019年，同煤集團先后組織開展了國家“十三五”資源領域重點研發(fā)項目——“千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關鍵技術研究及示范”，在集團煤礦應用了產量平衡時空預警系統(tǒng)、無軌膠輪車智能調度系統(tǒng)、安全雙重預防管理信息系統(tǒng)和智能巡檢機器人等一大批在行業(yè)內達到世界先進水平的優(yōu)秀科技成果。以塔山煤礦為例，隨著煤礦智能化建設的推進，單井口產量、工作面單產、人均效率、煤炭回收率、成本利稅率等方面均已經(jīng)跨入世界一流水平行列。

　　2020年，塔山煤礦將瞄準建設“四高四優(yōu)”千萬噸級現(xiàn)代化礦井目標，全力推進智能化綜放工作面項目實驗工程，切實打造國內產量最大、技術最先進、作業(yè)人員最少的1500萬噸智能化綜放工作面典范，并總結研發(fā)特厚煤層智能化綜放開采成套技術，在礦井所有綜放工作面推廣；繼續(xù)擴大煤礦機器人的使用范圍，積極與科研院所合作，開發(fā)研究智能瓦檢機器人、水倉清掏機器人、矸石分選機器人、鉆探機器人、自動噴漿機器人、應急救援機器人等先進技術裝備；逐步更新掘進系統(tǒng)設備，在掘進機自主導航、系統(tǒng)聯(lián)動、人員安防等方面探索智能化綜合快速掘進模式，填補綜合快速掘進系統(tǒng)空白；建立通風智能監(jiān)測與調控系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)實時監(jiān)測，顯示井下巷道的風流、自動風門和自動風窗設備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對風量的精確分析和調控；積極探索應用安全生產大數(shù)據(jù)、5G技術，真正實現(xiàn)“員工少跑腿、機器多干活、數(shù)據(jù)多跑路”的目標。

　　未來幾年，塔山煤礦將進一步完善智能化礦山頂層設計，借鑒杭州、深圳等智慧城市建設理念及思路，跳出煤礦看自身，重新梳理智能化建設思路，立足當前、規(guī)劃未來，以培育核心技術、融合發(fā)展為目標，不斷拓展煤礦高質量智能化發(fā)展的視野，促進高端跨界合作，使智能化礦山建設做到統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局、推進有序。

　　具體來講：一是引進京東、淘寶在物流配送、物資管理等方面的先進經(jīng)驗和技術，扭轉煤礦物資管理及機電裝備全生命周期管理落后的局面；二是充分借鑒谷歌、阿里等數(shù)據(jù)處理大公司的先進經(jīng)驗，探索煤炭行業(yè)自身盤活數(shù)據(jù)、實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值增值之路；三是將AI智能化深度學習（機器自感知、自學習、自修正、自決策）作為智能化礦山建設的核心指標和核心價值重新定位，統(tǒng)籌規(guī)劃礦山智能化推進步驟，不斷推動AI技術在煤礦安全生產管理方面的深度應用。

　　同時，我們仍舊面臨“智能化礦山建設技術標準體系還在探索、一些重大技術課題研究尚在起步、系統(tǒng)性持續(xù)創(chuàng)新能力尚未形成、智能化礦山如何定位”等諸多問題。未來，我們將堅持綠色發(fā)展戰(zhàn)略，邊探索邊實踐邊突破、邊總結邊完善邊提升，不斷推進智能礦山建設相關科技成果應用轉化，充分發(fā)揮企業(yè)人才、環(huán)境、制度優(yōu)勢，為新技術的研發(fā)、應用和推廣營造良好環(huán)境，與國內外科研單位及企業(yè)開展深度合作，努力成為一流的智能化礦井典范。（作者系山西大同煤礦集團塔山煤礦機電副總經(jīng)理，稿件由通訊員吳玲、劉洋整理）

助推煤炭技術變革與轉型升級

王立寶

　　八部委聯(lián)合印發(fā)的《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》（以下簡稱《指導意見》）對煤礦智能化定義作了很好的科學性解釋，對于煤企轉型升級、高質量發(fā)展具有里程碑意義。

　　一是為高質量發(fā)展提供了強勁引擎。黨的十九大以來，我國各行業(yè)資源配置效率全面提高，但煤礦還缺乏先進的高精度設備和精通智能技術的復合型人才。智能化開采是推進煤炭生產方式和發(fā)展模式深層次變革的重要途徑，也是實現(xiàn)煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的必由之路。抓住新一輪科技革命和產業(yè)變革的機遇，才能真正實現(xiàn)煤礦智能化從點的突破到系統(tǒng)能力的提升。

　　二是為產業(yè)升級指明了前進方向。煤企急需加快推進供給側結構性改革，推動智能化技術與煤炭產業(yè)融合發(fā)展。《指導意見》明確了礦山智能化建設三個階段性目標，為今后煤礦企業(yè)煤炭技術變革與產業(yè)轉型升級提供了行動指南。

　　三是為本質安全夯實了基礎。加快智慧礦山建設，全面推進機械化換人、自動化減人，運用技術手段實現(xiàn)科技興安、技術保安，已成為推動煤炭開采技術變革和有效破解安全生產難題的必然選擇，亦是行業(yè)應對資源約束和安全挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略選擇。

　　山東能源龍礦集團早在2003年就提出了創(chuàng)建國內一流信息化礦井的目標，2006年踏上信息化發(fā)展新征程，連續(xù)多年跨入中國企業(yè)信息化500強行列。

　　未來，龍礦集團將在以下五個方面加快推進智慧礦山建設。

　　一是大力推進采煤智能化。龍礦集團去年建成了首個薄煤層智能化工作面和沖擊地壓礦井綜采放頂煤智能化工作面。下一步，龍礦集團將以點帶面、一礦一策，繼續(xù)推廣智能控制技術和可視化遠程干預控制技術，計劃2020年使沖擊地壓礦井采煤工作面全部實現(xiàn)智能化開采，力爭遠程控制工作面達到四個以上。

　　二是有序推進掘進智能化。積極推廣應用煤巷掘、支、運三位一體高效快速掘進技術和巷道硬巖掘進機（TBM），逐步實現(xiàn)掘進快速化、智能化。同時，與科研院校和相關企業(yè)積極合作，研究掘進工作面遠距離操控。

　　三是加快推動人工智能應用。加快推廣井下皮帶巡檢、供電場所巡檢、選矸等技術成熟的機器人，持續(xù)推進智能化減人、換人，逐步實現(xiàn)關鍵崗位機器人替代、生產過程智能控制，爭取所有重點崗位、高風險崗位全部采用機器人代替人工作業(yè)，進一步降低井下勞動作業(yè)風險。2020年，在沖擊地壓礦井進行試點，在副井井筒安裝巡檢機器人，設置照明和全景攝像儀，之后逐步向其他礦井推廣應用。同時，構建AI全視化安控體系，基于視頻AI技術，結合物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對人、物、環(huán)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，將井下場景、生產設施數(shù)字化。

　　四是充分發(fā)揮智慧平臺作用。全面落實“兩個中心、三個平臺”頂層設計。“兩個中心”：基礎網(wǎng)絡服務中心和云計算服務中心。“三個平臺”：安全生產管控平臺、經(jīng)營管理決策平臺、黨建組織宣傳平臺。圍繞煤炭生產，逐步建立自動控制、信息集中、數(shù)據(jù)整合、智能分析的智慧礦山，加快推進信息化與工業(yè)化深度融合進程。

　　五是培養(yǎng)高素質人才隊伍。廣泛開展各種形式的智能化建設、應用、技能競賽和崗位練兵活動，進一步提高智能化人員專業(yè)素質和崗位能力，加強復合型人才建設。加強與高校聯(lián)合開展智能化相關技術培訓，以滿足現(xiàn)場實際需求為方向，優(yōu)化知識結構，提升業(yè)務能力。

　　（作者系山東能源龍礦集團副總經(jīng)理、總工程師）