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全国煤矿智能化建设现场推进会材料之十六——中国矿大(北京)
字号:[    ] 发布时间:2020-10-30 14:47:11 来源: 发布人:高玉洁

未来30年,新一轮科技革命与能源产业变革形成交汇期,新一代信息技术、智能化技术、智能装备等新技术将大幅提升传统产业发展能级和效率,由此引发煤炭生产方式发生巨大转变,实现煤矿生产无人化、安全化、绿色化。20191月,国家煤矿安全监察局公布《煤矿机器人重点研发目录》。20202月,国家发展和改革委员会等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。这为我国煤炭工业智能化和机器人技术发展指明了方向,是我国未来人工智能发展战略在煤炭工业的重点行动,是《中国制造2025》在煤矿企业的重要实践,是煤炭工业高质量发展的重大机遇。本次全国煤矿智能化建设现场推进会的召开适逢其时,必将加快我国煤矿安全生产和智能化水平快速提升,对推动煤炭行业高质量发展,促进煤炭产业转型升级具有十分重要的意义。

一、煤矿智能化进展回顾

2018712日,全国煤矿安全基础建设推进大会在山西潞安召开,会议要求,各地区、各部门、各煤矿企业要大力推进机械化、自动化、信息化、智能化建设及机器人研发应用。从国家层面和行业整体发展角度对煤矿智能化建设提出了明确的要求和工作部署,吹响了加快我国煤矿智能化建设步伐的新号角。

(一)呈现新趋势,煤矿智能化成为创新重点近三年,煤矿智能化成为煤炭行业科技创新的重点方向,以煤矿智能化为主题,2015年之前我国学者在煤矿智能化方面的论文发表总数每年不足10篇,之后的研究论文数量却呈现翻倍增长,近5年发表的煤矿智能化论文达到287篇,主要集中在综采工作面(22%)、智能化开采(21%)、智能化技术(16%)、采煤机(13%)、液压支架(8%)、带式输送机(5%)。煤矿智能化研究侧重于综采智能化(约占85%),其中有43%的研究是面向采煤工作面智能化,42%的研究是围绕采煤装备智能化,可见采煤智能化关键点在于开采工艺智能化和采煤装备智能化。另一方面,共检索到2006年以来发表的煤矿机器人研究论文367篇,主要集中在煤矿探测机器人、巡检机器人、救援机器人等方面,反映出煤矿智能化发展速度加快,智能化研究呈现跃升趋势。

(二)明确新目标,出台首个行业智能化指导意见《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》是我国出台的首个行业智能化发展的顶层设计,把煤矿智能化作为煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等融入煤炭开发利用,实现煤矿生产过程智能化运行,这对于提升我国煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。到2021年,建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿;到2025年,大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化;到2035年,各类煤矿基本实现智能化。

(三)科研新方向,设立重点专项和基础研究计划为了推动煤矿智能化技术创新,科技部在2020年国家重点研发专项的智能机器人中设立了煤矿机器人方向,攻克煤矿特殊环境服役机器人关键技术,深化我国煤矿机器人的工程化应用,今年首批资助大型矿井综合掘进机器人、复杂煤层条件下煤矿辅助运输机器人、面向冲击地压矿井的防冲钻孔机器人等三个项目。此外,国家自然科学基金委员会今年首次在工程与材料学部增设了智能矿山方向(学科代码E0406),资助重点包括矿山精细描述与测量、数字矿山、矿山智能监测与控制、采掘装备与智能化、智能化系统与方法等基础前沿方向,研究煤矿智能化和煤矿机器人研发所面临的关键科学问题和核心技术瓶颈。

(四)研发新装备,我国提出了国际上首个煤矿机器人技术体系机器人是煤矿装备智能化的新内涵,国家煤矿安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》,对规划和引导煤矿机器人技术发展十分重要。该目录是国际上提出的首个煤矿机器人技术体系,针对煤矿机器人的不同面向对象、作业区域、功能属性,明确了煤矿机器人分类及种类。从作业类型角度,将煤矿机器人分为掘进、采煤、运输、安控、救援五大类,结合当前机器人和人工智能的发展水平,规划了不同种类、层次煤矿机器人的研发路径。目前,列入目录中的19种煤矿机器人已在煤矿现场实现了不同程度的应用,13种煤矿机器人已有企业正在研发,6种机器人研发尚有难度。

(五)构建新系统,煤炭开采智能化水平稳步提升通过智能化技术和工程实践探索,目前我国煤矿智能化取得了若干突破性进展,特别是各生产子系统的智能化水平得到了稳步提升。其中,智能化采煤工作面(简称智采工作面)技术相对比较成熟,目前的智采工作面已在大采高、中厚煤层、薄煤层及放顶煤开采中实现,到今年5月底,全国建成智采工作面338个,这个规模在世界采煤国家处于领先地位。一些智采工作面实现了基于记忆截割的自动化割煤、基于惯性导航的自动调直、三机协同和自动跟机移架与人工巡视相结合的初级智能化生产模式,可在顺槽监控中心和地面调度室对智采工作面进行一键启停运行和远程控制,实现工作面少人作业,采煤效率一般可提高20%以上。此外,少人快速掘进、智能化运输、井下配电室和水泵房无人值守、安控类巡检机器人、智能煤矸分选机器人、智慧洗煤厂等已在一些煤矿进行了试验应用。

(六)产业新融合5G技术在煤矿井下示范性应用新一代移动通信技术是未来智能化煤矿的基础,5G技术为煤炭智能生产流程提供强大的信息交互能力。20206月,中国移动联合阳煤集团、中国矿业大学(北京)、清华大学、中煤科工、华为公司等70多家单位,成立了“5G智慧矿山联盟,推动5G、大数据等信息技术与煤炭产业深度融合,研发成功世界上首个井工煤矿5G网络,在新元公司投入运营,这标志着我国在“5G+智能矿井商用领域取得突破性的进展,实现了井上井下高清视频连接、海量数据快速传输、智能设备远程联控等多种应用,将有力推动煤矿行业从数字化走向智能化的转型升级。

(七)展现新面貌,智能安全高效煤矿已成为主力经过多年的实践,自动化、智能化开采已成为现代煤矿的主要生产模式。目前,我国煤矿智能化处于初级阶段,部分技术及工程实践引领国际煤矿智能化开采发展方向。到20205月,我国在产安全高效煤矿有901处(其中露天矿28处),其产量占全国煤炭产量的56%,利润总额占全行业的78%。这些煤矿有井下采煤队1134个,其中全部国产装备1042个采煤队,部分进口装备91个采煤队;采煤机械化程度99.9%,智能化采煤工作面近300个。这些先进产能煤矿的百万吨死亡率已降低至0.0015,有898处煤实现了零死亡,已经超过国外先进煤矿的安全水平(0.02)。这说明,智能安全高效煤矿将是未来进一步提升我国煤矿安全生产水平的必由之路,发展煤矿智能化未来可期。

(八)搭建新平台,推动智能化人才培养和技术创新煤炭行业高校积极聚焦煤矿智能化对人才培养提出的新要求,不断加快煤矿智能化相关专业布局,构建多学科交叉、产学研融合的人才培养模式。目前,中国矿业大学(北京)、安徽理工大学等6所煤炭行业特色大学设置机器人工程专业,7所大学设置人工智能专业,7所大学设置大数据科学与技术专业,部分高校还在传统采矿工程专业开设智能采矿特色班,努力培养适应煤矿智能化发展的复合型人才。同时,国内行业和地方管理部门通过联合科研院所和大型煤矿企业集团,成立了形式多样的煤矿智能化及机器人研发技术创新平台,国家煤矿安全监察局同中国航天科技集团签订了战略合作框架协议,天地合作研发应用煤矿机器人;中国煤炭学会、中煤科工等27家单位成立了煤矿智能化技术创新联盟;中国矿业大学(北京)成立了智慧矿山与机器人研究院,辽宁工程技术大学组建成立煤矿机器人协同创新中心,致力于解决煤矿智能化共性关键技术问题;山东能源新矿集团成立机器人研究院,淮北矿业与四川航天携手成立了智能化开采技术研发联合中心,兖矿集团成立煤矿智能开采试验中心,各大国有煤炭企业集团正积极打造煤矿智能化研究、试验基地,开展智能化技术研发与新装备推广应用。

二、煤矿智能化技术展望

煤矿智能化是将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与煤炭开发利用深度融合,形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统,其最终目标是实现掘进工作面、采煤工作面、煤流运输系统、机电维护和安监系统的自主运行,从而大幅度减少井下劳动人员,显著提高煤炭生产效率,并形成全煤矿的智慧生产和管理目前,我国部分煤矿建成了初级的智能化工作面,与全煤矿、全矿区智慧化、无人化目标还有较大距离,应继续加强基础科学研究,突破关键核心技术,加快工程应用实践,取得以下关键技术突破。

(一)智能化采掘的透明地质技术面对看不见、摸不着、测不准的地质条件,难以实现精准的智能化开采,亟需掌握厘米级分辨率的地质信息探测技术,在精准探测技术上实现颠覆性创新,构建数据、信息、知识三层架构的全息透明地质图,为智能化采掘提供无人驾驶的导航地图,从而真正实现采掘作业无人化。

(二)脑机环智能感知与交互技术煤炭生产是一个人的智慧与机器、煤岩介质三者之间交互作用的过程。以智采工作面为例,采煤机组与煤岩相互作用产生了巨量信息,实现智能化开采就要解决采煤知识自动化的问题,使采煤作业的信息汇聚、分析、推理、决策和执行能自动实现。煤炭智能开采具备工艺规划、煤层变化识别、截割状态调控、运行效果优化、安全保障的自主能力,从开采模型到设备驱动信号的正向传递数据链路、从现场传感器信号到运行控制系统、工艺规划系统的信息反馈数据链的能力。

(三)智能化煤矿的数据智能技术数据智能是大数据的新境界,智能化煤矿的数据智能体现为数据驱动决策,让机器具备推理等认知能力,以大数据指导优化决策,依靠数据驱动来智能调控煤炭生产流程。因此,需要研发应用可靠稳定的各类传感器,构建从数据采集、数据处理、数据存储、数据分析等环节的自动工具及平台,使煤炭开采具备深度学习、深井语言程序化、知识图谱等人工智能建模和数据可视化能力。

(四)智能化煤矿的平行智能控制技术煤矿生产过程是掘进、采煤、运输、动力、安全的多个环节平行作业集合,也是每个环节多种设备平行控制运行。因此,未来是平行智能控制的煤炭生产,它基于信息物理环境系统(CPSS),以工业智联网技术、软件定义技术和知识自动化技术,通过描述智能、预测智能和引导智能的综合运用,构建平行演化、闭环反馈、协同优化的智能煤矿体系。

(五)煤矿智能化运行的数字孪生技术数字孪生被认为是工业自动化进程中的颠覆性技术之一,煤矿智能化的数字孪生通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,为采掘作业实体提供更加实时、高效、智能的运行或操作平台。例如,构建数字孪生智采工作面系统,需要研究物理模块、信息模块、通信模块、控制模块的智能仿生与应用,创建智采工作面数据主线(环境信息流、控制信息流和能量信息流),实现采煤状态的自动跟踪、生产规划的快速迭代、开采过程的稳定控制和设备维护的实时管理。

(六)煤矿井下智能机器人技术我国煤矿每天下井作业人员大约有100万人,在采煤、掘进等危险繁重岗位上的作业人员占到60%,迫切需要以机器人来替代。煤矿智能机器人亟需突破八大关键技术,即煤矿机器人防爆安全设计理论及方法、长续航高能量密度机器人动力技术、井下受限封闭环境下机器人自主精准定位导航技术、煤矿机器人的高可靠抗干扰通讯技术、煤矿复杂环境下机器人智能感知与险情识别技术、井下机器人群协同控制决策机、煤矿机器人可靠性测试评估方法、煤矿机器人模块化设计方法。2019年,我国工业领域每万名工人拥有140台机器人,机器人密度与发达国家还有很大差距,若煤矿井下危险岗位减人50%,需要40万台煤矿机器人,每处煤矿井下有100多台机器人执行任务。

(七)煤炭工业互联网技术煤炭工业互联网是一个从工作面到用户的全煤流物联网,形成与煤炭生产紧密相关的全要素、全产业链互联体系,它全面连接煤炭生产、洗选加工、运输、销售、使用以及安全监管、企业决策、生态影响等方面。煤炭工业互联网既能系统推进智能煤矿建设又能为煤炭企业赋能,属于煤炭行业更高层级、更大范围的智能化系统。

新中国成立70年来,几代煤炭人不懈奋斗,我国煤矿形成了以井工开采为主露天开采为辅的开发格局。总体上看,我国煤矿在复杂条件下的煤炭开采工艺技术处于世界领跑,特厚煤层开采、千万吨级开采装备处于世界并跑,然而仍有部分先进高端装备依赖进口。因此,煤矿智能化建设是煤炭行业实现跨越式发展的又一历史契机,通过加强煤矿智能化基础设施建设,大力发展煤矿智能装备和煤矿机器人技术,将推动采矿工业技术革命,助推我国煤炭生产技术和装备双领跑,助力新时代经济双循环的新发展格局。

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