智慧煤礦與智能化開采關(guān)鍵核心技術(shù)分析

王國法，趙國瑞，任懷偉

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013; 2.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013; 3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

煤炭是世界上最經(jīng)濟的化石能源，也是可以清潔高效利用的能源。中國、美國、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。煤炭一直是中國的主體能源，占一次能源產(chǎn)量和消費量的70%和60%以上。

世界能源格局及現(xiàn)實的經(jīng)濟社會需求決定了在未來相當(dāng)長時間內(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)，實現(xiàn)安全高效綠色開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。德國提出了工業(yè)4.0，美國提出了“智慧地球(Smarter Planet)”，中國提出了“中國制造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)展智能化開采符合國家戰(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)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，機器人、智能化裝備等與現(xiàn)代煤礦開發(fā)技術(shù)深度融合，形成礦井(區(qū))全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井(區(qū))開拓、采掘、運通、洗選、安全保障、生態(tài)保護、生產(chǎn)管理等全過程智能化運行的體系。智慧煤礦的總體目標(biāo)是形成煤礦完整智慧系統(tǒng)，全面智能運行，科學(xué)綠色開發(fā)的全產(chǎn)業(yè)鏈運行新模式。

數(shù)字化和信息化是智慧煤礦的基本要求，首先要解決3個基礎(chǔ)理論問題:① 數(shù)字煤礦多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)及信息動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系;② 復(fù)雜圍巖環(huán)境-開采系統(tǒng)作用機理及設(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、維護決策機制。

目前，針對這些基礎(chǔ)問題正在開展研究(國家自然科學(xué)基金重點項目)，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)性維護構(gòu)成的數(shù)字煤礦及智能化開采基礎(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 智慧煤礦智能平臺建設(shè)

智慧煤礦要建設(shè)八大智能生產(chǎn)運行系統(tǒng)[8]，首先要建設(shè)承載生產(chǎn)運行系統(tǒng)的智能平臺。

1.2.1 MOS智慧煤礦多系統(tǒng)綜合管理操作平臺

MOS智慧煤礦多系統(tǒng)綜合管理操作平臺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，它對下應(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、云計算等。通過系統(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)建實時、透明、清晰的礦山日常工作全息景象平臺，解決智慧化礦山建設(shè)過程中數(shù)據(jù)采集困難、煙囪型子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲割裂、數(shù)據(jù)資源混亂、子系統(tǒng)無法聯(lián)動、無法進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析支持決策等一系列關(guān)鍵問題，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、安全監(jiān)控數(shù)字化、企業(yè)管理信息化、信息管理集約化，最終實現(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)平臺的數(shù)據(jù)均使用統(tǒng)一的格式進(jìn)行交換與存儲，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通無障礙。

(2)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲方案。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的存儲方案，數(shù)據(jù)的存儲和查詢性能充分保障，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，解決數(shù)據(jù)資源混亂問題。

(3)數(shù)據(jù)傳輸實時與穩(wěn)定。數(shù)據(jù)傳輸首先要具有強實時性，解決數(shù)據(jù)傳輸延遲問題，滿足遠(yuǎn)程實時決策控制的要求;其次要具有強穩(wěn)定性，解決常見的數(shù)據(jù)通訊不穩(wěn)定問題，滿足智能系統(tǒng)長時可靠運行的需求。

(4)組態(tài)化可配置。操作系統(tǒng)的前后端架構(gòu)設(shè)計支持全面的組態(tài)化開發(fā)，支持應(yīng)用界面與業(yè)務(wù)邏輯的快速組態(tài)化構(gòu)建，并在配置中心中做統(tǒng)一配置管理。

(5)能夠支持大數(shù)據(jù)分析。可向上支持健康管理平臺的大數(shù)據(jù)分析需求，支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一接入、全維度數(shù)據(jù)管理、跨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合以及面向業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)倉重構(gòu)。能夠與大數(shù)據(jù)分析平臺的高性能數(shù)據(jù)分析計算框架、數(shù)據(jù)可視化及數(shù)據(jù)應(yīng)用迭代對接，支撐大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

(6)開放性。能夠支持多種開采裝備應(yīng)用程序的開發(fā)與部署，以支持不同應(yīng)用場景的靈活應(yīng)用和未來更多先進(jìn)智能裝備的靈活接入。

1.2.2 井下精確定位、導(dǎo)航、5G通信管理操作平臺

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)是實時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，依托井下環(huán)境的三維模型，研究井下實時建圖和三維模型自動更新技術(shù)、設(shè)備和人員精確定位和推進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)、信息實時更新技術(shù)，解決井下狹長、多轉(zhuǎn)角、復(fù)雜干擾條件下的精確定位、實時導(dǎo)航、移動部署與自矯正等關(guān)鍵核心問題，為井下設(shè)備、人員定位導(dǎo)航應(yīng)用場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通信管理操作平臺應(yīng)滿足以下基本要求:

(1)全覆蓋與低復(fù)雜度。井下狹長、多轉(zhuǎn)角和復(fù)雜的電磁環(huán)境及設(shè)備遮擋等帶來了無線覆蓋的難題，研究固定與移動基站的靈活配比和布置方式，移動基站的自定位與自矯正方法，提高無線覆蓋率的同時，充分利用開拓空間的相對“透明”性(已開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。煤炭開采空間是動態(tài)推進(jìn)并不斷垮落掩埋的變化空間，定位空間動態(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)要么動態(tài)布置，要么隨開采過程掩埋，但無論何種方式都要求低成本。井下狹長、轉(zhuǎn)角多、電磁環(huán)境復(fù)雜、振動大，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，加上電磁等多種因素的干擾，米級的定位導(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)研究相對適用于井下，但仍需從煤礦井下環(huán)境的現(xiàn)實出發(fā)，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和算法優(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。

(3)高速、大容量通訊。井下生產(chǎn)安全是首位的，因此實時的定位、導(dǎo)航和控制對通訊速度提出了極高要求。同時設(shè)備又相對集中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等的并發(fā)數(shù)據(jù)量大，這又對智能開采系統(tǒng)的通訊容量提出了很高要求。從未來智能化開采的角度看，5G通訊與相關(guān)技術(shù)的融合能夠較好滿足井下多并發(fā)、大容量、高速度和低延遲的通訊要求，目前亟待解決井下應(yīng)用場景核心芯片研制、錨點時鐘同步、移動再定位等關(guān)鍵核心技術(shù)，為井下提供穩(wěn)定可靠的定位、導(dǎo)航和通訊服務(wù)。

1.2.3 地質(zhì)及礦井采掘運通信息動態(tài)管理操作系統(tǒng)平臺

準(zhǔn)確、及時、可靠的信息是智能化開采的決策依據(jù)，地質(zhì)及礦井采掘運通信息動態(tài)管理操作系統(tǒng)主要解決的是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的動態(tài)推送及統(tǒng)一顯示問題。通過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;通過研究智能化開采模式提出開采行為預(yù)測推理及自我更新方法;通過歷史數(shù)據(jù)的挖掘分析構(gòu)建地質(zhì)及礦井采掘運通信息的智能服務(wù)平臺。

本平臺基于MOS智慧煤礦多系統(tǒng)綜合管理操作平臺的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)和統(tǒng)一的存儲方案，將數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，通過開采事件分析和開采行為預(yù)測的知識積累建立井下“信息實體”，構(gòu)建以“信息實體”為載體的地質(zhì)及礦井采掘運通信息智能匹配與精準(zhǔn)推送模式，并通過5G通信管理操作平臺完成信息的實時快速推送，為安全管理平臺、無人工作面管理平臺等各應(yīng)用層平臺提供全面、可靠的“一張圖”數(shù)據(jù)。

1.2.4 視頻增強及實時數(shù)據(jù)驅(qū)動三維場景再現(xiàn)遠(yuǎn)程干預(yù)操作平臺

井下環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備種類多，單純依靠監(jiān)測數(shù)據(jù)難以保障智能化開采的安全可靠運行，視頻+三維場景再現(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)測手段的有益補充，更逐漸發(fā)展為井下開采遠(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，視頻增強及實時數(shù)據(jù)驅(qū)動三維場景再現(xiàn)遠(yuǎn)程干預(yù)操作平臺仍需突破以下關(guān)鍵技術(shù):

(1)煤礦井下視頻增強及高清視頻壓縮處理技術(shù)。針對綜采生產(chǎn)設(shè)備布置復(fù)雜且相互遮擋，開采時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)用場景提供支撐。

(2)基于視頻圖像的目標(biāo)識別及跟蹤技術(shù)。分析煤炭開采場景視覺特點以及有關(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)識別、目標(biāo)跟蹤和異常狀況檢測技術(shù)，從而實現(xiàn)井下主要設(shè)備目標(biāo)、環(huán)境狀況的實時監(jiān)控，以及異常狀況的預(yù)警、報警處理。

(3)融合激光掃描點云圖像、可見光視頻圖像和紅外視頻圖像的三維信息融合技術(shù)。基于激光三維掃描傳感裝置，研究井下三維虛擬場景模型實時構(gòu)建技術(shù);基于圖形圖像增強處理技術(shù)，研究可視化動態(tài)視頻圖像序列與三維場景信息實時匹配、融合技術(shù);融合可見光視頻圖像的基礎(chǔ)上，引入紅外視頻圖像增強技術(shù)，實現(xiàn)可見光、紅外視頻圖像與三維場景的實時匹配、融合，構(gòu)建實時動態(tài)視頻與虛擬現(xiàn)實同步的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。

(4)真實數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維虛擬場景遠(yuǎn)程控制技術(shù)。在構(gòu)建井下三維虛擬現(xiàn)實場景的基礎(chǔ)上，研究真實生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)對虛擬場景的數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，建設(shè)多源傳感信息驅(qū)動的全景在線虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)，解決生產(chǎn)過程信息離散、利用率不高、直觀性不強、交互性差的問題，以簡單直觀的方式快速展現(xiàn)井下生產(chǎn)全貌，并提供除監(jiān)控之外的預(yù)警分析、歷史回溯等應(yīng)用功能，實現(xiàn)身臨其境般的操控和實時反饋。

1.2.5 環(huán)境及危險源感知與安全預(yù)警系統(tǒng)管理操作平臺

安全始終處在煤炭生產(chǎn)的首位，智能化開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)一是沒有全面覆蓋現(xiàn)有的安全監(jiān)測需求，二是傳感器的易用性和可靠性等還有待提升，三是不符合長遠(yuǎn)智能化開采的物聯(lián)需求。因此需要研究和解決以下關(guān)鍵問題:

(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研制井下溫度、應(yīng)力應(yīng)變傳感器等。

(3)智能泛在。充分發(fā)揮云計算、大數(shù)據(jù)以及智能技術(shù)的優(yōu)勢，構(gòu)建并行技術(shù)集群、大數(shù)據(jù)平臺和人工智能中心，提升基于歷史數(shù)據(jù)的“深度學(xué)習(xí)”和模型優(yōu)化等人工智能核心能力，研制智能感知終端，擴展安全預(yù)警大腦的廣度和深度，形成不依賴于“中心大腦”的泛在智能，增強安全預(yù)警系統(tǒng)對斷網(wǎng)故障的抵抗能力和獨立決策預(yù)警能力。

1.2.6 智能化無人工作面系統(tǒng)管理操作平臺

智能化無人工作面系統(tǒng)管理操作平臺主要解決環(huán)境-裝備-工藝的相互關(guān)系及利用多源信息智能化開采的問題。

(1)圍巖地質(zhì)與采動應(yīng)力場實時管理。研究采動應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造綜合反演技術(shù)，與地理信息系統(tǒng)融合的超前預(yù)判與自動修正技術(shù)，為智能化開采的協(xié)同推進(jìn)提供決策依據(jù)。

(2)綜采裝備的協(xié)同推進(jìn)與精準(zhǔn)控制。研究液壓支架姿態(tài)調(diào)節(jié)、工作面自動調(diào)斜、采煤機搖臂自動調(diào)高、刮板飄溜自動控制、端頭與超前裝備的協(xié)同推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)基于圍巖感知信息的綜采裝備協(xié)同推進(jìn)與精準(zhǔn)控制。

(3)開采工藝的智能化實現(xiàn)與遠(yuǎn)程干預(yù)。研究開采工藝的流程化實現(xiàn)方法、開采裝備的智能化提升和對環(huán)境的自適應(yīng)控制，從而實現(xiàn)開采的智能化，研究基于虛擬現(xiàn)實平臺的遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)，研制關(guān)鍵裝備，提升智能化系統(tǒng)的應(yīng)變處置能力，實現(xiàn)開采的無人化。

1.2.7 井下機器人群協(xié)同智慧和饋電管理操作平臺

機器人化開采是智能化開采的高級形式，以特種作業(yè)機器人實現(xiàn)的機器人群協(xié)同開采是未來的發(fā)展方向。傳感的智能泛在化必然會引起機器人群的智能泛在化，這也為機器人群協(xié)同智慧提供了重要基礎(chǔ)。

現(xiàn)有煤礦機器人已在搜救，巡檢等方面取得一定進(jìn)展，但煤礦機器人在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、材料、可靠性、復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性和智能決策及防爆電源的長時可靠供電技術(shù)等方面仍存在諸多短板。美德等國在復(fù)雜環(huán)境下的機器人研究走在前列，波士頓動力更是在避障機器人研究方面遙遙領(lǐng)先，國內(nèi)新松、唐山開誠等也在機器人相關(guān)領(lǐng)域深耕多年，取得了一定成績，但相較國外仍存在較大差距。另一方面，在井下機器人協(xié)同智能化控制方面尚缺乏研究，煤礦機器人定位導(dǎo)航及避障，信息融合及決策規(guī)劃以及自適應(yīng)控制等多種關(guān)鍵核心技術(shù)也亟待突破。

可靠供電及續(xù)航是限制井下機器人應(yīng)用和發(fā)展的另一重要因素，在現(xiàn)有防爆要求和電池技術(shù)難以突破的情況下，能量產(chǎn)生及回收技術(shù)的研究是突破這一難題的重要研究方向之一，如基于振動、溫差、風(fēng)力等的自發(fā)電及饋電管理技術(shù)。

1.2.8 全礦井設(shè)備和設(shè)施健康管理操作平臺

研究大規(guī)模復(fù)雜裝備群分布式、多層次健康狀態(tài)評價與智能維護決策技術(shù)，建立基于知識計算的開采裝備群健康狀態(tài)智能評價理論與方法，獲取全生命周期關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，形成開采系統(tǒng)生命周期數(shù)據(jù)知識庫;研究開采裝備群健康狀態(tài)智能預(yù)測理論與方法。綜合考慮維護和生產(chǎn)在時間上的交互影響及維護對開采系統(tǒng)可靠性的影響，建立設(shè)備層多目標(biāo)預(yù)知維護模型。切實解決綜采裝備的可靠性問題，為工作面自動化、智能化和無人化提供可靠保障。

2 煤炭智能化開采關(guān)鍵核心技術(shù)

智能化開采是智慧煤礦的核心。目前，在地質(zhì)條件好的礦區(qū)煤炭智能開采取得很好效果[9-17]。但由于煤礦開采條件的多樣性和復(fù)雜性，智能化開采遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期理想的效果和目標(biāo)，要實現(xiàn)智能化無人開采目標(biāo)仍需補齊以下八大核心技術(shù)短板:① 地下開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)備故障自動化處理。

2.1 地下開采裝備精確定位和導(dǎo)航

地下開采定位導(dǎo)航模型如圖1所示，為保證煤礦開采、掘進(jìn)裝備沿著規(guī)劃的路徑和方向推進(jìn)，必須準(zhǔn)確測量設(shè)備的空間位置和運行軌跡。然而，煤礦井下為完全封閉空間和復(fù)雜電磁環(huán)境，沒有衛(wèi)星導(dǎo)航信號輔助，實現(xiàn)定位和導(dǎo)航的難度很大。

圖1 地下開采定位導(dǎo)航模型Fig.1 Positioning and navigation model of underground mining

目前，提出了基于GIS地理信息系統(tǒng)的導(dǎo)航、基于RFID的AOA和TOA算法、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、UWB超寬帶定位等多種定位和導(dǎo)航技術(shù)，但還存在諸多問題。

亟待突破的核心技術(shù)包括:① 低成本、高精度的適用于復(fù)雜磁場環(huán)境下的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù);② 局部定位導(dǎo)航應(yīng)用場景核心芯片技術(shù);③ 井下5G高速無線通信技術(shù);④ 井下高精度定位系統(tǒng);⑤ 基于精確定位導(dǎo)航的井下避障技術(shù);⑥ 掘進(jìn)機精確制導(dǎo)技術(shù);⑦ 輔助運輸車輛無人駕駛系統(tǒng)。

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)的感知是實現(xiàn)智能決策、控制的先決條件。然而，井下狹長、潮濕、粉塵易爆、復(fù)雜電磁環(huán)境嚴(yán)重制約著探測技術(shù)的應(yīng)用。三維激光掃描圖如圖2所示，煤巖識別、井下低照度空間視頻監(jiān)控、深地物理場探測等都在探索適于井下應(yīng)用的技術(shù)方案。

目前，提出的地質(zhì)雷達(dá)探測、振動探測、高光譜等煤巖識別技術(shù)，激光掃描點云、可見光視頻和紅外視頻圖像采集技術(shù)，壓力、位移、傾角等智能傳感器技術(shù)，都亟待進(jìn)一步的突破和完善。

圖2 巷道三維激光掃描Fig.2 Three dimensional laser scanning chart of crossheading

亟待突破的核心技術(shù)包括:① 采掘前端近距離高精度透地探測技術(shù);② 高光譜煤巖探測傳感器;③ 低速、高振動條件下基于光纖網(wǎng)絡(luò)的采掘裝備位姿智能傳感器;④ 極端環(huán)境物理場(瓦斯、粉塵、溫度、有害氣體、復(fù)雜圍巖體、復(fù)合動力災(zāi)害等)原位監(jiān)測微納米纖維智能傳感器及可穿戴技術(shù);⑤ 磁共振礦井水害隱患探測傳感器(利用地磁場磁共振和電磁波傳感對礦井工作面、頂?shù)装搴蛢蓚?cè)的水害隱患探測預(yù)警，實現(xiàn)工作面前方無盲區(qū)含水量、出水量、孔隙度等參數(shù)的直接探測預(yù)警);⑥ 煤流監(jiān)測識別智能傳感器;⑦ 具有自組網(wǎng)、自通信、自供電、自定位功能的智能微傳感器及其物聯(lián)系統(tǒng)。

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)是一個大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)，生產(chǎn)過程中產(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，因而一直無法有效得出開采過程的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)律，并將其應(yīng)用于智能開采的控制過程。

圖3 數(shù)字煤礦智慧邏輯模型Fig.3 Intelligent Logic Model of Digital Coal Mine

亟待突破的核心技術(shù)包括:① 多種類、多層次、多特征數(shù)據(jù)信息分析;② 基于自主感知的信息智能匹配與推送策略;③ 面向視頻內(nèi)容識別的大數(shù)據(jù)處理分析平臺;④ 基于圍巖監(jiān)測、生產(chǎn)過程信息的數(shù)據(jù)融合與知識發(fā)現(xiàn)。

2.4 復(fù)雜煤層自動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)也時常出現(xiàn)，給自動截割帶來極大困難。多方法融合煤巖識別如圖4所示。目前開展了振動識別、灰度理論、圖像識別等多種煤巖識別方法研究，但效果均不理想，諸多問題仍待解決。

圖4 多方法融合煤巖識別Fig.4 Coal and rock identification with multi-method fusion

亟待突破的核心技術(shù)包括:① 復(fù)雜煤層自適應(yīng)割煤技術(shù);② 多信息融合智能決策與協(xié)同控制技術(shù)。

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)傳輸和實時控制的要求。

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 井下強時通訊與遠(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)。

2.6 井下機器人處理難題

工作面自動化、智能化、無人化的前提條件是以綜采成套裝備的高可靠性、高開機率為保證的，由于設(shè)備無法實現(xiàn)自維修，因此，任何設(shè)備故障都會使工作面自動化、智能化、無人化目標(biāo)落空?，F(xiàn)有井下巡檢系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 井下巡檢系統(tǒng)Fig.5 Underground inspection system

亟待突破的核心技術(shù)包括:① 井下防爆機器人創(chuàng)成關(guān)鍵技術(shù);② 井下防爆機器人特殊環(huán)境及自我狀態(tài)辨識技術(shù);③ 井下復(fù)雜空間的防爆機器人平衡狀態(tài)控制及自主避障技術(shù);④ 機器人信息融合及空間路徑規(guī)劃技術(shù);⑤ 井下防爆電源長時可靠供電及自饋電技術(shù);⑥ 井下多機器人聯(lián)合通信及協(xié)同控制平臺;⑦ 井下防爆機器人安全標(biāo)準(zhǔn)。

2.7 礦山采掘裝備關(guān)鍵元部件進(jìn)口替代

經(jīng)過多年的努力，礦山采掘裝備已全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但在一些關(guān)鍵原材料、元部件等方面仍然依賴進(jìn)口，受制于人，導(dǎo)致我國礦山采掘裝備及其制造業(yè)大而不強，且存在技術(shù)安全風(fēng)險。

亟待攻破的核心技術(shù)包括:① 適用于煤礦高腐蝕環(huán)境的替代進(jìn)口的耐腐蝕高強材料及精細(xì)加工;② 基于內(nèi)反饋的高精度大工作阻力數(shù)字液壓油缸;③ 超大流量高可靠性液力轉(zhuǎn)化及電磁卸荷技術(shù);④ 鎬形截齒高性能硬質(zhì)合金頭耐磨新材料、破巖刀具及制造工藝;⑤ 非圓齒輪液壓馬達(dá)核心原件加工工藝技術(shù);⑥ 滑閥多負(fù)載聯(lián)動獨立控制技術(shù);⑦ 高端密封元件及密封技術(shù)。

2.8 工作面設(shè)備故障自動化處理難題

實現(xiàn)煤炭開采的連續(xù)、可靠、自動運行是智能化開采的核心要求，而工作面設(shè)備故障的及時發(fā)現(xiàn)和自動化處理是保障其連續(xù)可靠運行的核心技術(shù)。以往多是針對某一單一設(shè)備的故障開展的離線處理研究，對工作面設(shè)備系統(tǒng)級的復(fù)合故障和自動化處理方法缺乏研究，嚴(yán)重制約了智能化開采的發(fā)展。

亟待攻克的核心技術(shù)包括:① 數(shù)據(jù)驅(qū)動的開采系統(tǒng)健康狀態(tài)評價方法;② 開采系統(tǒng)衰退行為與變工況下的剩余壽命預(yù)測;③ 融合生產(chǎn)調(diào)度和維護行為的開采系統(tǒng)雙層機會維修預(yù)知決策模型。

3 智慧煤礦與智能化開采發(fā)展對策

煤層賦存條件的多樣性和安全制約因素的復(fù)雜性是智能化開采面臨的最大難題，要針對智能化開采關(guān)鍵核心技術(shù)短板和煤礦機器人，開展重點專項研發(fā)，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)，突破復(fù)雜煤層有限無人化開采難題。數(shù)據(jù)的獲取利用、智能決策和技術(shù)裝備研發(fā)是3個主要方向:

(1)數(shù)據(jù)的獲取和利用。兩個重點：一是研發(fā)工作面煤層地質(zhì)條件高精度探測技術(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)機器人和遠(yuǎn)程智能診斷及服務(wù)中心。

在攻克智能化開采技術(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采作為我國煤炭資源開發(fā)的基本產(chǎn)業(yè)政策，淘汰落后開采方法與產(chǎn)能裝備。

(2)改革傳統(tǒng)煤礦的運行和生產(chǎn)組織模式，推行智慧煤礦和智能化開采系統(tǒng)一體化解決方案、系統(tǒng)維護云端服務(wù)、智能采掘?qū)I(yè)化隊伍、市場化服務(wù)，解決煤礦人才、管理運行水平不平衡問題。

(3)加快建立智慧煤礦和智能開采的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和運行管理規(guī)范、安全規(guī)程體系，解決現(xiàn)有安全規(guī)程制約智能無人化開采的問題。鼓勵智能無人化開采技術(shù)及裝備的創(chuàng)新。

4 結(jié) 語

智慧煤礦建設(shè)是煤炭工業(yè)技術(shù)革命、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略方向和目標(biāo)，智能化開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)帶來的發(fā)展機遇，將數(shù)字礦山建設(shè)與煤炭安全高效開發(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)，不斷開創(chuàng)安全、高效、綠色和可持續(xù)的智慧煤礦發(fā)展新模式。