人工智能技術(shù)在礦山智能化建設(shè)中的應(yīng)用初探

馬小平， 楊雪苗， 胡延軍2,， 繆燕子2,

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 人工智能研究院， 江蘇 徐州 221116；2.地下空間智能控制教育部工程研究中心， 江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

人工智能的快速發(fā)展促進(jìn)了傳統(tǒng)工業(yè)的智能化發(fā)展，也逐漸對(duì)煤炭行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)成為了煤礦發(fā)展的新趨勢。人工智能技術(shù)可為進(jìn)一步提升煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供核心技術(shù)支撐[1]。《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出，到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦；到2025年，大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化；到2035年，各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，構(gòu)建多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系。

智能化礦山的實(shí)現(xiàn)途徑是建設(shè)智能礦山。但智能礦山的內(nèi)涵是什么，人工智能技術(shù)應(yīng)該如何與礦山深度融合，這些問題業(yè)界還未完全形成共識(shí)。已有研究人員從不同專業(yè)角度對(duì)智能礦山展開了討論，如從智能化開采、掘進(jìn)角度展開討論[1-3]，從瓦斯抽采智能化鉆探角度展開討論[4-5]，還有從智能礦山通信網(wǎng)絡(luò)角度展開討論[6]等。這些研究大大豐富了智能礦山建設(shè)的內(nèi)容，但都未將人工智能技術(shù)應(yīng)用到智能礦山的體系架構(gòu)及礦山層面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中。本文從人工智能技術(shù)角度對(duì)智能礦山進(jìn)行探討，設(shè)計(jì)了基于人工智能技術(shù)的智能礦山架構(gòu)，并探索了人工智能技術(shù)和礦山子系統(tǒng)的深度融合。

1 人工智能技術(shù)概述

1.1 智能和智慧

首先對(duì)“智能”和“智慧”的區(qū)別及聯(lián)系進(jìn)行討論，并對(duì)“智能”一詞的含義進(jìn)行約定。

英語文獻(xiàn)中與“智能”、“智慧”相關(guān)的詞為wisdom、smart、intelligence。這3個(gè)單詞含義的區(qū)分度比較清晰，wisdom偏向“智力”的含義，smart偏向“聰明”的含義，而intelligence偏向“智能/智慧”的含義，intelligence在智能程度上一般比smart更高一層次。但在中文文獻(xiàn)中，“智能”和“智慧”2個(gè)詞?；煊?。字典中的“智能”和“智慧”2個(gè)詞有細(xì)微區(qū)別。在學(xué)術(shù)界中，2個(gè)詞的邊界越來越模糊。一個(gè)典型的例子就是“Artificial Intelligence”被翻譯成“人工智能”,而不是直譯成“人工智慧”。

本文中的“智能”將包含相關(guān)文獻(xiàn)中“智能”和“智慧”的相關(guān)含義。在后面的討論中，也將相關(guān)參考文獻(xiàn)中的“智慧”統(tǒng)一為“智能”。

1.2 人工智能技術(shù)概念

人工智能技術(shù)是研究人類大腦或人類思想方式，使機(jī)器能模仿人類大腦理解和運(yùn)用思維方法的技術(shù)[7]。簡而言之，人工智能技術(shù)就是任何能模擬與人的認(rèn)知、學(xué)習(xí)能力相似的技術(shù)。

從模擬人的程度出發(fā)，人工智能技術(shù)可劃分為弱人工智能和強(qiáng)人工智能兩大類[8]。弱人工智能是希望借鑒人類的智能行為，研制出更好的工具，以減輕人類智力勞動(dòng)，類似于高級(jí)仿生學(xué)。強(qiáng)人工智能是希望達(dá)到甚至超越人類智慧水平的人造物，具有心智和意識(shí)、能根據(jù)自己的意圖開展行動(dòng)的技術(shù)，是“人造智能”。不言而喻，強(qiáng)人工智能更像想象中的人工智能，但從科學(xué)倫理角度來說，目前絕大多數(shù)研究者都認(rèn)同人工智能學(xué)界不應(yīng)朝向強(qiáng)人工智能方向發(fā)展[8-9]。

本文作者對(duì)強(qiáng)人工智能也持否定態(tài)度。本文所討論的人工智能技術(shù)限定為借鑒人類的智能行為研制出某種特定類型用以減輕人類智力勞動(dòng)工具的技術(shù)。

1.3 人工智能技術(shù)發(fā)展概述

最初的人工智能技術(shù)主要關(guān)注自然語言翻譯、符號(hào)推理和博弈論等問題，此類人工智能技術(shù)也被稱為傳統(tǒng)人工智能。傳統(tǒng)人工智能試圖構(gòu)建能復(fù)制人類行為的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但因目標(biāo)過高而陷入窘境。隨后，人工智能技術(shù)研究人員將目標(biāo)調(diào)整到計(jì)算機(jī)在執(zhí)行某些類任務(wù)時(shí)能提高性能這一目標(biāo)，這就產(chǎn)生了機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning)這一領(lǐng)域的研究。

機(jī)器學(xué)習(xí)仍是一個(gè)范疇很大的概念。20世紀(jì)80年代以來，被研究最多、最廣的是機(jī)器學(xué)習(xí)中廣義的歸納學(xué)習(xí)，它涵蓋了監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)等。最初的研究主流是以決策樹和基于邏輯學(xué)習(xí)技術(shù)為代表的符號(hào)主義學(xué)習(xí)。隨后的研究主流為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接主義學(xué)習(xí)。最近的研究主流轉(zhuǎn)向以支持向量機(jī)為代表的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)。目前，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)選取數(shù)據(jù)特征方法[10]及深度信念網(wǎng)絡(luò)(Deep Belief Network)概念[11]提出為標(biāo)志，以深度學(xué)習(xí)為標(biāo)志的連接主義學(xué)習(xí)引起了廣大研究人員的關(guān)注。特別是基于深度學(xué)習(xí)的AlphaGo打敗世界頂級(jí)圍棋棋手李世石,讓廣大民眾也知曉了深度學(xué)習(xí)和人工智能。深度學(xué)習(xí)的“深度”,形式上指的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的多個(gè)隱含層，功能上指的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能像生物一樣“分層迭代,逐級(jí)抽象”出高級(jí)信息特征。深度網(wǎng)絡(luò)不僅能表示更復(fù)雜的目標(biāo)函數(shù),還能自動(dòng)找出關(guān)鍵的數(shù)據(jù)特征。目前，深度學(xué)習(xí)是人工智能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

1.4 人工智能技術(shù)在礦山中的應(yīng)用

伴隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，研究人員對(duì)礦山各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中如何應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行了探索。由于人工智能技術(shù)的研究范疇大、時(shí)間跨度大，其與礦井的結(jié)合點(diǎn)也非常多，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道也較多。如將人工智能技術(shù)與礦山災(zāi)害治理相結(jié)合，可構(gòu)建智能水害治理平臺(tái)[12-14]、智能瓦斯抽采技術(shù)[4,5,15]、智能沖擊礦壓監(jiān)控技術(shù)[16]等。將人工智能技術(shù)與開采、掘進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，可構(gòu)建智能煤巖識(shí)別技術(shù)[17]、智能采煤工作面[1-3]等。將人工智能技術(shù)與礦山的相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，可構(gòu)建智能化鉆探監(jiān)控系統(tǒng)[18]、智能圍巖監(jiān)控系統(tǒng)[19]。將人工智能技術(shù)應(yīng)用到通信網(wǎng)絡(luò)中，可構(gòu)建出智能井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法[20]。此外，還有人工智能技術(shù)與管理相結(jié)合構(gòu)建以礦工動(dòng)作識(shí)別為基礎(chǔ)的智能礦工行為管理系統(tǒng)[21]。

上述研究工作都有力地推動(dòng)了煤礦智能生產(chǎn)、管理水平的提高。但是需要指出的是，上述研究成果中，人工智能技術(shù)都是與礦山的點(diǎn)狀結(jié)合和淺度結(jié)合。具體而言，文獻(xiàn)[12-19]所提及的智能系統(tǒng)，其智能性只體現(xiàn)在利用人工智能技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理方法(符號(hào)化建模、專家系統(tǒng)、特征自動(dòng)提取及基于以上技術(shù)的數(shù)據(jù)趨勢分析、預(yù)測等)。文獻(xiàn)[20-21]所提及的智能系統(tǒng)，其智能性體現(xiàn)在將人工智能技術(shù)應(yīng)用到礦山對(duì)象實(shí)體中。如何實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)和某個(gè)生產(chǎn)或管理系統(tǒng)層面的深度融合，以及人工智能技術(shù)在整個(gè)礦山系統(tǒng)層面中所處的地位、所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧?，這些問題的研究還未引起足夠的重視。本文將對(duì)智能礦山架構(gòu)及子系統(tǒng)和人工智能技術(shù)的深度融合進(jìn)行探索。

2 智能礦山

人工智能技術(shù)和礦山的深度融合體是智能礦山。智能礦山強(qiáng)調(diào)的是礦山的認(rèn)知、學(xué)習(xí)能力屬性。在礦山已有演變過程簡述基礎(chǔ)上，本文提出了智能礦山概念及相應(yīng)的三層結(jié)構(gòu)。

2.1 智能礦山發(fā)展

煤礦已經(jīng)歷了礦山機(jī)械化、礦山自動(dòng)化、礦山數(shù)字化/礦山信息化、物聯(lián)網(wǎng)礦山等不同形態(tài)的演變[22-23]。山西大同煤峪口煤礦的綜合機(jī)械化開采模式掀開了我國煤炭工業(yè)綜合機(jī)械化全面發(fā)展的序篇[24-25]。煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是繼煤礦進(jìn)行全面機(jī)械化開采之后的又一重大進(jìn)步[26]。自動(dòng)化礦山研究的重點(diǎn)是提高機(jī)械與電氣設(shè)備的自動(dòng)化水平[27], 使用于采掘 、輸送的機(jī)械設(shè)備和其他設(shè)備能夠長時(shí)間脫離人員操作。

隨著煤礦開采的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的機(jī)械化、自動(dòng)化開采技術(shù)已不能滿足進(jìn)一步提高開采效率和安全水平的要求[28-29]。隨之提出了數(shù)字化礦山[30]理論，構(gòu)建了礦山數(shù)字空間。煤礦數(shù)字化/信息化是將海量異質(zhì)的礦山信息資源進(jìn)行全面、高效和有序的管理、整合，將煤礦復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)換為可以度量的數(shù)字、數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)煤礦綜合管控的計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化提供支撐。

從泛在感知、物物相連的理念出發(fā)，數(shù)字化礦山實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)礦山[31-32]的演變。按照物聯(lián)網(wǎng)的理念，對(duì)于通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，研究人員提出了感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)礦山三層架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)礦山的一個(gè)突出優(yōu)勢是系統(tǒng)概念的拓展。礦山不僅可按原來的采、掘、通、運(yùn)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，還可按設(shè)備地點(diǎn)、生產(chǎn)邏輯等靈活構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 智能礦山架構(gòu)及智能體

將煤礦和人做類比，礦山機(jī)械化和礦山自動(dòng)化就像人類有了四肢，礦山數(shù)字化和礦山信息化就像人類有了各種感知器官，而物聯(lián)網(wǎng)礦山就像人類有了筋脈，礦山還缺少一個(gè)“大腦”。礦山機(jī)械化、礦山自動(dòng)化、礦山數(shù)字化/礦山信息化、物聯(lián)網(wǎng)礦山在建設(shè)過程中并不是沒有涉及“大腦”的建設(shè)，事實(shí)上，數(shù)字化礦山、物聯(lián)網(wǎng)礦山的建設(shè)過程都構(gòu)思有智能決策模塊或功能，但由于受當(dāng)時(shí)煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展水平制約，礦山前期演變過程中都未將重點(diǎn)放在如何實(shí)現(xiàn)礦山智能化的研究上。隨著物聯(lián)網(wǎng)礦山建設(shè)進(jìn)程的結(jié)束，智能礦山建設(shè)的高潮正在全國興起[33-34]。

智能礦山的概念和內(nèi)涵目前還未形成共識(shí)。筆者認(rèn)為，智能礦山是人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和礦山實(shí)體的深度融合體，它利用智能傳感器裝備對(duì)物理世界進(jìn)行感知并數(shù)字化，利用智能通信、智能控制和智能計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦山的計(jì)算、處理，構(gòu)建數(shù)字孿生礦山，通過數(shù)字孿生礦山和物理礦山的智能交互演化，達(dá)到對(duì)煤礦安全、高效、綠色的生產(chǎn)控制。與其他智能礦山概念[33-34]相比，本文所提出的智能礦山概念更加突出人工智能技術(shù)在智能礦山信息技術(shù)體系中的地位。人工智能技術(shù)應(yīng)貫穿礦山信息采集、傳輸、處理、應(yīng)用的所有環(huán)節(jié)，并在礦山的生產(chǎn)、管理、災(zāi)害治理中發(fā)揮作用。

根據(jù)上述定義，本文提出了設(shè)備層、智能層、應(yīng)用層的智能礦山三層構(gòu)架，如圖1所示。

設(shè)備層：處于智能礦山的最底層,由礦山中各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成,完成數(shù)據(jù)的采集、指令的執(zhí)行。

智能層：是智能礦山的中間層，也是最核心層。該層由一個(gè)個(gè)智能體組成。每個(gè)智能體是融智能通信、智能控制、智能計(jì)算于一體的信息物理系統(tǒng)的實(shí)體。智能體也可理解為傳統(tǒng)礦山子系統(tǒng)的智能化。

圖1 智能礦山的三層架構(gòu)Fig.1 Three layers structure of intelligent mine

應(yīng)用層：處于智能礦山的最高層。該層是各種應(yīng)用邏輯的組合及數(shù)據(jù)的顯示，由3個(gè)子層組成，其中數(shù)字孿生礦山子層相當(dāng)于“數(shù)字大腦”，實(shí)現(xiàn)礦山最高層次的智能控制;數(shù)據(jù)展示子層為報(bào)表、顯示、業(yè)務(wù)邏輯等，在該層可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的條塊分割。

與已有的智能礦山架構(gòu)相比，本文所提出的架構(gòu)強(qiáng)調(diào)的是人工智能技術(shù)和礦山的深度融合。智能層智能體要求子系統(tǒng)不僅僅是應(yīng)用人工智能技術(shù)處理子系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而是從架構(gòu)上就要將智能計(jì)算、智能通信、智能控制融為一體。應(yīng)用層不僅僅是數(shù)據(jù)條塊分割應(yīng)用，而是利用人工智能技術(shù)和礦山大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)整個(gè)礦山系統(tǒng)層面數(shù)據(jù)的融合處理。

2.3 智能礦山應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì)

將智能礦山三層架構(gòu)與某煤礦實(shí)際情況相結(jié)合，具體設(shè)計(jì)了如圖2所示的智能礦山架構(gòu)。

圖2 智能礦山架構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)Fig.2 Implementation of intelligent mine layers

設(shè)備層設(shè)計(jì)的主要工作是消除監(jiān)控盲點(diǎn)，如增加攝像頭監(jiān)控點(diǎn)，添加基于光纖的多功能傳感器，給礦工配置具備通信、定位、應(yīng)急呼叫等功能的智能礦燈等。

智能層是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)了具有預(yù)測預(yù)警功能的礦壓智能體、膠帶運(yùn)輸智能體以及采煤智能體等。其中，膠帶運(yùn)輸智能體將基于變頻器的智能膠帶電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合,如圖3所示，利用視頻信號(hào)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，完善膠帶空載、跑偏等功能的監(jiān)控，增加人員三違異常事件的監(jiān)管功能，從而實(shí)現(xiàn)控制、管理一體化。此外，對(duì)無人化采煤工作面進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了如圖4所示的采掘智能體。與現(xiàn)有無人化采煤工作面相比，采掘智能體實(shí)現(xiàn)了通信、控制、計(jì)算一體化，更加強(qiáng)調(diào)整個(gè)采煤工作面所有運(yùn)動(dòng)設(shè)備間的協(xié)同性，解決了現(xiàn)有的初步智能化采煤工作面中設(shè)備群位姿不關(guān)聯(lián)問題。

(a) 膠帶空載識(shí)別

(b) 大塊煤矸識(shí)別

(c) 膠帶跑偏識(shí)別

(d) 人員違章行為識(shí)別

圖4 采掘智能體的具體實(shí)現(xiàn)Fig.4 Implementation of mining and excavating intelligent agent

在應(yīng)用層，基于數(shù)字孿生的智能礦山運(yùn)行機(jī)制如圖5所示。在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，利用礦山數(shù)字模型對(duì)礦山生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行仿真演變分析，發(fā)出生產(chǎn)運(yùn)行指令；智能生產(chǎn)控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)控制指令對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行迭代求優(yōu)；智能礦山管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)生產(chǎn)要素優(yōu)化管控流程。如此反復(fù)迭代，完成煤礦生產(chǎn)計(jì)劃。

圖5 基于數(shù)字孿生的智能礦山運(yùn)行機(jī)制Fig.5 Operation mechanism of intelligent mine based on digital twin technology

3 結(jié)論

(1) 礦山智能化一定是煤礦技術(shù)的再次革命，今后幾年也一定會(huì)興起礦山智能化建設(shè)的高潮。結(jié)合人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢，提出了以人工智能技術(shù)為核心的智能礦山概念及建設(shè)架構(gòu)，并介紹了結(jié)合某礦井實(shí)際情況的設(shè)計(jì)實(shí)踐。

(2) 智能化礦山建設(shè)基礎(chǔ)還需進(jìn)一步夯實(shí)?，F(xiàn)有的智能礦山方案設(shè)計(jì)實(shí)際上仍然包括諸如中央帶式輸送機(jī)無人值守改造、部分水泵房無人值守改造、數(shù)據(jù)接入平臺(tái)完善等礦山數(shù)字化建設(shè)的內(nèi)容。同一礦山中各物理子系統(tǒng)的數(shù)字化水平參差不齊，也是目前我國礦山建設(shè)現(xiàn)狀。這將影響智能化礦山建設(shè)成效，特別是礦山各生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)的智能協(xié)同、智能精準(zhǔn)控制的實(shí)現(xiàn)。

(3) 智能化礦山需要加強(qiáng)人工智能技術(shù)與礦山融合度的深入研究。目前，有的礦井已有泵房、變電所、主運(yùn)輸系統(tǒng)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)初步實(shí)現(xiàn)了智能巡檢功能，但現(xiàn)有巡檢系統(tǒng)的智能僅體現(xiàn)在自行走方面。如何將現(xiàn)有的基于人工智能的故障檢測、診斷及超前干預(yù)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)自行走、自學(xué)習(xí)、自干預(yù)的智能巡檢機(jī)器人，該方面研究值得關(guān)注。此類機(jī)器人技術(shù)和其他行業(yè)機(jī)器人技術(shù)有相通之處，因此,研究推進(jìn)速度相對(duì)較快。可預(yù)測，智能計(jì)算、智能通信、智能控制融合的巡檢機(jī)器人將是最早能推廣的井下智能體之一。

(4) 需要進(jìn)一步加強(qiáng)復(fù)雜巨系統(tǒng)建模技術(shù)的研究。在目前大多數(shù)智能礦山設(shè)計(jì)過程中，數(shù)字孿生礦山子層的控制機(jī)制設(shè)計(jì)還不完善，具體體現(xiàn)為只能被動(dòng)接收環(huán)境參數(shù)作為控制輸入，無法將環(huán)境的控制納入整個(gè)控制環(huán)節(jié)之中。這是由于礦山級(jí)別的綜合采礦活動(dòng)和環(huán)境變化的復(fù)雜巨系統(tǒng)模型還未建立。只有建立了礦山的復(fù)雜巨系統(tǒng)模型，才能實(shí)現(xiàn)采礦活動(dòng)和環(huán)境的協(xié)同互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)采煤活動(dòng)的精準(zhǔn)控制。復(fù)雜巨系統(tǒng)模型的缺乏將是未來智能礦山建設(shè)亟需解決的問題。