智能煤礦技術(shù)研究與政策制定現(xiàn)狀

胡青松， 錢建生， 李世銀， 孫彥景

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 地下空間智能控制教育部工程研究中心， 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 徐州市智能安全與應(yīng)急協(xié)同工程研究中心， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

智能煤礦通過將人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)與煤炭行業(yè)深度融合，大幅提高了煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率、安全等級和決策水平。從2020年2月25日國家發(fā)展改革委、國家能源局、應(yīng)急部等八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1](以下稱“指導(dǎo)意見”)以來，高校和科研院所持續(xù)加大攻關(guān)力度，在頂層設(shè)計(jì)[2]、理論架構(gòu)[3-4]、核心技術(shù)[5-6]、管控平臺[7-8]、建設(shè)路線[9-10]、標(biāo)準(zhǔn)制定[11-12]、評價(jià)體系[13-14]等方面取得了顯著進(jìn)展，并有學(xué)者對研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述[5,15]。但目前并沒有文獻(xiàn)針對“指導(dǎo)意見”發(fā)布前后的技術(shù)研究變化情況、主要研究機(jī)構(gòu)、熱點(diǎn)研究領(lǐng)域進(jìn)行探討，而這些對領(lǐng)域研究人員和行業(yè)從業(yè)人員具有較為重要的借鑒意義。

智能煤礦建設(shè)除了具有技術(shù)密集型的特征之外，還具有資金密集型特征，需要由政策引導(dǎo)，形成匯聚政府、學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)、金融和用戶的合力。因此，前瞻性、針對性和引導(dǎo)性的政策制定十分重要?！爸笇?dǎo)意見”印發(fā)以來，國家層面和各個(gè)產(chǎn)煤大省先后發(fā)布了30余項(xiàng)針對智能煤礦建設(shè)的政策，涉及建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)規(guī)范、建設(shè)保障、驗(yàn)收評定等方面。對這些“百家爭鳴”的政策進(jìn)行適時(shí)歸納梳理，不但可以總結(jié)現(xiàn)有成果、捋清政策發(fā)展脈絡(luò)，還可以為下一步政策規(guī)劃提供依據(jù)。

鑒此，本文以CNKI(中國知網(wǎng))為工具，對煤礦智能化技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并依據(jù)公開資料對國家和省級層面的智能煤礦政策進(jìn)行分析整理，為智能煤礦研究和建設(shè)提供借鑒和助力。

1 智能煤礦技術(shù)研究現(xiàn)狀

以CNKI數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，以煤礦智能化、智能煤礦、智慧煤礦、智能礦山和智慧礦山5個(gè)關(guān)鍵詞為檢索詞，從期刊、國內(nèi)會議、國際會議、學(xué)術(shù)輯刊、碩士學(xué)位論文和博士學(xué)位論文6個(gè)庫中進(jìn)行檢索，檢索結(jié)果不設(shè)年限限制，并包括網(wǎng)絡(luò)首發(fā)和增強(qiáng)出版論文，檢索日期截至2021年1月15日，采用CNKI計(jì)量可視化分析工具對檢索到的624條結(jié)果進(jìn)行挖掘分析。

智能煤礦領(lǐng)域年度發(fā)文情況如圖1(a)所示，其中空心圓點(diǎn)為預(yù)測的2021年發(fā)文數(shù)，暫不考慮?？梢钥闯?016年之前只有零星文章探討智能煤礦技術(shù)，而在此之后發(fā)文量近乎呈指數(shù)上升，2017—2020年發(fā)文量分別為29，74，146，272篇，這與人工智能領(lǐng)域的發(fā)文趨勢(圖1(b))幾乎一致。所不同的是，人工智能領(lǐng)域的發(fā)文量在2019年產(chǎn)生了一個(gè)拐點(diǎn)，而智能煤礦領(lǐng)域則在2020年大幅上升，這與國家八部委發(fā)布“指導(dǎo)意見”及地方政府的大力支持和強(qiáng)力推動密切相關(guān)。

(a) 智能煤礦領(lǐng)域

從涉及的關(guān)鍵詞(圖2)看，智慧礦山和智能礦山排名前2位，二者之和超過了總發(fā)文量的50%。其他熱門關(guān)鍵詞還包括煤礦智能化、物聯(lián)網(wǎng)、智能化、數(shù)字礦山、大數(shù)據(jù)、智能化開采等。

從作者單位看，智能煤礦領(lǐng)域主要研究機(jī)構(gòu)為中國煤炭科工集團(tuán)有限責(zé)任公司、中國礦業(yè)大學(xué)、天地(常州)自動化股份有限公司等。從文獻(xiàn)來源看，該領(lǐng)域主要貢獻(xiàn)期刊為《煤炭科學(xué)技術(shù)》、《工礦自動化》、《中國煤炭工業(yè)》、《內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)》和《煤炭學(xué)報(bào)》，5本期刊發(fā)文量超過整個(gè)行業(yè)的50%。

需要指出的是，智能煤礦的研究范圍遠(yuǎn)非煤礦智能化、智能煤礦、智慧煤礦、智能礦山和智慧礦山5個(gè)關(guān)鍵詞所能涵蓋，智能工作面、礦井機(jī)器人、礦井無人駕駛、智能采煤、數(shù)字孿生、動目標(biāo)定位等都屬于智能煤礦范疇，正如人工智能領(lǐng)域遠(yuǎn)非1個(gè)“人工智能”關(guān)鍵詞就能涵蓋一樣。

圖2 關(guān)鍵詞分布情況

2 智能煤礦政策制定現(xiàn)狀

2.1 國家層面政策情況

2016年4月7日，國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030年)》[16]，要求提升煤炭開發(fā)效率和智能化水平，研發(fā)高效建井和快速掘進(jìn)、智能化工作面等技術(shù)，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無人化。這是國家層面站在人工智能及其行業(yè)應(yīng)用的爆發(fā)前夜作出的重要前瞻部署。

2020年2月25日，國家八部委聯(lián)合發(fā)布“指導(dǎo)意見”?！爸笇?dǎo)意見”抓住當(dāng)前的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇，提出建設(shè)“全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦開拓、采掘(剝)、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營管理等過程的智能化運(yùn)行”；確立了以2021，2025，2035年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)的近期、中期和遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)，明確了頂層設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、科技創(chuàng)新、智能改造、示范建設(shè)、綠色礦山、新一代信息技術(shù)、服務(wù)模式、人才培養(yǎng)和國際合作10個(gè)主要任務(wù)領(lǐng)域?！爸笇?dǎo)意見”為智能煤礦建設(shè)凝聚了共識，指明了方向，明確了任務(wù)，是智能煤礦研究和建設(shè)的重要分水嶺。

2020年12月24日，國家能源局綜合司和國家礦山安全監(jiān)察局綜合司發(fā)布《智能化示范煤礦建設(shè)管理暫行辦法》和《煤礦智能化專家?guī)旃芾頃盒修k法》[17]。前者對智能化示范煤礦的申報(bào)、建設(shè)、驗(yàn)收和管理作出了明確要求，總的原則是“自愿申報(bào)、內(nèi)部審核、評估驗(yàn)收、動態(tài)管理”；后者旨在對煤礦智能化專家?guī)旖ㄔO(shè)進(jìn)行指導(dǎo)，明確了專家遴選、聘用、管理等事項(xiàng)，總的原則是“公平、公正、公開”。

2021年3月12日，國家能源局煤炭司發(fā)布《智能化煤礦建設(shè)指南(2021年版)(征求意見稿)》[18]，從頂層規(guī)范智能煤礦建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)方法，對井工煤礦、露天煤礦和選煤廠的智能化建設(shè)目標(biāo)、技術(shù)架構(gòu)、建設(shè)路徑、設(shè)計(jì)要求、建設(shè)內(nèi)容、保障措施等進(jìn)行了全方位指導(dǎo)，以保證“指導(dǎo)意見”3個(gè)階段目標(biāo)落到實(shí)處。

感知數(shù)據(jù)是智能煤礦建設(shè)的基礎(chǔ)，只有將各類感知數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入集控平臺，才能使煤礦產(chǎn)生智力、具有能力。為此，國家煤礦安全監(jiān)察局在2019年10月發(fā)布《煤礦安全監(jiān)控、井下作業(yè)人員、工業(yè)視頻感知數(shù)據(jù)接入細(xì)則(試行)》[19]，并于2021年1月6日發(fā)布《煤礦沖擊地壓感知數(shù)據(jù)接入細(xì)則(試行)》、《煤礦水害防治感知數(shù)據(jù)接入細(xì)則(試行)》和《煤礦重大設(shè)備感知數(shù)據(jù)接入細(xì)則(試行)》[20]。這些細(xì)則可視為《煤礦感知數(shù)據(jù)接入規(guī)范(試行)》的進(jìn)一步細(xì)化說明，要求已經(jīng)接入省安全監(jiān)察局的數(shù)據(jù)，必須在2021年4月前接入國家礦山安全監(jiān)察局，正在建設(shè)的應(yīng)該盡快接入，做到“能接盡接、應(yīng)接盡接”。

2.2 省級層面政策情況

省級層面的智能煤礦政策情況反映了該省建設(shè)智能煤礦的態(tài)度、決心和進(jìn)度。以貴州、山東和山西3個(gè)省份為例，探討省級層面政策制定情況。

2017年9月14日，貴州省能源局發(fā)布《貴州省煤礦智能機(jī)械化建設(shè)與驗(yàn)收暫行辦法》[21]，對智能機(jī)械化改造、綜合機(jī)械化改造和智能化升級進(jìn)行了明確界定，給出了綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和乳化液泵站，以及綜掘工作面掘進(jìn)機(jī)和支護(hù)設(shè)備的選用方法，對智能煤礦所需的信息基礎(chǔ)設(shè)施改造和升級作出了明確要求，并對智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及其15個(gè)子系統(tǒng)、智能化管理系統(tǒng)及其5個(gè)子系統(tǒng)的功能進(jìn)行了清晰界定。此外，還對智能機(jī)械改造升級的驗(yàn)收方法和指標(biāo)體系作出了詳細(xì)規(guī)定。

在此基礎(chǔ)上，貴州省能源局于2019年10月15日發(fā)布《深入推進(jìn)貴州省煤礦智能化、機(jī)械化升級改造攻堅(jiān)方案(2019—2020年)》[22]。針對不同煤礦的實(shí)際情況，制定了十大重點(diǎn)攻堅(jiān)任務(wù)，已實(shí)施“兩化”(智能化、機(jī)械化)改造的要加快進(jìn)度，尚未實(shí)施“兩化”改造的30萬t/a及以上礦井要重點(diǎn)推進(jìn)，30萬t/a及以下礦井若要改造為30萬t/a及以上礦井，需要在改造時(shí)同步實(shí)施“兩化”升級改造，在建煤礦需全面實(shí)施“兩化”改造，停產(chǎn)停建礦井在復(fù)工復(fù)產(chǎn)后要進(jìn)行“兩化”改造后才能投產(chǎn)。

2020年7月20日，貴州省能源局、貴州省發(fā)展和改革委員會等8個(gè)部門聯(lián)合發(fā)布《貴州省煤礦智能化發(fā)展實(shí)施方案(2020—2025年)》[23]，提出了2020，2022，2025年這3個(gè)階段目標(biāo)。其中，2020年為示范啟動階段，需完成“兩化”升級改造，編制實(shí)施方案并開展煤礦智能化示范。2021—2022年為重點(diǎn)推進(jìn)階段，重點(diǎn)推進(jìn)采掘工作面智能化建設(shè)和煤礦機(jī)器人應(yīng)用。2023—2025年為全面實(shí)施階段，全面推進(jìn)綜采和綜掘工作面智能化建設(shè)和煤礦機(jī)器人應(yīng)用。

2020年10月10日，貴州省能源局發(fā)布《貴州省智能煤礦建設(shè)暫行管理規(guī)定(征求意見稿)》[24]，并進(jìn)一步于2020年12月16日升級為《貴州省智能煤礦建設(shè)指引(試行)》[25](以下稱“建設(shè)指引”)?！敖ㄔO(shè)指引”對智能煤礦建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施(通信網(wǎng)絡(luò)、硬件設(shè)施、軟件設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、調(diào)度監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)施)作了明確要求，重點(diǎn)規(guī)范了綜合管控平臺、生產(chǎn)系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)，并規(guī)定了生產(chǎn)技術(shù)管理、生產(chǎn)經(jīng)營管理、環(huán)保、通信、專家支持等系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，鼓勵使用先進(jìn)無線通信、煤礦機(jī)器人等技術(shù)。

2020年12月30日，貴州省能源局印發(fā)《貴州省智能煤礦評定辦法(暫行)》[26]，規(guī)定了“建設(shè)指引”中提到的各系統(tǒng)評分方法和評分標(biāo)準(zhǔn)，通過對各系統(tǒng)得分加權(quán)，得出合格(不低于80分)和不合格(低于80分)的結(jié)論?！敖ㄔO(shè)指引”中的專家支持系統(tǒng)和先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用屬于加分項(xiàng)，共5分；其他系統(tǒng)屬于必建項(xiàng)，共100分。在必建系統(tǒng)中，生產(chǎn)系統(tǒng)是重中之重，分值占比達(dá)50%；其次是智能煤礦綜合管控平臺、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)，占比分別為16%，10%，10%；其他系統(tǒng)(生產(chǎn)技術(shù)管理、生產(chǎn)經(jīng)營管理、環(huán)保、通信)共占比14%。

從前文分析可知，貴州省智能煤礦政策出臺具有清晰的脈絡(luò)：關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)境的全機(jī)械化→機(jī)械裝備智能化→智能煤礦建設(shè)宏觀規(guī)劃與階段任務(wù)劃分→建設(shè)內(nèi)容與功能要求→建設(shè)效果評價(jià)與定級。這也充分反映了參與各方對智能煤礦建設(shè)的認(rèn)知過程，符合事物發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律。

接下來分析山東省的煤礦智能化政策情況。2019年3月29日，山東煤礦安全監(jiān)察局和山東省能源局發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)沖擊地壓礦井智能化工作的通知》[27]，要求沖擊地壓礦井在2019年底前完成采掘工作面的智能化改造，以期大幅減少高危崗位人員數(shù)量，有效防范和遏制沖擊地壓事故。在2019年6月發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)全省煤礦智慧化建設(shè)和智能化改造的指導(dǎo)意見》[28]中，繼續(xù)以高沖擊地壓礦井為抓手，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)采掘工作面的全面智能化，大力推進(jìn)煤礦機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵、危險(xiǎn)崗位的無人代替，做到無人值守、有人巡視，打造一批示范智慧礦井，構(gòu)建智慧煤礦體系。

2019年12月5日，山東省能源局印發(fā)《山東省煤礦智能化建設(shè)實(shí)施方案》[29]，分階段、分步驟進(jìn)行智能煤礦建設(shè)。2019—2020年為重點(diǎn)突破階段，重點(diǎn)對41處沖擊地壓礦井進(jìn)行智能化改造，建成5～10處省級示范礦井，力爭建成3～5處國家級示范礦井。2021—2025年為全面推進(jìn)階段，逐步推進(jìn)全省采掘工作面綜合機(jī)械化、智能化、無人/少人化，實(shí)現(xiàn)主要環(huán)節(jié)智能化決策、自動協(xié)同運(yùn)行，建成一批智慧化煤礦。2026—2030年為鞏固提升階段，建成多系統(tǒng)集成、多產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的智能煤礦系統(tǒng)，構(gòu)建智能感知和自動決策執(zhí)行的智能煤礦體系。

在此基礎(chǔ)上，山東煤礦安全監(jiān)察局和山東省能源局于2020年3月24日發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加快全省煤礦智能化建設(shè)工作的通知》[30]，要求加快進(jìn)度、落實(shí)責(zé)任、加大支持、加強(qiáng)執(zhí)法、報(bào)送進(jìn)度，省屬煤礦、120萬t/a以上煤礦、高危(高瓦斯、煤與瓦斯突出)煤礦必須實(shí)現(xiàn)智能化開采，要在全國率先建成一批無人運(yùn)輸、透明開采、100人以下無人/少人示范智能礦井。

2020年5月25日，山東省能源局和山東煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布《山東省煤礦智能化驗(yàn)收辦法(試行)》[31]，對各智能煤礦的驗(yàn)收流程和驗(yàn)收方法進(jìn)行了規(guī)定，驗(yàn)收結(jié)果為合格或不合格2種結(jié)論，合格礦井要求綜合得分達(dá)到80分，且智能化采煤和智能化掘進(jìn)分別達(dá)到90，80分。與《貴州省智能煤礦評定辦法(暫行)》類似，《山東省煤礦智能化驗(yàn)收辦法(試行)》也將生產(chǎn)系統(tǒng)放在首位，智能化采煤、智能化掘進(jìn)占比分別為30%和20%，二者合計(jì)占比達(dá)50%。信息管控平臺、輔助運(yùn)輸和通防系統(tǒng)占比分別為15%，10%，10%。

2020年12月21日，山東省發(fā)展和改革委員會、山東省教育廳等13個(gè)部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)全省煤礦智能化發(fā)展的實(shí)施意見》[32]，進(jìn)一步細(xì)化了《山東省煤礦智能化建設(shè)實(shí)施方案》中2021—2025年的工作目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)制定、科技創(chuàng)新和人才隊(duì)伍建設(shè)，加快推進(jìn)采掘工作面、供電、通風(fēng)等主要系統(tǒng)的智能化改造和一體化平臺建設(shè)，加快機(jī)器人和大數(shù)據(jù)資源研發(fā)使用，并從組織、政策、督導(dǎo)等多方面保障落實(shí)。

與貴州省以機(jī)械智能化入手不同，山東省以解決本省所面臨的沖擊地壓、煤與瓦斯突出等重大災(zāi)害為抓手，在國家發(fā)布“指導(dǎo)意見”之前已經(jīng)頒發(fā)了相關(guān)指導(dǎo)意見和完整的實(shí)施方案，同時(shí)制定了完善的智能化建設(shè)與驗(yàn)收辦法。

除了貴州省和山東省之外，山西省也在煤礦智能化政策制定和推進(jìn)方面走在國內(nèi)前列，于2020年7月制定了《山西省智能煤礦建設(shè)規(guī)范》[33]，是第1個(gè)制定智能煤礦地方標(biāo)準(zhǔn)的省份。此外，在2020年12月發(fā)布了《煤礦智能化技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)中心建設(shè)實(shí)施意見》[34]，對智能煤礦前沿引領(lǐng)技術(shù)和關(guān)鍵共性技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。其他各省也已開展了大量政策研究制定工作，限于篇幅，不再逐一歸納分析。各省智能煤礦建設(shè)政策文件見表1。

表1 省級智能煤礦建設(shè)政策文件

3 結(jié)論

(1) 隨著人工智能研究的持續(xù)火熱，近4 a智能煤礦研究文獻(xiàn)數(shù)量呈近乎指數(shù)增長，主要關(guān)注對象是智慧礦山、智能礦山、煤礦智能化、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，主要研究機(jī)構(gòu)是中國煤炭科工集團(tuán)有限責(zé)任公司、中國礦業(yè)大學(xué)等。

(2) 國家順應(yīng)人工智能發(fā)展大勢，于2016年開始謀劃煤礦智能化，通過“指導(dǎo)意見”凝聚了煤炭行業(yè)參與方(政、產(chǎn)、學(xué)、研、用、經(jīng))共識，帶動了煤礦智能化研究與實(shí)踐的快速發(fā)展。

(3) 省級層面的智能煤礦政策從建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、驗(yàn)收定級甚至標(biāo)準(zhǔn)制定、創(chuàng)新研發(fā)中心等方面進(jìn)行了規(guī)定、規(guī)劃，大大加速了智能煤礦研究和建設(shè)的步伐，推動了近500個(gè)采掘工作面和一批智能煤礦示范礦井的落地。