基于5G技術(shù)的煤礦智能化開采關(guān)鍵技術(shù)探索

韋躍輝

隨著當(dāng)前時(shí)代的發(fā)展，5G技術(shù)已經(jīng)成為我國重要的戰(zhàn)略部署之一，在我國的發(fā)展之中起著重要的作用，其中非常關(guān)鍵的一個(gè)部分就是智能化的建設(shè)。煤礦作為重要的工業(yè)原料，在開采的過程中，需要大量的環(huán)節(jié)布置，因此需要做好對其智能化方面的布置，可以有效提升煤礦的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)煤礦的發(fā)展和進(jìn)步，所以本文主要對5G技術(shù)時(shí)代下，煤礦的發(fā)展進(jìn)行分析，希望對相關(guān)的從業(yè)人員有一定的參考。

5G技術(shù) 煤礦智能化 關(guān)鍵技術(shù) 煤礦開采

WEI Yuehui

（Zhengzhou Coal Electrical Machinery and Electrical Equipment Management Center Communication Branch， Zhengzhou， Henan Province， 452371 China）

With the development of the current era， 5G technology has become one of the important strategic deployment in China， which plays an important role in China’s development， and one of the key parts is the intelligent construction. Coal mine as an important industrial raw material， in the process of mining， needs a large number of link layout， therefore， it needs to do a good job in its intelligent layout， which can effectively enhance the production efficiency of coal mine， and realize the development and progress of coal mine， so this paper mainly on the 5G technology era， the development of coal mine analysis， hope to have a certain reference to the relevant practitioners.

5G technology; Coal mine intellectualization; Key technology; Coal mining

當(dāng)前世界上最經(jīng)濟(jì)的能源是煤炭，在未來的一段時(shí)間內(nèi)，煤礦的發(fā)展直接關(guān)系到我國的進(jìn)步，對于我國發(fā)展有著至關(guān)重要的作用，因此在這樣的情況下，我國加快了智能化開采工作的建設(shè)。由于5G技術(shù)的出現(xiàn)以及發(fā)展，對我國當(dāng)前的智能化進(jìn)步有著非常強(qiáng)的推動作用，是實(shí)現(xiàn)我國發(fā)展的關(guān)鍵所在，因此在這樣的情況下，如何解決當(dāng)前5G智能化煤礦開采的關(guān)鍵技術(shù)問題，是實(shí)現(xiàn)煤礦智能化發(fā)展的重點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)煤礦進(jìn)步的有效手段，只有解決這個(gè)問題，才可以保證我國煤礦的長期發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國能源方面的進(jìn)步。

隨著智能化建設(shè)的推進(jìn)，煤礦生產(chǎn)各環(huán)節(jié)將逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，各系統(tǒng)設(shè)備操控將由井下轉(zhuǎn)移到地面，煤礦日常生產(chǎn)將主要依靠智能操控中心、智能技術(shù)支持中心和智能運(yùn)維隊(duì)伍協(xié)作完成，實(shí)現(xiàn)煤礦由“高危生產(chǎn)”向“本質(zhì)安全”轉(zhuǎn)變、由“規(guī)模產(chǎn)量”向“質(zhì)量效益”轉(zhuǎn)變、由“勞動密集”向“技術(shù)創(chuàng)新”轉(zhuǎn)變、由“傳統(tǒng)開采”向“智能開采”轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。煤礦智能化有利于提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)勘探，還能夠延伸煤炭企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，打造煤礦智能裝備和煤礦機(jī)器人研發(fā)制造等新產(chǎn)業(yè)。開展煤礦智能化建設(shè)是貫徹落實(shí)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略的重要舉措。

智慧煤礦的總目標(biāo)是帶領(lǐng)煤礦構(gòu)建科學(xué)完善的智慧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)營的智能化、綠色化開采和利用。智慧煤礦最基本的煤炭加工要求：數(shù)字化、信息化。理論上需要解決的問題是：數(shù)字化煤礦多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間關(guān)系的統(tǒng)一表達(dá);采礦系統(tǒng)的作用機(jī)理、姿態(tài)智能控制和復(fù)雜環(huán)境的理論基礎(chǔ);礦山設(shè)備組的健康狀況及維護(hù)措施。

在建設(shè)智慧煤礦的過程中，包括8個(gè)智能化生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)。首先要搭建的是一個(gè)承載生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)的智能云平臺。MOS系統(tǒng)綜合管理運(yùn)營平臺是一個(gè)智慧礦山。從根本上說，它是一個(gè)感知綜合礦山信息、建設(shè)、展示和應(yīng)用智慧礦山的平臺。利用煤礦配套的子系統(tǒng)、傳感器和智能設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，利用業(yè)務(wù)邏輯功能和多需求通信進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算處理。人事管理等應(yīng)用功能屬于內(nèi)置系統(tǒng)的建設(shè)。確保智慧煤礦科學(xué)有效發(fā)展的首要條件是做好智慧煤礦頂層設(shè)計(jì)。智慧煤礦建設(shè)從一套標(biāo)準(zhǔn)體系出發(fā)，建立感知網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建高速數(shù)據(jù)通道，形成大數(shù)據(jù)應(yīng)用中心和多業(yè)務(wù)云服務(wù)平臺。

采用智能視頻技術(shù)，充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和邏輯控制技術(shù)，實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)采集、處理綜合應(yīng)用，提高企業(yè)資源和資金的利用效率，降低成本支出，是企業(yè)創(chuàng)新和發(fā)展的一個(gè)重大方向。因此在當(dāng)前的發(fā)展中，需要保證可視化系統(tǒng)的發(fā)展，只有以此為基礎(chǔ)，才可以完成斜井帶式輸送在線安全監(jiān)控系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)視頻分析控制系統(tǒng)，并結(jié)合綜合自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)視頻監(jiān)控主生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能化可視化管理。在異物檢測的基礎(chǔ)上，可以檢測并報(bào)警帶式輸送機(jī)尾部是否有煤。在實(shí)際的使用中，一旦發(fā)現(xiàn)存在不對的情況，能夠及時(shí)報(bào)警或者調(diào)整，這樣也是系統(tǒng)的自檢能力，保證當(dāng)前的機(jī)組運(yùn)行正常，對于機(jī)組而言，使用這樣的方式可以極大地提升當(dāng)前的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)對自動化管理工作的加強(qiáng)。

建立基于大數(shù)據(jù)的礦山安全生產(chǎn)云服務(wù)平臺。研究基于大數(shù)據(jù)時(shí)空行為分析等技術(shù)，提供高可靠、高擴(kuò)展、高訪問性能的多礦大數(shù)據(jù)存儲模式?；诖髷?shù)據(jù)分析的礦難備災(zāi)、演進(jìn)、應(yīng)急全過程反演，實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)環(huán)境的“透明化”，在煤礦災(zāi)害早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)防領(lǐng)域取得突破。通過基于云計(jì)算的統(tǒng)一服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)信息的跨區(qū)域?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和共享服務(wù)。這方面主要涉及云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)聚合、數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)與搜索等技術(shù)。基于分布式計(jì)算技術(shù)，建立綜采工作面大數(shù)據(jù)云計(jì)算框架，開發(fā)競爭專家分析決策、支持多種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)分析引擎，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)算法庫和擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)云計(jì)算和數(shù)據(jù)對外交互。而且物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算模式可以依靠5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的快速分析和控制，有效地提升了當(dāng)前對于礦山安全概率，實(shí)現(xiàn)了礦山的發(fā)展和進(jìn)步。

為保證煤礦科學(xué)有序開采，按質(zhì)保量完成掘進(jìn)設(shè)備的推廣，需要對開采設(shè)備的空間位置和作業(yè)路徑進(jìn)行準(zhǔn)確定位和測量。現(xiàn)實(shí)中，由于地下空間封閉復(fù)雜，電磁干擾嚴(yán)重，缺乏衛(wèi)星導(dǎo)航引導(dǎo)，設(shè)備難以準(zhǔn)確定位導(dǎo)航。精確的定位技術(shù)可以保證在開采的過程中，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控，可將地下各區(qū)域的人員、設(shè)備情況及時(shí)、準(zhǔn)確地反映到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員可以隨時(shí)掌握井下人員、設(shè)備的分布情況，便于更合理地調(diào)度管理。同時(shí)，可以利用報(bào)警提示功能，通過設(shè)置員工進(jìn)井時(shí)間，超時(shí)可向進(jìn)井人員報(bào)警。此外，還可以在一些重要的地下室和危險(xiǎn)場所（盲道等）設(shè)置電子圍欄，對員工的出入權(quán)限進(jìn)行管理。如果未經(jīng)授權(quán)的人員進(jìn)入，就會發(fā)出警報(bào)，達(dá)到安全、可靠的目的。該系統(tǒng)可在惡劣環(huán)境下24h正常工作，有利于搶險(xiǎn)救災(zāi)。發(fā)生事故時(shí)，可立即利用計(jì)算機(jī)查詢事故現(xiàn)場人員位置分布、被困人員人數(shù)、遇險(xiǎn)人員疏散路線等信息，為事故救援提供科學(xué)依據(jù)。

在地下使用三維技術(shù)，可以有效地了解地下的情況，對未來發(fā)生的事情做出有效的預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對地下情況的有效監(jiān)控。在5G技術(shù)發(fā)展之后，信息本身傳輸?shù)牧坑辛速|(zhì)的飛躍，這樣的好處就是在實(shí)施的過程中，能夠有效地對地下的情況進(jìn)行真實(shí)的反饋，從而建立起完善的三維影像，這樣就能夠及時(shí)根據(jù)地下情況的變化而調(diào)整當(dāng)前的開采方法等，實(shí)現(xiàn)有效的管理和控制，促進(jìn)智能化開采技術(shù)的實(shí)施。

礦山生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模龐大復(fù)雜，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行分析。由于目前技術(shù)的缺乏，難以提取科學(xué)有效的數(shù)據(jù)，分析挖掘過程中數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)規(guī)律，無法應(yīng)用于智能挖掘和控制。

人工智能是使計(jì)算機(jī)模擬某些人類思維過程和智能行為（例如學(xué)習(xí)、推理、思維、計(jì)劃等）的學(xué)科，主要包括通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能，制造類似于人腦智能的計(jì)算機(jī)的原理，因此該計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更高級別的應(yīng)用程序。人工智能將涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)和語言學(xué)?？梢哉f，幾乎所有自然科學(xué)和社會科學(xué)學(xué)科都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)科學(xué)的范圍。人工智能與思維科學(xué)之間的關(guān)系就是實(shí)踐與理論之間的關(guān)系。人工智能處于思維科學(xué)及其應(yīng)用分支的技術(shù)應(yīng)用水平。從思維的角度來看，人工智能不僅限于邏輯思維，而且只有通過形象思考和啟發(fā)思維，才能促進(jìn)人工智能的突破性發(fā)展。數(shù)學(xué)通常被視為許多學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)，其已進(jìn)入語言和思維領(lǐng)域，因此人工智能的主題也可借用數(shù)學(xué)工具。數(shù)學(xué)不僅在標(biāo)準(zhǔn)邏輯、模糊數(shù)學(xué)等領(lǐng)域中發(fā)揮作用，將其引入人工智能學(xué)科，它們將相互促進(jìn)，發(fā)展更快。具備這樣技術(shù)的智能，在當(dāng)前很多領(lǐng)域中都可以進(jìn)行使用，其中煤礦的開采就是一個(gè)類別，但是礦井下的情況復(fù)雜多變，需要智能機(jī)器人能夠根據(jù)實(shí)際的情況做出有效的判斷，才可以投入到生產(chǎn)之中，這就需要5G技術(shù)協(xié)調(diào)輔助，在一些復(fù)雜的情況下，實(shí)現(xiàn)有效的規(guī)劃，從而完成開采工作，在這樣的情況下，才可以實(shí)現(xiàn)智能化技術(shù)的有效推廣和實(shí)施。

在開挖工作中，開挖支護(hù)問題沒有得到合理解決。科學(xué)合理地推進(jìn)支護(hù)工作機(jī)械化快速發(fā)展，可以解決開挖工作的關(guān)鍵問題。為了更好、更科學(xué)地處理這個(gè)關(guān)鍵問題，必須突破兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是開挖臨時(shí)支護(hù)作業(yè)技術(shù);二是鉆孔、錨固、注漿一次作業(yè)過程。一方面，發(fā)展靈活的自移動臨時(shí)支撐系統(tǒng)，為設(shè)置永久支撐滯后創(chuàng)造條件;另一方面，開發(fā)新型鉆孔錨桿注入、一次性錨桿安裝或邊挖邊自動鉆孔裝載系統(tǒng)，統(tǒng)一分散的開挖支護(hù)生產(chǎn)流程，滿足開挖支護(hù)工作并行快速的要求。

綜采工作面分布式多機(jī)協(xié)同控制技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)如下。第一，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系綜采設(shè)備組的姿態(tài)模型和位置關(guān)系運(yùn)動學(xué)模型。第二，綜采工作面分布式多機(jī)共控原理及算法。第三，改進(jìn)俯仰采礦等復(fù)雜條件下液壓支架自動跟隨移動技術(shù)和裝置。第四，開發(fā)具有快速響應(yīng)特性的智能供液系統(tǒng)。

想要實(shí)現(xiàn)上述的研究和發(fā)展，需要重視以下4個(gè)重點(diǎn)。第一是各種類型、時(shí)間尺度的圍巖環(huán)境數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)插值算法及軟件，分層建立數(shù)據(jù)特征庫。第二是為了拓寬學(xué)習(xí)的深度和廣度，建立智能挖掘控制行為模式推理決策算法和軟件。第三是圍巖環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行趨勢的推理算法和軟件。第四是建立完善的挖掘大數(shù)據(jù)推送措施和制度。

一是傳感技術(shù)的研發(fā)。傳感器是承擔(dān)智慧機(jī)器人的眼睛功能，對智慧機(jī)器人的使用起到很好的作用，因此在當(dāng)前的設(shè)計(jì)之中，必須重視對于傳感器的設(shè)計(jì)，讓傳感器能夠和軟件共同作用，從而讓采礦機(jī)器人能夠感知聲光、物體以及外部環(huán)境等，并且能夠針對這些情況做出相應(yīng)的判斷，保證在多變的外部環(huán)境中能夠更好地適應(yīng)。二是地下環(huán)境中傳感器、數(shù)據(jù)通信和多源傳感數(shù)據(jù)的融合與定位技術(shù)。三是復(fù)雜井下環(huán)境下不同種類綜采設(shè)備的同聲傳譯與集成。

為建立和完善我國煤炭資源和產(chǎn)能布局，改變煤炭資源開發(fā)基本產(chǎn)業(yè)政策中傳統(tǒng)的開采方式和產(chǎn)能裝備勢在必行。在改變原有煤礦生產(chǎn)經(jīng)營模式的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一智能煤礦和智能采礦方案，維護(hù)系統(tǒng)云服務(wù)，組建智能專業(yè)的采礦團(tuán)隊(duì)，解決煤礦人才與管理運(yùn)營水平的不平衡問題，同時(shí)加強(qiáng)市場服務(wù);在加快推進(jìn)智能煤礦和智能采礦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營管理規(guī)范建設(shè)的同時(shí)，建立安全章程制度，更好地推進(jìn)智能無人采礦，縮短智能無人采礦技術(shù)裝備更新?lián)Q代的時(shí)間。

信息技術(shù)主要是通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在我國未來的發(fā)展之中，5G技術(shù)必然會在眾多的行業(yè)中加以運(yùn)用，因此在實(shí)際的使用之中，5G技術(shù)的優(yōu)勢就是能夠及時(shí)對問題進(jìn)行反饋，比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快數(shù)百倍。5G技術(shù)有四大重要特點(diǎn)，即高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時(shí)延，這使得遠(yuǎn)程操作機(jī)器人成為可能，從而可有效地改善地下的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)地下工作的進(jìn)步和發(fā)展。

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綜上所述，在當(dāng)前的時(shí)代之中，煤礦的開采工作本身事關(guān)重大，且涉及到很多人的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此需要做好完全的準(zhǔn)備，才可以實(shí)施地下煤礦的建設(shè)工作，保證當(dāng)前的開采工作能夠順利有效的實(shí)施，達(dá)到預(yù)期的作用，推動我國能源事業(yè)的發(fā)展。

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