煤礦安全智能化及其關(guān)鍵技術(shù)

武福生， 卜滕滕， 王璐

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦典型災(zāi)害防治是煤礦安全開采的重要內(nèi)容。煤炭科技發(fā)展為我國煤礦災(zāi)害防治注入強大助力。1990—2002年，煤礦開采迅速發(fā)展，煤礦事故死亡人數(shù)居高不下，處于高位波動期[1]。進入21世紀(jì)以來，國家對煤礦安全開采加大了資金投入與政策傾斜，煤炭科技得到長足發(fā)展。煤礦水、火、瓦斯、頂板和粉塵等主要災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警經(jīng)歷了從無到有、從機械式到自動化、從單點人工監(jiān)測到監(jiān)測系統(tǒng)的演變，2019年全國煤礦百萬噸死亡率下降到0.083，達到世界中等水平[2]。近幾年來，專家們提出了以智能化核心技術(shù)推動煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的思路。煤礦安全智能化技術(shù)是指與煤礦安全相關(guān)的智能化技術(shù)，是實現(xiàn)煤礦典型災(zāi)害智能感知和精準(zhǔn)預(yù)警的必要技術(shù)手段，也是煤礦安全生產(chǎn)的重要支撐。

本文論述了煤礦安全智能化的研究現(xiàn)狀，指出了煤礦安全智能化建設(shè)存在的問題，構(gòu)建了基于智能傳感數(shù)字化、設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化、安全融合智能化的煤礦安全智能化體系架構(gòu)。同時，分析了安全傳感技術(shù)的智能化發(fā)展問題，提出了推進煤礦安全智能化的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展思路。

1 研究現(xiàn)狀

國內(nèi)諸多專家學(xué)者對煤礦智能化的定義、科學(xué)內(nèi)涵、目標(biāo)及分級分類指標(biāo)進行了深入闡述與研究，初步形成了煤礦智能化建設(shè)理論體系[3-7]，但是針對煤礦安全智能化建設(shè)的論述較少。煤礦安全智能化是指依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建環(huán)境智能感知、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、風(fēng)險實時評估、災(zāi)害智能處置的智能化體系，實現(xiàn)水、火、瓦斯、頂板、粉塵等典型災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和災(zāi)后科學(xué)應(yīng)急救援。

國家發(fā)展和改革委員會等八部門于2020年2月聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中特別強調(diào)，要在2035年重點突破“重大危險源智能感知與預(yù)警”[8]。王國法等[9]指出了智能化煤礦建設(shè)中存在子系統(tǒng)數(shù)據(jù)兼容、網(wǎng)絡(luò)兼容、業(yè)務(wù)兼容和控制兼容的效果差，礦山生產(chǎn)預(yù)測難、監(jiān)控難、效率低、安全事故多，缺少考慮各系統(tǒng)的全局智能化綜合控制模型等問題。毛善君等[10]提出了“一盤棋、一張網(wǎng)、一張圖、一個庫”的流程化智能煤礦管控系統(tǒng)。李爽等[11]提出煤礦安全智能化的核心在于精準(zhǔn)的地測感知、全面的數(shù)據(jù)平臺、實時的風(fēng)險評估和智慧的災(zāi)害處置。張華等[12]提出將智能視頻識別技術(shù)和煤礦雙預(yù)控信息化系統(tǒng)結(jié)合，以實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、井下環(huán)境身份智能識別和煤礦風(fēng)險預(yù)警分析等功能。

目前煤礦安全智能化建設(shè)已取得階段性成果。根據(jù)《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》的建設(shè)規(guī)劃，帶式輸送機巡檢機器人、巷道巡檢機器人和工作面巡檢機器人分別在同煤大唐塔山煤礦有限公司、山東能源棗礦集團高煤公司、陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦投入使用，實現(xiàn)了對輸送帶、巷道和工作面的視頻和設(shè)備狀況等多參數(shù)感知[13]。方新秋等[14]提出利用光纖光柵傳感技術(shù)對圍巖應(yīng)力、錨桿錨索應(yīng)力、頂板離層狀態(tài)、液壓支架傾角、采煤機姿態(tài)和刮板輸送機等進行多參量信息感知，以全面反映綜采工作面安全生產(chǎn)狀態(tài)。

但是煤礦安全智能化建設(shè)還存在諸多問題：煤礦安全智能化技術(shù)體系不明晰；煤礦典型災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)未能完全實現(xiàn)自動化、數(shù)字化；上傳的數(shù)據(jù)數(shù)量少、質(zhì)量差；監(jiān)測數(shù)據(jù)因缺乏融合分析手段而成為離散化的信息孤島。存在以上問題的原因：① 現(xiàn)有的煤礦智能化設(shè)計方案僅明確了煤礦單一災(zāi)害系統(tǒng)建設(shè)，并未涉及不同災(zāi)害預(yù)警結(jié)果的協(xié)同融合，也未提及煤礦安全技術(shù)架構(gòu)體系。② 雖然煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過國家新一輪數(shù)字化技術(shù)升級，統(tǒng)一了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并實現(xiàn)了部分子系統(tǒng)融合，但是由于水、火、瓦斯、礦壓、粉塵等典型災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和安全相關(guān)感知系統(tǒng)的數(shù)字化水平參差不齊，各系統(tǒng)的融合及其與生產(chǎn)的協(xié)同控制還處于研究攻堅過程。因此，應(yīng)構(gòu)建煤礦安全智能化架構(gòu)體系，梳理智能感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸和智能化平臺應(yīng)用等內(nèi)容，明確各子系統(tǒng)的協(xié)同、耦合關(guān)系，通過建設(shè)一體化網(wǎng)絡(luò)及統(tǒng)一的煤礦安全信息平臺和應(yīng)用平臺，為煤礦安全智能化實施明確方向。

2 煤礦安全智能化技術(shù)體系

2.1 總體架構(gòu)

國家能源局、國家礦山安全監(jiān)察局于2021年6月5日發(fā)布的《煤礦智能化建設(shè)指南(2021年版)》中指出，智能化煤礦將人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)技術(shù)進行深入融合，形成全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦開拓、采掘(剝)、運輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營管理等全過程的智能化運行[15]。安全智能化屬于煤礦智能化的分支，因此，煤礦安全智能化體系架構(gòu)與煤礦智能化體系架構(gòu)一致，如圖1所示。煤礦安全智能化涉及“人、機、環(huán)、管”4個要素，包含智能傳感數(shù)字化、設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化、安全融合智能化3個方面。

圖1 煤礦安全智能化體系架構(gòu)Fig.1 Framework of coal mine safety intelligence

數(shù)字化是基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化是支撐，智能化是目標(biāo)。從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)來講，實現(xiàn)智能化的前提是數(shù)字化[16]，決策部分必須依靠數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)智能化分析決策和優(yōu)化運營。網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)據(jù)價值流動的途徑，智能化是創(chuàng)造經(jīng)濟和社會價值的最終體現(xiàn)。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的關(guān)系如圖2所示。

圖2 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的關(guān)系Fig.2 The relationship between digitization, networking and intelligence

2.2 智能傳感數(shù)字化

目前煤礦采用了大量自動化、智能化裝備，部分系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化改造。但是與安全相關(guān)的人、設(shè)備、環(huán)境信息、典型災(zāi)害、安全管理等數(shù)字化程度參差不齊，依然存在較多的非數(shù)字化行為及場景。智能化分析決策和優(yōu)化運營的基礎(chǔ)是精準(zhǔn)的數(shù)字感知信息，要實現(xiàn)安全智能化，“人、機、環(huán)、管”等相關(guān)安全環(huán)節(jié)必須實現(xiàn)數(shù)字化感知。

2.3 設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化

依據(jù)單一數(shù)據(jù)或區(qū)域數(shù)據(jù)進行煤礦整體安全分析決策是不可靠的。數(shù)據(jù)的價值在于流動和融合，應(yīng)通過各種網(wǎng)絡(luò)化方式，將安全感知數(shù)據(jù)傳輸至智能分析融合平臺，利用大數(shù)據(jù)分析手段，發(fā)揮數(shù)據(jù)挖掘和融合的各種技術(shù)優(yōu)勢，建立各種災(zāi)害預(yù)測模型、協(xié)同控制模型等，為安全智能化提供智能分析和協(xié)同控制的數(shù)據(jù)源。各種感知設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享傳輸和安全智能化的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

2.4 安全融合智能化

將煤礦應(yīng)急管理系統(tǒng)與災(zāi)害精準(zhǔn)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)合，礦井位置服務(wù)系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，可提高煤礦災(zāi)害應(yīng)急效率和水平，提升煤礦安全生產(chǎn)能力?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對各種煤礦安全感知信息進行融合，可提升煤礦災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警、協(xié)同救援等安全智能化水平。

3 關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展思路

3.1 安全感知數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)

要實現(xiàn)煤礦安全智能化，首先要實現(xiàn)安全感知數(shù)字化，將目前煤礦的非數(shù)字化行為及場景、更加豐富的人與設(shè)備安全傳感數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄芑脚_進行優(yōu)化處理。要實現(xiàn)全場景數(shù)字化傳感技術(shù)和全礦井?dāng)?shù)字化傳感網(wǎng)絡(luò)，需研究以下關(guān)鍵技術(shù)：

(1) 可靠性與穩(wěn)定性。要實現(xiàn)智能化系統(tǒng)協(xié)同及精準(zhǔn)預(yù)警，首先需要提升安全傳感器本身及傳感器通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。煤礦井下環(huán)境相對惡劣，實現(xiàn)傳感信號可靠穩(wěn)定是重要基礎(chǔ)，依托精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，智能化決策才有價值。傳感器信號無線傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性與有線通信方式相比還不具備突出優(yōu)勢，需要重點研究。

(2) 實時響應(yīng)速度。依據(jù)傳感器輸出信號進行控制及決策，傳感器的實時響應(yīng)速度必須滿足智能化系統(tǒng)協(xié)同控制的實時性要求。傳統(tǒng)的無線通信方式實時性較低，難以實現(xiàn)大量終端實時在線，利用5G的低時延、大帶寬技術(shù)特性有望解決這一問題。

(3) 傳感無線供電。無線網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展趨勢，基于煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳感網(wǎng)絡(luò)是感知的基礎(chǔ)。實現(xiàn)傳感器信號無線傳輸后，突顯了傳感器端的無線供電問題。后備供電涉及長時間不間斷工作要求與相關(guān)煤礦規(guī)程限制，傳感器無線供電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化研究應(yīng)用尚需時日突破。

(4) 電磁輻射和干擾。煤礦井下電磁環(huán)境復(fù)雜，隨著智能化系統(tǒng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)等的發(fā)展和應(yīng)用,電磁輻射及干擾會日益嚴(yán)重。因此,需研究具有較強抗電磁輻射性能的井下智能傳感器,以提升感知能力。

3.2 災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)

我國煤礦開采安全保障技術(shù)研究已經(jīng)邁入建立安全型礦井、實現(xiàn)區(qū)域性綜合防治的發(fā)展階段，形成了瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)體系，以及集地質(zhì)測量、生產(chǎn)技術(shù)、通風(fēng)安全、辦公自動化和數(shù)字化礦山、安全生產(chǎn)監(jiān)控于一體的預(yù)警平臺，實現(xiàn)了隱患聯(lián)動控制和動態(tài)預(yù)警，建立了移動式礦井重大災(zāi)害應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)[17]。新一代信息技術(shù)的發(fā)展給煤礦安全智能化帶來新的革命和發(fā)展契機，將人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭安全生產(chǎn)技術(shù)進行深入融合，研究實現(xiàn)煤礦多災(zāi)種耦合、主動感知與預(yù)測預(yù)警的大數(shù)據(jù)分析、智能化安全協(xié)同控制與應(yīng)急融合管控技術(shù)，將促進煤礦智能化安全生產(chǎn)。煤礦災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1) 煤礦災(zāi)害及多災(zāi)種耦合技術(shù)。對煤礦重大危險源識別評價與監(jiān)測預(yù)警進行系統(tǒng)理論和技術(shù)研究，形成復(fù)雜條件下多災(zāi)害耦合模型。研發(fā)多災(zāi)種耦合、多系統(tǒng)協(xié)同的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)與協(xié)同機制及基于煤礦復(fù)雜環(huán)境的“人、機、環(huán)、管”信息泛在感知技術(shù)，構(gòu)建實時、多源信息融合的智能化災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)體系。

(2) 煤礦災(zāi)害大數(shù)據(jù)融合分析方法與人工智能技術(shù)。目前人工智能技術(shù)在礦山的應(yīng)用只是點狀結(jié)合和淺度結(jié)合，沒有實現(xiàn)人工智能技術(shù)和礦山某個生產(chǎn)或管理系統(tǒng)層面的深度融合[18]。研究數(shù)據(jù)模型驅(qū)動的災(zāi)害規(guī)律分析方法，以及多參數(shù)、多維度安全態(tài)勢感知與預(yù)警理論和方法，應(yīng)用云計算、邊緣計算、人工智能技術(shù)融合的災(zāi)害事故預(yù)測預(yù)警技術(shù)，并利用煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)豐富災(zāi)害事故預(yù)測預(yù)警的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，可實現(xiàn)災(zāi)害的智能化預(yù)測和自動化預(yù)警，分階段建設(shè)煤礦安全智能化。

(3) 安全智能化體系與平臺建設(shè)。應(yīng)基于煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，加強人工智能技術(shù)和安全智能化融合的深入研究，應(yīng)用智能計算、智能通信、智能控制等融合技術(shù)，構(gòu)建多災(zāi)種、多類型的煤礦智能化災(zāi)害預(yù)警與協(xié)同生產(chǎn)控制系統(tǒng)，以及集監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險隱患管控、應(yīng)急救援、業(yè)務(wù)信息化管理為一體的安全智能化系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)煤礦安全智能化生產(chǎn)。應(yīng)同步構(gòu)建從煤礦、集團、礦區(qū)、省市到國家的煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與災(zāi)害應(yīng)急管理體系。此外，需要研究煤礦安全智能化體系建設(shè)的評價指標(biāo)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)煤礦安全智能化建設(shè)。

4 結(jié)語

煤礦安全是煤礦生產(chǎn)的保障，安全智能化也是煤礦智能化的協(xié)同有機體，安全智能化建設(shè)還需要進一步夯實基礎(chǔ)。結(jié)合煤礦智能化建設(shè)需求和安全智能化的現(xiàn)狀，提出了煤礦安全智能化體系建設(shè)架構(gòu)，并對安全感知數(shù)字化、災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)進行了論述。將人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭安全生產(chǎn)技術(shù)進行深入融合，研究實現(xiàn)安全主動感知與預(yù)測預(yù)警的智能聯(lián)動、多元協(xié)同與系統(tǒng)化煤礦安全管理，將推動煤礦智能化建設(shè)，促進煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。