HCPS 理論體系下新一代智能煤礦發(fā)展路徑

金智新，王宏偉，付翔

（1.太原理工大學(xué) 山西省煤礦智能裝備工程研究中心，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；4.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 博士后工作站，山西 太原 030024；5.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

面對(duì)煤礦工人日益短缺、安全風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯、煤炭產(chǎn)量需求日益增高、減排降耗要求日益提高等實(shí)際問題，煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展成為今后煤礦必經(jīng)之路。煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐已成為行業(yè)共識(shí)，自2020 年國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等八部委聯(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》出臺(tái)以來，全國(guó)煤礦智能化建設(shè)掀起歷史新高潮。為科學(xué)規(guī)范有序開展煤礦智能化建設(shè)，統(tǒng)一衡量智能化建設(shè)質(zhì)量，加快建成一批多種類型、不同模式的智能化煤礦，國(guó)家能源局發(fā)布了《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》，起草制定了《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法（試行）》[1]。國(guó)家和行業(yè)各類政策、標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)發(fā)布，旨在加快、準(zhǔn)確推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)步伐。

通過近些年全國(guó)煤礦智能化建設(shè)發(fā)展，建立了煤礦智能化基礎(chǔ)理論體系[2-3]，初步建立了煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系[4-5]，提出了分類分級(jí)智能化煤礦建設(shè)路徑[6]，形成了較為成熟的薄及中厚煤層一次采全高、厚煤層大采高、特厚煤層放頂煤智能化高效開采模式[7]，研發(fā)實(shí)踐了智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)成套技術(shù)模式[8-10]，初步研發(fā)了智能通風(fēng)系統(tǒng)理論與技術(shù)[11-12]，研發(fā)應(yīng)用了井下輔助運(yùn)輸無人駕駛與智能調(diào)度系統(tǒng)[13-14]，全面實(shí)施了固定崗位無人值守系統(tǒng)[15-16]，建立了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的煤礦綜合管控平臺(tái)[17-22]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)，2022 年上半年全國(guó)規(guī)模以上企業(yè)原煤產(chǎn)量219 350.7 萬t，同比增長(zhǎng)15.3%，同時(shí)，高技術(shù)制造業(yè)保持快速發(fā)展，增加值同比增長(zhǎng)9.6%，智能煤礦高效生產(chǎn)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)已初見成效。

煤礦智能化主要目標(biāo)是通過5G 通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與煤炭技術(shù)裝備的深度融合創(chuàng)新，真正實(shí)現(xiàn)煤炭安全、綠色、高效和智能化開采與利用[22]。智能煤礦隸屬于智能制造理論范疇，智能制造本身是一個(gè)不斷演進(jìn)發(fā)展的大概念，可歸納為3 個(gè)基本范式：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造（即新一代智能制造）[23]。當(dāng)前新型數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化煤機(jī)裝備研發(fā)制造、新型網(wǎng)絡(luò)化傳感器研發(fā)投入、網(wǎng)絡(luò)化信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等是煤礦智能化重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，重點(diǎn)發(fā)展數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造范式。隨著煤礦制造業(yè)智能化技術(shù)深入發(fā)展，新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，形成新一代智能制造技術(shù)，將成為新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)力。

周濟(jì)院士指出：制造業(yè)從傳統(tǒng)制造向新一代智能制造發(fā)展的過程是從原來的“人-物理系統(tǒng)”（Human-Physical System，HPS）向新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”（Human-Cyber-Physical System，HCPS）進(jìn)化的過程[23]。新一代HCPS 揭示了新一代智能制造的技術(shù)機(jī)理，以人為核心，利用物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)代替大量體力和腦力勞動(dòng)，借助人工智能技術(shù)代替更多創(chuàng)造性腦力勞動(dòng)，形成“人-信息-物理”三元協(xié)同交互機(jī)制與系統(tǒng)，有效指導(dǎo)新一代智能制造的理論研究和工程實(shí)踐。

在新一代智能制造發(fā)展背景下，結(jié)合目前煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)狀及發(fā)展問題，本文提出以人為核心的新一代智能煤礦的理論體系與技術(shù)路徑，為“智能、少人、安全、高效”煤礦持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)思路。

1 煤礦生產(chǎn)模式的機(jī)械化-信息化-智能化演進(jìn)

1.1 HPS-綜合機(jī)械化采煤生產(chǎn)模式

20 世紀(jì)70 年代以前，我國(guó)煤礦主要是人力采煤生產(chǎn)模式，采煤工具相對(duì)落后簡(jiǎn)陋。20 世紀(jì)80 年代之后，我國(guó)開始大力發(fā)展綜合機(jī)械化采煤生產(chǎn)技術(shù)。綜采工作面主要以采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、可伸縮帶式輸送機(jī)、移動(dòng)變電站、乳化液泵等典型綜采煤機(jī)裝備為代表，完成破、裝、運(yùn)、支、處等連續(xù)機(jī)械化采煤過程；掘進(jìn)工作面主要以綜掘機(jī)、掘錨機(jī)、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)等典型綜掘煤機(jī)裝備為代表，完成掘、支、運(yùn)等連續(xù)機(jī)械化掘進(jìn)過程；煤流運(yùn)輸方面采用整體礦井帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤流連續(xù)運(yùn)輸；輔助運(yùn)輸方面采用單軌吊、架空行人裝置、無軌膠輪車等，提高運(yùn)人運(yùn)料效率。綜合機(jī)械化采煤生產(chǎn)模式已是目前煤礦開采的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)技術(shù)模式，國(guó)內(nèi)已基本實(shí)現(xiàn)全面應(yīng)用。

從智能制造行業(yè)視角看，綜合機(jī)械化采煤生產(chǎn)模式是典型HPS 的生產(chǎn)制造架構(gòu)，如圖1 所示。各類煤礦機(jī)械化設(shè)備構(gòu)成煤機(jī)物理系統(tǒng)，煤礦技術(shù)人員通過眼觀、耳聽、手觸等感知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀態(tài)，分析決策工序操作方案，利用設(shè)備的控制面板、操作桿等人機(jī)接口控制動(dòng)力裝置、執(zhí)行裝置、工作裝置等，實(shí)現(xiàn)煤礦采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等關(guān)鍵工序環(huán)節(jié)的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)煤礦HPS 通過人工與設(shè)備交互，協(xié)作完成煤礦生產(chǎn)工藝工序，煤機(jī)設(shè)備代替了人工部分體力勞動(dòng)，但人工仍需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、工況分析、決策控制等大量體力和腦力勞動(dòng)，煤礦現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)性、人員操作的隨機(jī)性、設(shè)備環(huán)境的未知性等，為煤礦帶來巨大的人員安全隱患、低效的生產(chǎn)管理等痛點(diǎn)問題。

圖1 傳統(tǒng)煤礦的HPS 架構(gòu)Fig.1 Human-physical system architecture of traditional coal mine

1.2 HCPS-信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的初級(jí)智能化采煤生產(chǎn)模式

自2019 年以來，國(guó)內(nèi)全面加快煤炭行業(yè)智能化建設(shè)發(fā)展，建立了煤礦智能化基礎(chǔ)理論體系，初步構(gòu)建了煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系，根據(jù)我國(guó)煤層賦存條件和開采裝備水平，提出和實(shí)施分類分級(jí)智能化煤礦建設(shè)路徑，通過研發(fā)投入新型數(shù)字化煤機(jī)裝備，最終形成了薄煤層和中厚煤層工作面無人操作遠(yuǎn)程控制采煤、厚煤層大采高人工輔助+自動(dòng)化控制采煤、特厚煤層人工干預(yù)+自動(dòng)化放頂煤等較為成熟的煤炭初級(jí)智能化高效開采模式。更為重要的是，在數(shù)字化煤機(jī)裝備基礎(chǔ)上，對(duì)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的煤炭企業(yè)信息化基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了全面建設(shè)[24]，充分利用5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息化技術(shù)，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，系統(tǒng)性地構(gòu)筑超寬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理與共享的煤礦智能化綜合性數(shù)字基礎(chǔ)平臺(tái)。煤炭企業(yè)信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)范圍包括網(wǎng)絡(luò)、云數(shù)據(jù)中心、綜合管控平臺(tái)三大部分，分別應(yīng)用于地質(zhì)保障、采掘、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)、安全監(jiān)控、園區(qū)管理、運(yùn)營(yíng)決策等生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域和環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)了煤礦人、機(jī)、物、環(huán)、管的“一網(wǎng)、一云、一平臺(tái)”的全方面信息化。信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的初級(jí)智能化采煤生產(chǎn)模式是目前煤礦智能化建設(shè)的主要目標(biāo)和任務(wù)，截至2021 年底，全國(guó)有近400 座煤礦正在開展智能化建設(shè)，總投資規(guī)模超過1 000 億元，已建成智能化采掘工作面687 個(gè)。

從智能制造行業(yè)視角看，信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的初級(jí)智能化采煤生產(chǎn)模式是HCPS，是由人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)有機(jī)集成的綜合智能系統(tǒng)，包括HPS、人-信息系統(tǒng)（Human-Cyber System，HCS）、信息-物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）等子系統(tǒng)，如圖2 所示。新型數(shù)字化煤礦機(jī)械與設(shè)備構(gòu)成煤機(jī)物理系統(tǒng)，通過對(duì)傳統(tǒng)煤機(jī)設(shè)備的數(shù)字化、自動(dòng)化升級(jí)改造和新型傳感器、機(jī)器人、智能終端等的研發(fā)投入，實(shí)現(xiàn)煤炭開采環(huán)境的數(shù)字感知和單工序的自動(dòng)控制，并與煤礦信息系統(tǒng)有機(jī)組成CPS 架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)煤礦人、機(jī)、物、環(huán)、管的信息數(shù)據(jù)集成、交互、計(jì)算、服務(wù)等。煤炭企業(yè)信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)形成的煤礦信息系統(tǒng)利用井上下有線和無線網(wǎng)絡(luò)、云數(shù)據(jù)中心等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟硬件設(shè)施，實(shí)現(xiàn)煤礦大數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、治理等信息交互與處理基礎(chǔ)功能；利用綜合管控平臺(tái)，構(gòu)建通用的采礦行業(yè)專家知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)煤礦信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和可視化應(yīng)用。煤礦信息系統(tǒng)與煤礦技術(shù)人員有機(jī)組成HCS 架構(gòu)，人工通過管控平臺(tái)的可視化應(yīng)用或系統(tǒng)人機(jī)接口，及時(shí)獲悉煤礦現(xiàn)場(chǎng)工況信息，并遠(yuǎn)程控制煤機(jī)物理系統(tǒng)或調(diào)度指揮開采工序流程，實(shí)現(xiàn)HCPS 體系下信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的初級(jí)智能化采煤生產(chǎn)模式。

圖2 初級(jí)智能煤礦的HCPS 架構(gòu)Fig.2 Human-cyber-physical system architecture of primary intelligent coal mine

1.3 新一代HCPS-人工智能賦能的高級(jí)智能化采煤生產(chǎn)模式

目前信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和煤機(jī)系統(tǒng)數(shù)字化升級(jí)是初級(jí)智能煤礦的主要建設(shè)內(nèi)容，其構(gòu)建形成的基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦HCPS 架構(gòu)是煤礦智能化建設(shè)的基礎(chǔ)和底層條件。然而，目前多數(shù)煤礦尚未引入云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)多生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同化、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警化、決策科學(xué)化等真正意義上的煤礦智能化建設(shè)，這成為全面的、高級(jí)的智能煤礦更大的挑戰(zhàn)和問題[24]。智能煤礦是一個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，具有單元數(shù)量巨大、信息多元異構(gòu)、關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜等特點(diǎn)[2]，煤礦采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等工序環(huán)節(jié)具有較強(qiáng)的特殊工藝要求和專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)特點(diǎn)。利用人工智能的強(qiáng)信息處理能力，結(jié)合煤礦專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，構(gòu)建人工智能技術(shù)賦能的模型、方法、規(guī)則，開發(fā)煤礦專業(yè)場(chǎng)景化APP 應(yīng)用，通過人機(jī)交互可視化，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)與人工協(xié)作決策，安全高效地完成煤炭開采全業(yè)務(wù)流程，是新一代智能煤礦的技術(shù)核心思路。

在初級(jí)智能煤礦HCPS 架構(gòu)基礎(chǔ)上，新一代智能煤礦HCPS 架構(gòu)（圖3）應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)化形成跨層級(jí)、跨媒體的智能信息交互與處理基礎(chǔ)功能，通過邊緣計(jì)算軟硬件實(shí)現(xiàn)煤機(jī)系統(tǒng)的多工序協(xié)同自適應(yīng)控制。初級(jí)智能煤礦HCS 通過人工賦予信息系統(tǒng)常規(guī)固化的專業(yè)知識(shí)模型與規(guī)則，實(shí)現(xiàn)“授之以魚”。而新一代智能煤礦HCS 通過大數(shù)據(jù)挖掘、人機(jī)混合智能、群體智能等人工智能技術(shù)方法，構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)學(xué)習(xí)認(rèn)知系統(tǒng)，進(jìn)而形成采礦行業(yè)專家知識(shí)與人工智能整合而成的自成長(zhǎng)型知識(shí)庫(kù)，驅(qū)動(dòng)煤礦專業(yè)場(chǎng)景、業(yè)務(wù)、工序的智能分析、決策、控制，實(shí)現(xiàn)“授之以漁”。新一代智能煤礦的HCPS 體系深度利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人工智能賦能的采礦行業(yè)知識(shí)軟件化，通過高智能、高效的人機(jī)協(xié)同高級(jí)智能化采煤生產(chǎn)模式，代替人工大量體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)，逐步邁向煤礦“智能、少人、安全、高效”的終極目標(biāo)。

圖3 新一代智能煤礦的HCPS 架構(gòu)Fig.3 Human-cyber-physical system architecture of new generation intelligent coal mine

2 新一代智能煤礦關(guān)鍵場(chǎng)景技術(shù)

煤礦智能化發(fā)展的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)煤礦全時(shí)空多源信息實(shí)時(shí)感知、安全風(fēng)險(xiǎn)雙重預(yù)防閉環(huán)管控、全流程人-機(jī)-環(huán)-管數(shù)字互聯(lián)高效協(xié)同運(yùn)行、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全自動(dòng)化作業(yè)[6]。因此，煤礦智能化建設(shè)是一個(gè)迭代發(fā)展、不斷進(jìn)步的過程，不是一次性結(jié)果，更不是“基建交鑰匙工程”[2]，以人為核心的新一代智能煤礦是未來煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的路徑之一。當(dāng)前煤炭行業(yè)正處于信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的初級(jí)智能化采煤生產(chǎn)模式，為新一代智能煤礦全面建設(shè)奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)與變革條件，但其發(fā)展仍然面臨眾多瓶頸，限于篇幅，本文列舉部分關(guān)鍵場(chǎng)景技術(shù)如下。

（1）煤礦地質(zhì)透明化技術(shù)。利用多種手段開展地質(zhì)信息采集，并與采掘工程信息相互融合，構(gòu)建三維地質(zhì)透明模型，包含超前鉆孔地質(zhì)透明化、掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化、回采工作面地質(zhì)透明化三大應(yīng)用場(chǎng)景[25]。

（2）開采系統(tǒng)集群自主協(xié)同控制技術(shù)。基于智能化工作面新型數(shù)字化采煤裝備和信息系統(tǒng)，建立綜采系統(tǒng)“單機(jī)-組-群”三級(jí)控制架構(gòu)及分布式控制架構(gòu)[26]，利用先進(jìn)智能決策與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)變多因素影響下的綜采裝備群最優(yōu)操作軌跡規(guī)劃及自主協(xié)同控制。

（3）采場(chǎng)礦壓與支護(hù)智能預(yù)警技術(shù)。通過工作面大數(shù)據(jù)分析挖掘，建立回歸、分類等機(jī)器學(xué)習(xí)估計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)礦壓智能分析、頂板來壓智能預(yù)測(cè)、冒頂智能預(yù)警、支架適應(yīng)性及支護(hù)質(zhì)量智能評(píng)價(jià)、支架故障智能診斷等功能。

（4）沖擊地壓智能預(yù)警技術(shù)。基于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的理論公式[27]，融合人工智能數(shù)據(jù)挖掘方法，建立礦井沖擊地壓關(guān)鍵參數(shù)預(yù)測(cè)模型，開發(fā)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的沖擊地壓智能預(yù)警信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)性等級(jí)、危險(xiǎn)性區(qū)域及潛在的災(zāi)害時(shí)間等及時(shí)預(yù)警。

（5）采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性智能評(píng)估預(yù)警技術(shù)。通過對(duì)采空區(qū)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)與分析，融合自然發(fā)火機(jī)理和人工智能方法，構(gòu)建采空區(qū)自然發(fā)火趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)火點(diǎn)精準(zhǔn)定位，自燃程度、發(fā)火趨勢(shì)精確評(píng)價(jià)預(yù)警。

（6）采掘工作面瓦斯涌出智能預(yù)測(cè)技術(shù)。通過對(duì)采煤工作面和掘進(jìn)工作面的瓦斯?jié)舛取囟?、壓力等多源信息監(jiān)測(cè)，利用瓦斯涌出機(jī)理與人工智能方法構(gòu)建瓦斯涌出預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)瓦斯涌出區(qū)域精準(zhǔn)定位、工作面瓦斯分布演化趨勢(shì)的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。

（7）采掘工作面瓦斯突出智能預(yù)警技術(shù)。對(duì)采煤工作面和掘進(jìn)工作面的地質(zhì)參數(shù)、鉆進(jìn)參數(shù)、瓦斯放散特征進(jìn)行智能感知，利用瓦斯涌出機(jī)理與人工智能方法構(gòu)建煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出位置、突出強(qiáng)度、突出危險(xiǎn)等級(jí)的智能動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

（8）礦井智能通風(fēng)技術(shù)。利用礦井風(fēng)量反演風(fēng)阻算法等通風(fēng)理論[28]，借助新一代信息技術(shù)，構(gòu)建“風(fēng)量在線準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)-控風(fēng)預(yù)案決策-風(fēng)流隔斷/調(diào)節(jié)響應(yīng)”一體化智能通風(fēng)系統(tǒng)[2]，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)，風(fēng)門、風(fēng)窗、主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)等通風(fēng)設(shè)施智能控制，三維礦井通風(fēng)管控決策等功能。

（9）煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警技術(shù)?；趶V義安全結(jié)構(gòu)理論[29]，分析影響煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)的人、機(jī)、環(huán)多方面數(shù)據(jù)，利用信息系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的煤礦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤礦安全全因素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與智能預(yù)警。

（10）煤礦關(guān)鍵設(shè)備健康管理技術(shù)。利用煤機(jī)振動(dòng)、溫度、電氣等數(shù)據(jù)，借助人工智能方法構(gòu)建煤礦設(shè)備專業(yè)故障分析與健康預(yù)測(cè)模型，利用信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、掘進(jìn)機(jī)、通風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的故障診斷、狀態(tài)分析、壽命預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程運(yùn)維等。

（11）井下運(yùn)輸路徑規(guī)劃與智能調(diào)度技術(shù)?；诰氯藛T、車輛定位系統(tǒng)，根據(jù)煤礦整體安全生產(chǎn)任務(wù)需求，構(gòu)建人員、特種機(jī)器人、軌道車、膠輪車、單軌吊、帶式輸送機(jī)等路徑規(guī)劃模型與平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)行人、物料、煤炭、機(jī)器人智能調(diào)度。

（12）井下機(jī)器視覺智能監(jiān)測(cè)技術(shù)。利用機(jī)器視覺與圖像識(shí)別技術(shù)，構(gòu)建煤礦井下采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等工序的場(chǎng)景智能識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)井下人員行為、設(shè)備工況、環(huán)境安全、工藝情景等關(guān)鍵場(chǎng)景的智能監(jiān)控與實(shí)時(shí)報(bào)警。

（13）煤炭智能化分選技術(shù)。利用新一代信息技術(shù)，以煤炭提質(zhì)增效為目標(biāo)，構(gòu)建由物聯(lián)網(wǎng)層、控制層、管理層、決策層組成的智能化選煤廠架構(gòu)，重點(diǎn)突破重介質(zhì)分選過程智能化、浮選過程智能化、煤泥水健康保障系統(tǒng)智能化及選煤生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)智能化等關(guān)鍵技術(shù)[30]，實(shí)現(xiàn)選煤過程的多工序智能控制、流程決策優(yōu)化、綜合管控等。

（14）采掘工作面全景全息數(shù)字孿生技術(shù)。面向采掘裝備物理系統(tǒng)不可測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的決策層數(shù)據(jù)信息匱乏和控制策略執(zhí)行測(cè)試問題，利用采掘工作面已有數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)理，基于仿真的數(shù)字孿生建模方法，構(gòu)建采掘裝備機(jī)理模型和行為模型的數(shù)字孿生在環(huán)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采掘裝備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋和智能控制算法測(cè)試[31]。

上述關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)應(yīng)當(dāng)以煤炭行業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，以新型煤機(jī)設(shè)備、傳感器、特種機(jī)器人等物理系統(tǒng)研制和大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)開發(fā)為手段，采用煤礦多環(huán)節(jié)、多工序、多業(yè)務(wù)綜合一體化管控平臺(tái)與模式，實(shí)現(xiàn)新一代智能煤礦的安全高保障、生產(chǎn)高效率、人員高素質(zhì)、裝備高可靠、信息高精度。

3 新一代智能煤礦的HCPS 理論體系

3.1 新一代智能煤礦的HCPS 技術(shù)體系

新一代智能煤礦的HCPS 是以人為中心，由傳統(tǒng)煤礦HPS 進(jìn)化而來，由人、煤礦信息系統(tǒng)和煤機(jī)裝備物理系統(tǒng)有機(jī)集成的綜合智能系統(tǒng)，其技術(shù)體系如圖4 所示。

圖4 新一代智能煤礦的HCPS 技術(shù)體系Fig.4 Human-cyber-physical system technology system of new generation intelligent coal mine

煤機(jī)裝備物理系統(tǒng)由煤礦傳統(tǒng)機(jī)械化煤機(jī)設(shè)備升級(jí)為新型數(shù)字化煤機(jī)裝備，主要包括采掘、運(yùn)輸、機(jī)電、通風(fēng)、安監(jiān)、地質(zhì)、分選等傳統(tǒng)煤機(jī)設(shè)備的數(shù)字化、自動(dòng)化改造升級(jí)，同時(shí)新增煤礦特種機(jī)器人、新型傳感器、音視頻系統(tǒng)、單兵智能穿戴、煤機(jī)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)等煤礦智能新型設(shè)備與系統(tǒng)。上述傳統(tǒng)設(shè)備升級(jí)與新型系統(tǒng)應(yīng)用，使新一代智能煤礦的物理系統(tǒng)具備數(shù)字化感知、自動(dòng)化控制等關(guān)鍵功能，為CPS 提供了底層數(shù)字化技術(shù)基礎(chǔ)，也為HPS提供了設(shè)備自動(dòng)化執(zhí)行條件，代替了人工大量體力勞動(dòng)和部分腦力勞動(dòng)。

煤礦信息系統(tǒng)是在新型數(shù)字化煤機(jī)裝備基礎(chǔ)上建設(shè)而成，主要包括礦井信息網(wǎng)絡(luò)、音視頻系統(tǒng)、定位網(wǎng)絡(luò)、信息安全設(shè)施、云計(jì)算中心、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、應(yīng)用軟件平臺(tái)等新一代信息技術(shù)軟硬件，主要完成CPS 的數(shù)據(jù)采集、交互、集成、存儲(chǔ)、計(jì)算、服務(wù)、統(tǒng)計(jì)分析、可視化等基本信息化功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)HCS 的協(xié)同管控、歷史數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)監(jiān)管、移動(dòng)辦公、智能終端等人機(jī)交互功能，代替了人工部分腦力勞動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)智能煤礦業(yè)務(wù)需求和專業(yè)知識(shí)，融合人工智能技術(shù)方法，由煤礦大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建礦井透明地質(zhì)、采掘生產(chǎn)控制、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、通風(fēng)解算優(yōu)化、煤流視覺監(jiān)測(cè)、輔助運(yùn)輸路徑規(guī)劃、礦壓感知預(yù)警、瓦斯趨勢(shì)預(yù)測(cè)、全景數(shù)字孿生、采空區(qū)監(jiān)測(cè)、設(shè)備預(yù)測(cè)維護(hù)、多部門協(xié)同管理等采礦專業(yè)+人工智能融合模型，并依托煤礦信息化基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和軟件應(yīng)用，形成以煤礦安全生產(chǎn)為目標(biāo)的新一代智能煤礦人工智能賦能技術(shù)，逐步代替人工大量腦力勞動(dòng)。

人是新一代智能煤礦HCPS 技術(shù)體系的核心。傳統(tǒng)煤礦的技術(shù)人員以體力密集型為特點(diǎn)，設(shè)置采掘、運(yùn)輸、機(jī)電、通風(fēng)、安全、地測(cè)、調(diào)度等各類煤礦安全生產(chǎn)崗位及相關(guān)部門，通過崗位工的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)操作、安全檢查巡視、通信調(diào)度指揮，管理人員的措施規(guī)程制定、計(jì)劃上傳下達(dá)、現(xiàn)場(chǎng)匯報(bào)獲悉等煤礦人員行為，完成傳統(tǒng)煤礦以人的大量體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)為主，煤機(jī)裝備物理系統(tǒng)代替人部分體力勞動(dòng)的安全生產(chǎn)模式。新一代智能煤礦的技術(shù)人員以腦力密集型為主，技術(shù)人員和管理人員工作模式逐步發(fā)展為煤礦信息系統(tǒng)的集控操作、數(shù)據(jù)分析、電子繪圖、維護(hù)檢修、平臺(tái)調(diào)度、移動(dòng)辦公、軟件開發(fā)等人機(jī)協(xié)同方式。新一代智能煤礦依托煤機(jī)裝備物理系統(tǒng)數(shù)字化、自動(dòng)化升級(jí)，煤礦信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施及采礦專業(yè)+人工智能賦能的信息化技術(shù)代替了人員大量體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)，不僅減少了傳統(tǒng)煤礦大量現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)崗位人員，而且提高了煤礦運(yùn)營(yíng)管理工作效率，真正實(shí)現(xiàn)智能化煤礦“少人則安、高效生產(chǎn)”的最終目標(biāo)。

3.2 新一代智能煤礦的HCPS 技術(shù)組成要素

新一代智能煤礦應(yīng)涵蓋HCPS 理論體系下人、信息、物理系統(tǒng)的全面技術(shù)要素，以及三者集成的關(guān)鍵技術(shù)與模式，見表1。

表1 新一代智能煤礦的HCPS 技術(shù)組成要素Table 1 Elements of human-cyber-physical system technology of new generation intelligent coal mine

4 以人為核心的新一代智能煤礦技術(shù)路徑

4.1 煤礦安全生產(chǎn)目標(biāo)下人機(jī)自主協(xié)同交互模式

CPS 模式的自主程度受信息獲取、信息分析、決策、行動(dòng)選擇及行動(dòng)實(shí)施等因素影響。在人機(jī)混合智能系統(tǒng)中，自主系統(tǒng)的自主程度定義了哪些功能應(yīng)該是自主的，而哪些功能應(yīng)該由人來管理[32]。當(dāng)前，對(duì)于人機(jī)交互模式的研究尚不成熟，難以回答諸如“靈活可變的自主程度是否真正有益”這類問題[33]。因此，人機(jī)自主系統(tǒng)需要依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求和特點(diǎn)，深入理解和研究場(chǎng)景目標(biāo)下人機(jī)自主協(xié)同交互模式與架構(gòu)。

“安全、生產(chǎn)”是煤炭開采的基本任務(wù)，“少人、高效”是智能煤礦的效用目標(biāo)，新一代智能煤礦HCPS 是一個(gè)以人為核心的人機(jī)混合巨系統(tǒng)，涉及采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)之間存在開采工藝、設(shè)備、人員等復(fù)雜耦合關(guān)系，具有包含子系統(tǒng)種類繁多且數(shù)量龐大、子系統(tǒng)層次多等特點(diǎn)[34]。面向煤礦巨系統(tǒng)多種類子系統(tǒng)特征、復(fù)雜關(guān)聯(lián)架構(gòu)、自主協(xié)同機(jī)制、人在回路交互方式等技術(shù)需求，本文依據(jù)文獻(xiàn)[32]定義的10 級(jí)自主程度表，提出新一代智能煤礦HCPS 體系下不同自主程度的人機(jī)協(xié)同交互模式，見表2。

表2 新一代智能煤礦HCPS 體系下不同自主程度的人機(jī)協(xié)同交互模式Table 2 Human-machine cooperative interaction mode with different autonomy degrees under new generation intelligent coal mine human-cyber-physical system

4.2 人在回路的煤礦安全生產(chǎn)態(tài)勢(shì)感知

在人機(jī)混合系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)人類有效監(jiān)控的最關(guān)鍵因素之一是保持整體任務(wù)環(huán)境和單個(gè)自主系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知能力，即要求人類能夠觀察到環(huán)境的變化和集群自主系統(tǒng)的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)，以便能夠提供適當(dāng)?shù)目刂戚斎隱35]。相比于計(jì)算機(jī)，人類有無法比擬的認(rèn)知、學(xué)習(xí)、邏輯推理、概念演繹能力，但在數(shù)據(jù)記憶、處理、傳遞等繁瑣、反復(fù)的工作方面，計(jì)算機(jī)更加勝任。在目前人機(jī)混合系統(tǒng)發(fā)展模式下，人在回路的態(tài)勢(shì)感知是人機(jī)自主協(xié)同模式關(guān)鍵技術(shù)之一。

新一代智能煤礦巨系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生多源、異構(gòu)、海量的煤礦大數(shù)據(jù)，雜亂無章的數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含煤礦物理環(huán)境、人員行為與狀態(tài)、煤機(jī)行為與狀態(tài)等態(tài)勢(shì)信息，如何從繁雜海量數(shù)據(jù)中分析、提取、推理出安全生產(chǎn)態(tài)勢(shì)的結(jié)論性信息，通過人在回路的人機(jī)協(xié)同方式，推理、演繹、決策煤礦安全生產(chǎn)態(tài)勢(shì)，及時(shí)做出合理的人機(jī)協(xié)同行為，是新一代智能煤礦面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。人在回路的煤礦安全生產(chǎn)態(tài)勢(shì)感知技術(shù)框架如圖5 所示。利用新一代人工智能技術(shù)，結(jié)合煤炭行業(yè)專業(yè)人員知識(shí)、工藝特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)煤礦大數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化探索分析、特征工程、機(jī)器學(xué)習(xí)建模、模型優(yōu)化與修正等人在回路的數(shù)據(jù)挖掘一體化分析，構(gòu)建煤礦不同業(yè)務(wù)、不同場(chǎng)景的智能感知模型，為技術(shù)人員提供安全生產(chǎn)態(tài)勢(shì)相關(guān)的中間結(jié)果或最終結(jié)論，通過人在回路方式，直接、迅速地監(jiān)控、推理、預(yù)測(cè)煤礦安全生產(chǎn)過程態(tài)勢(shì)。

圖5 人在回路的煤礦安全生產(chǎn)態(tài)勢(shì)感知技術(shù)框架Fig.5 Situation awareness technology framework of coal mine safety production based on man in the loop

4.3 人機(jī)信任與交互模式下的煤礦系統(tǒng)控制共享

在人機(jī)混合系統(tǒng)中，人類對(duì)自主系統(tǒng)的信任是團(tuán)隊(duì)能否完成任務(wù)的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)的透明度和可觀測(cè)性對(duì)人類非常重要，人類的整體任務(wù)負(fù)載也將影響其信賴自主系統(tǒng)的程度。同時(shí)，工作量、風(fēng)險(xiǎn)和自主系統(tǒng)的可靠性感知都影響人類對(duì)自主系統(tǒng)的信任程度[33]。需要注意的是，人類對(duì)自主系統(tǒng)的錯(cuò)誤行為比人類自身的錯(cuò)誤更加敏感：一旦自主系統(tǒng)出錯(cuò)，這種相對(duì)的敏感性將導(dǎo)致對(duì)自主系統(tǒng)信任的快速下降。但同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)變大時(shí)，人類傾向于更多地依賴自主系統(tǒng)而不是人工輔助。此外，人的因素在人機(jī)信任中也同樣重要：當(dāng)自信超過對(duì)自主系統(tǒng)信任時(shí)，人類傾向于使用手動(dòng)控制；當(dāng)對(duì)自主系統(tǒng)的信任超過自信時(shí)，將更多地使用自動(dòng)控制[33]。人類對(duì)自主系統(tǒng)的態(tài)度和信任也會(huì)受其個(gè)性（如內(nèi)向和外向）、情感因素（如情緒）和壓力狀態(tài)（如疲勞）的影響。

新一代智能煤礦巨系統(tǒng)的人機(jī)自主協(xié)同決策與控制是實(shí)現(xiàn)煤炭“智能、少人、安全、高效”生產(chǎn)目標(biāo)的關(guān)鍵，煤機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)化程度、信息系統(tǒng)智能程度、工藝工序復(fù)雜程度、技術(shù)人員水平、生產(chǎn)責(zé)任與管理制度等因素都影響到人機(jī)信任，進(jìn)而影響煤礦各系統(tǒng)人機(jī)自主協(xié)同決策與控制機(jī)制（圖6）。新一代智能煤礦巨系統(tǒng)的任務(wù)應(yīng)該分解成包含穩(wěn)定的全局行為和局部行為的多個(gè)子任務(wù)，這些子任務(wù)應(yīng)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，并解耦以避免沖突和干擾，最后再動(dòng)態(tài)分配給煤礦技術(shù)人員和CPS 自主協(xié)同系統(tǒng)，進(jìn)而控制底層煤機(jī)物理系統(tǒng)完成煤炭開采全工序。

圖6 基于人機(jī)信任的煤礦各系統(tǒng)人機(jī)自主協(xié)同決策與控制機(jī)制Fig.6 Human-machine autonomous cooperative decision-making and control mechanism of coal mine systems based on man-machine trust

依據(jù)上述煤礦各系統(tǒng)人機(jī)自主協(xié)同決策與控制機(jī)制，面向人機(jī)信任與交互模式下的煤礦系統(tǒng)控制共享問題，提出如下3 種控制共享機(jī)制。

（1）弱信任互補(bǔ)交互模式下的控制共享。在人在回路中，技術(shù)人員扮演主動(dòng)參與角色，與煤機(jī)自主系統(tǒng)是行為串聯(lián)關(guān)系，技術(shù)人員借助CPS，通過對(duì)煤礦生產(chǎn)過程的態(tài)勢(shì)判斷、演繹推理、指令操作等，與煤機(jī)物理系統(tǒng)協(xié)作互補(bǔ)完成煤炭開采各個(gè)工序。

（2）強(qiáng)信任監(jiān)管交互模式下的控制共享。在人在回路中，技術(shù)人員扮演監(jiān)督角色，作用更像是一個(gè)開關(guān)，與煤機(jī)自主系統(tǒng)是行為并聯(lián)關(guān)系，技術(shù)人員借助CPS，通過煤機(jī)物理系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)過程的狀態(tài)監(jiān)控、隱患排查、工效評(píng)價(jià)，若自主系統(tǒng)出現(xiàn)控制偏離或安全隱患，隨時(shí)切換到人工控制完成工序。

（3）不同信任等級(jí)重疊交互模式下的控制共享。人類干預(yù)自主控制指令的方法稱為混合主動(dòng)控制，物理系統(tǒng)得到的控制命令是人工控制輸入和自主系統(tǒng)輸入的線性混合。具體來說，將人工控制輸入表示為uh(t)（t為時(shí)間），自主系統(tǒng)輸入表示為ua(t)，它們的線性混合可表示為u(t)=Khuh(t)+Kaua(t)，其中，u(t)為生成的控制命令，Kh和Ka為仲裁矩陣，Kh+Ka=I，I為單位矩陣。

新一代智能煤礦煤炭開采各個(gè)工序的人機(jī)混合主動(dòng)控制應(yīng)根據(jù)技術(shù)人員的技術(shù)水平、自信程度、安全風(fēng)險(xiǎn)、煤機(jī)設(shè)備自主性程度、執(zhí)行可靠性等方面來確定人機(jī)信任程度，并設(shè)計(jì)最合適的人工控制輸入和自主系統(tǒng)輸入，以實(shí)現(xiàn)最合理的人機(jī)自主協(xié)同決策與控制。

4.4 煤礦任務(wù)場(chǎng)景的人機(jī)信息交互可視化應(yīng)用開發(fā)

人機(jī)交互界面是人類和自主系統(tǒng)之間的橋梁，決定了人類的命令和反饋信息及其表示形式[32]。人機(jī)交互界面需要確保人類能夠理解機(jī)器和環(huán)境的意圖和行為，還需要適當(dāng)分配人對(duì)重要事件的注意力，并確保人的決策權(quán)力[35]。

新一代智能煤礦巨系統(tǒng)涵蓋各式各樣的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，利用煤礦綜合管控平臺(tái)，根據(jù)多樣的人機(jī)協(xié)同模式，針對(duì)不同業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的人機(jī)界面，并開發(fā)多個(gè)煤礦任務(wù)場(chǎng)景的人機(jī)交互與協(xié)同應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息多維度展示、多級(jí)信任控制共享。主要包含如下3 個(gè)方面的人機(jī)信息交互可視化應(yīng)用。

（1）煤機(jī)管控命令可視化應(yīng)用。煤礦管控命令可視化應(yīng)用將技術(shù)人員的意圖或策略轉(zhuǎn)換成適配煤機(jī)自主系統(tǒng)的管控命令。在擔(dān)任管理角色時(shí)，煤礦技術(shù)人員的行為策略被映射為高級(jí)命令，包括為煤機(jī)自主系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)、分配自主級(jí)別和干預(yù)；在擔(dān)任控制角色時(shí)，煤礦技術(shù)人員提供連續(xù)的控制命令，通過人機(jī)界面應(yīng)用低延時(shí)地傳遞給自主系統(tǒng)。然而，煤礦自主系統(tǒng)的自由度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于技術(shù)人員指令信號(hào)的維度，導(dǎo)致人與自主系統(tǒng)之間互動(dòng)存在不對(duì)稱性。因此，人機(jī)交互與協(xié)同界面應(yīng)用開發(fā)應(yīng)充分考慮從低維人工指令信號(hào)到高維集群自主系統(tǒng)控制任務(wù)的直觀映射。

（2）煤礦態(tài)勢(shì)反饋可視化應(yīng)用。煤礦態(tài)勢(shì)反饋可視化應(yīng)用將煤機(jī)自主系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制輸出轉(zhuǎn)換為煤礦技術(shù)人員能夠理解的反饋信息，通常以視覺輔以聽覺形式實(shí)現(xiàn)。借助基于人工智能模型的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，煤礦技術(shù)人員在擔(dān)任管理角色時(shí)，可通過GUI（Graphical User Interface，圖形用戶界面）和視頻接收結(jié)論性信息反饋；在擔(dān)任控制角色時(shí)，人機(jī)界面應(yīng)提供關(guān)于自主系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息或中間結(jié)果，輔助技術(shù)人員快速、準(zhǔn)確完成控制共享任務(wù)。

（3）煤礦智能模型開發(fā)可視化應(yīng)用。煤礦智能模型開發(fā)可視化應(yīng)用旨在為技術(shù)人員提供一個(gè)煤礦海量數(shù)據(jù)分析挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)建模與修正的快速、便捷開發(fā)平臺(tái)。應(yīng)至少包含三大功能：①多源異構(gòu)數(shù)據(jù)探索性可視化分析。技術(shù)人員通過平臺(tái)可任意查詢、讀取煤礦多數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多維度、多組合可視化，便于技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，分析挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律，基于專業(yè)知識(shí)開展特征工程、建模分析等工作。② 已有模型優(yōu)化與更新。技術(shù)人員獲取一定權(quán)限后，可根據(jù)模型應(yīng)用效果，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景變化，通過平臺(tái)對(duì)已有模型進(jìn)行在線調(diào)參、拓展、反饋、修正等。③新業(yè)務(wù)場(chǎng)景模型開發(fā)與應(yīng)用。技術(shù)人員根據(jù)煤礦業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求與目標(biāo)，通過平臺(tái)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)建模、模型應(yīng)用流程設(shè)計(jì)、專家?guī)炷K化組建等可視化低代碼編程，實(shí)現(xiàn)模型快速開發(fā)與應(yīng)用部署。

5 結(jié)論

（1）依據(jù)新一代智能制造HCPS 理論體系，通過分析煤礦生產(chǎn)模式的機(jī)械化-信息化-智能化演進(jìn)過程，提出了新一代智能煤礦的HCPS 技術(shù)體系與組成，為新一代智能煤礦建設(shè)奠定了理論基礎(chǔ)。

（2）在新一代智能煤礦HCPS 體系下，提出了以人為核心的“智能、少人、安全、高效”煤礦發(fā)展技術(shù)路徑，重點(diǎn)闡述了煤礦安全生產(chǎn)目標(biāo)下人機(jī)自主協(xié)同交互模式、人在回路的煤礦安全生產(chǎn)態(tài)勢(shì)感知、人機(jī)信任與交互模式下的煤礦系統(tǒng)控制共享、煤礦任務(wù)場(chǎng)景的人機(jī)信息交互可視化應(yīng)用開發(fā)等核心技術(shù)，為新一代智能煤礦建設(shè)提供了具體的技術(shù)思路。

（3）新一代智能煤礦建設(shè)發(fā)展的核心關(guān)鍵是人，技術(shù)人員利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)，貫通賦能于設(shè)計(jì)、研發(fā)、應(yīng)用、實(shí)施、運(yùn)行、管理等新一代智能煤礦全產(chǎn)業(yè)鏈。因此，采礦、機(jī)械、信息、計(jì)算機(jī)、管理等多學(xué)科交叉人才培養(yǎng)與實(shí)踐，是新一代智能煤礦發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

（4）隨著新一代智能煤礦HCPS 架構(gòu)的成熟應(yīng)用，安全管控、生產(chǎn)規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)分發(fā)、人員管理、設(shè)備管理、資產(chǎn)管理等全方面的煤礦運(yùn)營(yíng)方式發(fā)生了變革，傳統(tǒng)煤礦的生產(chǎn)規(guī)程和管理制度逐漸難以適用。因此，煤礦管理創(chuàng)新、安全制度創(chuàng)新、生產(chǎn)模式創(chuàng)新、人員工種創(chuàng)新等，是新一代智能煤礦發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)之二。