關(guān)于當(dāng)前露天礦智能化建設(shè)的思考

陳再明

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036002）

2020 年3 月，國家8 部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，要求“加強(qiáng)科技創(chuàng)新，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)的深度融合，完善多層次多類型人才培養(yǎng)體系，提升煤炭智能化水平，提高煤礦生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平。并要求建設(shè)一批效果突出、帶動(dòng)性強(qiáng)的示范工程，形成煤礦智能化產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。”指導(dǎo)意見明確了煤礦智能化建設(shè)目標(biāo)任務(wù)，為煤礦智能化發(fā)展指明了方向。

目前，我國露天礦智能化建設(shè)正處于啟步的時(shí)期。中煤平朔集團(tuán)牽頭編制了國內(nèi)首部露天礦智能化建設(shè)規(guī)范，國家能源局正在征求智能化煤礦驗(yàn)收辦法的意見，各研究所、科研院校從建設(shè)的角度提出了智能化礦山的架構(gòu)，正在編制礦用卡車無人駕駛等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，露天礦智能化建設(shè)正處于百花開放、百家爭鳴的發(fā)展階段。但也有一些研究機(jī)構(gòu)不太了解現(xiàn)場需要，認(rèn)為技術(shù)萬能，把智能化技術(shù)作為“錘子”，遇到什么問題都想敲一下，一些礦山不了解技術(shù)進(jìn)步的情況，因循守舊。為此，從露天礦山智能化建設(shè)應(yīng)用實(shí)踐方面，提出一些思考[1－5]。

1 露天礦智能化建設(shè)應(yīng)構(gòu)建“五個(gè)一”架構(gòu)

以礦山應(yīng)用的角度講，智能化建設(shè)應(yīng)構(gòu)建“五個(gè)一”架構(gòu)，具體如下：

1）構(gòu)建礦區(qū)“一張圖”。將礦區(qū)采掘場、排土場、工業(yè)場地和地面水電暖、通迅線路、道路、建筑物、鐵路等地理信息和地質(zhì)賦存信息匯集到”一張圖“中，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，定期更新，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量管理、采剝計(jì)算、設(shè)計(jì)優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化、邊坡管理、土地管理等多項(xiàng)功能，這是建設(shè)礦山智能化的基礎(chǔ)。現(xiàn)階段應(yīng)解決研發(fā)實(shí)時(shí)掃描儀器，對露天礦采場、排土場、道路等進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，以便滿足卡車無人駕駛等現(xiàn)場實(shí)際需求。另外，隨著露天礦現(xiàn)場采掘工程及生產(chǎn)鉆探補(bǔ)充勘探，應(yīng)定時(shí)煤巖賦存條件及煤巖屬性等信息進(jìn)行更新。

2）構(gòu)建礦區(qū)“一張網(wǎng)”。將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、公司局域網(wǎng)、4G、5G 網(wǎng)絡(luò)安全連接，構(gòu)建為”一張網(wǎng)“，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通。無線網(wǎng)絡(luò)包括4G、WiFi6、5G 等，有線網(wǎng)絡(luò)采用超萬兆帶寬設(shè)計(jì)，可承載露天礦所有有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了露天礦有線、無線網(wǎng)絡(luò)無縫連接。通過煤礦“一張網(wǎng)”的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)露天礦安全、生產(chǎn)、管理等環(huán)節(jié)的數(shù)字、控制、語音、視頻等海量信息高效實(shí)時(shí)傳輸，滿足露天礦不同帶寬、不同時(shí)延、不同接入密度的各類系統(tǒng)接入需求；保障露天礦惡劣條件下監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，提升智能化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；保證露天礦所有智能化子系統(tǒng)融合接入，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指揮透明管理和直觀管理，大大提升信息的準(zhǔn)確度和及時(shí)性，提升生產(chǎn)管理效率。

3）構(gòu)建安全監(jiān)控“一個(gè)平臺(tái)”。將井工礦的六大系統(tǒng)、露天礦邊坡監(jiān)測系統(tǒng)、卡車防碰撞系統(tǒng)、爆破監(jiān)控系統(tǒng)、選煤廠、煤化工以及礦區(qū)的安全監(jiān)控納入安全監(jiān)控“一個(gè)平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)“反三違”、防盜竊、風(fēng)險(xiǎn)隱患管理全時(shí)間、全覆蓋、智能聯(lián)動(dòng)、閉環(huán)管理，構(gòu)建本質(zhì)安全型礦山。

4）構(gòu)建生產(chǎn)指揮“一個(gè)中心”。以卡車調(diào)度系統(tǒng)和煤炭采裝、運(yùn)輸、洗選、外運(yùn)流程為基礎(chǔ)，構(gòu)建生產(chǎn)指揮“一個(gè)中心”，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，協(xié)同經(jīng)營信息系統(tǒng)，為成本利潤決策提供依據(jù)。

5）構(gòu)建信息數(shù)據(jù)“一朵云”?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)能采必采，構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助決策。

2 露天礦智能化建設(shè)的核心是卡車調(diào)度系統(tǒng)

露天礦智能化建設(shè)的核心是卡車調(diào)度系統(tǒng)，即通過卡車調(diào)度系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)分區(qū)域卡車的智能調(diào)度，提高設(shè)備效率；以調(diào)度系統(tǒng)為中樞，實(shí)現(xiàn)電鏟、卡車（包括輪胎）、工程機(jī)械設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線和智能診斷，“未病防病，已病治病”，實(shí)現(xiàn)智能化檢修；以調(diào)度系統(tǒng)的產(chǎn)量和運(yùn)距為基礎(chǔ)，通過柴油流量計(jì)等工具，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況柴油消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，大幅度降低柴油單耗，實(shí)現(xiàn)碳減排。

2.1 卡車調(diào)度系統(tǒng)的現(xiàn)狀

以中煤平朔集團(tuán)為例，中煤平朔集團(tuán)卡車調(diào)度系統(tǒng)于2019 年完成東露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)的新建和安太堡露天礦、安家?guī)X露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)的整合工作，將原有卡車調(diào)度系統(tǒng)替換，重新規(guī)劃通訊網(wǎng)絡(luò)、規(guī)劃車載設(shè)備、規(guī)劃機(jī)房建設(shè)、歷史卡調(diào)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、軟件功能的整合，同時(shí)還建立了數(shù)據(jù)匯總平臺(tái)，將3 個(gè)露天礦的設(shè)備定位、狀態(tài)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和產(chǎn)量、里程等運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步至公司層級數(shù)據(jù)匯總平臺(tái)，便于公司各個(gè)部門對3 個(gè)露天礦卡調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的訪問。目前，各礦卡車調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行正常，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性在98%以上，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、通訊網(wǎng)絡(luò)的VLAN 劃分、產(chǎn)量自動(dòng)計(jì)算、斷點(diǎn)續(xù)傳功能，報(bào)表設(shè)計(jì)全面，鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度定位。

2.2 存在的問題

雖然系統(tǒng)目前運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面誤差較小，仍存在問題如下：網(wǎng)絡(luò)瓶頸，有限帶寬限制圖像、視頻、語音等功能的拓展；駕駛室卡車防撞系統(tǒng)、司機(jī)疲勞監(jiān)測等系統(tǒng)在駕駛室零亂布置、碎片化問題突出；鉆機(jī)實(shí)時(shí)孔深信息無法采集；數(shù)據(jù)挖掘程度低；卡車實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度沒有應(yīng)用。

2.3 未來發(fā)展方向

結(jié)合現(xiàn)狀卡車調(diào)度系統(tǒng)，以問題為導(dǎo)向，卡車調(diào)度系統(tǒng)的拓展及優(yōu)化未來從以下4 個(gè)方向開展[6-9]。

1）多源數(shù)據(jù)融合的卡車調(diào)度系統(tǒng)。多源數(shù)據(jù)包括圖像數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源，涉及的系統(tǒng)主要集中在設(shè)備駕駛室，包括卡車調(diào)度系統(tǒng)、司機(jī)疲勞監(jiān)測系統(tǒng)、車輛防碰撞系統(tǒng)、360°安全倒車引導(dǎo)系統(tǒng)等，研究多源數(shù)據(jù)融合的卡車調(diào)度系統(tǒng)，將司機(jī)疲勞監(jiān)測系統(tǒng)、360°環(huán)視影像系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)、卡車調(diào)度系統(tǒng)等集成在工業(yè)級軟硬件平臺(tái)上，為司機(jī)提供一個(gè)簡潔、舒適、減少視野遮擋的作業(yè)環(huán)境，有效降低礦山車輛駕駛事故的發(fā)生概率。

2）高精度鉆機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)。對露天礦鉆孔設(shè)備的位置、狀態(tài)、孔位、孔深等信息的采集，實(shí)現(xiàn)對鉆孔設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)跟蹤與顯示，通過鉆孔過程的電流實(shí)時(shí)監(jiān)控來判斷巖性、修改裝藥設(shè)計(jì)，根據(jù)布孔參數(shù)快速形成作業(yè)計(jì)劃，提高鉆機(jī)作業(yè)精度和作業(yè)效率。

3）卡車調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘。礦山生產(chǎn)管理日積月累了大量數(shù)據(jù)，不只是簡單的查詢和匯總，需要進(jìn)行更高層次的挖掘和分析。

4）卡車分區(qū)域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度。實(shí)現(xiàn)卡車實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度是卡車調(diào)度系統(tǒng)最精華的功能，但是卡車駕駛員習(xí)慣在熟悉的路線作業(yè)，卡車調(diào)度系統(tǒng)頻繁規(guī)劃路線不利于安全，因此各露天礦基本未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度功能。建議研究根據(jù)生產(chǎn)情況將整個(gè)生產(chǎn)礦區(qū)劃分為若干子區(qū)域，子區(qū)域內(nèi)的車鏟實(shí)現(xiàn)卡車實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度。

3 卡車無人駕駛是智能化研究方向

3.1 當(dāng)前現(xiàn)狀及存在的問題

當(dāng)前，一些設(shè)備制造廠家和無人駕駛公司以及各露天礦，均將卡車無人駕駛作為露天礦智能化的核心，卡特彼勒已投入150 臺(tái)無人駕駛卡車，累計(jì)運(yùn)輸10 億t；小松投入100 臺(tái)無人駕駛卡車，累計(jì)運(yùn)輸15 億t；國能能源準(zhǔn)能集團(tuán)正在改造現(xiàn)有165 臺(tái)礦用卡車，正在研發(fā)無人駕駛電鏟；中煤平朔集團(tuán)正在試驗(yàn)國內(nèi)首臺(tái)無人值守鉆機(jī)，1 臺(tái)套（7 臺(tái)卡車）200 t 級無人駕駛卡車在東露天礦試運(yùn)行；華能伊敏露天礦正在試驗(yàn)4 臺(tái)200 t 級無人駕駛卡車；國家電投霍林河露天礦正在試驗(yàn)1 臺(tái)12 m3無人駕駛電鏟和卡車無人駕駛；寶日希勒正在試驗(yàn)極寒地區(qū)5 臺(tái)卡車無人駕駛。從理論上講，卡車無人駕駛可壓縮每天的交接班、吃飯、夜班休息時(shí)間約2.5 h，可提高卡車效率10%。但實(shí)際上由于安全的原因、現(xiàn)在國內(nèi)無人駕駛卡車的安全員仍不能下車，由于行駛速度較慢、對障礙物不能實(shí)時(shí)避讓等原因，卡車無人駕駛效率只達(dá)到有人駕駛效率的50%左右。

3.2 未來研究方向

我國大型露天礦安全管理已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，一些無人駕駛公司以安全作為無人駕駛優(yōu)于有人駕駛的理由是不成立的；一些礦山甚至將有人駕駛與無人駕駛混行作為項(xiàng)目亮點(diǎn)，但這只會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性?？ㄜ嚐o人駕駛距離成熟尚需一段時(shí)間，仍需加強(qiáng)投入、通過長時(shí)間的運(yùn)行來積累經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)效率達(dá)到有人駕駛的100%以上、運(yùn)行成本降至有人駕駛的100%以下是卡車無人駕駛大規(guī)模推廣的前提條件。電鏟無人駕駛和推土機(jī)無人駕駛目前只是一種技術(shù)研究，推土機(jī)無人駕駛可用于搶險(xiǎn)救災(zāi)，取代有人駕駛更需時(shí)日[10]。

4 當(dāng)前露天礦智能化研究與實(shí)施重點(diǎn)

1）安全預(yù)警和輔助操作系統(tǒng)是研究重點(diǎn)。由于大型電鏟、卡車和工程機(jī)械的視覺盲區(qū)較大，以及司機(jī)長時(shí)間操作存在疲勞駕駛，目前大型設(shè)備如電鏟、卡車、推土機(jī)等急需使用雷達(dá)、紅外、光學(xué)攝像頭掌握全方位的作業(yè)情況，智能感知周邊設(shè)備和人員并智能預(yù)警。另外，需要研發(fā)電鏟輔助操作系統(tǒng)，提示電鏟司機(jī)按設(shè)計(jì)標(biāo)高采掘，并對臺(tái)階超高、大牙丟失等情況預(yù)警；卡車設(shè)備廠家應(yīng)研發(fā)輔助倒車、輔助駕駛等技術(shù)，并將司機(jī)疲勞監(jiān)測系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置、集成到卡車調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳并智能預(yù)警；推土機(jī)也需要研發(fā)輔助操作系統(tǒng)按設(shè)計(jì)標(biāo)高排土。

2）固定場所智能巡檢和無人值守是實(shí)施重點(diǎn)。隨著我國人口老齡化的加劇，人力成本逐年增加，變電站、抽水泵站、地銷磅房、裝車站、帶式輸送機(jī)巡檢、選煤廠以及供暖、供水等固定場所實(shí)現(xiàn)智能巡檢和無人值守的技術(shù)已經(jīng)成熟，具備實(shí)現(xiàn)無人值守的條件，是當(dāng)前露天礦智能化的實(shí)施重點(diǎn)場所。

5 結(jié)語

露天智能化是建設(shè)安全、高效、綠色、智能礦山的關(guān)鍵，當(dāng)前一方面要加強(qiáng)研究投入，另一方面要通過自主培養(yǎng)人才與產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，加強(qiáng)智能化人才培養(yǎng)，“干中學(xué)，學(xué)中干，急用爭學(xué)”，還要以礦山實(shí)際需求為主，提出智能化需求，與科研院校、研究機(jī)構(gòu)、裝備企業(yè)打造產(chǎn)學(xué)研一體化合作模式。