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【中国煤炭报】葛世荣:打造煤矿智能化的中国模式

发布时间:2020-03-14 12:45:24  作者:葛世荣  来源:中国煤炭报   点击:

八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,为我国煤炭工业智能化发展指明了方向,是党中央、国务院关于人工智能的决策部署在煤炭行业的重大行动,是中国制造2025战略在煤矿企业的重大工程,为煤炭工业高质量发展带来重大机遇。

煤矿迈向智能化新阶段

智能化采煤是信息化与工业化在煤矿深度融合的体现,也是煤炭生产技术革命的重要途径之一。自从上世纪50年代在英国诞生煤炭综合机械化开采技术后,煤炭人就有一个梦想,期望有朝一日能实现智能化无人采矿。上世纪80年代末,国外采矿界开始了一些探索。40多年来,煤矿经历了数字化、信息化、自动化等多个阶段并不断升级,可以说目前迈向智能化新阶段。

关于智能化煤矿或智能化开采,国内外有多种理解或定义,但至今对智能化煤矿还没有给出规范化的定义,只是在学术界和产业界有一些不同表述。例如,2014年,我提出,智能化开采是指在不需要人工直接干预情况下,通过采掘环境的智能感知、采掘装备的智能调控、采掘作业的自主巡航,由采掘装备独立完成的回采作业过程。这只是对煤矿最为重要的开采环节的智能化理解。

当前,我国对智能制造研究较为深入,如果参照智能工厂的定义,我认为智能化开采是利用工业物联网技术和泛在监控技术,构建信息管理和服务系统,增强煤炭生产全过程的可控性,减少采掘运生产线的人工干预,形成自学习自优化的安全高效工艺流程。

我认为,煤矿智能化可以分为初级、中级、高级三个等级。初级智能化煤矿具有高端自动化的技术内涵,采、掘、运、通、排等主要生产及安控环节都能实现基于传感信息反馈的计算机程序控制,在这个阶段,仍有约50%的工序需要人为干预。中级智能化煤矿实现半自主化操作运行模式,各个生产环节具有部分的自主感知能力,能自动执行一些复杂条件的生产任务,但约有20%的工序还需要人为干预。高级智能化煤矿属于全自主操作运行模式,对所有生产和保障环节具有广泛感知能力,会自主决策运行,但鉴于煤矿生产的复杂性和特殊性,仍有约5%的工序需要人机交互。

近10年来,我国煤矿智能化装备技术快速发展,已由过去的落后于国外,发展到当今处于整体技术并行、局部技术超越的局面,国产的采煤机、液压支架、运输装备、安全监控系统、巡检机器人等已有较好的智能化内涵。但是,在高性能传感器、自优化策略、自主控制、集群协作等方面还有不少问题有待解决,未来5年~10年应加强研究并争取实现突破,使我国煤矿智能化进入中级水平,这是我们煤炭人为之奋斗的阶段性目标。

当前,需要选择不同类型、不同地区的煤矿探索试验智能化示范工程,例如华东矿区的深井开采煤矿、晋陕内蒙古矿区的千万吨级煤矿、中原矿区的高瓦斯煤矿、西南矿区的中小煤矿,组成若干团队定点、有针对性地提供全过程技术指导和帮助,从探索实践中积累经验、汇集技术,形成煤矿智能化建设的中国模式。


一些关键核心技术存在短板

煤矿智能化建设是近10年世界煤炭开采技术的研究热点。在习近平总书记2014年6月13日对能源革命发表重要讲话之后,加快煤矿智能化技术发展成为我国煤炭工业转型升级的驱动力、促进煤炭开采技术革命的聚集力。可以说,当前的煤矿企业界无人不谈智能化,否则就会有跟不上步伐的危机感,科技界无话不讲智能化,否则就有落后于生产实践的紧迫感。在这种智能化生态下,采煤工作面首先成为我国煤矿智能化的先行落脚点,目前全国已建成200余个不同层次的智能化采煤工作面。据我所知,这个数量在世界采煤国家中是最多的,对于大幅度减少我国煤矿采煤工作面作业人员、提高采煤安全水平具有示范引领作用和变革性意义。其次,我国对煤矿机器人技术重点研发及应用领域做了系统性的规划部署,当前许多企业都在研制和试验各种煤矿机器人,这是实现煤矿智能化的重要体现形式之一,也是为未来煤矿实现智能化之后,让机器人完成井下危险部位监控和重要搬运、维护任务的保证。

但是,煤矿智能化的一些关键核心技术还存在短板或空白,主要体现为四方面。一是煤矿智能化整体技术架构还未明确,需要对此加强顶层设计,形成一整套技术标准,以引导煤矿智能化单元、设备以及系统研发和应用。二是煤矿智能化的关键技术有待突破,例如精准可靠传感技术、煤矿生产大数据技术、煤矿灾害风险超前感知技术、井下定位导航技术、采矿设备自动驾驶技术、重载移动作业机器人技术等。三是智能化发展存在不均衡问题,目前在采煤工作面智能化方面发展较快,而在掘进工作面、辅助运输、设备搬家转场等方面的智能化技术滞后、发展较慢。四是缺少针对煤矿特殊条件的智能化系统软件。在智能化较早发展和应用的其他行业,操作系统软件都是智能化的基础和脊梁,例如数控加工系统有FANUC、SIEMENS(840D)、NUM操作系统,工业机器人有ROS操作系统,智能工厂有MES、ERP、CIM/SFC系统。而在煤矿领域,尽管已有一些数据管理、呈现和运用的软件,但无论是单机设备还是系统集群都缺乏具有统一性、互换性、开放性的操作软件。


机器人将在智能化系统中占重要位置

随着我国煤矿智能化建设工作不断推进,需要坚实的基础理论研究作为基础。

至今,国家已批准立项了“深部危险煤层无人采掘装备关键基础研究”“煤矿井下无人化综采机组的智能感知与协同控制基础研究”“煤矿智能开采安全技术与装备研发”“千万吨级特厚煤层智能化综放开采关键技术及示范”“数字煤矿及智能化开采基础理论研究”等一批基础研究项目。从今年开始,国家自然科学基金在冶金与矿业学科目录中增设了“智能矿山”方向,科技部在重点研发计划的智能机器人领域增设煤矿机器人资助方向,其中包括井下精准定位与导航、自主学习模型、自动驾驶决策、掘进机器人、辅助运输机器人、钻孔探测机器人等关键基础研究。

机器人技术由来已久,它是拟人智能化的最集中、最具体、最完美的体现。去年初,国家煤监局发布了5类38种煤矿机器人的重点研发与应用目录,也可以认为是一部技术方向指南。据我所知,这是世界上涵盖种类最全、技术内涵最明晰的煤矿机器人技术体系,表明我国对煤矿机器人研发与应用的谋划站在高位、走在前面。

煤矿机器人将在未来煤矿智能化系统中占有重要位置。它是实现无人值守、无人巡检、无人排险、无人驾驶而替代人工操作的智能机器载体。实际上,机器人化采矿装备也是煤矿机器人的一种体现,它对采、掘、运机器赋予一定程度的机器人功能,以机群自主协作、人机交互的方式完成预定的采矿任务。

目前,煤矿机器人技术较为成熟的是轻载机器人,重载化、自行走的机器人还存在驱动电机功率不足、减速器寿命不长、蓄电池容量不足、作业臂强度不高、轻量化材料防爆性能不明等问题。这些问题是煤矿机器人的特有难题,其他工业领域对其研究不多。因此,煤炭行业的高校和科研机构应把机器人技术与行业特点、专业功能紧密结合起来,加强协同创新,一同攻克煤矿机器人的难关。

加强基础研究,培养智能化新工科人才

人才是煤矿智能化的顶梁柱,未来煤炭开采的全智能化过程需要具有煤矿基础、智能生产、智能监控、智能运维、智能安控复合知识的新工科人才。

为此,中国矿业大学(北京)设立了机器人工程专业,已开始招生和学生培养;设立了智能采矿工程专业方向,启动该方向本科生和研究生的培养;成立了国内高校首家智慧矿山与机器人研究院、机器人化采掘装备研究所,致力于培养一批煤矿智能化方面的青年教师和研究生,也为煤矿企业提供新技术和新成果。

最近,应急管理部和教育部批准中国矿业大学(北京)与中国安科院共同成立国家安全科学与工程研究院,我们将以此为平台加大智能安全监控、智能应急救援方面的人才培养力度。未来,我们将进一步加强人工智能、大数据、智能装备制造等专业建设,就像上世纪80年代初期,我国为了发展煤矿机械化开采,专门设立煤矿机械化、煤矿自动化专业一样,形成有针对性、系统性的煤矿智能化专门人才培养体系。

同时,中国矿业大学(北京)把煤矿智能化发展作为改革人才培养、拓展学科方向的重大机遇,积极加强与高水平研发机构的深度合作。

例如,中国矿业大学(北京)与中国煤炭科工集团建立了智能矿山、煤矿机器人方面的协同创新合作体,与鄂尔多斯市合作研究智能化开采技术系统,与石家庄煤机公司合作研发重载煤矿机器人、无人驾驶胶轮车,与天地科技上海分公司、郑州煤机集团、太重煤机集团联合研发智能化采煤装备,与开诚电气公司合作研发巡检机器人。此外,中国矿业大学(北京)与中国煤炭科工集团、中国联通组建了地下空间5G技术创新应用联合实验室。这是一种产学研用紧密融合的创新模式,形成了从研究到应用的畅通机制。我认为,这些合作是开放的、包容的,将为我国煤矿智能化技术发展提供一个共建共享的合作平台。

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