王国法-智慧煤矿2025情景目标和发展路径.pdf

第 43 卷第 2 期煤 炭 学 报Vol. 43 No. 2 2018 年2 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYFeb. 2018 王国法,王虹,任怀伟,等. 智慧煤矿 2025 情景目标和发展路径[J]. 煤炭学报,2018,432295-305. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 0152 WANG Guofa,WANG Hong,REN Huaiwei,et al. 2025 scenarios and development path of intelligent coal mine[J]. Journal of China Coal Society,2018,432295-305. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 0152 智慧煤矿 2025 情景目标和发展路径 王国法1,2,3,王 虹2,任怀伟1,3,赵国瑞1,3,庞义辉3,杜毅博1,3,张金虎1,3,侯 刚1,3 1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京 100013; 2. 中国煤炭科工集团有限公司,北京 100013; 3. 煤炭科学研究总院 开采研究分 院,北京 100013 摘 要智慧矿山是煤炭行业转变发展方式、提升行业发展质量的核心驱动力,是矿山技术发展的 最高形式。 基于数字矿山技术发展现状,结合生产系统智慧化特征及要求,给出了智慧矿山概念及 内涵将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等与现代矿山开 发技术融合,形成矿山感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的完整智能系统;到 2025 年,实现 煤矿单个系统智能化向多系统智慧化方向发展,建立智慧生产、智慧安全及智慧保障系统的基本运 行框架,初步形成空间数字化、信息集成化、设备互联化、虚实一体化和控制网络化的智慧煤矿第二 阶段目标。 实现矿井开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程智能化运行。 资源开发利用水平显著提高,煤矿职业健康和工作环境根本改善,矿山生态恢复和保护全面实施。 关键词智慧煤矿;数字矿山;情景目标;大数据;人工智能 中图分类号TD984 文献标志码A 文章编号0253-9993201802-0295-11 收稿日期2017-12-10 修回日期2018-01-25 责任编辑常明然 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0603005;国家重点基础研究发展计划973资助项目2014CB046302;国家自然科学基金 资助项目U1610251 作者简介王国法1960,男,山东烟台人,中国工程院院士。 Tel010-84262016,E-mailwangguofa tdkcsj． com 2025 scenarios and development path of intelligent coal mine WANG Guofa1,2,3,WANG Hong2,REN Huaiwei1,3,ZHAO Guorui1,3,PANG Yihui3, DU Yibo1,3,ZHANG Jinhu1,3,HOU Gang1,3 1. Coal Mining Technology Department,Tiandi Science and Technology Co. ,Ltd. ,Beijing 100013,China; 2. China Coal Technology 3. Mining Design Institute,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China AbstractThe intelligent mine is the core driving force for the coal industry to change the way of development and to improve the quality of the industry. It is the highest of the development of coal mine technology. Based on the de- velopment of mining technology and combined with intelligent generation system with characteristics and requirements, the concept and interconnection of the wisdom of mine are given. Based on digital mine,networking,cloud computing, big data,artificial intelligence and modern mining technology as the core technology,it will achieve the wisdom of self- learning,prediction,decision,control of the whole intelligent system. By 2025,the intelligent system will run from sin- gle system to multi-system intelligent level,the basic operating framework of wisdom production,wisdom security and wisdom guarantee system will be established. The spatial digitization,integration of ination,internet,virtual equip- ment integration and control network will be ed initially as the goal of intelligent coal mine for the second stage. It will realize the intelligent operation of coal mine development,mining,transportation,washing,safety,ecological protec- tion,production management and so on. The level of exploitation and utilization of resources will be greatly improved, 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 the occupational health and working environment of coal mines will be fundamentally improved,and the ecological res- toration and protection of mines will be fully implemented. Key wordsintelligent coal mine;digital mine;scene target;large data;artificial intelligence 当前,我国国民经济已由高速增长阶段转向高质 量发展阶段,正处在转变发展方式、优化经济结构、新 旧动能转换的攻关期。 在“两化”深度融合的大形势 下,工业领域正迎来产业发展的巨大变革。 21 世纪 的前 15 年,互联网、人工智能技术飞速发展,给许多 传统行业都带来了颠覆性变革。 将高新技术与传统 技术装备、管理融合,实现产业转型升级正成为越来 越重要的发展趋势[1]。 智慧矿山正是在这样的背景 下提出和快速发展起来的。 煤炭资源开采是人类在地下进行的生产活动。 矿山地质条件复杂多变,为创建适于设备运行与人员 工作的安全可靠的开采环境,井下需同时运行探测、 通风、排水、防火、供电、工作面开采装备、运输等多达 90 多个子系统[2]。 这些子系统就像人体的器官,共 同形成了一个大规模复杂运行体系。 经过多年发展, 这一体系先后经历了机械化、单机自动化、综合自动 化、数字化等阶段。 目前,煤矿安全高效矿井系统的 机械化程度达到 90以上,单机自动化也日趋完善, 建成了一批千万吨级矿井群,并开发了初级的多系统 数字矿山综合自动化系统[3]。 然而,目前煤矿总体 的信息化程度还有待进一步提高,生产过程中的各种 数据和信息还无法实现有效关联,还缺乏“智慧的大 脑”对所有子系统实施协调、联控,因而生产的过程 控制、设备健康管理、安全风险防控、生态环保等都还 没有实现最优化的管控。 智慧化是矿山技术发展的最高形式,只有实现了 智慧化才能从根本上实现最优的生产方式、最佳的运 行效率和最安全的生产保障。 那么,什么是智慧呢 智慧矿山又该如何定义、智慧矿山的构成框架以及发 展目标又是什么 学者们对此开展了大量的研究,不 单单是煤炭领域相关学者及企业积极投身于智慧矿 山的研究与应用,大量的非煤矿山企业和研究者也都 加入智慧化建设之中。 他们各自都根据自身的理解 及研究基础、特长提出了智慧矿山的各种定义和架 构[4-10],但未达成统一认识。 随着技术和实践的飞速发展,若没有对智慧矿山 统一、完整及科学一致的认识,则无法规划煤矿未来 的发展方向,必然直接影响煤炭产业转型升级,并可 能使我们错过一次产业大发展、大提升的良机。 因 此,迫切需要深入研究智慧矿山的定义、情景目标及 发展路径,规范概念、引领方向,推动煤炭行业由数字 煤矿向智慧煤矿方向发展,引领地下工程、深地资源 开采、绿色开发与利用等领域的科技发展。 1 智慧矿山概念、内涵及组成 1． 1 智慧矿山定义及内涵 数字矿山是基于信息数字化、生产过程虚拟化、 管理控制一体化、决策处理集成化为一体,将采矿科 学、信息科学、计算机技术、3S遥感技术、地理信息 系统、全球定位系统技术发展高度结合的产物。 于 润沧院士[11]将数字化矿山分为 3 个层次第 1 个层 次是矿山数字化信息管理系统,这是初级阶段;第 2 个层次是虚拟矿山,是把真实矿山的整体以及和它相 关的现象整合起来,以数字的形式表现出来,从而了 解整个矿山动态的运作和发展情况;第 3 个层次是远 程遥控和自动化采矿的阶段。 数字化矿山主要是从信息表现形式角度,强调人 类从事矿产资源开采的各种动态、静态的信息都能够 数字化,目前国内比较先进的矿井正走在实现第 2 层 次虚拟矿山的路上。 智慧矿山的提出主要是从信息 相互关联性的角度,强调矿山系统自主功能的实现程 度。 在定义智慧矿山概念之前,首先需要明确什么是 智慧 对于人类,智慧是大脑深刻地理解人、事、物、 社会、现状、过去、将来,是思考、分析、探求真理的能 力,是智力器官的终极功能;而对于一个生产系统而 言,智慧可定义为通过不断地收集、学习和分析数 据、知识和经验,具有自动运行、自我分析和决策、自 学习能力,使系统的人、机、环境处在高度协调的统一 体中运行;可以不断吸取最新的知识,实现自我更新 和自我升级,使系统不断优化、更加强大。 基于对生产系统智慧的理解,给出智慧矿山的定 义智慧矿山是基于现代智慧理念,将物联网、云计 算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人 化装备等与现代矿山开发技术融合,形成矿山感知、 互联、分析、自学习、预测、决策、控制的完整智能系 统,实现矿井开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态 保护、生产管理等全过程智能化运行。 智慧矿山的技术内涵是将现代信息、控制技术 与采矿技术融合,在纷繁复杂的资源开采信息背后 找出最高效、最安全、最环保的生产路径,对矿井系 统进行最佳的协同运行控制,并根据地质环境及生 692 第 2 期王国法等智慧煤矿 2025 情景目标和发展路径 产要求变化自动创造全新的控制流程。 与数字矿 山相比,智慧矿山不仅仅是数据采集、数据处理和 自动系统的集成,更多的是大数据、人工智能技术 的运用,需要智能化地响应生产过程中的各种变化 和需求,做到智能决策支持、安全生产和绿色开采。 这里需要明确的是,智慧矿山并非是云计算、物联 网、人工智能、大数据等技术的简单堆积,而是如何 采用这些技术手段解决煤矿开采中的效率问题、安 全问题和效益问题[4]。 智慧矿山的技术特征是建立在矿井数字化基础 上,如图 1 所示,采用现代智慧理念完成矿山企业所 有信息的精准适时采集、网络化传输、规范化集成、可 视化展现、自动化运行和智能化服务的智慧体。 图 1 智慧矿山技术特征 Fig． 1 Technical features of intelligent mines 1． 2 智慧煤矿构成 智慧矿山的理念和技术应用于煤矿,形成智慧煤 矿。 智慧煤矿涉及到 90 多个子系统,可以分为 3 部 分智慧生产系统、智慧职业健康与安全系统、智慧技 术与后勤保障系统。 1智慧生产系统。 包括主要生产系统和辅助生产系统。 主要生产 系统包括采煤工作面的智慧化和掘进工作面的智慧 化,主要包括以无人值守为主要特征的采煤工作面和 掘进工作面系统[12-15]。 辅助生产系统就是以无人值 守为主要特征的智慧运输系统含胶带运输、辅助运 输智慧提升系统、智慧供电系统、智慧排水系统、智 慧压风系统、智慧通风系统、智慧调度指挥系统、智慧 通讯系统等。 2智慧职业健康与安全系统。 包含了环境、防火、防水等多个方面,子系统众多 包含如下子系统智慧职业健康安全环境系统,智慧 防灭火系统、智慧爆破监控系统、智慧洁净生产监控 系统、智慧冲击地压监控系统、智慧人员监控系统,智 慧通风系统、智慧水害监控系统、智慧视频监控系统, 智慧应急救援系统,智慧污水处理系统等等。 3智慧后勤保障系统。 保障系统分为技术保障系统、管理和后勤保障系 统。 技术保障系统是指地、测、采、掘、机、运、通、调 度、计划、设计等的信息化、智慧化系统等。 管理和后 勤保障系统,是指针对矿山的智慧化 ERP 系统、办公 自动化系统、物流系统、生活管理、考勤系统等。 2 2025 年智慧煤矿目标及情景描述 2． 1 智慧煤矿目标 智慧煤矿的发展是一个不断进步的过程,随着科 技水平的提高,智慧化的程度也将不断提升,目前正 处于数字煤矿向智慧煤矿的过渡期。 智慧煤矿的发展目标可分为 3 阶段。 智慧煤矿第 1 阶段目标构建一个初步智慧煤矿 系统框架,实现采掘运主要环节单个系统、单项技术 的智能化决策和自动化运行,即实现一个系统、一个 岗位的“点上的无人作业”;目前一些先进矿井已实 现第 1 阶段目标。 智慧煤矿第 2 阶段目标构建一个多系统信息融 合的智慧煤矿综合架构,实现工作面开采、主煤流运 输等系统的区域化智能决策和自动协同运行,达到 “面上无人作业”。 智慧煤矿第 3 阶段目标构建整个煤矿及全矿区 多单元、多产业链、多系统集成的智慧煤矿体系,全面 实现生产要素和管理信息的数字化精准实时采集、网 络化实时传输、可视化展现,采、掘、运、通、洗选等全 部主要生产环节的智能决策和自动运行,达到“全矿 井一线无人化作业”。 在未来 5 10 年,即到 2025 年左右,在单个系统 的智能化取得突破的基础上,实现智慧煤矿第 2 阶段 目标,即实现区域化智能决策和自动协同运行。 在达 到技术目标的同时,开采效率、安全和效益也随之大 幅提升。 到 2025 年,通过智慧矿山建设,使全国煤炭 科学先进产能大幅度提高,煤炭产业从业人员总数下 降一半、工效提高一倍以上,资源开发利用水平显著 提高,煤矿职业健康和工作环境得到根本改善,矿山 生态恢复和保护全面实施。 2． 2 2025 年智慧矿山情景 依据智慧矿山 2025 年的发展目标,给出 2025 年智慧矿山情景描述,如图 2 所示。 到 2025 年,智 慧煤矿可以实现单个系统智能化,开始向多系统智 慧化方向发展,建立“感知→互联→分析→自学习 →预测→决策→控制”的基本运行框架,初步形成 空间数字化、信息集成化、设备互联化、虚实一体化 和控制网络化的智慧矿山第 2 阶段目标。 其中,安 全系统对生产的支持、以及保障系统对生产的支持 基本可以实现,但保障系统与安全系统的结合还需 792 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 要人工智能技术的支持,将在智慧矿山的第 3 阶段 完成。 此外,智能化管控平台在大数据技术的支持 下可以对整个矿山运行的状况进行分析,并通过互 联网上传到云平台,但真正做到云计算、达到为生 产决策和管理服务还需进一步突破数据结构优化、 分布式计算等核心技术。 图 2 2025 年智慧矿山情景逻辑 Fig． 2 Logic map of intelligent mine in 2025 3 智慧煤矿关键技术及发展路径 3． 1 物联网、大数据及人工智能、云计算技术支撑的 智慧矿山 如前所述,智慧煤矿是在数字化煤矿基础上提出 来的,智慧煤矿与数字化煤矿的区别就在于它应用了 物联网、大数据及人工智能、云计算 3 项关键技术解 决系统架构和互通、数据处理决策及高级计算问题。 智慧煤矿在数字化煤矿的 DCS、MES 和 ERP 3 层架 构基础上,升级为基于云计算和物联网为核心的智慧 决策支持平台。 3 项技术的研究及应用程度直接影 响智慧煤矿的发展水平。 3． 1． 1 基于互联网的物联网平台 基于互联网的物联网是智慧煤矿的信息高速 公路,将承担大数据的稳定、可靠传输任务,起到了精 确、及时上传下达的作用,决定了智慧煤矿系统整体 的稳定性和可靠性。 因此,智慧煤矿的物联网平台必 须具有精确定位、协同管控、综合管控与地理信息一 体化的特点。 目前的精确定位技术有 RFID 定位技术、Wifi 定 位技术、蓝牙定位技术、ZigBee 定位技术和超宽带定 位技术等[16]。 每种定位技术各有优缺点,ZigBee 定 位技术和超宽带定位技术以各自在定位精度和时间 分辨率方面的优势将会是未来井下无线定位的发展 方向。 在协同管控方面,将实现物联网和传感网的融 合,实现井下的智能感知。 传统的传感网均是被动接 收数据,各感知点之间没有相互协调关系。 智慧矿山 下将传感网与物联网相融合,将传统各自独立的监测 控制系统进行关联和集成,主动发送井下危险区域的 监测和控制信息,实现煤矿危险源和空间对象状 态如水、火、瓦斯、顶板、地表沉降、人员位置等的 实时数据诊断和预测预警。 智慧煤矿将综合管控数据和地理信息 GIS 平台 进行融合,形成基于真实地理信息的综合自动化管控 平台。 将所有的生产、监测和控制信息在矿井采掘地 理位置图上以虚拟现实的方式实时显示、交互,实现 集中控制、数据管理分析,为生产决策提供数据依据。 3． 1． 2 大数据处理及人工智能技术 智慧煤矿的核心技术之一便是大数据的挖掘与 知识发现。 大量传感器的应用必将产生海量的数据, 数据的规模效应给存储、管理及分析带来了极大的挑 战。 需要充分利用大数据处理技术挖掘数据背后的 规律和知识,为安全、生产、管理及决策提供及时有效 的依据。 例如,在矿山安全管理领域,安全监控系统 及其监测联网已经相当普遍,构建了完善的灾害监控 和预测预警体系,达到了对矿井瓦斯、水害、火灾、冲 击地压等事故的防控[17]。 人工智能是近年来发展最为迅速和最为热门的 科技领域之一,它是在大数据处理的基础上研究、开 发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法和技 术。 从原来的自动规划、语音识别到最近的谷歌人工 智能 ALPHAGO、人脸识别等都属于这一范畴。 深度 学习是人工智能智慧化的核心;能够实现系统自 主更新和升级是其显著特征。 智慧矿山要成为一个 数字化智慧体就必须要有深度学习能力。 未来,在云平台和大数据平台上,融合多源在线 监测数据、专家决策知识库进行数据挖掘与知识发 892 第 2 期王国法等智慧煤矿 2025 情景目标和发展路径 现,采用人工智能技术进行计算、模拟仿真及自学习 决策,基于 GIS 的空间分析技术实现设备、环境、人员 及资源的协调优化,实现开采模式的自动生成和动态 更新。 3． 1． 3 云计算技术 智慧煤矿物联网使得物和物之间建立起连接,伴 随着互联网覆盖范围的增大,整个信息网络中的信源 和信宿也越来越多;信源和信宿数目的增长,必然使 网络中的信息越来越多,即在网络中产生大数据;大 数据处理技术广泛而深入的应用将数据所隐含的内 在关系揭示的也越清晰、越及时。 而这些大数据内在 价值的提取、利用则需要用超大规模、高可扩展的云 计算技术来支撑。 特别是对煤矿井下环境、生产、灾 害、人员活动高度耦合的大系统而言,数据越多,系统 模型维数也就更高,监测控制也就越准确。 而高维的 智慧煤矿模型需要计算能力高且具有弹性的云计算 技术。 3． 2 建立智慧煤矿八大系统 将上述物联网、大数据及人工智能、云计算技术 与生产、安全及保障系统的现有技术装备结合,共同 发展和建立智慧煤矿的八大系统。 3． 2． 1 基于北斗系统的精准地质信息系统 煤矿地质信息是一种随着采掘活动在时间与空 间不断发生变化的四维动态资料,随着信息技术、遥 感技术、网络技术等数据采集、储存、管理与传输技术 的发展,以北斗系统定位导航、GIS、三维地质建模、虚 拟现实等为基础的实时空间-地质信息技术将形成 天地一体化的智能信息传感网,从而实现矿山地质信 息的实时智能采集、存储与应用,如图 3 所示。 图 3 基于北斗系统的精准地质信息系统 Fig． 3 Accurate geological ination system based on the Beidou System 北斗卫星导航系统简称北斗系统,BDS是我国 自主研发的全球卫星导航系统,通过 5 颗静止轨道卫 星、3 颗倾斜同步轨道卫星和 27 颗中圆轨道卫星实 现准确导航与精准定位[18]。 利用北斗系统定位导航 技术可以实现煤矿地表地质信息的准确定位与实时 监测,充分结合遥感、数字影像、地面物探、井下钻探 及三维地震勘探等立体化地质勘探技术,可以实现对 煤矿井上、 井下地质信息的实时、 精准获取。 利 用 GIS 对煤矿地质信息等资料进行采集、分析、查询 与存储管理,将矿井所有的基础信息呈现于一张图 中,并将煤矿井上、井下的地质信息进行可视化、图形 化管理,实现宏观信息到微观信息的快速切换。 结合 三维地质建模技术与虚拟现实技术将矿井的采掘信 息、煤矿地质、水文地质、瓦斯、矿山压力等多源地质 信息进行有效融合,并以图、文、声、数字影像等方式 在地面实时展现,实现对煤矿多种资源环境信息的实 时智能管理。 3． 2． 2 智能矿井通风排运系统 智能通风系统主要是利用现代通信技术、监测监 控技术及自动化控制技术进行矿井通风网络、实施方 案的优化及风量、风速的智能实时控制。 通过布设矿 井环境、风阻、风压、风量等智能监测传感器,实现对 矿井不同区域通风环境与通风状态的全面在线实时 感知。 基于煤矿安全规程中矿井环境的参数指标要 求,对矿井各风点处的需求风量进行超前计算,利用 风量智能调控系统对矿井风量进行实时调节,实现矿 井通风系统的智能调控。 智能排水系统主要是通过建立矿井排水网络的 三维智能管控平台,绘制各排水节点的三维坐标图, 在排水点安设摄像头及水位、水量、水压监测传感器, 对各排水点的水量、水位等进行实时监测,当水位、水 量达到预设值时,自动开启一台或多台水泵进行排 水;当水位、水量超出警戒值时,进行声光报警并启动 应急设备;当水泵工作参数出现异常时,进行智能报 警;当发生水害时,自动启动应急设备,进行声光报 警,并对排水量、水仓容量等进行智能解析,智能显示 应急救灾预案。 智能运输系统主要是对带式输送机的带速、运 量、滚筒温度、胶带状态等进行远程集中智能控制。 通过在带式输送机上安装智能激光煤量扫描仪,对带 式输送机的煤量进行实时监测,根据上一级带式输送 机煤量的实时监测结果,实现下一级带式输送机运 量、带速的智能控制;对带式输送机的运行参数、状态 进行实时监测,当带式输送机出现故障、胶带撕裂、烟 雾等问题时,带式输送机自动停机并进行声光报警; 992 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 具备带式输送机主要结构件运行参数的智能统计与 分析,对主要结构件的使用寿命进行分析预测,并对 主要结构件的更换进行预警提示;能够实现对带式输 送机运量进行数据采集、上传、统计与智能分析决策, 并具有各种统计数据查询、图表展示等功能。 3． 2． 3 危险源智能预警和消灾系统 根据危险源的致灾机理与致灾因素不同,可以将 煤矿井下的危险源分为 3 类[19]① 煤矿系统中存在 且有可能发生突然释放的物质或能量,如冲击地压、 煤与瓦斯突出等;② 由于约束、限制能量的措施失效 或破坏等不安全因素导致灾害性事故,如液压支架压 架、顶板冒顶等;③ 由于组织管理失误、人员违章等 人为因素导致灾害性事故,如作业规程不符合要求、 工人违规操作等。 危险源智能预警和消灾系统是以风险预警为 核心,通过对上述不同类型的危险源进行实时在线 监测,利用危险源风险指数评价算法对矿井各区域 发生灾害的风险性进行实时在线评估,确定风险类 型、等级及解决方案。 通过对井下易发生能量释放 型、约束失效型危险源的区域布设各类传感器,实 现对各种危险源的致灾指标进行实时监测、分析与 上传,利用已经掌握的危险源致灾机理、触发条件 判据、矿井工况及致灾因素监测指标值等对危险源 的风险等级进行实时智能分析,判断风险类型、等 级,并进行井下声光报警,井上在线预警。 对于第 3 类危险源建立井下人员电子监控体系,利用人员精 确定位系统对井下人员、车辆的位置及行进轨迹进 行精确定位,当人员、车辆进入风险指数较高的区 域时,进行声光预警,当工人进行风险性指数较高 的作业时,进行预警。 3． 2． 4 智能快速掘进和采准系统 实现智能快速掘进是解决采掘接续矛盾、快速形 成采准系统和智能化开采的先决条件,智能快速掘进 需要解决“掘-行统一”、“掘-支一体”和“掘-运连 续”三大核心难题。 通过在掘进机机身增加环境、位 置等感知元器件和执行元器件,基于智能远程遥控系 统实现掘进机的远程及就地可视化控制、防撞、智能 定位、行走速度调节、故障告警并与带式输送机、局部 通风机等实现联动闭锁控制[20]。 智能化快速掘进的指挥系统即主控单元是智 能快速掘进和采准系统的大脑。 负责掘进工艺编 制、遥控指挥控制、逻辑关系协调控制、协同指挥调 度和就地显示等;在主控大脑的协同指挥调度之 下,基于自动驾驶技术、测绘与导航技术,通过感知 单元、定位单元、防撞单元、遥控单元、通讯单元和 集控单元等六大单元系统协同配合,实现“掘-行统 一”、“掘-支一体”和“掘-运连续”,满足智能快速 掘进的各项要求,保证采准系统的高效快速形成, 解决采掘接替矛盾。 3． 2． 5 机器人化智能开采系统 机器人化开采是建立在煤炭赋存条件精准感知、 截割轨迹精准调控、机器人群组精准配合和矿山压力 精准预警的“四精准”基础之上的。 机器人化智能开 采系统通过装备的拟人化完成工作面的破煤、装煤、 运煤、顶板支护和采空区处理等 5 个关键环节的无人 智能生产,采煤机截割轨迹和截割高度自动调整,液 压支架自动调整初撑力及安全阀开启压力满足开采 空间的安全维护,刮板输送机自动调直保证工作面平 整,采煤机和带式输送机运输速度协调统一,实现机 器人群组的智能感知、精准控制和群组协调。 开采机器人工作条件的透明化和可视化是机器 人化智能开采系统自适应运行的基础,基于 GIS 建立 “透明工作面”,将煤层厚度、起伏变化、构造等煤层 赋存条件嵌入采煤机自主导航系统,基于自动驾驶技 术,实现采煤机截割高度、截割角度、截割轨迹等精准 调整。 机器人化智能开采系统多工种机器人协同工作, 机器人群组的控制、联动及协同是智能开采的核心。 通过构建物联网系统,保证采-装-运-支等工序环节 各机器人群组的无人操作、群组协同和自动化运行, 实现煤矿无人值守、远程监视、自主决策的机器人智 能开采。 3． 2． 6 矿井全工位设备设施健康智能管理系统 设 备 预 测 与 健 康 管 理 Prognosticsand Health Management,PHM技术近年来得到广泛关注, 主要在军工、航空航天等领域开始展开具体研究[21]。 针对煤矿大型机电设备,目前主要是对于一些较为简 单的故障进行了特征研究,其复杂故障特征,整个机 电系统的全寿命管理还仅仅是雏形阶段。 健康管理 的主要过程和内容是对大型机械系统全生命周期各 阶段的管理和健康维护,主要包括对系统健康指标的 建立、检查检测、健康评价和健康恢复等。 开展大型 机械系统健康管理的主要方法和手段包括各种检查 检测、状态监测、故障诊断、健康评估、剩余寿命预测 等技术方法,以及维护、保养、修理和改造等手段。 煤矿机电设备健康管理的核心是实现健康特征 检测、健康评价以及健康恢复及维修。 对于智慧煤矿 “矿井全工位设备设施健康智能管理系统”,由现场 监测终端与远程监测中心共同组成。 如图 4 所示。 现场监测终端对矿井设备关键部件布置传感器, 003 第 2 期王国法等智慧煤矿 2025 情景目标和发展路径 图 4 矿井全工位设备设施健康智能管理系统 Fig． 4 Intelligent management system for the mine equipment and facilities health 提取关键特征,并在现场计算提出维护维修提醒与指 导建议;远程监测中心对于现场状态监测的特征数据 进行健康评估与诊断,对比特征数据库,模拟设备失 效机理,提出维修维护的建议。 对于整个矿井全工位设备设施健康智能管理系 统,其基础是实现对于整个机电系统健康的表征、健 康演化规律及不同健康状态下使用与维修管理策略。 如图 5 所示,对于煤矿机电设备,多数以电机旋转带 动设备实现生产,其机械故障部位主要集中在轴承、 齿轮、泵等,根据其典型故障部位及故障类型,确定其 系统监测参数集,实现故障机理分析,从而得到监测 参数、故障模式及其形象的关联矩阵[22]。 在典型煤矿机电系统故障分析诊断的基础上,对 于整个机电系统的健康状况进行特征表征和健康度 评价,从而对系统健康进行等级划分,构建系统健康 特征数据库及健康标尺。 图 5 典型煤矿机电系统故障诊断 Fig． 5 Fault diagnosis for typical coal mine mechanical and electrical system 在机电系统健康表征方法建立的基础上,实现机 电系统特征提取算法工具箱、故障诊断与评估算法工 具箱、健康状态/ 典型部件剩余寿命预测与维修决策 工具箱及算法辅助选择工具箱的开发,并构建机电系 统综合维修决策数据库,如图 6 所示。 可对整个煤矿机电设备全寿命过程的健康状况 进行管理与预测,并根据设备健康特征对于维修策略 进行决策并给出合理维修建议,从而实现对于煤矿全 工位机电设备健康智能管理。 3． 2． 7 矿山绿色开发与生态再造系统 矿山绿色开发主要是指在煤炭开采过程中,最大 程度的开发煤炭资源与伴生资源,并且将煤炭开采对 地表生态环境、地下水资源等的影响、破坏降至最低, 实现资源效益、生态效益、经济效益和社会效益的协调 统一,如采用充填开采、煤与瓦斯共采、循环经济园区 建设、分布式地下水库等[23]。 为了实现矿井绿色开 发,针对不同的煤层赋存条件采用资源条件适应型开 采技术与设备,即充分考虑煤层赋存条件及开采技术 条件的影响,综合考虑矿井的技术因素和经济管理因 素,在确保煤炭安全生产的前提下,采用最适宜的开采 方法,最大限度的采出煤炭资源,并有效的降低工人劳 动强度,减少煤炭开采对环境的影响,增加收益。 103 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 图 6 机电系统综合维修决策数据库 Fig． 6 Comprehensive maintenance decision database of mechanical and electrical system 为了最大限度降低煤炭开采对地表生态环境的 影响,提出了矿山生态再造系统,即采前防治、采中控 制、采后治理、重复采动二次修复的生态系统再造技 术[24]。 在煤层开采之前,对地表生态环境进行防风、 固沙等提高生态环境抵抗煤层采动影响的能力,增强 矿山生态环境自我保护功能;在煤层开采过程中创新 基于煤炭资源条件适应型开采技术的矿山绿色开发 技术,最大程度降低煤炭资源开采对地表生态环境的 影响;在煤层开采后进行土地复垦,恢复、增强地表生 态环境;当下部煤层开采对地表生态环境造成重复采 动影响时,对地表生态环境进行适时修补,防治煤层 重复采动对地表生态造成破坏。 3． 2． 8 智慧煤矿集中管理系统 集成研究成果,建设以云计算数据中心为基础, 以安全管控平台和四维综合管理平台为核心的智慧 煤矿系统,对矿井各个子系统进行有效整合、集中管 控,及时处理、指导和调节各生产系统和环节的运行, 建设智慧煤矿集中管理系统。 其中主要包括生产计 划管理系统、矿山能耗管理系统、供电及动力系统控 制系统等[25],如图 7 9 所示。 图 7 智慧煤矿生产计划管理系统 Fig． 7 Management system of intelligent coal mine production plan 图 8 智慧煤矿能耗管理系统 Fig． 8 Intelligent coal mine energy management system 图 9 供电及动力系统 Fig． 9 Power supply system of intelligent coal mine 生产计划管理工具运用生动而明确的图形和数 203 第 2 期王国法等智慧煤矿 2025 情景目标和发展路径 据显示运营的关键性指标,其主要目的在于使决策层 最直观地了解当前主要指标运行情况,生产计划安排 情况,为科学、合理、及时地制定和调整企业的运行计 划提供依据。 能耗管理系统通过数据采集系统对电、水、风、 冷、热等多个系统用能情况进行监测,随后在 MES 平 台上完成能耗分析、负荷管理、用能分配、能耗预测等 功能,从而优化整个智慧煤矿系统的能量分配,在完 成系统运行前提下最大限度的节约能源。 供电及动力系统通过远程计量装置对电、水、风 的消耗情况进行监测, 随后通过工业环网上传 至 MES 平台,完成能源供应质量分析、能耗计算、用 能分配等功能,从而优化整个智慧煤矿系统的供电及 动力系统,保障各个系统用能的持续性、安全性及稳 定性。 上述八大系统形成了基于四维多变量的“透明 开采”系统,各个运行的子系统在矿井的所有空间剖 面和时间剖面上都能够实现信息的相互关联、控制的 相互协同;不但能够掌控生产过程的状态,而且可实 现对开采各个系统变化的全要素“透视”,进而执行 下一步控制策略,真正实现矿山信息化和智能化控制 的深度融合。 3． 3 智慧煤矿评价和技术标准体系 目前,有关产学研用各单位纷纷投入到数字化、 智慧煤矿的研究和建设中,开发建设了各类自动化监 测和控制子系统、工业网络、信息化管理