李偉建

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著信息化和工業(yè)化的進一步深入融合，特別是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術的飛速發(fā)展，各行各業(yè)都在向著智能化的新方向發(fā)展[1-2]。我國煤礦信息化和自動化水平還有進一步提高的空間，煤礦生產(chǎn)的各子系統(tǒng)之間還是相互獨立的，雖然各子系統(tǒng)基本實現(xiàn)了自動化，但各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息尚未進行有效關聯(lián)，還缺乏對子系統(tǒng)進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的“智慧大腦”。

在大數(shù)據(jù)的時代，智慧礦山的建設以各種各樣的數(shù)據(jù)作為基礎，這就需要解決信息的精準有效采集、數(shù)據(jù)的快速傳輸、數(shù)據(jù)的可視化展示，最后實現(xiàn)各設備的自動化運行和煤礦的智能化服務[3-5]。我國高端綜采技術與裝備研發(fā)取得了較快速的發(fā)展，取得大批重要成果，極大提升了我國煤炭行業(yè)機械化和自動化程度，降低了百萬噸死亡率。隨著社會的進步和科技的發(fā)展，煤炭行業(yè)的生產(chǎn)方式也由粗放的生產(chǎn)向著集約化、精細化和智能化的方向轉(zhuǎn)變，智慧礦山建設成為煤炭行業(yè)發(fā)展必然趨勢。2016年，國家發(fā)展改革委和國家能源局印發(fā)了《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》，文件要求到2030年實現(xiàn)煤炭智能化開采，重點煤礦區(qū)基本實現(xiàn)工作面無人化，全國煤礦采煤機械化程度達到95%以上。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局提出的“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動中，也將煤炭智能化開采技術列為重點研究方向[6-8]。因此，加強智慧礦山建設是煤炭行業(yè)實現(xiàn)安全、高效、智能、綠色生產(chǎn)的必然要求。

1 智慧煤礦建設的目標

智慧煤礦就是要在煤礦數(shù)字化的基礎上，通過信息的精準實時采集、網(wǎng)絡化高速傳輸、規(guī)范化集成，實現(xiàn)信息的可視化展現(xiàn)、設備的自動化操作和生產(chǎn)的智能化服務，實現(xiàn)煤礦的綠色、高效開采。隨著礦井綜合信息化和自動化的不斷推進，智慧煤礦的建設將使我國煤炭行業(yè)發(fā)生根本性變革，很多危險的工作將由機器人代替人工去完成，依托信息化、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術提升和改造傳統(tǒng)采礦業(yè)，不斷開創(chuàng)安全、高效、綠色和可持續(xù)的智慧煤礦發(fā)展新模式。

智慧煤礦建設第一階段的目標是初步實現(xiàn)采、掘、運主要環(huán)節(jié)的自動化運行和智能化決策。第二階段將多個子系統(tǒng)互聯(lián)起來，構建多系統(tǒng)融合的智慧礦山架構，實現(xiàn)綜采、運輸?shù)认到y(tǒng)的區(qū)域化自動運行和智能決策。第三階段將建成全礦區(qū)、多系統(tǒng)集成、多產(chǎn)業(yè)鏈的智慧礦山體系，全面實現(xiàn)各環(huán)節(jié)、各系統(tǒng)的數(shù)字化精準實時采集、高速實時傳輸、數(shù)據(jù)虛擬化展現(xiàn)，采、掘、運、通、選等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動運行和智能決策[9]。

2 智慧煤礦建設的措施

目前，我國已建成一批以智能化開采和數(shù)字化信息化管理系統(tǒng)為標志的先進煤礦，煤礦智能化開采和煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術已取得了重要進展。但是，由于煤礦開采條件的復雜性和多樣性，智能化工作面還遠沒有達到理想效果，智慧煤礦建設還處于初級起步階段，需要從以下6個方面進行深入探討，如圖1所示。

圖1 智慧礦山建設主要措施

2.1 制定相關技術規(guī)范和標準

智慧礦山是兩化深度融合的必然產(chǎn)物，智慧礦山的建設涉及到諸多行業(yè)、部門和企業(yè)，是一個不同步發(fā)展的漸進性過程，跨領域、跨部門的協(xié)作成為必然。為探尋智慧礦山的最佳解決方案，要打破行業(yè)壁壘，集合高校、行業(yè)協(xié)會、研究院所、廠商、煤礦等為主體，開展產(chǎn)學研用協(xié)同創(chuàng)新，制定必要的標準和技術規(guī)范。優(yōu)先制定頂層設計、關鍵技術相關的標準和規(guī)范，主要包括智慧煤礦指標體系及評價標準、智慧煤礦架構及數(shù)據(jù)交互規(guī)范、智慧煤礦智能決策平臺及架構設計規(guī)范等[10-11]。

2.2 透明工作面建設

在常規(guī)地質(zhì)勘探結果基礎上，以槽波探測、井下鉆探、地質(zhì)雷達、圖像攝像地質(zhì)測繪、電磁波CT等精細工程物探結果和巷道激光掃描數(shù)據(jù)等為基礎，構建初始三維地質(zhì)模型，以煤巖識別等數(shù)據(jù)對模型進行實時修正。另外，融合綜采設備位置、姿態(tài)和環(huán)境狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)形成動態(tài)透明工作面，以虛擬現(xiàn)實的方式進行顯示，實現(xiàn)遠程實時操控。透明工作面建設流程如圖2所示。

圖2 透明工作面建設流程

2.3 一張圖建設

運用現(xiàn)代信息技術和數(shù)字化手段，建立一套基于網(wǎng)絡GIS服務平臺模式的在線協(xié)同生產(chǎn)技術管理信息系統(tǒng)。實現(xiàn)各礦井生產(chǎn)技術相關數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡化、安全化、流程化管理，搭建起生產(chǎn)技術的信息交流平臺，實現(xiàn)煤礦地質(zhì)、通風、測量、生產(chǎn)、機電的圖形、文件、報表等專業(yè)資料的科學集成與充分共享，支持與現(xiàn)有文件格式的數(shù)據(jù)進行交換，大大提高煤礦生產(chǎn)技術相關數(shù)據(jù)管理的能力。建立精準地質(zhì)信息系統(tǒng)，構建礦井三維精細地質(zhì)模型。

2.4 智能化煤礦裝備研發(fā)

智能化煤礦裝備的研發(fā)是實現(xiàn)智慧煤礦的基礎，是實現(xiàn)“機械化換人、自動化減人”科技行動目標的保障。要實現(xiàn)煤炭的智慧化開采，需要對智能化綜采裝備進行深入的研究，除了對供電、運輸、排水、通風、壓風、瓦斯抽放、洗選等輔助系統(tǒng)的改造升級，實現(xiàn)輔助系統(tǒng)的智能化、自動化集中控制，實現(xiàn)機械化換人、自動化減人，還要實現(xiàn)順槽支護自動化，工作面采煤智能化。重點開展工作面智能化超前支護裝備及輔助作業(yè)平臺、無人工作面巡檢機器人、基于多信息融合的煤巖界面實時識別技術與裝備、智能化快速掘進系統(tǒng)、設備狀態(tài)監(jiān)測與故障預判、無煤柱沿空留巷技術、瓦斯精準抽采、慣性導航控制技術、巷道支護等專項研究[12-14]。通過對各裝備機身增加環(huán)境、位置、姿態(tài)等傳感器件，并加裝執(zhí)行元件，與其他各子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)互聯(lián)，構建虛擬現(xiàn)實模型，實現(xiàn)智能定位、防碰撞檢測、運行速度調(diào)節(jié)、故障預警、聯(lián)動閉鎖控制。

2.5 大數(shù)據(jù)平臺建設

大數(shù)據(jù)平臺建設的現(xiàn)狀及目標：我國煤炭行業(yè)的大數(shù)據(jù)目前尚處在探索階段，要實現(xiàn)成熟應用還有很長的路要走。但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，大量傳感器將被應用，必將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的規(guī)模效應給存儲、管理及分析帶來了挑戰(zhàn)。根據(jù)一張圖協(xié)同管理系統(tǒng)，結合礦區(qū)實際，完成可視化大數(shù)據(jù)平臺方案的頂層設計，開展數(shù)據(jù)集成平臺的研發(fā)工作，實現(xiàn)各礦井信息化、自動化和智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。包括建設可視化大數(shù)據(jù)平臺，建成公司級大數(shù)據(jù)指揮調(diào)度中心，直觀展示各礦井的安全生產(chǎn)運行情況，實現(xiàn)公司對各礦井的統(tǒng)一調(diào)度管理，深入挖掘各類數(shù)據(jù)間隱藏的內(nèi)外部關系，總結各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的規(guī)律，為公司安全管理、經(jīng)營決策等提供數(shù)據(jù)支持和建議[15-18]。

信息化、自動化和智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成：對各礦井已建成的系統(tǒng)采用實時數(shù)據(jù)庫、分布式存儲、數(shù)據(jù)定向同步、數(shù)據(jù)庫集群管理等技術，在確保不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎上，實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成和同步。對于新建、升級和改造的系統(tǒng)必須嚴格按照公司信息化系統(tǒng)建設體系標準建設，規(guī)范數(shù)據(jù)格式，為可視化大數(shù)據(jù)平臺建設奠定數(shù)據(jù)基礎。

可視化大數(shù)據(jù)平臺：采用可視化、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、Web Service等技術，建設可視化大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)對信息化、自動化和智能化系統(tǒng)的充分集成。通過平臺數(shù)據(jù)倉庫對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照制定算法進行計算和分析，對未來安全生產(chǎn)和安全的發(fā)展以及可能遇到的問題進行預測(實現(xiàn)產(chǎn)量預測、成本預測、井下環(huán)境預警等)，為安全管理、決策、預警等提供數(shù)據(jù)支撐。

2.6 智慧決策應用開發(fā)

充分利用數(shù)據(jù)挖掘技術發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和知識，為煤礦生產(chǎn)和管理提供有效信息。通過綜合分析各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，開展煤礦機械設備狀態(tài)檢測、剩余壽命評價以及預測維修。建立完善的災害監(jiān)控和預測預警系統(tǒng)，對瓦斯、水害、火災、沖擊地壓等事故進行防控。

3 結語

智慧煤礦建設是一項極其復雜的系統(tǒng)工程，需要經(jīng)過漫長的發(fā)展過程，需要各級部門和各單位達成共識，通力協(xié)作。智慧煤礦的建設，必須在制定相關技術規(guī)范和標準的基礎上，用好各種新技術，研發(fā)智能化裝備，構建大數(shù)據(jù)平臺，探索智慧決策應用模型。智慧煤礦的發(fā)展必將改變現(xiàn)有的開采方式，不斷開創(chuàng)綠色、高效和可持續(xù)的煤炭發(fā)展新局面。