孫春升，宋曉波，弓海軍

(1.煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100120；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 人力資源部，江蘇 徐州 221116)

智慧礦山建設(shè)代表著先進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展方向，是實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，已經(jīng)在煤炭行業(yè)形成廣泛共識(shí)。智慧礦山是基于現(xiàn)代智慧理念，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人、智能裝備、5G等與現(xiàn)代煤炭開(kāi)發(fā)利用深度融合，形成礦山全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，全面打通“人、機(jī)、環(huán)、管”之間的障礙，實(shí)現(xiàn)礦井開(kāi)拓、采掘、安全、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、經(jīng)營(yíng)管理、綠色環(huán)保等全過(guò)程智能化運(yùn)行。1992年，芬蘭最早開(kāi)始研究智慧礦山，德國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家結(jié)合遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，先后提出了相應(yīng)的智能化開(kāi)采技術(shù)方案，控制采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等井下裝備。我國(guó)對(duì)智慧礦山的研究相對(duì)較晚，經(jīng)歷了人力礦山、機(jī)械礦山、數(shù)字礦山、感知礦山的不同階段，目前正在向智能礦山、無(wú)人礦山邁進(jìn)，但是當(dāng)前智能化水平還相對(duì)較低。由于我國(guó)煤炭開(kāi)采以井工開(kāi)采為主，占到80%左右，地質(zhì)條件復(fù)雜、開(kāi)采裝備系統(tǒng)龐大、作業(yè)環(huán)境較差，屬于勞動(dòng)密集型行業(yè)，對(duì)智能化、無(wú)人化開(kāi)采有著天然的需求。因此，加快建設(shè)煤炭行業(yè)智慧礦山，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

目前許多學(xué)者主要是對(duì)智慧礦山的基本內(nèi)涵、關(guān)鍵問(wèn)題、關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系、前沿信息化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究，包括何敏[1]、羅香玉等[2]研究了智慧礦山的基本內(nèi)涵；韓茜[3]、羅香玉等[2]研究了智慧礦山建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題；譚章祿等[4]、姜德義等[5]研究了智慧礦山的理論與關(guān)鍵技術(shù)；譚章祿等[6]、王國(guó)法等[7]研究了智慧礦山的標(biāo)準(zhǔn)體系；張瑞新等[8]、李梅等[9]研究了智慧礦山建設(shè)的框架；孫繼平等[10]、譚章祿等[11]、王忠鑫等[12]探討了智慧礦山信息化技術(shù)應(yīng)用，包括5G、Wi-Fi 6、可視化、BIM技術(shù)等。面對(duì)煤礦信息化發(fā)展的要求，越來(lái)越多的學(xué)者意識(shí)到智慧礦山建設(shè)是當(dāng)前及未來(lái)礦山工程發(fā)展的趨勢(shì)。但是如何通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)突破，將智能化技術(shù)與裝備應(yīng)用到煤炭開(kāi)采中，已經(jīng)成為擺在每位煤炭科技從業(yè)者面前的一項(xiàng)重要課題。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智慧礦山相關(guān)政策綜述

建設(shè)煤炭智慧礦山是國(guó)家重點(diǎn)支持的能源技術(shù)創(chuàng)新方向之一。自2016年開(kāi)始，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》《關(guān)于新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》等政策，從科技創(chuàng)新、裝備升級(jí)、信息化建設(shè)、金融支持等領(lǐng)域全方位支持煤礦智慧礦山建設(shè)。重點(diǎn)產(chǎn)煤省份也開(kāi)始響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，相繼出臺(tái)具體實(shí)施方案支持煤礦智能化開(kāi)采，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)中心、人工智能成為煤礦智慧礦山建設(shè)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，為智慧礦山建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，營(yíng)造煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的良好氛圍，見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)針對(duì)煤礦智慧礦山建設(shè)出臺(tái)的相關(guān)政策

1.2 智慧礦山建設(shè)成就

近年來(lái)隨著我國(guó)關(guān)于促進(jìn)智慧礦山建設(shè)政策的不斷出臺(tái)，煤礦智能化發(fā)展不斷加快，陸續(xù)建立了一系列創(chuàng)新聯(lián)盟，包括“智慧礦山產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”“煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新中心”“中國(guó)智慧礦山協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟”“中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)智慧礦山與機(jī)器人研究院”“煤礦機(jī)器人協(xié)同推進(jìn)中心”“山東省煤礦智能開(kāi)采工程實(shí)驗(yàn)室”“煤礦智能化創(chuàng)新聯(lián)盟”“中國(guó)礦業(yè)聯(lián)合會(huì)智能礦山工作委員會(huì)”等單位，為我國(guó)智慧礦山建設(shè)與推廣起到積極推動(dòng)作用，神東煤炭集團(tuán)、寧夏煤業(yè)集團(tuán)、中煤集團(tuán)等在40多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)與生產(chǎn)，部分建設(shè)了空間數(shù)字化、信息集成化、虛實(shí)一體化、設(shè)備互聯(lián)化、網(wǎng)絡(luò)控制化的智慧礦山，初步建立了“感知、互聯(lián)、信息存儲(chǔ)、信息分析、預(yù)測(cè)、決策控制”的基本框架，煤炭智能化開(kāi)采技術(shù)水平在控制系統(tǒng)架構(gòu)、智慧功能、控制方式、工作面人數(shù)、響應(yīng)時(shí)間、生產(chǎn)效率等方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位[13]，已經(jīng)在紅柳林煤礦、張家峁煤礦等建設(shè)了數(shù)字化礦山，在黃陵一號(hào)煤礦、新元煤礦等實(shí)現(xiàn)了“有人巡視、無(wú)人值守”的智能化綜采工作面。截至2020年底，我國(guó)已建成494個(gè)智能化采掘工作面，智能化程度不斷提高，為智慧煤礦建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[14]。

在安全開(kāi)采方面，我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)采煤工作面無(wú)人操作，引領(lǐng)了智能化開(kāi)采技術(shù)的變革，采煤工作面機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、巡檢機(jī)器人等都已在煤礦井下相繼得到應(yīng)用；在裝備智能化方面，我國(guó)自主研發(fā)的綜采成套裝備能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)智能記憶割煤、液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化、智能集成供液、運(yùn)輸系統(tǒng)煤流負(fù)荷平衡、遠(yuǎn)程遙控等，大幅減少了工作面作業(yè)人員數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度；在信息化建設(shè)方面，實(shí)現(xiàn)了煤礦“井上下一張圖”建設(shè)，涵蓋地測(cè)、采掘、通風(fēng)、安全、機(jī)電、運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)業(yè)務(wù)，建立了集團(tuán)公司、二級(jí)公司、煤礦三級(jí)統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，為煤礦一體化管理提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，礦用5G通信技術(shù)獲得成功推廣應(yīng)用；在煤炭洗選方面，大型選煤廠實(shí)現(xiàn)了集中控制。

2 存在問(wèn)題

2.1 管理方面

1)缺乏頂層設(shè)計(jì)。一是我國(guó)對(duì)于智慧礦山建設(shè)仍然缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。除了煤礦安全、瓦斯監(jiān)測(cè)外，智慧礦山建設(shè)還未形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各礦井、各部門(mén)之間缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和標(biāo)準(zhǔn)，各系統(tǒng)信息難以進(jìn)行集成，容易形成信息孤島。二是缺乏統(tǒng)一規(guī)劃與示范工程。煤礦智能化相關(guān)企業(yè)各自為政，將智慧礦山看成是一個(gè)大干快上的信息化項(xiàng)目，只注重推廣應(yīng)用，高科技的核心專(zhuān)業(yè)技術(shù)無(wú)系統(tǒng)性的實(shí)質(zhì)突破，整體共享互利性較差，容易出現(xiàn)一些技術(shù)堆積、重復(fù)建設(shè)、形象工程等問(wèn)題，需要在智能化開(kāi)采規(guī)劃理念、管理模式、專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍建設(shè)、示范工程建設(shè)等方面進(jìn)一步提升。

2)智能管理決策輔助不足。一是當(dāng)前一些煤礦僅僅依靠簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析和經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行智能決策分析，缺乏對(duì)海量數(shù)據(jù)、多因素進(jìn)行實(shí)時(shí)智能分析的模型，難以對(duì)煤炭企業(yè)智能決策、運(yùn)營(yíng)管理提供有效的支持；二是受通訊帶寬、數(shù)據(jù)接口、傳輸時(shí)間、計(jì)算能力的限制，影響管理人員的決策；三是煤礦應(yīng)急響應(yīng)被動(dòng)滯后，災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警僅僅依據(jù)規(guī)程和制度約束，屬于被動(dòng)的、事后響應(yīng)式的、缺乏有效的預(yù)警機(jī)制。

2.2 技術(shù)方面

1)裝備智能化、穩(wěn)定性程度需進(jìn)一步提高。目前，我國(guó)采掘裝備在感知層、裝備層、系統(tǒng)層、執(zhí)行層4個(gè)層面上的穩(wěn)定性、可靠性均存在一定的限制，實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題較多，日常維護(hù)量較大，影響煤礦采掘智能化開(kāi)采的效果。主要表現(xiàn)在：成套裝備與地質(zhì)模型空間位置耦合困難、工作面巡檢機(jī)器人避障困難、現(xiàn)有裝備未實(shí)現(xiàn)故障自診斷及采集數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析整合。

2)數(shù)據(jù)傳輸能力不足，傳感精度較差。一是煤礦井下設(shè)備傳感器數(shù)量少，可靠性低，抗干擾能力差，且傳感器只能采集數(shù)據(jù)，不能分析數(shù)據(jù)，加大了數(shù)據(jù)傳輸帶寬的負(fù)荷，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸較差；二是由于當(dāng)前煤礦網(wǎng)絡(luò)互通帶寬、速率、實(shí)時(shí)性等通訊技術(shù)建設(shè)相對(duì)滯后，無(wú)法達(dá)到傳輸高清視頻等大數(shù)據(jù)量的要求，不能實(shí)現(xiàn)即時(shí)大規(guī)?；ヂ?lián)，而且大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果也不能及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，從而影響視頻驅(qū)動(dòng)智能化開(kāi)采的效果；三是受有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)布置的限制，煤礦僅傳輸綜采設(shè)備、礦壓、瓦斯、水、火等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的極少數(shù)據(jù)，點(diǎn)位較少，且各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立，傳輸時(shí)間間隔較長(zhǎng)，影響煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳感精度和可靠性。

3 煤礦智慧礦山框架設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 框架設(shè)計(jì)

通過(guò)梳理當(dāng)前煤炭行業(yè)智能化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，基于“全局優(yōu)化、區(qū)域分級(jí)、多點(diǎn)協(xié)同”的控制模式，將煤炭生產(chǎn)、通風(fēng)、運(yùn)輸、供電、排水、洗選等合成為統(tǒng)一的整體，打造高效、智能、綠色、安全的煤礦開(kāi)發(fā)總體框架體系[4，15，16]，如圖1所示。

1)設(shè)備感知層。設(shè)備感知層是以物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為核心，主要通過(guò)移動(dòng)設(shè)備、多功能分站將礦井前端感知到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管控?cái)?shù)據(jù)、安全環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、智能化應(yīng)用和成果數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集，是智慧礦山的支撐體系。

2)網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是是設(shè)備感知層和數(shù)據(jù)支撐層的橋梁，主要是利用井下視頻有限專(zhuān)網(wǎng)、有限、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(5G、Wi-Fi 6)等將設(shè)備感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

3)數(shù)據(jù)支撐層。數(shù)據(jù)支撐層是由煤炭企業(yè)基礎(chǔ)信息、共享交換信息、業(yè)務(wù)信息、物聯(lián)網(wǎng)信息、互聯(lián)網(wǎng)信息建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用融合。

4)應(yīng)用決策層。應(yīng)用決策層是面向不同業(yè)務(wù)部門(mén)實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)，通過(guò)透明地質(zhì)信息、智能生產(chǎn)、智能運(yùn)輸、智能分選加工、智能調(diào)度管理來(lái)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)閉環(huán)管理、智慧決策支持和深度應(yīng)用，并通過(guò)PC應(yīng)用端、移動(dòng)APP、調(diào)度大屏、門(mén)戶(hù)網(wǎng)站多種方式進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)企業(yè)不同用戶(hù)需求。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.2.1 信息化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算技術(shù)、5G和Wi-Fi 6等新技術(shù)與煤礦智能化裝備深度融合，解決系統(tǒng)架構(gòu)和互通、數(shù)據(jù)處理決策及高級(jí)計(jì)算問(wèn)題，其研究及應(yīng)用程度決定智慧煤礦的發(fā)展水平。

1)煤礦物聯(lián)網(wǎng)泛在能力建設(shè)。主要是解決萬(wàn)物互聯(lián)、礦山深度感知問(wèn)題，具有協(xié)同管控、精確定位、組態(tài)與地理信息一體化的特點(diǎn)。根據(jù)礦井不同區(qū)域所涉及的不同特征環(huán)境、人員、設(shè)備等管控對(duì)象，深入應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)礦山“人-機(jī)-環(huán)”所有對(duì)象及關(guān)鍵部件進(jìn)行身份標(biāo)識(shí)和狀態(tài)感知，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤礦泛在的感知和連接，從而驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的單元智能，再通過(guò)云端的大數(shù)據(jù)和智能分析決策，有助于實(shí)現(xiàn)整體協(xié)同的煤礦智慧體系，最終實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物之間的信息連接和交互。

圖1 煤礦智慧礦山框架設(shè)計(jì)

2)大數(shù)據(jù)技術(shù)。由于大量傳感器的應(yīng)用必將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，需要大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、分析。煤礦大數(shù)據(jù)技術(shù)需要設(shè)計(jì)一種能夠容納結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)共同參與的分析平臺(tái)，將傳感器數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻流、人工產(chǎn)生的數(shù)據(jù)參與到大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)中，確保數(shù)據(jù)分析的全面性。同時(shí)，大數(shù)據(jù)的挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)是智慧煤礦的核心技術(shù)之一，需要充分利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，為安全生產(chǎn)、管理決策提供及時(shí)有效的依據(jù)。

3)人工智能技術(shù)。人工智能是近年來(lái)迅速發(fā)展的科技領(lǐng)域之一，能夠進(jìn)行計(jì)算、模擬仿真及自學(xué)習(xí)決策，主要是基于GIS的空間分析技術(shù)對(duì)煤礦“人、機(jī)、環(huán)、管”進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采模式的自動(dòng)生成和動(dòng)態(tài)更新。人工智能技術(shù)應(yīng)該重點(diǎn)考慮與礦山深度融合，包括設(shè)備感知層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用決策層，特別是如何將基于人工智能的故障檢測(cè)、診斷及超前干預(yù)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)自行走、自學(xué)習(xí)、自干預(yù)的智能巡檢機(jī)器人技術(shù)。

4)云計(jì)算技術(shù)。云計(jì)算技術(shù)在煤炭企業(yè)的深入應(yīng)用，能夠使得監(jiān)控和傳感數(shù)據(jù)得到高效流通與快速處理，進(jìn)而使得管理人員能夠?qū)崟r(shí)快速應(yīng)對(duì)煤礦生產(chǎn)、安全、管理、經(jīng)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題。煤礦企業(yè)大數(shù)據(jù)在云計(jì)算技術(shù)的支撐下，資源存儲(chǔ)、傳輸、管理等將會(huì)帶來(lái)更大的優(yōu)勢(shì)，智慧煤礦需要打造計(jì)算能力高且具有彈性的云計(jì)算技術(shù)。

5)礦用5G技術(shù)、礦用Wi-Fi 6技術(shù)。礦用5G具有傳輸速率高、通話質(zhì)量高、傳輸時(shí)延小等優(yōu)點(diǎn)，但是存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)；礦用Wi-Fi 6具有傳輸速率高、成本低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是存在通話質(zhì)量低、傳輸時(shí)延大等缺點(diǎn)。未來(lái)礦用5G、礦用Wi-Fi 6需要實(shí)現(xiàn)無(wú)線全覆蓋礦井超過(guò)10km的巷道，達(dá)到本質(zhì)安全防爆、傳輸宜具有一定的繞射能力、工作頻段不宜過(guò)高、抗干擾能力強(qiáng)、移動(dòng)性要求低的特點(diǎn)。

3.2.2 煤礦安全生產(chǎn)管控模式

1)打造智慧礦山八大系統(tǒng)。將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、礦用5G和礦用Wi-Fi 6技術(shù)與現(xiàn)有采礦技術(shù)相結(jié)合，建立智慧礦山八大系統(tǒng)，形成基于四維多變量的煤礦“透明開(kāi)采”系統(tǒng)，能夠真正實(shí)現(xiàn)礦山信息化和智能化的深度融合，進(jìn)一步促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展。

①北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)地質(zhì)信息系統(tǒng)。主要是結(jié)合遙感、物探、井下鉆探及三維地震勘探等立體化技術(shù)，準(zhǔn)確定位與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦地表地質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)煤礦井上下地質(zhì)信息的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)采集、存儲(chǔ)與應(yīng)用。

②智能礦井通風(fēng)排運(yùn)系統(tǒng)。智能通風(fēng)系統(tǒng)主要是運(yùn)用現(xiàn)代通信技術(shù)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，從而智能控制各個(gè)硐室的風(fēng)量、風(fēng)速；智能排水系統(tǒng)主要是繪制礦井排水節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)圖并且安設(shè)攝像頭，安裝水位、水量、水壓監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)各排水點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)；智能運(yùn)輸系統(tǒng)主要是對(duì)礦井運(yùn)輸皮帶的運(yùn)量、帶速、滾筒溫度等進(jìn)行遠(yuǎn)程集中智能控制。

③危險(xiǎn)源智能預(yù)警和消災(zāi)系統(tǒng)。主要是利用危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)算法，對(duì)煤礦危險(xiǎn)源進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，確定風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型、等級(jí)及相應(yīng)的解決方案。

④智能快速掘進(jìn)和采準(zhǔn)系統(tǒng)。主要是解決礦井采掘矛盾，包括“掘-行統(tǒng)一”“掘-支一體”和“掘-運(yùn)連續(xù)”，能夠快速形成采準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采。

⑤機(jī)器人化智能開(kāi)采系統(tǒng)。主要是通過(guò)裝備的擬人化，實(shí)現(xiàn)工作面的“破—裝—運(yùn)—支—處”5個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能開(kāi)采，包括采煤機(jī)截割軌跡和截割高度自動(dòng)調(diào)整、采煤機(jī)和帶式輸送機(jī)運(yùn)輸速度協(xié)調(diào)統(tǒng)一、液壓支架自動(dòng)調(diào)整初撐力及安全閥開(kāi)啟壓力滿足開(kāi)采空間的安全維護(hù)、刮板輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)直保證工作面平整、實(shí)現(xiàn)機(jī)器人群組的智能感知、精準(zhǔn)控制和群組協(xié)調(diào)等。

⑥礦山綠色開(kāi)發(fā)與生態(tài)再造系統(tǒng)。主要是指在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，將環(huán)境的破壞降到最低，最大程度的開(kāi)發(fā)煤炭和共伴生資源，實(shí)現(xiàn)資源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，如采用煤與瓦斯協(xié)調(diào)開(kāi)采、充填開(kāi)采、煤炭清潔高效利用、循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)建設(shè)等。

⑦礦井全工位設(shè)備設(shè)施健康智能管理系統(tǒng)。主要是對(duì)礦井設(shè)備的全生命周期進(jìn)行管理和健康維護(hù)，包括健康指標(biāo)的建立、健康評(píng)價(jià)、健康恢復(fù)和維修等。

⑧智慧煤礦集中管理系統(tǒng)。以云計(jì)算數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，建立安全管控平臺(tái)和四維綜合管理平臺(tái)，對(duì)礦井子系統(tǒng)進(jìn)行有效整合、集中管控，及時(shí)處理和調(diào)節(jié)各生產(chǎn)系統(tǒng)，包括生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)、供電及動(dòng)力系統(tǒng)控制系統(tǒng)、礦山能耗管理系統(tǒng)等[16-18]。

2)推進(jìn)智慧礦山新動(dòng)能創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。主要是以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為主。新技術(shù)是運(yùn)用創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展技術(shù)，重點(diǎn)突破精準(zhǔn)地質(zhì)探測(cè)、智能快速掘進(jìn)、重大危險(xiǎn)源智能感知與預(yù)警、精確定位與數(shù)據(jù)高效連續(xù)傳輸、復(fù)雜條件智能綜采、連續(xù)化輔助運(yùn)輸、煤礦機(jī)器人、井下數(shù)碼電子雷管等。新產(chǎn)業(yè)主要是從原先的高耗能粗放式發(fā)展模式向高精尖智能模式轉(zhuǎn)變，主要是借力5G網(wǎng)絡(luò)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心為代表的新基建技術(shù)，加強(qiáng)煤礦智能化基礎(chǔ)理論研究，不斷提高智能裝備的成套化和國(guó)產(chǎn)化水平，促進(jìn)我國(guó)煤炭行業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級(jí)。新業(yè)態(tài)和新模式是加快建設(shè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程研究中心，加快煤炭企業(yè)智能工廠和數(shù)字化車(chē)間建設(shè)，打造煤礦智能化技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)，建成一批具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的智慧礦山(如圖2所示)。

圖2 智能煤礦新動(dòng)能創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)

3.2.3 智能決策和態(tài)勢(shì)分析模式

煤炭企業(yè)在狀態(tài)判斷、異常監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)預(yù)警的基礎(chǔ)上，必須建立煤礦智能決策和態(tài)勢(shì)分析模式，主要包括三個(gè)方面：①完善與煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)家?guī)欤婕暗V井全生命周期的各個(gè)專(zhuān)業(yè)，保障智慧礦山?jīng)Q策的可靠性，形成煤礦自動(dòng)診斷與危害及時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)；②通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、水、電、應(yīng)急救援等進(jìn)行模擬仿真和現(xiàn)場(chǎng)演練，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)充智能決策和態(tài)勢(shì)分析知識(shí)庫(kù)；③通過(guò)識(shí)別煤礦領(lǐng)域的本體并抽取本體之間關(guān)系，構(gòu)建煤礦領(lǐng)域知識(shí)圖譜，有利于構(gòu)建更完善的專(zhuān)家系統(tǒng)，為煤礦智能決策提供強(qiáng)大支撐[3]。

4 對(duì)策建議

1)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。一是投入與產(chǎn)出同步，推進(jìn)質(zhì)量變革。應(yīng)該加強(qiáng)規(guī)劃引領(lǐng)，進(jìn)一步優(yōu)化智慧礦山建設(shè)投資結(jié)構(gòu)，從建設(shè)理念、系統(tǒng)架構(gòu)、綜合管理、智能技術(shù)與裝備等方面出發(fā)，根據(jù)煤礦不同地質(zhì)條件，建成一批具有代表性的示范煤礦，凝練出可復(fù)制的智能化開(kāi)采技術(shù)裝備、生產(chǎn)模式、管理經(jīng)驗(yàn)等，向其他煤礦進(jìn)行推廣。二是堅(jiān)持宏觀與微觀并重，推進(jìn)效率變革。煤炭企業(yè)要著力補(bǔ)短板，研究制定煤礦智能化發(fā)展的行動(dòng)方向、實(shí)施路徑和政策措施，科學(xué)引導(dǎo)煤礦智能化發(fā)展的進(jìn)度和規(guī)模，由重?cái)?shù)量、輕效率向重結(jié)構(gòu)和重效率轉(zhuǎn)變。同時(shí)，提高全要素生產(chǎn)率，加大科技創(chuàng)新力度，促進(jìn)成果有效轉(zhuǎn)化，提高煤礦智能化裝備穩(wěn)定性水平。三是供給和需求并舉，推進(jìn)動(dòng)力變革。按照國(guó)家與地方煤炭行業(yè)長(zhǎng)短期結(jié)合、供需雙側(cè)發(fā)力的思路，加快新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、AI技術(shù)、5G技術(shù)等在煤炭工業(yè)領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用，發(fā)展智能煤礦裝備制造業(yè)，努力推進(jìn)動(dòng)力變革。

2)建立智能煤礦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系是建設(shè)煤礦智慧礦山的引導(dǎo)性綱領(lǐng)，一方面國(guó)家應(yīng)該加快開(kāi)展煤礦專(zhuān)項(xiàng)智能化標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作，包括技術(shù)綱要、技術(shù)規(guī)范、管理規(guī)范，覆蓋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用架構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施、信息安全與治理等，實(shí)現(xiàn)流程標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，指導(dǎo)智能礦山建設(shè)的示范與推廣。另一方面加強(qiáng)宣傳和解讀煤礦智能化發(fā)展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策，為煤礦智能化發(fā)展?fàn)I造良好氛圍。

3)加大卡脖子技術(shù)研究。一是加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)融合。促進(jìn)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù)與煤礦智能化深度融合集成，開(kāi)展新技術(shù)應(yīng)用示范工程，推進(jìn)軍民融合；二是加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。充分與煤礦智能化科技發(fā)展相結(jié)合，組織人工智能、大數(shù)據(jù)前沿技術(shù)研究，組織實(shí)施重大專(zhuān)項(xiàng)與重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，營(yíng)造創(chuàng)新氛圍，支持科技成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

4)著力培養(yǎng)礦山高素質(zhì)人才。人才與創(chuàng)新是我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，智慧礦山建設(shè)也需要優(yōu)秀的復(fù)合型人才。一方面支持和鼓勵(lì)煤炭類(lèi)高等院校加快煤礦智能化相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)科的建設(shè)，培育一批具備礦業(yè)工程、信息工程、人工智能等不同技能的復(fù)合型人才。另一方面鼓勵(lì)企校合作，不斷優(yōu)化煤礦管理型、知識(shí)型、技能型的人才體系，創(chuàng)新煤礦智能化人才培養(yǎng)模式，積極開(kāi)展在職人員智能化與信息化培訓(xùn)活動(dòng)，為煤礦智能化發(fā)展提供智力支撐。