衛(wèi)婷婷

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源，是國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展和國家安全的重要支撐和保障。煤炭工業(yè)作為傳統(tǒng)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)技術(shù)和裝備長期落后。數(shù)以百萬計(jì)的煤炭工人，在煤礦井下昏暗、潮濕、粉塵、嘈雜的環(huán)境下，面臨水、火、瓦斯、沖擊地壓等各種地質(zhì)災(zāi)害的威脅，“臟、累、苦、險(xiǎn)”是他們的常態(tài)。在公眾的印象中，煤炭開采不僅事故多，還會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成影響。

如今，隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，智能時(shí)代正在加速到來。這一切正在悄然改變，5G、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)為煤炭工業(yè)提供了新方向、新動(dòng)力，煤礦智能化成為技術(shù)變革與行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢。用中國工程院院士王國法的話來說：“煤炭開采是一個(gè)需要高科技支撐的產(chǎn)業(yè)，智能化則是高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。以煤炭工業(yè)第四次技術(shù)革命為契機(jī)，向數(shù)字化、智能化新產(chǎn)業(yè)和新業(yè)態(tài)轉(zhuǎn)型?！?/p>

作為王國法院士的學(xué)生，中國煤炭科工集團(tuán)二級首席科學(xué)家、杰出工程師青年獎(jiǎng)獲得者任懷偉研究員，正在為實(shí)現(xiàn)煤炭智能化而不斷努力。如何實(shí)現(xiàn)煤炭高效智能化開采，減少井下人工作業(yè)，讓礦工從高危的環(huán)境及繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，是他今后必須攻克的一個(gè)目標(biāo)?！啊疅o人’是我們努力的方向，是一個(gè)漸進(jìn)的過程，未來的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)井上遠(yuǎn)程控制、井下自主協(xié)同加上機(jī)器人輔助作業(yè)的煤礦智能化生產(chǎn)模式?！?/p>

人生轉(zhuǎn)彎

任懷偉不喜歡根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去做判斷，而他大學(xué)四年學(xué)習(xí)的材料成型專業(yè)中很多都是經(jīng)驗(yàn)性知識，于是任懷偉果斷選擇了跨專業(yè)考研。2003年，他考入山東大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，“我喜歡用定量公式描述未知的東西，在過程中推導(dǎo)出答案，算出最優(yōu)解”。在機(jī)械的世界里，利用數(shù)學(xué)、物理的方法和模型去定量描述規(guī)律和變化，滿足了任懷偉的興趣。

在攻讀碩士期間，任懷偉主攻更偏重計(jì)算機(jī)的CAD二次開發(fā)和機(jī)械公差設(shè)計(jì)方向。在博士期間，他前往新加坡國立大學(xué)接受聯(lián)合培養(yǎng)，負(fù)責(zé)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。就在他以為這輩子都要和計(jì)算機(jī)、機(jī)械打交道的時(shí)候，一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)了。博士畢業(yè)后一次偶然的機(jī)會(huì)，他的簡歷被王國法院士選中，進(jìn)入煤炭科學(xué)研究總院開展博士后研究工作。從此他與煤炭結(jié)緣，開啟了新的科研人生。

即使經(jīng)過了這么多年，任懷偉至今仍清晰地記得與王國法院士的那番對話：“我當(dāng)時(shí)很擔(dān)心無法勝任煤炭領(lǐng)域的研究工作。王院士鼓勵(lì)我說，‘我原來也不是學(xué)煤炭專業(yè)的，只要你肯鉆研、學(xué)習(xí)，很快就可以彌補(bǔ)專業(yè)的不足。干一行，愛一行，人都是因?yàn)檫x擇而喜歡，而不是因?yàn)橄矚g才選擇的’?！闭沁@句話，開啟了任懷偉在煤炭領(lǐng)域科研攻關(guān)的大門，并深深扎進(jìn)他的內(nèi)心。每當(dāng)遭遇挫折、失敗時(shí)，這句話就有力地回響在耳畔，激勵(lì)著他不斷奮斗、前進(jìn)。

任懷偉也深深記得，第一次下井是在山東的唐口煤礦。900多米深的礦井下高溫、悶熱，讓他切身地感受到了煤炭工人不為人知的艱辛?！拔蚁Ｍㄟ^自己的努力提高煤炭行業(yè)的技術(shù)水平，真正地造福井下工人?！比螒褌?jiān)定地說道。

一步一個(gè)腳印

雖說萬事開頭難，但任懷偉覺得自己的“轉(zhuǎn)彎”走得非常順利。在博士后研究期間，一方面，王國法院士鼓勵(lì)他去尋找適合自己的科研方向，并沒有要求他一定要沿著固定的道路前進(jìn);另一方面，任懷偉之前所學(xué)的是與煤炭不太相關(guān)的專業(yè)，不同專業(yè)之間的思維碰撞，反而讓他創(chuàng)造出許多新奇的想法。

液壓支架標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，就是任懷偉運(yùn)用不同專業(yè)知識碰撞出的第一個(gè)作品。熟悉煤炭工作的人都知道液壓支架的主要作用是支撐和控制頂板、隔離采空區(qū)，推動(dòng)工作面采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)前移，實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化。在學(xué)習(xí)過程中，任懷偉發(fā)現(xiàn)支架設(shè)計(jì)的過程是非標(biāo)準(zhǔn)化的，每個(gè)人設(shè)計(jì)的都不一樣。剛好，任懷偉在博士期間做過機(jī)械設(shè)計(jì)的CAD二次開發(fā)，很多編程語言他都很熟練?！拔揖驮赑ro/E里面寫了一段小程序，建立了支架設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化流程?！彼麆?chuàng)造性地開展了液壓支架三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究工作，提出“雙重骨架”概念及其設(shè)計(jì)方法，有效解決了液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“動(dòng)、靜”難以結(jié)合的問題，為實(shí)現(xiàn)支架的快速、高質(zhì)量設(shè)計(jì)提供了技術(shù)手段?！俺绦虻暮锰幨菚?huì)減輕很多設(shè)計(jì)的工作量，出錯(cuò)的概率會(huì)非常小，使得最后出來的支架標(biāo)準(zhǔn)化程度很高?！?/p>

經(jīng)過一段時(shí)間的工作后，任懷偉發(fā)現(xiàn)雖然液壓支架設(shè)計(jì)已經(jīng)從傳統(tǒng)的二維繪圖跨入到現(xiàn)代三維虛擬設(shè)計(jì)，Top-down（自頂向下）設(shè)計(jì)流程也走向成熟，但已有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本上是作為繪圖工具在應(yīng)用，沒有起到“輔助設(shè)計(jì)”的作用。針對這一問題，任懷偉開展了“液壓支架智能化輔助設(shè)計(jì)平臺”研究，利用Pro/E二次開發(fā)的程序，將已有的液壓支架設(shè)計(jì)知識和經(jīng)驗(yàn)固化到程序中，并結(jié)合Top-down流程、有限元分析模塊和3DMax動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，開發(fā)了液壓支架及綜采工作面配套三維動(dòng)態(tài)智能化設(shè)計(jì)平臺。應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行支架設(shè)計(jì)，可隨時(shí)幫助經(jīng)驗(yàn)不足的支架設(shè)計(jì)人員快速解決設(shè)計(jì)中遇到的設(shè)計(jì)方法、力學(xué)分析、加工工藝等問題，提高設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

這是任懷偉第一次把自己所學(xué)的知識和采煤工作聯(lián)系起來。他注意到，在煤炭開采中，支架結(jié)構(gòu)的可靠性最為重要，這讓他想到自己以前研究的有限元分析。有限元分析可以利用數(shù)學(xué)的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。于是他利用有限元分析，全面模擬煤炭開采中液壓支架的真實(shí)受力環(huán)境?！皬难芯康慕嵌葋砜矗Ъ茉陂_采過程中承受的壓力是不確定的，有時(shí)大有時(shí)小，只要我們能夠承受住最大的壓力，結(jié)構(gòu)的可靠性或強(qiáng)度就沒有問題?！蓖瑫r(shí)，支架除了要能長期承受壓力外，還要考慮其使用壽命。因此，他把所有因素考慮進(jìn)去，提出了液壓支架的概率有限元計(jì)算方法。借助有限元分析軟件，分析在彎扭組合變形情況下支架箱型結(jié)構(gòu)截面內(nèi)板元上的應(yīng)力分布，以最大等效應(yīng)力和質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)建立箱型截面參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，確定截面參數(shù)的最優(yōu)取值;依據(jù)計(jì)算結(jié)果分析參數(shù)敏感性及其最佳尺寸配比?；谟邢拊治龅膸缀螀?shù)優(yōu)化在不增加質(zhì)量的前提下改善了箱型結(jié)構(gòu)的受力狀況，為合理設(shè)計(jì)支架的詳細(xì)結(jié)構(gòu)提供了參考依據(jù)。

除此之外，任懷偉還創(chuàng)新地提出將液壓支架最大/最小高度區(qū)間分為若干支撐區(qū)，分析各個(gè)支撐區(qū)高度范圍內(nèi)掩護(hù)梁的受力和運(yùn)動(dòng)特征，給出支架最為合理的工作高度區(qū)間。他對惡劣工況下的掩護(hù)梁受力狀況也進(jìn)行了研究，改進(jìn)其筋板和蓋板的結(jié)構(gòu)形式和布置方式。掩護(hù)梁是大采高液壓支架結(jié)構(gòu)中較為薄弱的一環(huán)，使其具有合理的結(jié)構(gòu)和正確的工作姿態(tài)，對于減少結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)生，提高支護(hù)系統(tǒng)的可靠性具有重要作用。

這兩次研究讓任懷偉對科研工作有了全新的體會(huì)，機(jī)械設(shè)計(jì)中所學(xué)的知識與煤礦開采設(shè)計(jì)實(shí)際上是緊密相連的，他可以利用這些知識對煤礦開采設(shè)計(jì)進(jìn)行改變?！霸谘芯抗ぷ髦?，我首次將概率有限元的方法用于液壓支架的可靠性分析中，為充分模擬液壓支架實(shí)際的受力工況和科學(xué)評估其結(jié)構(gòu)安全性提供了新的技術(shù)手段。”王國法院士錄用他這個(gè)“門外漢”的良苦用心終有所獲。

2010年，王國法院士針對國內(nèi)近年來高端液壓支架的發(fā)展編寫了《高端液壓支架及先進(jìn)制造技術(shù)》一書，任懷偉為此作出了諸多貢獻(xiàn)，他負(fù)責(zé)了第三章內(nèi)容的主筆工作并完成了全書的統(tǒng)稿工作。該書全面介紹了我國高端液壓支架在設(shè)計(jì)和制造中的關(guān)鍵技術(shù)和研究現(xiàn)狀，是國內(nèi)液壓支架領(lǐng)域的權(quán)威著作。通過不斷努力，任懷偉也收獲了自己的第一個(gè)成果——作為第一完成人的“煤礦大型高端綜采裝備及其智能制造關(guān)鍵技術(shù)”獲得了中國機(jī)械工業(yè)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

鋼鐵長城

2014年，對任懷偉來說是科研生涯中一個(gè)重要的分水嶺。如果說之前5年的時(shí)間里，任懷偉只是把原來機(jī)械學(xué)科的知識用在了煤炭行業(yè)，那么2014年之后，他開始真正融入煤炭行業(yè)，將煤炭開采過程中的實(shí)際需求與自己所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)化充分結(jié)合，用自己的力量推動(dòng)和引領(lǐng)煤炭開采走向安全、高效、智能，以改變煤炭行業(yè)的現(xiàn)狀。

我國埋深2000米以淺的煤炭資源總量為5.9萬億噸，其中埋深超過1000米的占50%以上，主要分布在我國中東部地區(qū)。經(jīng)過多年的開采，目前已有50多個(gè)礦井采深超過千米。與淺部煤礦相比，深部煤層地應(yīng)力高、采動(dòng)影響強(qiáng)烈，頂板垮落、沖擊地壓、突水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率高、偶然性強(qiáng)，對礦工生命安全威脅極大，迫切需要實(shí)現(xiàn)智能化開采、實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。然而當(dāng)時(shí)的自動(dòng)化開采技術(shù)及裝備主要應(yīng)用于地質(zhì)條件簡單的礦井，無法適應(yīng)千米深井的復(fù)雜條件，在更加危險(xiǎn)、更加需要實(shí)現(xiàn)智能無人的生產(chǎn)場景卻無法實(shí)現(xiàn)少人、無人開采。

為此，任懷偉與科研團(tuán)隊(duì)在“973計(jì)劃”課題“深部圍巖支護(hù)穩(wěn)定性原理及自適應(yīng)支護(hù)設(shè)備創(chuàng)成方法”的支持下，首先針對液壓支架的自適應(yīng)穩(wěn)定支護(hù)問題開展了一系列的科研工作。在長達(dá)200米到400米的工作面上，布置著上百臺液壓支架，它們在不同的位置、不同時(shí)刻的受力特征是不一樣的。為此，任懷偉深入研究了深部圍巖對支護(hù)設(shè)備的動(dòng)載作用規(guī)律及圍巖垮落沖擊作用下液壓支架的動(dòng)力學(xué)行為，提出了適應(yīng)深采工作面的液壓支架動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法;研究了支護(hù)設(shè)備-圍巖的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性耦合關(guān)系，提出了基于模糊控制的姿態(tài)自適應(yīng)控制策略;為解決液壓支護(hù)設(shè)備群組的協(xié)同支護(hù)及支-采協(xié)調(diào)問題，建立了支護(hù)設(shè)備群組的自組織協(xié)同控制理論及隊(duì)列保持和姿態(tài)一致性調(diào)控方法，研發(fā)了支護(hù)質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，在智能化液壓支護(hù)裝備自適應(yīng)控制理論及技術(shù)上取得了創(chuàng)新和突破。

在“973計(jì)劃”課題成果的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)又承擔(dān)了“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“千米深井超長工作面圍巖自適應(yīng)智能控制開采技術(shù)”，進(jìn)一步研究千米深井350米以上超長工作面圍巖分區(qū)自適應(yīng)支護(hù)及多信息融合的智能化開采技術(shù)與裝備;提出了千米深井超長工作面精細(xì)化分區(qū)支護(hù)方法及支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù);創(chuàng)新了基于視覺測量、大數(shù)據(jù)分析及虛擬現(xiàn)實(shí)的“三測兩控一平臺”智能化感知、預(yù)測及決策技術(shù);研發(fā)了7米四柱式大采高非等強(qiáng)支護(hù)液壓支護(hù)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)千米深井軟巖超長工作面安全高效支護(hù)與連續(xù)穩(wěn)定開采。

通過兩個(gè)國家課題的連續(xù)攻關(guān)，任懷偉已經(jīng)將單個(gè)液壓支架性能提升到實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作面液壓支架群組更強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，為煤礦井下工作面生產(chǎn)構(gòu)筑了一道堅(jiān)不可摧的“鋼鐵長城”。

如今在陜西北部的大型煤礦，人們能夠看見這樣一番景象：三層樓高的液壓支架支撐起整齊而寬廣的空間，巨大的采煤機(jī)快速向前推進(jìn)，在“嘎巴”的清脆響聲中切碎的煤塊傾瀉而下，刮板輸送機(jī)連續(xù)不停地運(yùn)行，煤炭像流水一樣源源不斷地被運(yùn)出。煤炭工人們站在由立柱和防護(hù)網(wǎng)支撐的安全空間中，輕松地觸動(dòng)著支架操作盤上的按鈕，控制設(shè)備瞬間完成動(dòng)作。

每當(dāng)任懷偉在井下看到這些場景，心里的自豪感和成就感就油然而生?！斑^去的煤炭工人遠(yuǎn)沒有現(xiàn)在這樣安全和輕松”，任懷偉說，“如果要問有什么原因，能夠支撐我去做這些事，就是因?yàn)樵诰驴吹搅斯と藗兤D苦的條件和勞動(dòng)強(qiáng)度，我深知自己的責(zé)任和使命?！?020年，任懷偉也收獲了自己的第一個(gè)國家獎(jiǎng)——“煤與油型氣共生礦區(qū)安全智能開采關(guān)鍵技術(shù)與工程示范”獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

實(shí)現(xiàn)全礦井智能化

2022年是任懷偉踏入煤炭行業(yè)的第14個(gè)年頭。“我親眼見證了井工煤礦工作面開采從機(jī)械化到自動(dòng)化的發(fā)展，自動(dòng)化的技術(shù)是按照既定的程序進(jìn)行設(shè)備控制，無法適應(yīng)于地質(zhì)條件不穩(wěn)定的煤層?！弊詣?dòng)化并不能滿足未來煤炭工業(yè)的發(fā)展。在大多數(shù)情況下，煤層暴露后，受礦壓、水、有害氣體等因素的影響，其外部生產(chǎn)條件將隨時(shí)間發(fā)生變化。由于現(xiàn)有設(shè)備無法感知和適應(yīng)這種變化，從而產(chǎn)生了一系列的效率、安全問題，因此需要更多的人工決策和操作來解決環(huán)境與設(shè)備匹配問題。想要推動(dòng)煤炭行業(yè)進(jìn)一步轉(zhuǎn)型發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全礦井智能化是更好的選擇。

從2018年開始，王國法院士團(tuán)隊(duì)和陜煤集團(tuán)、陜西煤業(yè)股份有限公司共同承擔(dān)的“智慧煤礦巨系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)與示范礦井建設(shè)”項(xiàng)目成功立項(xiàng)。任懷偉積極投身其中，開展了智能化礦山建設(shè)的工程實(shí)踐，對5G、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)開始了積極的探索。他首次提出了智慧礦山信息邏輯模型和新的全局系統(tǒng)架構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)全礦井連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供了理論支撐。構(gòu)建的“1+3+8”智能化煤礦總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了全礦井92個(gè)在用系統(tǒng)的集成和優(yōu)化。他還承擔(dān)完成了新建大型煤礦——延長石油巴拉素智能化煤礦的總體設(shè)計(jì)研發(fā)，首次提出5G+智能化煤礦建設(shè)方案，構(gòu)建了10大系統(tǒng)、48個(gè)子系統(tǒng)，共計(jì)156個(gè)模塊的“統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)”的新一代智能化煤礦運(yùn)行系統(tǒng)。

在煤礦智能化的實(shí)踐和探索中，任懷偉逐漸成長為團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)帶頭人，凝聚和培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的青年科學(xué)家，形成了一支素質(zhì)高、能力強(qiáng)、多層次的煤礦智能化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，他們已經(jīng)成為引領(lǐng)煤礦智能化技術(shù)進(jìn)步、支撐智能化煤礦建設(shè)的中堅(jiān)力量。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了煤礦智能化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，制定了智能化煤礦和采煤工作面分類、分級等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);以團(tuán)隊(duì)成果為支撐，起草了八部委《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》和《智能化煤礦指南2021版》等政府指導(dǎo)性文件;先后承擔(dān)了國家能源、陜煤集團(tuán)、山東能源、華能煤業(yè)等大型煤炭企業(yè)智能化頂層規(guī)劃和示范項(xiàng)目，為推動(dòng)智能化煤礦高質(zhì)量建設(shè)提供了示范樣本。

面對方興未艾的第四次工業(yè)革命浪潮，任懷偉希望能把握住智能化發(fā)展的機(jī)遇，這關(guān)系到煤炭工業(yè)能否實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量發(fā)展，也關(guān)系著讓上百萬礦工更加安全、體面地工作和生活。

十年不悔

光陰似箭，白駒過隙?！拔?008年12月24號來煤科院參加面試和筆試，那年北京的冬天特別冷，我一個(gè)人站在辦公樓下，憧憬未來的工作和生活……”回顧過去十多年走過的道路，任懷偉仍然對許多畫面記憶猶新。

第一次獨(dú)立出差;第一次下井;第一次寫報(bào)告;凌晨兩三點(diǎn)煤科院大樓的大門被鎖上了，最后從窗戶跳下去;為了項(xiàng)目熬夜加班不睡覺……“那個(gè)時(shí)候工作一個(gè)通宵，第二天早上還是很精神，回去睡一覺就什么事都沒有了，現(xiàn)在肯定不行了?！?0歲的任懷偉笑著打趣道，那個(gè)時(shí)候幾乎每一個(gè)晚上和周末，他都是在學(xué)習(xí)和工作中度過。雖然他有時(shí)候也感到勞累，但吸收和學(xué)習(xí)知識的過程無疑是最快樂的。

任懷偉總是記得，自己在結(jié)束長時(shí)間的工作后，騎行在冬天深夜空蕩的路上，在昏暗的路燈下，看著雪夾著雨靜靜飄落的場景。“現(xiàn)在回想起來，我覺得正是無數(shù)個(gè)小收獲的積累，才有了今天的自己?！?0年，任懷偉經(jīng)歷了極其重要的人生旅程，從一個(gè)完全不懂煤炭的“門外漢”，成長為獨(dú)當(dāng)一面的杰出工程師。

跨入煤炭行業(yè)最初的十年，任懷偉并沒有什么明確的目標(biāo)，他只是想做一件自己想做的事情，干一行愛一行。而面對未來的十年，他真正領(lǐng)悟了王院士“為選擇而喜歡”這句話的真諦，煤礦智能化就是值得自己繼續(xù)去追尋的方向和目標(biāo)?！白非髩粝氲倪^程是最美好的，只要夢想還沒實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過程就會(huì)一直延續(xù)下去，腳下的路也會(huì)不斷往前延伸?！?/p>

“下一個(gè)十年，我希望自己仍然繼續(xù)追尋年輕時(shí)的夢想?！辈稍L最后，任懷偉對未來的自己說道。

（責(zé)編：蘇寒山）