張 劍

（國(guó)能榆林能源有限責(zé)任公司，陜西榆林 719000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，煤炭企業(yè)也在謀求升級(jí)和轉(zhuǎn)型。智能采掘設(shè)備能夠極大提高煤礦生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，同時(shí)還能縮減井下作業(yè)人員規(guī)模，降低采礦成本。國(guó)家對(duì)智能化煤礦建設(shè)有詳細(xì)規(guī)劃，計(jì)劃在2025 年之前，形成智能化決策、智能化運(yùn)行、智能化監(jiān)管的智能化系統(tǒng)；2035 年之前全面完成智慧煤礦建設(shè)。當(dāng)前，煤礦智能化建設(shè)仍在試驗(yàn)階段，人工智能、大數(shù)據(jù)運(yùn)算、5G技術(shù)還未與煤礦工業(yè)達(dá)成深度融合。

1 煤礦采掘技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)地質(zhì)條件變化，煤礦采掘的難度和需要的機(jī)械設(shè)備有所不同。但是從實(shí)際采掘情況來(lái)看，大部分的煤礦施工都十分復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備全智能化有很大難度。在現(xiàn)階段的技術(shù)背景下，智能采掘設(shè)備主要集中在部分采掘技術(shù)中，已經(jīng)能夠有效提高采掘效率和質(zhì)量。

1.1 采掘系統(tǒng)發(fā)展歷程

國(guó)內(nèi)煤炭開采歷史較西方發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，在20 世紀(jì)中期仍然還在采用人工打眼、支護(hù)等方式進(jìn)行煤礦開采，挖掘效率很低。鏟斗后卸式裝巖機(jī)在1960 年代后開始投入使用，雖然運(yùn)輸效率仍然沒(méi)有得到提高，支護(hù)技術(shù)手段也十分落后，但大機(jī)械替代了部分人力勞作，減少了煤炭行業(yè)對(duì)人力的需求。1970年代后期，煤炭行業(yè)真正走入大機(jī)械時(shí)代，許多國(guó)際先進(jìn)的挖掘設(shè)備引入國(guó)內(nèi)，簡(jiǎn)化了煤炭采掘流程，有效提高了煤炭采掘效率和質(zhì)量。

1.2 巖巷施工作業(yè)現(xiàn)狀

當(dāng)前巖巷施工主要有2 種方式：一種是傳統(tǒng)的鉆爆法。鉆爆法開采是使用范圍最廣泛的煤炭開采方式。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)易、可靠性和可調(diào)整性較強(qiáng)，同時(shí)還具有維修方便和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但是這種煤炭開采方式需要用到大量的勞動(dòng)力，且施工周期較長(zhǎng)。另一種是巖石平巷作業(yè)法。這種采掘方法機(jī)械化程度很高，優(yōu)點(diǎn)在于采掘效率高、人力成本少，缺點(diǎn)在于由于采掘機(jī)械體型較大，在維修和變更采掘計(jì)劃時(shí)缺乏靈活性，且不適用于小型煤礦開采。

1.3 現(xiàn)有的高效掘進(jìn)方式

當(dāng)前比較高效的掘進(jìn)方式主要有3 種：①煤巖巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)，這種掘進(jìn)方式是應(yīng)用最為廣泛的掘進(jìn)方式之一，適用范圍很廣；②連續(xù)采煤機(jī)與錨桿鉆車配套作業(yè)線，適用于較為特殊的煤礦作業(yè)；③掘錨一體化掘進(jìn)，這種掘進(jìn)方式功能十分完善，不僅可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)切割運(yùn)輸和支護(hù)作業(yè)，還具有轉(zhuǎn)載、轉(zhuǎn)向除塵等其他功能，適合全硬巖煤巷采掘。

2 智能采掘系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)功能

智能采掘系統(tǒng)主要依靠感知元器件和執(zhí)行元器件實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器的智能化操作。在現(xiàn)階段的技術(shù)背景下，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)和影像采集技術(shù)，掘進(jìn)機(jī)械已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)可視化操作、自動(dòng)化操作和遠(yuǎn)程操作。具體功能包括：遠(yuǎn)程遙控操作、智能定位和安全系統(tǒng)、自動(dòng)化控制和速度調(diào)節(jié)操作、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

2.2 系統(tǒng)組成

智能采掘系統(tǒng)主要由主控層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層組成，包括主控、感知、防撞、定位、遙控、預(yù)警、通信和集控8 個(gè)單元。

2.2.1 主控層

主控層是相關(guān)操作人員和計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接交互的窗口，計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)采掘系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和處理，并將這些信息處理成圖表、圖像、聲音和視頻，方便操作人員讀取。

2.2.2 設(shè)備層

設(shè)備層是進(jìn)行采掘作業(yè)和實(shí)現(xiàn)智能化操作的各種設(shè)備，這個(gè)系統(tǒng)中包含各類感知元器件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和各種型號(hào)的采掘設(shè)備。需要注意的是設(shè)備層中的智能監(jiān)控和導(dǎo)航設(shè)備，智能監(jiān)控和導(dǎo)航設(shè)備是智能采掘系統(tǒng)的設(shè)備核心，通過(guò)有源監(jiān)控設(shè)備和無(wú)源導(dǎo)航設(shè)備，可以將煤巷的情況清晰的展現(xiàn)出來(lái)，并進(jìn)行精準(zhǔn)定位，再加上自主識(shí)別設(shè)備和多種傳感器的配合，能夠使采掘操作更加精準(zhǔn)和智能。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是數(shù)據(jù)傳播和匯聚的中心，又被叫做通信層，主要功能就是實(shí)現(xiàn)設(shè)備和主控層之間的交流，先將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)，再將操作人員的指令傳達(dá)給設(shè)備層，是二者溝通的橋梁。

（1）主控單元。主控單元是整個(gè)智能化采掘系統(tǒng)的核心。通過(guò)對(duì)整個(gè)掘進(jìn)工程的數(shù)據(jù)和進(jìn)度采集分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他單元的調(diào)度和控制，具體功能有：采掘進(jìn)度安排、采掘工藝編排、采掘計(jì)劃設(shè)計(jì)等。

（2）感知單元。感知單元如同是整個(gè)智能化采掘系統(tǒng)的眼睛，主要負(fù)責(zé)通過(guò)各類影像設(shè)備和感知元器件對(duì)采掘設(shè)備運(yùn)行和采掘進(jìn)程的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，為主控單元提供數(shù)據(jù)參考。

（3）定位單元。定位單元主要通過(guò)收集采掘設(shè)備的走位、對(duì)比預(yù)設(shè)掘進(jìn)參數(shù)，為掘進(jìn)設(shè)備行走調(diào)節(jié)提供參考。

（4）防撞單元。防撞單元又被稱為設(shè)備安全單元，主要負(fù)責(zé)采集采掘設(shè)備機(jī)身周圍數(shù)據(jù)，通過(guò)分析周邊地理環(huán)境，防止采掘設(shè)備和周圍巖石發(fā)生碰撞。

（5）遙控單元。遙控單元是采掘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵單元，遙控單元包含兩個(gè)部分，一部分是利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備的可視化控制。另一部分是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)司機(jī)與采掘機(jī)械的遠(yuǎn)程采掘操作。

（6）預(yù)警保護(hù)單元。預(yù)警保護(hù)單元是通過(guò)對(duì)比預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)之間的差別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)采掘設(shè)備或采掘過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題發(fā)出預(yù)警，實(shí)現(xiàn)故障告警停機(jī)，故障預(yù)警牽停等功能。

（7）通信單元。通信單元的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性影響著整個(gè)采掘系統(tǒng)效率跟安全。通信單元主要包括兩個(gè)內(nèi)容：①機(jī)械設(shè)備各部件之間的通信；②主控層和設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（8）集控單元。集控單元屬于聯(lián)合控制單元，通過(guò)對(duì)采掘設(shè)備機(jī)身數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)、局扇風(fēng)機(jī)預(yù)計(jì)掘進(jìn)工藝的聯(lián)動(dòng)閉鎖。司機(jī)可以在集控室中通過(guò)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘機(jī)械的遠(yuǎn)程可視化采掘操作。

3 智能采掘系統(tǒng)加強(qiáng)和升級(jí)

3.1 加強(qiáng)人機(jī)交互界面

標(biāo)準(zhǔn)的可視化系統(tǒng)都具有圖顯功能，龐大的監(jiān)控系統(tǒng)具有多畫面切換、畫面導(dǎo)航等功能，便于管理人員讀識(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和畫面情況。在較新的智能監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，畫面不僅具備平面畫面和線路示意圖，還能進(jìn)行三維建模，還原空間地理畫面。這種建模功能不同于實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，是以采掘線路為主要顯示內(nèi)容的建模畫面，更具有直觀性和參考性。在畫面內(nèi)容的基礎(chǔ)上，畫面顯示也十分全面，除了能夠顯示采掘設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)之外，還能對(duì)采掘線路進(jìn)行顯著著色，能夠幫助管理人員發(fā)現(xiàn)采掘中的問(wèn)題。這樣的人機(jī)交互界面方便讀識(shí)，對(duì)操作人員十分友好。

3.2 加強(qiáng)用戶管理設(shè)計(jì)

通過(guò)站控層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同用戶開放不同權(quán)限，這個(gè)功能能夠?qū)I(yè)人員、管理人員以及普通工作人員區(qū)分開來(lái)，限制非專業(yè)人員的實(shí)用權(quán)限，例如，在某一采掘設(shè)備上設(shè)置權(quán)限，只允許具有操作口令的專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行操作，就能有效防止非操作人員的誤操作，能夠有效保障采掘系統(tǒng)的安全性和可靠性，減少非專業(yè)因素對(duì)采掘安全的影響。

3.3 加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)計(jì)

采掘監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采掘施工數(shù)據(jù)采集是實(shí)時(shí)的，這里的數(shù)據(jù)采集處理設(shè)計(jì)主要包括3 個(gè)層次：①對(duì)數(shù)據(jù)的采集和收集；②將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理成可供管理人員讀取的數(shù)據(jù)；③對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和加強(qiáng)顯示。

3.4 加強(qiáng)記錄和故障報(bào)警設(shè)計(jì)

智能采掘監(jiān)控系統(tǒng)最為強(qiáng)大的功能，除了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采掘系統(tǒng)的監(jiān)控之外，還有其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力。這種能力主要體現(xiàn)在其能夠?qū)⑺胁删蚯闆r、方向變化以及人員操作等因素全部記錄下來(lái)，生成運(yùn)行記錄，在故障發(fā)生時(shí)，能夠?qū)⒐收蠒r(shí)間、位置和工作人員操作信息一一記錄，同時(shí)還具備聲音報(bào)警功能。這項(xiàng)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)不僅能夠幫助工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，還能為維修人員溯源故障原因和追究崗位責(zé)任提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。

3.5 加強(qiáng)信息保護(hù)功能設(shè)計(jì)

這個(gè)功能可以說(shuō)是一項(xiàng)定制功能。可以通過(guò)設(shè)置保護(hù)定制和保護(hù)動(dòng)作，對(duì)煤礦的采掘運(yùn)行狀況信息進(jìn)行保護(hù)，并實(shí)時(shí)生成運(yùn)行報(bào)告、故障報(bào)告、處理報(bào)告以及報(bào)警報(bào)告等。

4 智能采掘系統(tǒng)未來(lái)展望

現(xiàn)階段人工智能和大數(shù)據(jù)運(yùn)算在掘進(jìn)技術(shù)中的應(yīng)用還停留在較為淺層的階段，數(shù)據(jù)的采集效率、數(shù)據(jù)全面性和精準(zhǔn)性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男噬胁荒苤纹鹬腔鄄删蛳到y(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)包括自動(dòng)截割、智能挖掘在內(nèi)的自動(dòng)化操作。但遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)充分說(shuō)明了數(shù)據(jù)通信鏈路通暢能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)動(dòng)作控制，可以暢想當(dāng)5G 技術(shù)成熟，數(shù)據(jù)傳播加速后，對(duì)設(shè)備控制精度和控制范圍的影響。相信在不久的將來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)由井下掘錨機(jī)、多臂錨桿鉆車、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)、可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)組成，配備通風(fēng)除塵、控制通信等設(shè)備的一體化高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)，甚至實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)計(jì)和掘進(jìn)施工的全自動(dòng)化、全機(jī)械化，大幅度減少人力使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

煤炭行業(yè)是主要的能源行業(yè)之一，和人們的生活、城市的發(fā)展息息相關(guān)。隨著互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展，煤礦行業(yè)正在不斷進(jìn)步，完成從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型行業(yè)的轉(zhuǎn)變。而感知識(shí)別、數(shù)據(jù)進(jìn)度、掘進(jìn)參數(shù)和采掘決策以及多系統(tǒng)協(xié)調(diào)仍然是現(xiàn)階段的智能采掘系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題。人工智能和煤礦采掘設(shè)備的融合探索才剛剛開展，通過(guò)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化采掘策劃、智能化采掘施工和智能化采掘監(jiān)管的前景無(wú)限廣闊。