武永旺

摘要：在智能制造時代背景下，煤炭行業(yè)逐步邁入智能化發(fā)展新階段。隨著我國煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人海戰(zhàn)術(shù)已不能滿足當前高效安全生產(chǎn)的需要，如何實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率成為擺在煤炭行業(yè)面前的重大課題。本文針對目前煤礦井下作業(yè)人員不足、勞動強度大、生產(chǎn)效率低等問題，以某礦綜采工作面為研究對象，從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計到應(yīng)用場景構(gòu)建等方面進行深入分析，并提出具體的解決方案。

關(guān)鍵詞：智能制造；采煤；架構(gòu)分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20232436

隨著國家工業(yè)化和信息化水平的不斷提升，傳統(tǒng)制造業(yè)逐漸向“智能制造”“數(shù)字經(jīng)濟”轉(zhuǎn)型升級。在中國智造2025規(guī)劃和能源革命的推動下，我國煤炭工業(yè)也在加快推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程。隨著信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)不斷應(yīng)用于煤業(yè)領(lǐng)域。作為典型的資源型產(chǎn)業(yè)，煤業(yè)的發(fā)展與國家能源戰(zhàn)略息息相關(guān)，因此，如何提升煤炭行業(yè)整體水平以及促進清潔化發(fā)展是當下亟須解決的問題。近年來，國內(nèi)各大煤炭企業(yè)紛紛加大對自動化裝備的投資力度以及積極探索智能化采煤技術(shù)路線，然而，對于企業(yè)而言，智能開采系統(tǒng)建設(shè)及運行維護成本高、數(shù)據(jù)獲取難度大且難以共享、數(shù)據(jù)質(zhì)量差且無法及時處理等問題仍制約著整個行業(yè)快速發(fā)展。

一、智能化采煤技術(shù)基本理論

（一）綜采工作面智能化開采的概念及特點

1.智能化開采的定義及其內(nèi)涵

智能化是指通過使用先進的科學(xué)技術(shù)來改善生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)力水平。而綜合機械化是指將機械化的各種設(shè)備有機組合，形成新工藝流程，不僅可以有效降低工人操作難度和風(fēng)險，還可以減少人工投入從而降低生產(chǎn)成本。由此可見，綜合機械化是采用現(xiàn)代科技手段使采礦活動更加科學(xué)合理的一種方式。智能化是利用先進的信息通信技術(shù)和計算機技術(shù)，實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過程的全面優(yōu)化。具體而言，在保證安全生產(chǎn)的前提下，通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，對煤礦的作業(yè)環(huán)節(jié)進行全生命期管理。例如，實時監(jiān)控井下人員位置，實時監(jiān)測井下溫度變化情況，自動生成安全保障措施方案，自動生成產(chǎn)量計劃，等等。此外，綜合機械化是將傳統(tǒng)的單一設(shè)備或多種設(shè)備的組合模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐源笮蜋C電設(shè)備和專用設(shè)備為主體的多級遞進式的復(fù)合式現(xiàn)代化裝備體系結(jié)構(gòu)。

2.智能化的主要特點與優(yōu)勢

智能化和自動化是相互聯(lián)系又有區(qū)別的概念。自動化是在一定條件下，機器能按照人的要求完成規(guī)定的功能，如按時間或按順序動作等。而智能化是一種高度復(fù)雜的人機系統(tǒng)，其核心是知識，即人類在長期實踐中積累起來的經(jīng)驗知識以及由這些知識所形成的技能技巧等，是人適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果。因此，從本質(zhì)上看，“自動化”屬于被動性勞動，“智能化”屬于主動性勞動。人工智能具有高度的自學(xué)習(xí)性和自我完善能力（即具有無限的潛力），能夠不斷根據(jù)外界條件的變化調(diào)整自身的狀態(tài)，從而獲得最佳的工作效果，并最大限度地避免人為錯誤發(fā)生的可能性。

3.智能化采煤的主要特征

綜采工作面的智能化主要是基于“三高”（高效率、高安全性和高可靠性）原則。具體而言，通過應(yīng)用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對煤炭資源的全方位感知，進而實現(xiàn)對煤炭資源的高效采集和精確處理，同時借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和大數(shù)據(jù)平臺，建立集煤質(zhì)檢測、運輸調(diào)度和生產(chǎn)控制于一體的信息化管控體系。此外，還通過構(gòu)建無人駕駛礦車系統(tǒng)以及無人巡檢機器人系統(tǒng)等來實現(xiàn)礦井的精準定位和安全高效的生產(chǎn)運行。

（二）智能化采煤工藝與技術(shù)的主要原理

1.煤礦開采過程及其基本規(guī)律

在作業(yè)過程中，隨著原煤不斷被開采，需要將它們運送到指定的位置進行后續(xù)加工和處理。在這一過程中，不僅涉及人員之間的配合和協(xié)同問題，而且存在著大量的設(shè)備之間、人與設(shè)備之間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系。因此，要想提高工作效率和降低生產(chǎn)成本，就必須充分考慮各相關(guān)設(shè)備的協(xié)調(diào)配合問題。目前，我國大多數(shù)煤礦的綜采工作面均采用“長壁式+大傾斜+綜合機械化+自動控制系統(tǒng)”模式組織生產(chǎn)。其中，綜合機械化是利用各種先進的技術(shù)裝備代替人工完成一些繁重且重復(fù)性的操作任務(wù)的過程，自動控制系統(tǒng)是通過使用傳感器獲取井下各個系統(tǒng)的信息并通過計算機對這些信息的分析處理后發(fā)出指令來控制整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)過程的一種裝置或軟件程序的總稱。

2.智能化的內(nèi)涵及主要特征

在傳統(tǒng)煤礦中，受到各種客觀條件的影響，如巷道狹窄，通風(fēng)不良等，傳統(tǒng)的“人—機—電—液”聯(lián)合自動化系統(tǒng)無法完全滿足實際需求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸開始探索新的技術(shù)路線和方法來解決這一問題。例如，通過對大量傳感器的安裝與布置，使整個礦井中的所有設(shè)備都具備一定的自主性，再如，根據(jù)不同工況下所要求的目標值進行合理的優(yōu)化設(shè)計等。但是這些方法仍然存在一定的不足之處。為了能夠更好地發(fā)揮其應(yīng)有的作用，需要研究如何將傳感器與計算機結(jié)合起來共同完成相應(yīng)的功能。由此可見，“人—機—電—液—網(wǎng)”一體化集成已經(jīng)成為未來智能化的主要發(fā)展方向之一。

3.智能化采煤工藝技術(shù)的基本內(nèi)容

智能化采煤工藝技術(shù)的具體實施方式包括以下四個部分：一是通過在地面部署一臺具有感知功能的服務(wù)器，對井下各相關(guān)系統(tǒng)進行監(jiān)測并采集數(shù)據(jù)。二是由服務(wù)器向地面上的監(jiān)控平臺發(fā)送相應(yīng)指令信號給相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的自動控制。當執(zhí)行機構(gòu)達到預(yù)定的目標值時，則向服務(wù)器反饋相應(yīng)的信息。同時對于超出設(shè)定值的參數(shù)則及時發(fā)出報警信號提醒值班人員進行處理并采取進一步措施。三是通過安裝在井下的傳感器，實時地收集、分析、處理井下環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺上。四是由監(jiān)控平臺根據(jù)實際情況來調(diào)整各個系統(tǒng)的運行狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置，最終達到提高生產(chǎn)效率的目的。

二、綜采工作面智能化技術(shù)

（一）綜采工作面智能化技術(shù)現(xiàn)狀

國外已經(jīng)普遍采用了“人—機—控—屏”（即一個操作員控制多臺設(shè)備，每臺設(shè)備上安裝一塊顯示屏）的方案。該方案可以有效解決當前煤礦安全生產(chǎn)過程中存在的突出問題，為煤炭工業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供有力支撐。然而，這種方案的缺點在于它只能實現(xiàn)單點控制且不能保證整個工作面的連續(xù)作業(yè)。因此，為了克服以上缺陷并且提高工作效率，許多國家已經(jīng)開始著手研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)全礦范圍內(nèi)多點控制的解決方案。

（二）綜采工作面智能化技術(shù)存在問題

目前，大多數(shù)企業(yè)所采用的“人—機—電”智能一體化控制系統(tǒng)，其功能主要是將各種傳感器與計算機相結(jié)合，利用先進的數(shù)字通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)來實現(xiàn)遠程操控。然而，這種系統(tǒng)不僅成本高而且維護難度較大。另外，“人—機—電”一體化控制系統(tǒng)僅能針對某一特定地點或某一特定空間內(nèi)進行集中管理，并不能夠滿足礦井安全生產(chǎn)的需求。因此，“人—機—電”智能一體化控制系統(tǒng)仍然無法從根本上解決煤礦安全生產(chǎn)中出現(xiàn)的種種難題。

“人—機—電”智能一體化控制系統(tǒng)的功能較為單一。當出現(xiàn)緊急情況時，工作人員往往會手忙腳亂。同時，該系統(tǒng)主要采用單線制通信方式進行數(shù)據(jù)傳遞和信號處理，如遇到停電等突發(fā)狀況時將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、信號中斷等問題。此外，“人—機—電” 一體化控制系統(tǒng)對人員的要求較高且操作復(fù)雜繁瑣。因此，在面對惡劣的工作環(huán)境或者復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)時，“人—機—電”智能一體化控制系統(tǒng)往往會出現(xiàn)反應(yīng)不及時的情況并造成事故發(fā)生。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始意識到傳統(tǒng)的“人機合一”式自動化模式已無法適應(yīng)現(xiàn)代化礦山建設(shè)發(fā)展的要求。傳統(tǒng)的人力操作模式不但效率低下而且容易發(fā)生人為失誤，進而影響整個礦區(qū)的正常運轉(zhuǎn)及人員安全。為此，人們開始尋求更加先進、高效、安全的自動化管理模式以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“人力+機械”式自動化模式。但是傳統(tǒng)的人力+機械型自動化模式的局限性非常明顯，即運行速度緩慢，運行精度低，使用費用昂貴。因此，要想真正做到無人值守，就必須采取更為先進的自動化手段取代人工勞動，從而降低生產(chǎn)成本，提升工作效率。

（三）智能化采煤工作面系統(tǒng)的主要思路

根據(jù)煤礦的作業(yè)特點，結(jié)合當前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，本文提出一種基于無線傳感網(wǎng)的“多級聯(lián)動”智能化開采工藝。該工藝由多個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)的功能均通過無線傳感網(wǎng)相互連接。其中，各子系統(tǒng)中分別安裝有傳感器和控制器，并且每個微電腦的控制范圍都超過100m2 ，能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)壓供風(fēng)、自動監(jiān)測瓦斯?jié)舛鹊裙δ?。此外，各設(shè)備之間還采用無線通信的方式處理數(shù)據(jù)傳遞和信號。這樣既能夠有效避免斷電導(dǎo)致的信號丟失問題，又能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)故障并及時處理。

為保證“多級聯(lián)動”智能化開采工藝的正常運行，本文提出了具有自檢功能的智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，不僅具備檢測網(wǎng)絡(luò)是否暢通的功能，而且能夠?qū)崟r監(jiān)控各個設(shè)備的運行狀態(tài)。一旦某個設(shè)備的運行出現(xiàn)異常現(xiàn)象，便會發(fā)出警報提醒管理人員及時維修或更換新設(shè)備以保證整個網(wǎng)絡(luò)的正常運作。另外，自檢功能還可以幫助工作人員快速判斷出哪些部件出現(xiàn)故障以便及時維護或更換，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。

三、綜采工作面智能化系統(tǒng)

（一）綜采工作面智能化系統(tǒng)

本研究主要針對某型綜采機，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對原控制系統(tǒng)中的部分環(huán)節(jié)加以改造。具體包括：將主控室內(nèi)的操作人員從原來的4人減少至1人，取消主電崗位，增加副電崗位以代替原有的主控室內(nèi)的兩個電源開關(guān)以及變電所內(nèi)的一個電源開關(guān)，取消原有控制柜中的各種按鈕及顯示儀表，使用液晶觸摸屏等。另外，為了滿足礦井安全生產(chǎn)的要求，以及方便現(xiàn)場工作人員的操作，還在原有的基礎(chǔ)上增設(shè)了相應(yīng)的輔助設(shè)施。

（二）綜采工作面智能化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

單層式綜合自動化裝置中包含有大量的機械結(jié)構(gòu)，如果將其直接應(yīng)用到實際工作中將會給日常的維護帶來很大的麻煩。對此，可利用一種基于微機的遠程控制方法來替代現(xiàn)有的手動操作方式。具體來說，由值班人員通過遠程操控的方式實現(xiàn)對各臺設(shè)備的遙控操作并確保其按照預(yù)先設(shè)定的程序完成各項任務(wù)。另外，單層式綜合自動化的所有參數(shù)均被儲存在數(shù)據(jù)庫中并且可以通過互聯(lián)網(wǎng)與上級部門相連以便隨時掌握各套設(shè)備的工作狀況和故障情況。為了進一步增強單層式綜合自動化的安全性，又對其增加了一些保護措施。例如，為了防止人為因素造成的誤動而導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，提出了名為“防誤動保護電路”的方案。該方案主要是利用一組特殊的繼電器來檢測出某一時刻哪些信號出現(xiàn)異常進而防止某些非正常的動作發(fā)生。在雙回路供電系統(tǒng)中，本文主要采用兩種供電方式：一種為傳統(tǒng)的交流接觸器—熱繼電器（HJR-B）供電方式，另一種為具有自適應(yīng)功能的直流穩(wěn)壓模塊（DC/DC）供電模式。此外，雙回路供電系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的使用需求靈活地調(diào)整電壓輸出范圍，以適用于不同功率等級的設(shè)備使用。

（三）綜采工作面智能化設(shè)計

在智能開采理念的影響下，煤炭企業(yè)都希望在現(xiàn)有條件下盡可能多地使用先進的技術(shù)手段來提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。但是對于那些資金實力較弱的煤礦企業(yè)來講，要想在短時間內(nèi)將大量先進的科學(xué)技術(shù)投入生產(chǎn)中并非易事。鑒于此，本文針對某煤業(yè)集團下屬某露天礦的實際條件提出了較為合理的智能化設(shè)計方案，以幫助企業(yè)提高煤炭產(chǎn)量并降低生產(chǎn)成本。在“無人化作業(yè)”系統(tǒng)中，本文首先采用了“視頻監(jiān)控+紅外探測+激光測距+聲發(fā)射技術(shù)”的組合方式來保證整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。其次，為了避免因為工作人員出現(xiàn)失誤而導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常運轉(zhuǎn)的情況出現(xiàn)，還專門設(shè)置了獨立的監(jiān)測站用來對整個系統(tǒng)的運行狀況進行實時監(jiān)測。最后，為了進一步強化系統(tǒng)的可靠性及可操作性，還專門設(shè)計了一個用于記錄各種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫以及一套用于控制各個環(huán)節(jié)的設(shè)備軟件。

四、結(jié)論

在智能開采理念的影響下，許多煤礦企業(yè)都在積極探索如何借助現(xiàn)代科技的力量來提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。其中，部分企業(yè)在實踐中已經(jīng)取得了一定成績并且為同類企業(yè)提供了很多可借鑒的經(jīng)驗教訓(xùn)。但是對于大多數(shù)煤礦企業(yè)而言，在短時間內(nèi)將大量先進的科學(xué)技術(shù)投入實踐中并非易事。為此，企業(yè)必須結(jié)合本企業(yè)的實際情況制定出切實可行的實施方案以幫助其實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)型?？偠灾S著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展以及智能開采觀念逐漸深入人心，智慧礦山建設(shè)已經(jīng)成為未來一段時間內(nèi)各大煤企發(fā)展的重點方向之一。

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