智能礦山建設規(guī)劃思路及建議

劉海鋒

（國家能源集團神華準格爾能源集團有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的強國政策深入實施，對于能源型企業(yè)來說，信息化與工業(yè)化的深度融合、促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，勢在必行[1]。聚焦國家及地方政策導向，加快煤礦智能化發(fā)展，實現(xiàn)智能化、無人化運行，是煤炭企業(yè)未來的發(fā)展目標。放眼行業(yè)趨勢，隨著國家環(huán)境保護力度的加大和能源消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，倒逼煤炭產(chǎn)業(yè)必須走綠色智能的清潔化生產(chǎn)之路，國內(nèi)外煤炭企業(yè)、科研院所和裝備廠商，不斷加大煤礦智能開采的研發(fā)投入和應用力度，從而不斷推動煤炭生產(chǎn)向少人化、無人化方向發(fā)展。因此，針對煤炭企業(yè)，加快推進其數(shù)字化向智能化方向的升級[2]，持續(xù)加大智能礦山建設的推進力度，最終實現(xiàn)多機裝備智能化協(xié)同、區(qū)域無人作業(yè)，建成智能煤礦無人化生產(chǎn)管控體系，將是必行之路。

1 智能化建設規(guī)劃基本思路

針對智能礦山規(guī)劃及建設，大多數(shù)配套服務廠商智能化升級方向，均是以信息化集成等統(tǒng)籌規(guī)劃方案為主；而各煤機應用及制造企業(yè)，則重點以發(fā)展單機裝備的智能化為突破口。致使工藝及其設備合理銜接、能效匹配方面缺乏分析，容易形成各個子系統(tǒng)之間、各工藝銜接之間、上下游設備之間各自為營的局面。若沒有統(tǒng)籌的設備、工藝規(guī)劃改進分析，企業(yè)就會有可能在日后造成重復投資，因此，重點要打破各子系統(tǒng)之間各自為營的“視野局限”，并納入規(guī)劃當中。針對智能化升級改造，首先要實現(xiàn)以子系統(tǒng)或單機裝備為代表的獨立生產(chǎn)單元的智能化；其次要將各個關聯(lián)工藝子系統(tǒng)之間、上下游設備之間的銜接，實現(xiàn)多機裝備智能化協(xié)同聯(lián)動；最后是實現(xiàn)整個過程的智能決策。

1.1 能效驗證分析必要性

針對煤炭生產(chǎn)企業(yè)來說，往往設備的設計能力要遠高于實際應用能力，因此在智能化升級前，計算出以子系統(tǒng)或單機裝備為代表的獨立生產(chǎn)單元的合理經(jīng)濟運行區(qū)間、效率銜接最佳運行區(qū)間至關重要，如2 個區(qū)間之間重疊或部分重疊，則可做到單機裝備的智能化升級經(jīng)濟效益最優(yōu)；若2 個區(qū)間不重疊，需在智能化升級改造中一并完善設備能效改造，從而才能做到經(jīng)濟效益最優(yōu)。對于投資建設較早、經(jīng)歷過多次改擴建的大型煤企來說，更需進行重新核算驗證工作。

從理論上看，對既有系統(tǒng)進行信息化集成等統(tǒng)籌規(guī)劃方案，一般多是停留在對既有資源的整合分析，而缺乏以上能效匹配的統(tǒng)籌驗證，故很難達到預期的提質(zhì)增效及降本增效效果。從單純意義上的單機裝備智能化角度來看，此方案是暫脫離整個工藝鏈條的局部智能，對整個工藝鏈條來說更是缺乏能效及匹配合理度的統(tǒng)籌驗證，如設備選型定位不準或數(shù)據(jù)開放性約束不夠縝密，則又為日后整體優(yōu)化或集成兼容方面埋下了一定的重復投資隱患。

在煤企智能化升級整體規(guī)劃中，無論采取哪種實現(xiàn)方式，對既有的整個生產(chǎn)工藝鏈條先做系統(tǒng)的能效驗證分析事關重要。既要做好以子系統(tǒng)或單機裝備為代表的獨立生產(chǎn)單元的能效分析，又要做好整個工藝鏈條中各個獨立生產(chǎn)單元，在能效最優(yōu)范圍內(nèi)無縫銜接的最優(yōu)匹配關系分析。通過理論分析及可行性評估，利用改變生產(chǎn)組織、調(diào)整設備運行參數(shù)、改造或淘汰更新落后產(chǎn)能等方式方法，不斷優(yōu)化獨立生產(chǎn)單元的能效比及各獨立生產(chǎn)單元的銜接匹配度。在整個生產(chǎn)工藝鏈條匹配度最優(yōu)模式下，再開展有針對性的單機裝備智能化升級、多機裝備智能協(xié)同聯(lián)動改造，從而才能做到較為科學有效。

1.2 單機裝備的智能化建設

整個工藝鏈條是由若干獨立生產(chǎn)單元組成，而針對每個獨立生產(chǎn)單元又是諸多功能設備的組合體，因此若實現(xiàn)整體智能化藍圖，則單機裝備的智能化就是先行基礎。實現(xiàn)單機裝備的智能化，理論上智能煤機應該具備以下特征：

1）具備深度感知能力。實現(xiàn)智能，感知是基礎。不但要做到其本身狀態(tài)的實時自檢、實現(xiàn)功能的質(zhì)檢，還應與上游關聯(lián)設備運行狀態(tài)、物料或介質(zhì)流瞬變信息等，形成一定的工業(yè)預判或建立起數(shù)據(jù)共享機制。

2）具備記憶與思維能力。針對記憶的設計需區(qū)分設備本身數(shù)據(jù)積累和實現(xiàn)功能質(zhì)量數(shù)據(jù)積累2 個主要部分，設備自身運行與狀態(tài)數(shù)據(jù)是為設備全壽命周期管理和故障診斷預判體系服務的；實現(xiàn)功能質(zhì)量數(shù)據(jù)則是為工藝調(diào)整的智能決策服務的。針對思維能力，則是最基本的預判分析能力，也是核心需求。不但要預判設備的運行狀態(tài)及故障并分析應對的處置策略，還要提前預判上游物料及介質(zhì)流變化并分析應對的生產(chǎn)策略。

3）具備行為決策能力。對于基本的思維預判分析結(jié)果，在充分驗證復核后，必須得實際解決問題。針對設備本身的運行狀態(tài)出現(xiàn)偏差，必須采取對應閉環(huán)糾偏調(diào)節(jié)；針對設備本身故障，得按照故障等級采取對應的緊急保障措施；針對上游物料及介質(zhì)流變化，得提前調(diào)節(jié)對應的工藝參數(shù)保證功能質(zhì)量。在行動方案得到有效決策后，對應的執(zhí)行機構(gòu)應該快速有效的得到監(jiān)督執(zhí)行，進而才能達到預期效果。

4）具備自學與自適應能力。設備的固定功能容易實現(xiàn)，但后期的特殊情況則較為復雜。在智能化實現(xiàn)之前基本都是人為決策，雖然過程控制不一定精準，但也不易出現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量等其他問題，智能化實現(xiàn)之后在無需人為干預的情況下，如出現(xiàn)特殊情況就必須得要求其實現(xiàn)類人腦功能，自動修改工藝參數(shù)以改進過程控制，使得質(zhì)量控制范圍達到最佳或至少是容許范圍內(nèi)，并做到設備安全可控，甚至在該類似問題再次發(fā)生時必須自動識別并有效從容應對。

1.3 多機裝備的智能化協(xié)同

在單機裝備實現(xiàn)智能化的基礎上，需進一步有效開展獨立生產(chǎn)單元的集成整合，因此建立健全相關標準體系、開發(fā)智能一體化管控平臺等相關工作[3]，將是實現(xiàn)多機裝備智能化協(xié)同的宏觀要求。當然，受單機裝備智能化升級進程的制約，相關標準體系的建立和智能一體化管控平臺的開發(fā)等相關工作，一般將會與其同步開展并配合實施。在平臺建立、智能單機裝備之間形成互聯(lián)互通關系的同時，關鍵問題是怎么協(xié)同，這里就涉及到了“智能決策”的問題，只有真正意義上的智能決策或智能輔助分析決策有效應用的情況下，才能真正做到一鍵智能化生產(chǎn)的終極目標[4]。因此，“智能決策”必將是多機裝備協(xié)同的核心所在。

1）在井工開采及選煤領域的連續(xù)生產(chǎn)工藝中，正常情況下生產(chǎn)組織方式較為固定、生產(chǎn)工藝組合相對最優(yōu)，針對于每一個生產(chǎn)節(jié)點中若出現(xiàn)物料或介質(zhì)流瞬變，則可由其智能單機裝備進行自行智能調(diào)節(jié)，來保證其功能質(zhì)量。但在實際生產(chǎn)過程中，也不排除會出現(xiàn)某套獨立生產(chǎn)單元故障、檢修或因其它不可預測情形，所致的待產(chǎn)或停產(chǎn)情況。此類問題出現(xiàn)后，按照人為控制模式來說，通常會采取調(diào)整生產(chǎn)組織，啟用備機、利用其他平行生產(chǎn)單元進行互補或酌情整體降效運行等方式，來確保整條生產(chǎn)鏈的連續(xù)性。所謂的“智能決策”，就應該代替上述且不僅上述內(nèi)容的人工分析，并給出最優(yōu)的、科學有效的生產(chǎn)組織方案，直接用于智能調(diào)節(jié)或智能輔助人工分析決策，從而最終達到完全無需人為干預或需人為審核執(zhí)行的一鍵智能運行、自主科學決策調(diào)整生產(chǎn)組織的理想模式，為固定崗位少人化甚至無人化奠定基礎技術保障。

2）在露天開采領域的離散型生產(chǎn)工藝中，其生產(chǎn)組織較為機動靈活。具體體現(xiàn)在以下且不僅以下所述的一些情況：在車、鏟匹配方面存在隨機調(diào)整性；由于設備采購（投用）、維修、保養(yǎng)等批次及修程不同，其同型號設備的性能存在差異；實現(xiàn)相同功能的設備，其規(guī)格型號也不盡相同；不同的獨立生產(chǎn)模塊單元（1 鏟及輔助+N 車及輔助），其運行工況的差異性較大。針對露天開采大型礦機的單機裝備智能化方面，之前已經(jīng)做過簡要分析，其實現(xiàn)難度很大，且還要考慮針對老舊設備相關改造的性價比、投入產(chǎn)出比的問題。針對實施智能化建設的相關基礎設施建設和工業(yè)環(huán)境保障來說，由于露天開采礦坑的持續(xù)推進性、轉(zhuǎn)場遷移等因素，在通信、電力供應及其他補給方面，均無法做到相對固定。特別是在智能化、無人化生產(chǎn)的通信保證方面，其最新的5G 技術在此工業(yè)應用場景下的建設就存在一定的難度，且每個周期性的遷改、移設及網(wǎng)絡重新優(yōu)化的工作量較大，其成本投入更是耗資巨大。因此，在露天開采領域若實現(xiàn)其離散工藝多機裝備協(xié)同的智能化，其能夠?qū)崿F(xiàn)的程度和效果，均需要企業(yè)根據(jù)自身需求及實際，進一步做好相關技術成熟度論證和投入回報比的評估工作，其實現(xiàn)的周期可能會相對較長，甚至于將是一個長期堅持完善的過程。

1.4 智能裝備與智能機器人的定向開發(fā)

以上智能化升級藍圖構(gòu)架，只是圍繞生產(chǎn)工藝主鏈條的一些措施及方案，通過不斷完善實施，實現(xiàn)原有固定司機崗位及各級調(diào)度指揮崗位的無人化。在實際生產(chǎn)中，這部分崗位人員雖然重要但占比并不是很高。因此，在加緊建設智能礦山主構(gòu)架的同時，還要不斷完善配套主工藝鏈的其它子模塊及輔助生產(chǎn)模塊的智能化建設工作，要將整個工業(yè)作業(yè)環(huán)境均納入到統(tǒng)籌考慮范圍之中，將原始的點巡檢、各類配套主工序的準備型作業(yè)、補給、定期或不定期的處置型作業(yè)、環(huán)境保持，甚至部分有固定流程式的檢修作業(yè)，均應不斷探索并完善其智能化水平，在解決好相關問題后，才能真正做到區(qū)域無人或少人化作業(yè)。在具體實施過程中要按照實際需求，逐步配置或定制開發(fā)智能采礦裝備及采礦專用機器人[5]，逐步實現(xiàn)將重復性高、作業(yè)量大和風險性高的作業(yè)工序，利用人工智能來進行替代，從而在降低既有職業(yè)病及人身傷害風險同時，進一步做到減員增效。

2 智能化建設的相關建議

在部分能源型企業(yè)剛剛歷經(jīng)了1 次自動化、數(shù)字化升級改造的基礎上[6]，智能化又不約而期的接踵而至。在我國，能源型企業(yè)多數(shù)還是較為傳統(tǒng)的用人體量相對較大，若實現(xiàn)智能化、無人或少人生產(chǎn)，將是1 次真正的新的工業(yè)革命。針對該項舉措，要求企業(yè)從日常的、基礎性的工作著手，立足長遠統(tǒng)籌謀劃，緊盯前沿技術領域和行業(yè)導向，做好該項戰(zhàn)役的持久戰(zhàn)準備。面臨智能化建設這個新的課題，在建設期間須抓好細節(jié)、打牢基礎。

1）在業(yè)內(nèi)，實時關注前沿技術的應用動態(tài)，適時引進吸收及推廣應用。

2）在業(yè)外，根據(jù)實際工況及需求，勇于創(chuàng)新并積極探索引進和移植相關成熟技術[7]。

3）在企業(yè)經(jīng)營范圍內(nèi)，具體實施設備新購、更新及改造時，重點考慮智能化、信息化方向，避免后期重復投入；針對準備立項并處于調(diào)研期的智能化建設相關項目，本著“研用結(jié)合”的方式開展實際調(diào)研，確保最終項目的科學決策和有效實施落地；針對已建成的用于支撐智能化建設的系統(tǒng)類平臺，強化應用、積累有效數(shù)據(jù)，為最終的智能決策奠定基礎；關鍵設備及核心部件，要逐步探索轉(zhuǎn)向國內(nèi)合作的模式，為智能化升級進一步打破技術壁壘；在工藝、設備升級改造過程中，踐行“先行試點，逐步推廣”的原則，待項目評估成熟后再逐步推廣使用，降低投資風險；在新產(chǎn)品試用方面，要積極配合生產(chǎn)企業(yè)提升產(chǎn)品品質(zhì)，以互補共贏的模式彌補零星短板。

3 結(jié)語

針對大型礦山類企業(yè)的智能化建設，提出了智能礦山建設規(guī)劃思路及建議，智能化升級將是1 個長久的持續(xù)改進的過程，并不是1 次達標驗收工程。在各大礦山企業(yè)經(jīng)歷智能化升級的漫漫長征路之后，終將實現(xiàn)單機裝備智能、相關聯(lián)的多機裝備智能化協(xié)同、智能決策的無人或少人化生產(chǎn)最終目標。