煤礦智能化綜采裝備系統(tǒng)及其可靠性分析

焦承堯，王永強，張幸福，黃 瑩

(鄭州煤礦機械集團股份有限公司，河南 鄭州 450016)

我國煤炭以井工開采為主，經過多年的探索與發(fā)展，其開采技術經歷了由炮采、普采、綜采到目前的自動化、智能化開采的發(fā)展階段[1，2]，智能化開采適應現代工業(yè)技術革命發(fā)展趨勢，是保障國家能源安全、實現煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的主要方向[3]，其特點是綜采設備具備自感知、自學習、自決策、自控制、自修正的能力，通過綜采裝備間的協(xié)調配合實現自適應開采[4-8]。

我國的智能化開采尚處于初級智能化階段，雖取得了一定成績，但仍存在發(fā)展理念不清晰、智能化建設技術標準與規(guī)范缺失、缺乏整體技術架構設計、研發(fā)滯后于企業(yè)發(fā)展需求、技術裝備保障不足、研發(fā)平臺不健全、高端人才匱乏等諸多問題，煤礦常態(tài)智能化開采仍難以實現[9-10]。

智能化綜采工作面系統(tǒng)復雜龐大、設備相互關聯程度高，智能化綜采裝備系統(tǒng)的可靠性成為制約智能化開采的決定性因素。傳統(tǒng)機械化綜采裝備系統(tǒng)可靠性多是集中于機械結構部件的可靠性[11，12]，而智能化綜采裝備系統(tǒng)是多技術融合的多智能體系統(tǒng)，其系統(tǒng)復雜程度及智能程度均高于機械化綜采裝備系統(tǒng)，為確定智能化綜采裝備系統(tǒng)可靠性的影響因素和評價指標，筆者通過分析智能化綜采裝備系統(tǒng)的內涵及其特征，從子系統(tǒng)固有可靠性、子系統(tǒng)間融合度、裝備系統(tǒng)與生產環(huán)境融合度等3個方面明確智能化綜采裝備系統(tǒng)可靠性的影響因素和存在問題，并據此提出提升智能化綜采裝備系統(tǒng)可靠性的關鍵技術方向。

1 智能化綜采裝備系統(tǒng)概念

1.1 智能化綜采裝備的系統(tǒng)內涵

智能化綜采裝備系統(tǒng)是以智能化綜采裝備(以下簡稱“智采裝備”)為核心，將感知系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等各類組成單元與機械化裝備有機融合在一起，以信息為主導，進行煤礦生產大數據的采集、分析、決策一體化，形成從裝備、通信、感知、控制到決策管理層級的精準協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)[13]。其基本目標是實現綜采裝備基于自身運行狀況及環(huán)境的自感知、基于綜采裝備的嵌入式微型計算機及云端計算中心的自決策和基于決策信息對綜采裝備系統(tǒng)進行自動動態(tài)精準協(xié)同控制。智能化綜采裝備系統(tǒng)的內涵如圖1所示。

圖1 智能化綜采裝備系統(tǒng)的內涵

1.2 智能化綜采裝備的系統(tǒng)特征

智采裝備系統(tǒng)的主要特征是以智能化單機綜采裝備為基礎，通過對采煤工作面生產大數據的實時動態(tài)感知和分析決策，實現工作面生產系統(tǒng)內設備、環(huán)境、人的互聯互通，進而通過分布式控制系統(tǒng)實現綜采裝備的分散控制和集中協(xié)同控制，如圖2所示。

圖2 智能化綜采裝備系統(tǒng)特征

智能化單機綜采裝備是基礎。智采裝備不再是簡單的機械結構組合，而是將感知元件、控制系統(tǒng)、通訊線路與機械結構組成的智能體，不但需要保證裝備制造加工的可靠性而且要保證各智能機構與機械結構的融合穩(wěn)定性，從而保證作業(yè)環(huán)境精準感知、設備準確定位、裝備運行姿態(tài)監(jiān)測以及采煤機自主截割、液壓支架自動跟機移架、輸送機負載保護等智能化綜采作業(yè)的順利完成。

生產大數據是核心。生產數據是智能化開采階段的核心內容，不但為智采裝備系統(tǒng)的自適應、自控制、自決策提供基礎，同時為人工智能模型提供歷史數據學習樣本[14]，實現對作業(yè)環(huán)境的動態(tài)預測和綜采裝備系統(tǒng)的預警控制，而且為生產數據可視化及開采環(huán)境虛擬再現提供來源。

智采裝備的互聯互通是關鍵。與傳統(tǒng)綜采裝備系統(tǒng)的單機裝備控制相比，智采裝備系統(tǒng)將智能化裝備、環(huán)境、人組成一個有機融合的整體，通過物聯網技術將廣泛布置的傳感器、通訊網絡、嵌入式計算終端、智能控制中心構成覆蓋整個生產系統(tǒng)的信息傳輸網絡[15]，實現生產信息在裝備與裝備、裝備與環(huán)境、裝備與人的泛在連接及交流，最終達到智采裝備系統(tǒng)的協(xié)同控制。

智采裝備的精準協(xié)同控制是目標。井下生產系統(tǒng)是一個復雜的、動態(tài)的、大型系統(tǒng)，由多個子系統(tǒng)構成，各子系統(tǒng)之間相互影響、相互制約，尤其是智能化開采工作面由多個智能化裝備組成的多智能體系統(tǒng)，每個獨立的子系統(tǒng)都具有獨立的邏輯思維推理能力，需要基于作業(yè)環(huán)境變化和工藝流程需求，通過控制系統(tǒng)的自學習和自決策對各子系統(tǒng)行為進行調控，以實現全局最優(yōu)控制。

2 智能化綜采裝備系統(tǒng)可靠性

可靠性是指產品在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內完成規(guī)定的功能的能力，基于此可將智采裝備系統(tǒng)的可靠性定義為智采裝備系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定的功能的能力。智采裝備系統(tǒng)可靠性可以反映在三方面：子系統(tǒng)固有可靠性，子系統(tǒng)間融合度，裝備系統(tǒng)與生產環(huán)境融合度[16-18]。

1)子系統(tǒng)固有可靠性。子系統(tǒng)固有可靠度是影響綜采裝備系統(tǒng)的本質屬性，任何完善可靠的系統(tǒng)都是建立在各組成元件可靠的基礎上。智采裝備系統(tǒng)是集合了感知系統(tǒng)、計算決策系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和裝備機械結構的多智能體系統(tǒng)，不但要保證智采裝備各子系統(tǒng)本身的固有可靠性，還要實現智采裝備的自感知、自決策、自控制、自適應的功能。

2)子系統(tǒng)間融合度。系統(tǒng)融合簡單來講是把多個系統(tǒng)融合為一個系統(tǒng)，通過內部各子系統(tǒng)間的配合運作，發(fā)揮單個系統(tǒng)難以實現的特定功能，就智采裝備系統(tǒng)而言，其系統(tǒng)融合包括裝備系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)間融合和裝備系統(tǒng)與生產環(huán)境的融合兩方面內容。智采裝備系統(tǒng)融合度用于衡量智采裝備系統(tǒng)內部各生產要素之間的契合程度，根據智采裝備系統(tǒng)融合特征可以分為子系統(tǒng)間融合度和裝備系統(tǒng)與生產環(huán)境融合度。智能化開采條件下智采裝備系統(tǒng)各子系統(tǒng)的互聯、互通、互操作是實現整體系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作的基礎特征，多源異構生產大數據的融合是基礎中的核心。

3)裝備系統(tǒng)與生產環(huán)境融合度。煤礦地質環(huán)境復雜多變、工作空間狹小、開采影響因素眾多，智能化開采的目標是綜采裝備系統(tǒng)能實時感知開采環(huán)境的變化特征，建立裝備運行策略與環(huán)境參數的耦合關系模型以及相應的控制邏輯，從而實現在開采環(huán)境和空間約束條件下的全局最優(yōu)控制路徑規(guī)劃和自適應控制參數決策。因此裝備系統(tǒng)與生產環(huán)境的融合度不但是影響智采裝備系統(tǒng)可靠性的重要因素，也是智能化開采所要追求的最高目標。

基于上述對影響智采裝備系統(tǒng)可靠性的主要因素的分析，將衡量智采裝備系統(tǒng)可靠性的指標體系分為綜采裝備可靠性、傳感系統(tǒng)可靠性、控制系統(tǒng)可靠性、通信系統(tǒng)可靠性、生產數據融合度和裝備系統(tǒng)與生產環(huán)境適應性等6個方面，具體指標體系見表1。

表1 智采裝備系統(tǒng)的可靠性指標體系

3 智采裝備系統(tǒng)可靠性提升措施

3.1 綜采裝備可靠性

我國在綜采裝備制造行業(yè)已經取得了迅速得發(fā)展，形成體系完整、種類齊全、性能優(yōu)異的煤機產品制造鏈，但是國產綜采裝備主要集中于中低端產品的制造，整體可靠性與國外相比仍有不小差距[19-21]。

提升綜采裝備可靠性需要進行以下關鍵技術的突破：①攻克采煤機齒輪、刮板輸送機特殊槽等部件的高強度用鋼及耐磨抗腐蝕涂層材料的加工工藝；②加強結構件大功率激光智能切割技術、高強鋼免預熱焊接技術、表面復合材料激光熔覆技術、關鍵件熱處理技術等技術的研發(fā)；③增強綜采裝備關鍵控制元件如變頻器、大功率減速器、大功率軟啟動裝備等的核心制造工藝水平；④完善基于全面感知和智能算法的智采裝備的故障自診斷技術。

3.2 傳感系統(tǒng)可靠性

智能感知是煤礦智能開采最基礎性的也是最重要的功能，現有的感知系統(tǒng)仍然難以滿足常態(tài)智能化開采的需求，主要存在以下缺點：①傳感器可靠性差，由于井下潮濕、狹小、高粉塵、強震動、電磁干擾強烈的復雜作業(yè)環(huán)境以及傳感元件本身可靠性不高，造成傳感器感知精度低且無法連續(xù)穩(wěn)定感知設備與環(huán)境信息；②感知局限性，缺乏針對綜采裝備特殊構件、特殊生產環(huán)境相應的傳感元件，存在感知盲點，無法為智能決策提供足夠的信息支撐；③缺乏覆蓋整個煤礦生產環(huán)節(jié)的分布式感知網絡，無法實現全生產系統(tǒng)的泛在感知。

提升傳感系統(tǒng)可靠性亟需進行以下關鍵突破：①開發(fā)適應煤礦復雜環(huán)境的高性能、高可靠性、長壽命的礦用傳感器及其他監(jiān)控設備，如光纖傳感器；②加大影響裝備自適應開采的關鍵信息感知裝置與技術的研發(fā)，如煤巖界面識別裝置、煤矸識別裝備、頂煤厚度探測裝置等；③建立基于物聯網技術的生產系統(tǒng)智能感知網絡，形成礦井泛在信息感知的生產全信息場景；④建立煤礦多源感知信息管理平臺，對多源信息進行統(tǒng)一標準化存儲、動態(tài)推送與實時發(fā)布。

3.3 控制系統(tǒng)可靠性

智采裝備的控制系統(tǒng)是整個智能化綜采裝備系統(tǒng)的“大腦”，是影響智能化開采及智采裝備系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)的直接因素。

提升綜采準備控制系統(tǒng)需要進行以下關鍵突破：①從設計層面對綜采設備系統(tǒng)進行統(tǒng)一設計與規(guī)劃，整合繁冗的系統(tǒng)，開發(fā)成套可靠的自動化控制系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)的魯棒性；②優(yōu)化控制系統(tǒng)結構，采用分布式控制網絡布置結構將單機自主反饋控制系統(tǒng)與綜合協(xié)調控制系統(tǒng)進行有機融合；③對生產大數據進行深度挖掘，建立礦山開采設備之間及其與人、生產環(huán)境的耦合關聯關系，構建智慧煤礦信息邏輯模型，增強智能決策算法的準確性和適應性；④構建完善的智慧礦山邊緣云協(xié)同計算技術架構，提高礦山大數據的信息交互整合能力和智能快速決策能力。

3.4 通信系統(tǒng)可靠性

通信系統(tǒng)是連接智采裝備系統(tǒng)內各子系統(tǒng)的“中樞神經”，是制約智能化開采的又一大關鍵因素。由于我國目前尚沒有形成統(tǒng)一的綜采裝備供應模式，綜采裝備的供應廠家不同，不同綜采裝備采用不同的通訊協(xié)議和數據接口，僅工作面核心網關與工作面綜采裝備間的通訊協(xié)議即存在CAN、Modbus RTU、TCP、OPC DA/UA、TCP/UDP、EIP等總線類、以太網類通訊協(xié)議，如圖3所示，集控系統(tǒng)內部的感知信息和控制信息的傳輸與交互需要重組轉換，嚴重影響信息交互的時效性。加之缺乏集有線傳輸與無線傳輸優(yōu)勢的融合信息傳輸技術，造成大體量感知數據傳輸時效性差、控制與反饋信息無法實時動態(tài)響應、多源異構數據融合困難等難題。

圖3 綜采裝備通訊協(xié)議和數據接口

提升通信系統(tǒng)可靠性的關鍵技術有：①集合優(yōu)秀國產綜采裝備制造企業(yè)的產品優(yōu)勢，形成相互合作的綜采裝備系統(tǒng)制造產業(yè)鏈，基于頂層設計，規(guī)劃成套化智采裝備制造方案，形成統(tǒng)一的智采裝備系統(tǒng)裝配規(guī)范；②建立多層次通信網絡系統(tǒng)，包括工作面基礎骨干網絡、設備控制專有鏈路、設備內部專有鏈路等，以滿足不同設備及數據通信場景及對信息的通信效率和實時性的要求；②EUHT-5G信號在邊緣吞吐率、數據丟包率、通信時延、高速移動性上均優(yōu)于現有無線通訊技術，光纖傳感技術是具有傳輸距離遠、本質安全性、抗電磁干擾、環(huán)境適應性強等特點的有線通訊技術，應集合兩者優(yōu)勢，研究5G通信與光纖通訊的融合傳輸技術。

3.5 生產數據融合度

數據融合是指將多源傳感器獲取的感知信息進行綜合，消除多源異構信息之間可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，產生比單一信息源更精確、更完全、更可靠的數據，生產數據融合度是衡量生產系統(tǒng)對礦山生產大數據進行邏輯或物理上的集合，并為決策系統(tǒng)提供有效數據的能力。

提升生產數據融合度的關鍵技術有：①建立統(tǒng)一通信協(xié)議的通信網絡架構，統(tǒng)一設備間的數據接口，實現多源信息融合傳輸；②基于大數據分析、人工智能等智能化技術建立多源異構數據耦合關聯模型，對生產大數據進行一體化管理，實現多源異構數據的耦合分析與綜合決策。

3.6 智采裝備與生產環(huán)境適應性

由于井下開采環(huán)境條件的復雜多樣，現有智能化開采技術和裝備水平尚難以達到自適應開采的要求。

提升裝備系統(tǒng)與生產環(huán)境融合度需要對以下關鍵支撐技術進行研究：①基于地質探測技術、傳感技術、GIS、三維虛擬仿真等技術的透明工作面構建技術，如圖4所示；②基于煤巖識別技術和透明工作面的采煤自適應截割技術；③基于液壓支架與圍巖耦合關系的圍巖智能耦合控制技術；④基于多源信息融合的危險源感知預警和防控技術。

圖4 工作面三維地質模型構建過程

4 結 論

1)智能化綜采裝備系統(tǒng)的內涵是以智能化綜采裝備為中心，將感知系統(tǒng)、通訊網絡、控制系統(tǒng)等各類組成單元有機融合在一起，以信息為主導，進行煤礦生產大數據的采集、分析、決策一體化，形成從裝備、通信、感知、控制到決策管理層級的精準協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)。其特征表現為以智能化單機綜采裝備為基礎、以生產大數據為核心、以智能化綜采裝備的互聯互通為關鍵、以智能化綜采裝備的精準協(xié)同控制為目標。

2)根據影響智采裝備系統(tǒng)可靠性的關鍵因素，建立包含綜采裝備可靠性、傳感系統(tǒng)可靠性、控制系統(tǒng)可靠性、通信系統(tǒng)可靠性、生產數據融合度、裝備系統(tǒng)與生產環(huán)境融合度等6個方面的智采裝備系統(tǒng)可靠性指標體系。

3)為了制造高可靠性智能化綜采裝備，需要解決智能化綜采裝備及傳感系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等關鍵構件的高精度制造、綜采裝備間的匹配融合協(xié)調作業(yè)、成套智能化綜采裝備的頂層化設計、以及礦山生產大數據的智能分析決策等關鍵問題。