露天煤礦智能化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與發(fā)展概述

杜 瀟，栗 飛

（國能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

智能化是新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，是人與機(jī)器共同組成的生產(chǎn)系統(tǒng)，人在其中發(fā)揮著不可替代的作用。工業(yè)4.0 時(shí)代，智能制造是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效途徑，智能化發(fā)展已成為一種新趨勢(shì)。露天煤礦是我國重要的能源生產(chǎn)基地，露天煤礦自動(dòng)化、智能化發(fā)展水平不僅關(guān)系到煤炭產(chǎn)業(yè)的安全、高效、綠色和可持續(xù)發(fā)展，還關(guān)系到我國能源安全戰(zhàn)略。近年來，我國大力推進(jìn)露天煤礦自動(dòng)化、智能化建設(shè)，已建成了一批智能礦山示范工程，為我國煤炭行業(yè)智能化方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1 露天煤礦智能化建設(shè)技術(shù)

露天煤礦的智能化建設(shè)是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制、生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理、遠(yuǎn)程巡檢與故障診斷等方面功能，從而實(shí)現(xiàn)露天煤礦的高效開采和安全生產(chǎn)[1]。在信息化技術(shù)方面，以無線局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工作環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足了礦區(qū)的綜合管理需求。在智能化建設(shè)方面，研究了露天煤礦安全生產(chǎn)運(yùn)營一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和集成應(yīng)用技術(shù)體系設(shè)計(jì)，面向服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智能化礦山設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化[2]。

1.1 安全生產(chǎn)運(yùn)營一體化系統(tǒng)

安全生產(chǎn)運(yùn)營一體化系統(tǒng)主要包含安全監(jiān)控、人員定位、車輛定位、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和通信系統(tǒng)等模塊。在露天煤礦生產(chǎn)過程中，人員定位是整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑷藛T位置信息傳輸?shù)降孛?，并進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，可以實(shí)時(shí)獲取工作人員的位置和工作狀態(tài)，從而減少事故的發(fā)生，是煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)[3]。

車輛定位技術(shù)通過對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理，將車輛上安裝GPS 天線接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中處理[4]。數(shù)據(jù)中心根據(jù)設(shè)定的路徑規(guī)劃算法實(shí)時(shí)計(jì)算出最優(yōu)行駛路徑，并將計(jì)算結(jié)果通過無線傳輸方式發(fā)送到基站進(jìn)行反饋?；緦?duì)車輛位置數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)和解析后發(fā)送給車輛控制系統(tǒng)，根據(jù)車載控制器的指令對(duì)車輛進(jìn)行控制[5]。通過采用無線傳輸方式和衛(wèi)星定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)煤礦人員的實(shí)時(shí)定位和工作狀態(tài)監(jiān)控。

1.2 礦山設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)

礦山設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)露天煤礦自動(dòng)化、無人化開采的基礎(chǔ)，是露天煤礦智能化建設(shè)的重要組成部分，主要由傳感器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊和視頻監(jiān)控模塊等組成。該系統(tǒng)主要完成露天煤礦生產(chǎn)過程中的設(shè)備監(jiān)測(cè)和控制工作，為露天煤礦的自動(dòng)化、無人化開采提供基礎(chǔ)保障[6]。

礦山設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)采用面向服務(wù)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的互聯(lián)互通，從而構(gòu)建系統(tǒng)的整體架構(gòu)。服務(wù)架構(gòu)作為一種松耦合的開放體系結(jié)構(gòu)，其服務(wù)由標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行封裝，并通過標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議進(jìn)行通信[7]。

2 推進(jìn)智能化露天煤礦開采技術(shù)的意義

我國露天煤礦開采存在著高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高能耗等壁壘，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展，必須依靠科學(xué)技術(shù)。目前，我國露天煤礦開采技術(shù)已經(jīng)取得了長足發(fā)展，但仍存在著諸多問題，比如礦山環(huán)境復(fù)雜且脆弱、資源綜合利用率低、礦山生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)設(shè)備與技術(shù)相對(duì)落后等，這些問題都制約著露天煤礦的健康發(fā)展。因此，迫切需要突破技術(shù)瓶頸，提升裝備水平和生產(chǎn)效率，進(jìn)一步推進(jìn)智能化露天煤礦建設(shè)。

1）滿足我國露天煤礦未來發(fā)展的需求。我國的能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比仍然較大，是最主要的能源供給資源。發(fā)展綠色能源是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，而煤炭清潔高效利用是實(shí)現(xiàn)我國能源轉(zhuǎn)型的重要途徑。目前，我國煤炭資源賦存條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱，露天煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)中存在著高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高能耗等問題，制約了我國綠色礦業(yè)發(fā)展。推進(jìn)露天煤礦智能化建設(shè)可以有效解決目前存在的問題，提高生產(chǎn)效率和管理水平，促進(jìn)露天煤礦綠色、安全、高效發(fā)展[8]。露天煤礦結(jié)合自身的特點(diǎn)，持續(xù)加大科技投入力度，通過智能化開采將生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)化與信息化技術(shù)協(xié)同融合，實(shí)現(xiàn)露天煤礦的高效、安全生產(chǎn)；通過對(duì)露天煤礦的采礦工藝與開采設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高礦產(chǎn)資源利用率；通過實(shí)施智能調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)露天煤礦開采各環(huán)節(jié)智能協(xié)調(diào)控制與管理；此外，還可以通過智能化開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程中的環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)[9]。因此，智能化建設(shè)是推動(dòng)我國露天煤礦綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

2）保障國家能源安全及提高資源綜合利用率。隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，煤炭消費(fèi)比例呈下降趨勢(shì)。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)，我國2016 年煤炭產(chǎn)量達(dá)到316 274 萬t，占一次能源總產(chǎn)量的77.1%，由此可見，我國的煤炭供應(yīng)能力已經(jīng)接近上限[10]。但從我國煤炭資源稟賦情況來看，東部地區(qū)多為山區(qū)丘陵、礦產(chǎn)資源相對(duì)較少，西部地區(qū)多為平原戈壁或沙漠地帶，這就導(dǎo)致東部地區(qū)煤炭開采成本低、效率高，西部地區(qū)開采成本高、效率低的狀況。在當(dāng)前世界能源供給形勢(shì)下，我國未來的煤炭需求仍將持續(xù)增長，如果不能實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的動(dòng)態(tài)平衡，必將影響到我國能源安全。因此，要保證能源供應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，就必須積極推進(jìn)露天煤礦的智能化建設(shè)和發(fā)展，通過智能裝備和技術(shù)的應(yīng)用，提高資源綜合利用水平和開采效率，實(shí)現(xiàn)開采效益最大化[11]。

3）滿足我國工業(yè)和信息化建設(shè)的需求。推進(jìn)露天煤礦智能化，可以有效推動(dòng)我國工業(yè)信息化建設(shè)，滿足我國工業(yè)發(fā)展的需求，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)智能開采、數(shù)字化管理、信息化支撐的重要途徑，推動(dòng)煤炭行業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3 露天煤礦智能化建設(shè)前景展望

隨著我國露天煤礦智能化建設(shè)的不斷深入，必將實(shí)現(xiàn)由單點(diǎn)應(yīng)用向全面集成、由局部?jī)?yōu)化向全局優(yōu)化、由被動(dòng)響應(yīng)向主動(dòng)調(diào)控、由粗放型管理向精細(xì)化管理等多維度轉(zhuǎn)變。隨著露天煤礦智能化建設(shè)逐步進(jìn)入成熟期，其核心內(nèi)容是構(gòu)建礦山智能感知、智能決策、智能執(zhí)行和智能管控的一體化智能制造體系，以提升礦山生產(chǎn)效率和安全保障為目標(biāo)，積極開展智能技術(shù)與裝備的研究與應(yīng)用，促進(jìn)智能制造技術(shù)與煤礦生產(chǎn)深度融合，持續(xù)推動(dòng)露天煤礦建設(shè)從數(shù)字化到智能化跨越[12]。

3.1 開展智能感知決策執(zhí)行技術(shù)

1）在感知技術(shù)方面。通過建立露天煤礦環(huán)境、地質(zhì)、災(zāi)害等多源信息融合感知平臺(tái)，研究基于邊緣計(jì)算的多傳感器融合數(shù)據(jù)處理方法，形成露天煤礦智能化感知技術(shù)體系。

2）在決策技術(shù)方面。研究基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的智能決策方法與技術(shù)，形成露天煤礦生產(chǎn)管理的大數(shù)據(jù)決策模型，建立基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新一代信息技術(shù)的智能決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理決策的智能化[13]。

3）在執(zhí)行技術(shù)方面。研究基于智能裝備和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的露天煤礦執(zhí)行系統(tǒng)，研發(fā)以礦用卡車、電鏟、鉆機(jī)等為代表的移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)。研究移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)遠(yuǎn)程及分布式控制系統(tǒng)，開發(fā)基于現(xiàn)場(chǎng)總線、無線通信等方式的控制與執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集中管理和遠(yuǎn)程控制[14]。

露天煤礦智能化建設(shè)將圍繞3 大核心技術(shù)展開深入研究，建立以露天煤礦為核心的礦山感知與智能決策系統(tǒng)、以移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)為核心的移動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)、以無人駕駛為核心的智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

3.2 推動(dòng)生產(chǎn)工藝自動(dòng)化半自動(dòng)化向智能化發(fā)展

目前，我國部分大型露天煤礦陸續(xù)開展采場(chǎng)自動(dòng)化連續(xù)開采技術(shù)的研究工作，采剝環(huán)節(jié)的主要設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。今后，應(yīng)進(jìn)一步開展采場(chǎng)自動(dòng)連續(xù)開采關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用工作，將采場(chǎng)的地質(zhì)勘探、測(cè)量、開采、排土等環(huán)節(jié)均實(shí)現(xiàn)智能化，推動(dòng)采場(chǎng)從半機(jī)械化向自動(dòng)化、無人化發(fā)展[15]。此外，還應(yīng)開展采場(chǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)模擬研究，優(yōu)化采礦設(shè)計(jì)參數(shù)，提高露天礦生產(chǎn)效率和礦山安全保障能力[16]。

3.3 加強(qiáng)采礦方法和生產(chǎn)工藝

露天煤礦智能開采的核心技術(shù)是采礦方法和生產(chǎn)工藝，當(dāng)前，我國露天煤礦采煤工藝、剝巖工藝、運(yùn)輸工藝、破碎工藝等均采用露天開采方法，但不同礦山采用不同的采剝方案，導(dǎo)致采場(chǎng)規(guī)模、排土方案、剝離方案等均有差異[17]。

目前，我國露天煤礦采剝工程和運(yùn)輸工程逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，但生產(chǎn)效率與世界先進(jìn)水平相比差距較大，主要表現(xiàn)為：①采剝作業(yè)分散獨(dú)立，生產(chǎn)計(jì)劃由人工編制；②采場(chǎng)系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)缺乏實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)控制；③無人駕駛設(shè)備在露天礦應(yīng)用尚未普及。因此，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)露天煤礦采剝工程與運(yùn)輸工程的一體化設(shè)計(jì)，從以下幾個(gè)方面著手開展工作：①研究面向高效智能化開采的采剝工藝、排土工藝與運(yùn)輸工藝；②加快推進(jìn)采場(chǎng)系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化改造，提升智能制造水平；③加強(qiáng)對(duì)半自動(dòng)化智能采礦裝備、無人駕駛設(shè)備在露天礦生產(chǎn)中應(yīng)用的研究；④加快推進(jìn)露天礦智能化建設(shè)進(jìn)程。

3.4 大力發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在數(shù)字化世界中重現(xiàn)物理實(shí)體的狀態(tài)和功能，從而對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行仿真、診斷、預(yù)測(cè)和控制，可廣泛應(yīng)用于裝備制造、能源化工、城市建設(shè)等領(lǐng)域。露天煤礦數(shù)字孿生系統(tǒng)是數(shù)字化虛擬礦山的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生露天煤礦將通過5G 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)礦山開采的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制、可視化監(jiān)控及狀態(tài)感知，并通過各種傳感器采集礦山各工況下的環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)露天煤礦開采的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。數(shù)字孿生技術(shù)將與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)露天煤礦全生命周期的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和動(dòng)態(tài)仿真分析，構(gòu)建礦山數(shù)字孿生體，為露天煤礦智能化發(fā)展提供技術(shù)支撐[18]。

4 結(jié)語

目前露天煤礦的智能化建設(shè)總體處于探索階段，仍面臨著設(shè)備研發(fā)能力弱、系統(tǒng)集成水平低、智能化程度不高等問題。露天煤礦的發(fā)展過程中，加快推進(jìn)設(shè)備研發(fā)和升級(jí)、加大系統(tǒng)集成力度、強(qiáng)化信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營全過程數(shù)據(jù)可視化管理；加快露天煤礦數(shù)字化建設(shè)步伐，加強(qiáng)露天煤礦各系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享；推進(jìn)露天煤礦向智能化方向發(fā)展，并在技術(shù)研究和應(yīng)用中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，使露天煤礦智能化建設(shè)工作進(jìn)一步科學(xué)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。隨著新一代信息技術(shù)在露天煤礦的進(jìn)一步應(yīng)用與推廣，我國露天煤礦的智能化建設(shè)將迎來更大的發(fā)展空間。