智能化开采现状及背景
国内智能开采取得多项技术成果，突破了国产矿用操作系统、煤岩识别、动态三维建模、多机协同控制、人员安全感知等关键技术，推动实现智能化无人开采模式。红柳煤矿自2017 年作为宁煤公司试点煤矿，在中厚煤层开始使用成套自动化综采设备，实现了10 多个工作面的智能开采，在缓倾斜煤层中全工作面双向全截深跟机自动化功能，采煤机记忆截割控制、快速移架、工作面直线度检测与找直、工作面设备视频监控及集中控制等功能的常态化应用，在全国智能开采领域实现了多项技术突破。
随着5G、工业互联网、云计算、大数据和人工智能等新一代信息技术的快速发展，在矿山领域的深入应用，正在成为煤矿智能化的关键基础设施和核心技术。2021 年，红柳煤矿开始在5～6 m厚煤层开始探索智能化开采，经过2 个厚煤层工作面的探索实践，红柳煤矿在I040201 （东） 工作面，提出基于“5G+矿鸿+边缘计算”的智能开采研究及应用，将华为矿鸿系统融入工作面电液控制系统，并利用工作面布设的5G网络，实现华为手机终端与工作面控制器的互联互通功能，构建“协同作业+智能决策+远程干预”的智能化无人开采模式。
通过以上关键基础设施和核心技术体系，解决了矿山缺少统一化数据标准、生产系统未互联互通、数据传输可靠性差、生产过程能耗高、运行效率低、智能化水平低等问题。
智能开采系统的构建思路
通过开展无人化矿井关键技术研发与工程示范项目，遵循“统一平台、统一数据、统一模型、统一方案”的煤矿智能化建设原则，构建形成云边协同、管控一体化的智能无人化矿井建设创新范式，突破矿区级、矿井级、系统级和边缘端等一系列智能化关键技术，并在宁煤开展工程示范，将红柳煤矿建成国内一流的具有行业特色的智能化示范煤矿，研究成果具备国内领先水平，具备国内示范推广水平，具备行业标杆水平。具体包括以下4 方面。
（1） 红柳煤矿开展“5G+矿鸿+边缘计算”的智能开采研究及应用，研究基于矿鸿操作系统的电液控制系统，提高各子系统间集成度，实现统一管控平台。
（2） 设计综采工作面设备EIP 通信接口及协议标准，解决智能化工作面数据传输协议不统一，提高关键节点数据传输可靠性，实现统一数据。
（3） 研发工作面装备故障诊断及精准维护系统，整合智能视频图像识别技术和工作面智能煤流负荷平衡控制系统，避免压溜、超负荷等事故，保证设备安全稳定运行，完成智能开采模型统一管理，实现统一模型。
（4） 基于“云边端架构”综采智能化解决方案，解决井下计算处理能力不足，满足了高实时性、大容量、高并发的数据计算、存储、控制指令调度的能力，集成多个控制平台，实现统一方案。
智能开采系统研究内容
基于矿鸿操作系统的电液控制系统
综采智能化开采控制技术为煤炭智能开采的指挥中心，底层操作系统平台不统一，直接影响智能开采系统的互联互通，严重制约了生产效率。因此研究矿鸿操作系统移植技术，开发矿鸿原生架构物联应用软件，支持软总线等相关协议标准。
通过在工作面控制器上应用最新的华为矿鸿控制系统，支持矿鸿操作系统，支持软总线；手机APP 支持蓝牙近感自动连接，发现设备，显示采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站等设备数据，支持手机操控，实现手机终端和控制器的实时互联，以及手机终端自主发现控制器、信息自主报送功能。
融合矿鸿与控制系统，在控制器中搭载矿鸿LiteOS 操作系统，利用矿鸿系统分布式软总线和设备虚拟化，完成多个应用场景，矿鸿工控手机接入井下工作面5G网络，井下工作人员在巡检过程中，利用华为手机终端APP，通过矿鸿系统的“碰一碰”功能，实现井下任意地点搭载矿鸿系统的手持终端与控制器的互联互通及远程控制功能。鸿蒙系统应用现场如图1所示。
图1 鸿蒙系统应用现场
基于“云边端架构”综采智能化平台
平台由地面调度室集中监控系统、采煤机操控系统和监控中心3 部分组成，实现工作面多系统融合统一的智能开采解决方案。智能化工作面控制系统软件平台设计如图2所示。
图2 智能化工作面控制系统软件平台设计
（1） 调度室集中监控系统
部署1 套集中监控系统，包括电液控、自动化、采煤机监测主机、智能视频显示主机和数据中心服务器等，实现了工作面监控及数据统一管理与应用；部署1 套规划截割工艺表，监测客户端软件和截割模板客户端软件，用于采煤机规划截割地面远程操控及支架远程操控。
（2） 采煤机操控系统
开放了牵引控制、速度控制功能，由采煤机操控系统，实现采煤机全工作面截割工序控制；监控中心部署1 台采煤机截割模板操控主机，根据预设的单向采煤工艺进行采煤机截割工序调度。
（3） 监控中心
地面调度室部署1 台工艺表监测主机，操作人员可根据生产实际灵活编辑采煤工艺，通过在线调用采煤工艺，采煤机由工艺引擎调度执行自动化控制工序，并可远程编辑多种采煤开采工艺，工艺调整后，采煤机截割工序根据工艺同步跳转。
工作面装备故障诊断及精准维护系统
故障诊断及精准维护系统由矿端监测诊断和远程诊断服务2 部分组成。采用云计算、物联网、大数据、边缘计算技术，结合设备状态感知、故障诊断、预警预判和健康评估专业能力，构建面向工作面装备的监测、诊断、维修一体化应用平台系统。通过系统软件分析，实现综采设备故障位置的精准判别，具备对综采设备运行时间、使用寿命、维护保养提醒等功能。
（1） 矿端监测诊断系统
实时采集工作面装备运行状态数据，如监控参数信息、传动部件振动信号、电参数信号、设备温度信号等，融合集成多类数据，结合故障诊断智能算法和专家知识库，实现对工作面装备的实时智能诊断、故障预警预报、数据查询功能、趋势分析、离线数据分析、数据管理等功能，故障诊断与维护系统如图3所示。
图3 故障诊断与维护系统
（2） 远程诊断系统
通过集成与共享运行状态数据、模型算法、专家库、案例库、故障库、特征库、规则库和维修库等数据和知识资产，支持PC端、移动端登录，形成数据、模型和知识的上传下发和对外共享，服务矿井设备运维管理。
智能视频图像识别技术
工作面每3 台支架安装1 台高清云台摄像仪，摄像仪具备云台自跟踪旋转功能，保障工作面所有场景视频全覆盖。工作面摄像仪通过工作面电液控制系统红外装置，自动获取采煤机位置，实时追踪采煤机左、右滚筒，视频分析服务器智能分析滚筒附近护帮板状态。针对自动跟机过程实现采煤机滚筒、护帮板状态自动检测识别，解决工作面自动跟机过程的智能监测问题。基于视觉实现采煤机前后滚筒互帮板状态的自动检测识别，弥补护帮板接近开关实施过程中可靠性不高问题，提升护帮板状态的智能监测水平。
在马蒂尔机尾及回风巷超前距煤壁30 m位置，各安设1 架高清云台摄像仪作为两巷边界预警摄像仪，通过视频分析服务器进行人员行为精准识别，针对工作面人员目标实现自动检测识别，解决工作面人员的动态监控问题。
工作面刮板输送机头加装1 台高清云台摄像仪，定点监测煤流量及大块煤，生产时通过视频分析服务器，实时分析煤流量及大块煤，当煤流量过大或大块煤出现进行预警报警，解决工作面大块煤的智能监测问题，智能视频识别系统现场如图4所示。
图4 智能视频识别系统现场
工作面智能煤流负荷平衡控制系统
在转载机桥身段安装1 台煤流摄像仪，监控中心安装1 台调速控制器，调速控制器通过以太网与煤流摄像仪及刮板输送机变频器进行通信，实时获取工作面刮板输送机煤量及刮板输送机变频器运行电流。控制器内部PLC通过比对煤量和刮板输送机变频器电流，对刮板输送机实时调速。
通过煤量检测仪，实时扫描煤流量，智能控制系统根据煤流量，结合电机实时输出功率智能调节刮板链速，保证刮板输送机流量的前提下，减少刮板输送机运行速度。减少刮板链运行距离，降低刮板输送机磨损及功耗，延长使用寿命。
对刮板输送机进行启动和停止控制，结合变频器的功率平衡，使刮板输送机在启动和调速阶段平稳运行。通过和变频器通信，为设备安全运行提供了全面的保护功能，包括过载、短路、接地、急停等，确保在出现故障的时候能够立即停车；实现对变频器的启停控制功能，同时通过RS485 总线通信接口或硬结点连接形式，实现第三方控制平台对变频器的启停控制功能；还可通过MODBUS协议将相关信息传至第三方控制平台，满足与矿井自动化系统的通信需求。
综采工作面设备EIP 通信接口及协议标准技术
通过建立统一Ethernet/IP 协议平台，工作面设备采用统一接口、统一协议，工作面所有系统均通过以太网接口、Ethernet/IP 协议接入矿井5G网络，矿井平台可方便、快捷访问每个系统，EIP 智能网关现场如图5所示。
图5 EIP 智能网关现场
Ether Net/IP 支持基于计算机软件的一主多从通信，整个系统中间环节少，架构简单、易维护，同时建设和使用成本也较低。制定各类设备交互的应用层数据协议标准，保证系统应用的稳定性和可靠性，统一设备接口形式，降低成本和故障率，减小维护量。
应用效果
经过井下4 个月现场调试和运行，工作面减人增效成绩显著，该套设备运行稳定，实现了全工作面自动化跟机作业的常态化，工作面单班作业人员由8 人减少至4 人，生产能力较之前有明显的提升，年生产能力由原来210 万t/a 提升至240 万t/a。工作面回采工效成倍提高，达到了矿井减员提效的目的，同时将职工从操作工变为巡视工，并从危险的工作采场变为安全监控中心，节约人工投入的同时，全面提高生产作业安全性。
工作面网络型控制器支持矿鸿操作系统和软总线协议标准，成功打通井下设备数字化连接，实现了“无屏变有屏、固定按键操作变手机移动操作”。通过工作面5G网络与矿鸿电液控制系统建立连接，手持终端支持蓝牙近感自动连接及设备发现，监测工作面液压支架设备运行状态，并完成相应控制，实现了综采工作面全设备互联，移动一体化操控。
边缘计算控制平台每个AI 服务器支持16 路H. 264 硬件解码， 现场总线网关模块兼容常见RS485/RS422/CAN等现场总线设备的接入；硬件解码提供小于200 ms视频信号，辅助现场操作人员可远程干预，实现综采工作面各设备间均衡生产，边缘服务器架构如图6所示。
通过工作面装备故障诊断及精准维护系统，建立刮板输送机、采煤机、泵站等工作面装备在线监测诊断与精准维护功能，响应时间不大于10 s，具备不低于1 000 个测点的监测能力，实现了对综采设备故障位置的精准判别。
智能视频识别系统在自主跟机过程中，煤机滚筒目标、护帮板状态的实时视频、人员目标平均检测准确率大于95%。刮板输送机上无煤、有煤、堆煤3 种状况自动检测平均准确率大于90%，单帧图像分析处理时间约40 ms。
总 结
基于“5G+矿鸿”的智能开采研究与应用是厚煤层智能化开采技术应用的典范，解决了厚煤层智能化开采面临的诸多技术难题，为保持矿井长期稳产高效智能化开采积累了宝贵经验。
（1） 厚煤层智能化综采技术的成功应用，将职工从危险性较高的采场转移到安全环境较好的巷道监控中心和地面远控中心，由设备自动控制替代人工作业，降低了工人劳动强度，减少了生产过程的意外伤害，为矿井安全生产提供了有力保障。体现了以人为本安全发展理念，从本质上提升了煤炭开采工人的尊严和社会地位。
（2） 厚煤层智能化综采技术的成功应用，实现了智能化无人开采技术在薄煤层、中厚煤层、厚煤层的全方面应用，形成了覆盖智能化开采完备的示范工程体系。为煤炭行业推广智能化无人开采技术提供了经验借鉴和数据依据。
（3） 厚煤层工作面智能化综采技术的成功应用，开创了厚煤层智能化综采技术在复杂地质条件下成功应用的先河。实现了智能化开采技术从简单地质条件到复杂地质条件的成功应用，普适适用性得到了质的飞跃，为未来类似条件下的煤炭开采提供了新的可能。同时，该技术成功应用也为其他类似复杂环境下的资源开采提供了可借鉴的经验。
策划：李金松 编辑：戴春雷
