深耕煤矿安全生产领域 助力煤矿智能化建设
——中煤科工集团常州研究院服务煤矿智能化建设之路
作者简介
王海波，高级工程师，硕士，现任中煤科工集团常州研究院有限公司党委副书记、总经理。长期致力于矿山信息化、自动化、智能化控制技术与装备的研发应用。主持及参与了国家级和省部级重大科技项目15项、科技平台建设10余项；创新性地提出了井工煤矿主辅运智能化综合管控整体解决方案，实现了煤流协同控制、车联网与无人驾驶产业化，解决了井工煤矿运输环节用工多、转载难、智能化程度低和可靠性差等难题；带头建成了融合监测与通信控制分析验证实验室，填补了行业空白。
作为行业内唯一一家以煤矿自动化为专业研究方向的科研型企业，中煤科工集团常州研究院有限公司（以下简称常州研究院）自成立以来，始终以煤矿自动化、信息化、监测监控、通信为主导专业，深耕煤矿安全生产高新技术领域，先后研发了全矿井综合自动化系统、矿井安全生产监测系统、矿井人员安全监测系统、矿井有线/无线通信系统、输送带运输监控系统、光纤工业电视系统及矿用传感器等500余项科研成果，其中50余项获国家级、省部级科技进步奖。创造了多个行业第一，包括首套基于微机技术的煤矿安全生产监控系统、煤矿带式输送机监控系统、基于光纤传输技术的井下工业电视监视系统、基于RFID技术的井下人员安全监测系统，并首次将工业以太环网和GEPON技术应用于煤矿井下，成功安装了全矿井综合自动化系统。
1 矿山自动化研究实践成果
近年来，常州研究院制定了“世界一流、国内第一、智能矿山引领者”的企业愿景和“创新+适度多元化”的发展战略，围绕“智能矿山”主线，发展系列主导产业，并将成熟的技术应用到非煤企业，适度拓展应用。矿山自动化研究成果主要体现在以下8个方面。
1）KJ95X煤矿安全监测监控系统在满足《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》、2019《煤矿安全监控系统通用技术要求》及相关行业标准的基础上，创新性地采用分布式控制、多系统数据融合、即插即用、断线续传、电磁兼容、设备故障诊断等技术，以安全、高效、低成本、可靠性高的特点为国内各类型矿井的安全监管保驾护航，并有机融合了瓦斯抽采、火灾监控、人员精确定位、车辆定位监控、语音广播等内容，已在中国、孟加拉国、印度、土耳其等国家推广应用余套，KJ95X煤矿安全监测监控系统架构如图1所示。
2）在煤矿一体化通信与定位技术方面，先后开发了煤矿井下3G无线通信系统、矿用CDMA无线通信系统、矿用调度广播综合通信系统、矿用4G和5G无线通信系统、矿用WiFi无线通信系统等，形成了煤矿井下有线通信、无线通信和广播通信的综合性全覆盖；在移动目标定位技术方面，率先将定位精度从4 m提升到0.3 m以内，并实现移动目标的统一管控。煤矿一体化通信与定位技术如图2所示。
3）采用高精度无线定位、精准时钟同步、惯性导航融合、运动特征优化等关键技术，建立了井下高性能空间位置服务系统，以开放服务体系为基础架构，为井下移动目标跟踪、人机作业安全、智能协同作业、无人化运输、机器人巡检等应用需求提供高精度、大容量、强实时空间位置服务能力，可视条件下定位误差不超过0.1 m，覆盖半径超过400m。煤矿井下高性能空间位置服务系统如图3所示。
4）在生产过程控制技术方面，从最初的基于微机技术的带式输送机电控成套装备及运输监控系统持续进行研究，陆续研制出基于现场总线、嵌入式计算机技术的本安PLC、本安控制计算机系列带式输送机控制系统，有效提高系统的性能、易用性和可维护性。近年来又通过AI分析技术有效提升原单一传感技术的检测可信度，使带式输送机控制系统的自主运行和智能化程度进一步提升；在此基础上，陆续研制出无人值守排水控制系统、通风机远程集中控制系统、具有机车/胶轮车运行工况、位置监控及调度功能的辅助运输监控系统、机电设备健康状态监测系统，为提升矿井生产运行效率提供保障。
图1 KJ95X煤矿安全监测监控系统架构
图2 煤矿一体化通信与定位技术
图3 煤矿井下高性能空间位置服务系统
5）在辅助运输无人辅助驾驶技术方面，对矿用无轨胶轮车进行了对标《标准道路机动车驾驶自动化系统分类与定义》L3+级技术标准的自动驾驶改造，突破了无人驾驶车载传感与控制装置的大功率、高算力与矿用本安型设备低功耗要求相矛盾的技术瓶颈，研制出多功能车机交互终端（兼容UWB交互）、车载域控制器（MADAS）、组合高精度定位及惯导（UWB+IMU）、面向VSLAM应用的车载摄像仪、车载极小盲区超声波雷达、毫米波雷达、16线激光雷达、车载手咪等系列化矿用本安型产品，可实现矿用无轨胶轮车、轨道机车及单轨吊等辅助运输装备的低成本、高可靠性、全本安化的高级辅助驾驶及无人驾驶应用。辅助运输无人驾驶系列装备组合应用如图4所示。
图4 辅助运输无人驾驶系列装备组合应用
6）在供配电技术方面，在最早研制的矿用隔爆型电机软启动器技术基础上，充分利用供配电技术、电力电子技术、光纤隔离传输控制技术和阻容吸收动静态均匀技术，先后研制出隔爆开关综合保护器、矿用变频器和矿用隔爆兼本质安全性高压真空软启动器，形成了煤矿供配电系列装备，为煤矿生产智能供配电提供保障。矿用隔爆兼本质安全型电力监控分站、多回路真空电磁启动器、交流组合变频器以及矿用隔爆型移动变电站分别如图5—图8所示。
图5 矿用隔爆兼本质安全型电力监控分站
图6 矿用隔爆兼本质安全型多回路真空电磁启动器
图7 矿用隔爆兼本质安全型交流组合变频器
图8 矿用隔爆型移动变电站
7）在煤矿风险预控与隐患排查治理方面，从2003年开始，为煤矿、非煤企业提供安全风险分级管控、事故隐患排查治理、风险评估及预警、智能风险识别及应急联动、矿井瓦斯巡检、安全三维培训等与煤矿安全管理相关的解决方案，并在煤矿风险预控与隐患排查系统中率先引入安全行为AI识别、基于网格技术的多指标区域安全风险评价等先进技术。煤矿风险预控与隐患排查系统如图9所示。
图9 煤矿风险预控与隐患排查系统
8）在矿井采煤工作面用水需求方面，设计开发了矿用全自动反渗透水处理装置，以预处理过滤器+反渗透装置为核心单元，集成了压力、水质、液位等传感器、开关和控制器，并配套研制了系列化一体式智能阀门执行器，为工作面就地用水提供整体解决方案。矿用全自动反渗透水处理系统如图10所示。
图10 矿用全自动反渗透水处理系统
经过多年发展，常州研究院已将大部分科研成果转化成具有先进性、实用性和成套性的系列产品，为我国煤矿自动化、信息化、数字化建设提供了一批先进的高新技术产品和成套技术装备。
2 煤矿智能化建设思路及方案
根据国家发改委、国家能源局等八部委发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》对智能矿山建设提出以下要求：智能矿山建设应深度融合人工智能、工业物联网、云计算及大数据等技术，使煤矿具有全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的能力。总体来看，矿山智能化建设是一项复杂的系统工程，涉及多种学科技术和标准规范，需要做好战略规划和顶层设计，在整个体系上要确保煤矿安全生产及业务管理的全业务及全流程覆盖；横向能够持续扩展新业务、新数据，纵向能够保证数据从现场感知到分级传输、接收、存储、分析处理、利用等多个环节的自动流转，保证控制指令从上到下顺利、及时执行。
从建设思路上来说，第一要制订智能矿山分级分类评价体系及评价标准，针对不同地质条件类型矿井提出不同的智能化建设阶段性目标及评价准则，确保建设方案的针对性和有效性，且能够落到实处；第二要制订系列标准规范，确保各类业务系统建设有章可循，保证不同业务、不同类型的数据能够无缝交互；第三要做好合理的整体架构设计，确保架构中每个单元既具有独立的执行能力，又能与其他单元自动产生关联；第四要解决现场装备、感知单元与控制执行单元的智能化、标准化、低功耗化、低成本化，确保作业现场装备智能化和感知能力的泛化；第五要建设好全矿井高速一体化一张网络，涉及高速主干网络、5G高速无线网络和末端大容量、高宽带、低延时无线自组网络，为全矿井数据传输和指令下发提供可靠的高速通道；第六要做好基于工业互联网的信息化平台，实现对全矿井数据的集中协调管理，实现各业务系统的协同运行，实现基于标准数据体系的开放式工业APP和决策分析能力开发。
长期以来，常州研究院遵循矿山智能化建设思路，踏实做好每一个环节，不断推动矿山智能化建设进程。截至目前，在煤矿智能化建设方面已经进行了传感器小型化、低功耗化、低成本化、智能化和矿井现场边缘计算装置、移动目标精确定位、传感网络泛化、高速工业以太网、无线自组网、基于工业互联网的融合监控系统软件等多方面的技术研究，取得了一定的成果。参与制订的国家标准“煤炭工业智能化矿井设计标准”，团体标准“智能化煤矿（井工）分类，分级技术条件与评价”和“智能化采煤工作面分类、分级技术条件与评价指标体系”已经发布实施。针对矿山智能化建设提出了比较客观、合理的技术架构，如图11所示。
智能矿山架构从下至上依次为矿山装备及智能感知层、矿山协同管控层、大数据中心层、智能分析管控层、表现层，每个层次之间遵循统一顶层设计、统一标准规范、统一装备集成、统一接口规范、统一开发框架、统一主数据。
矿山智能化建设，首先要使低层装备具备智能化能力，能够独立应对现场作业需求；通过具有低功耗、大样本数据感知能力的智能传感装备和高性能无线自组网络对作业现场的地质体、环境工况进行透明化处理，提升矿井的数字化能力；在煤矿作业现场和地面建立具有边缘计算能力的协同管控平台，实现现场装备的统一协同作业。其次，需要建设数据中台，搭建基于云计算架构的大数据中心，对空间数据、监控数据、运营管理数据进行统一存储、管理、治理，为大数据决策分析应用提供基础保障。然后，需要建设基于容器技术的开放式智能管控分析平台，构建智能决策分析生态圈，使专业的大数据分析应用厂家均能参与建设，不断丰富容器中的算法和机理模型。最后，需要建设人性化的人机交互平台，可根据需要支持矢量化示意图、二/三维GIS图、VR/AR交互等多种方式，为管理人员提供丰富、便捷的信息交互模式。
3 面临的技术难题与挑战
从整个行业的技术发展现状来看，煤矿智能化建设还存在一定的技术难题需要攻克。笔者结合常州研究院的主业发展分析面临的5个方面技术难题与挑战。
3.1 智能感知技术方面
目前，在监测监控和生产过程控制技术方面，安全生产各环节所使用的传感技术在智能化、标准化、可靠性方面有大幅度提升，但仍以传统工艺为主，包括催化燃烧、电化学、红外、激光传感等，基于这些技术的传感设备功耗高、需要供电、采用有线传输等问题，导致煤矿作业现场所安装的传感器数量有限、移动及维护不方便，难以做到全面感知；在生产环节感知方面，单一参数的传感设备在准确度、安装便捷性、防护性能方面取得了长足进步，但对于部分场景如堵煤、输送带异物检测等方面存在一定的局限性；传感设备均已采用数字化技术，但由于缺少行业数据交互标准，在开放性、标准化方面略显不足。
图11 智能矿山架构
3.2 无线通信技术方面
经过多年发展，在3G、4G、WiFi、窄带通信方面积累了丰富的经验，目前已经在5G通信方面取得了相关的产品煤安认证并进行应用推广。
对于煤矿智能化建设来说，煤矿井下的高速主干网络已经形成，而要做到末端信息感知的全覆盖，需要突破无线通信在大容量、高带宽、低延时、低功耗方面的技术瓶颈，找到达成各类技术性能指标的平衡点。目前的成熟技术存在功耗偏高或速率偏低的局限性，只适用于局部区域小范围的数据通信或某个单一系统的补充数据通信。5G技术虽然在高带宽、低延时、高速率方面具有优势，但由于在功耗和成本上具有一定的使用门槛，短期内难以找到大范围的应用场景。
3.3 井下位置服务技术方面
煤矿井下移动目标的定位技术研究不断有新的突破，目前基于UWB技术的移动目标精确定位技术精度已达到静态30 cm以内。作为煤矿智能化建设需要，煤矿井下无论是静态地质体和固定设备，还是人员、采掘装备、运输车辆等移动目标，除了需要实时掌握自身的运行状态外，还需实时掌握自身的位置信息，并能够将位置信息共享给其他需要的对象，移动目标还需要具备导航能力。虽然地面有GPS和北斗导航系统，但这些技术难以延伸到煤矿井下空间，如何提供性价比高的煤矿井下精准位置服务技术显得较为迫切。
3.4 机器视觉识别技术方面
近年来，常州研究院在矿井机器视觉智能识别方面做了大量研究工作，包括异物识别、煤块卡堵识别等，取得了良好的应用效果。煤矿井下由于水汽、粉尘、低照度等因素会影响视频质量，对AI识别造成一定的干扰；同时煤矿井下安全生产环节异常，种类较多且表现方式多样，需要采集大量的样本进行机器学习，这对视频采集技术和机器学习环境提出了更高要求；随着机器人在煤矿井下作业现场的推广应用，机器视觉识别技术显得越来越重要。
3.5 辅助运输管控技术方面
常州研究院在无轨胶轮车、有轨电机车的监控系统研制已经积累了丰富经验，并实现了井下物资运输与车辆位置及状态监控一体化管控。随着煤矿智能化建设的持续推进，后期需要进一步提升辅助运输效率，包括物资储装单元的标准化、自动接驳、机器人搬运等技术应用，并逐步推进无人驾驶技术应用。这些需求对位置导航定位服务、路径规划、近感探测、AI识别、车辆集装箱改造、机器人搬运等提出了更高要求。
4 未来规划
围绕智能矿山总体发展战略，常州研究院将继续聚焦主业发展、强化责任担当，通过攻克行业技术难点，不断推动产品、系统的智能化，引领矿山智能化建设。未来的发展重点将主要集中在以下7个方面：
1）井下工业视频前端智能识别关键技术攻关，围绕主煤流运输线安全高效、自主运行、协同控制和安全风险预控所需的作业现场人员违章行为识别等场景，结合深度学习进行应用开发。
2）研制并建设煤矿井下受限空间类GPS精准位置服务系统，开发相关的导航技术与装备、GIS服务平台，为煤矿井下安全生产及无人驾驶提供位置与导航服务。
3）研究开发基于5G和WiFi6的井下高速、高宽带无线通信技术与装备，为井下移动目标和采掘工作面装备提供高速、大容量的无线通信信道。
4）研发具有自供电能力的超低功耗无线传感技术与装备，为解决矿井空间环境透明化提供技术支持。
5）开展辅助运输系统人-车-料一体化管控技术与装备、系统的研究，解决制约辅助运输效率的难点。
6）针对矿井特定作业场景开展巡检机器人、选矸机器人的研制，为固定岗位减人提效提供支持。
7）研发基于工业互联网技术的煤矿智能化基础信息平台，深入研究应用AR技术，为实现智能矿山一体化数据集中采集、管理，协同控制，融合分析，开放式服务及固定场所减人提供支持。
