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中國煤科王忠鑫教授級高工:露天煤礦智能化建設 構建場景生態是關鍵

時間:2022-08-08 來源:科大科技
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數字技術是露天煤礦智能化建設的基礎,安全、高效生產是主要推動力。但露天煤礦在智能化建設過程中出現了“為什么要建設”“建設什么”“怎樣建設”等疑問,根本原因是無法清晰描述數字技術與露天煤礦建設、生產、管理等實際活動的關系,主要表現為數字技術應用場景單一,尚未形成場景生態,從而導致智能化建設工作的系統性不足、效果不好。

場景是露天煤礦智能化實施過程中的最小單元。一個智能化場景可以依托若干種技術實現,但如果技術脫離了場景就只是技術,不再具有實際意義。場景可以是基于信息物理系統的挖掘機遠程操控,也可以是基于人工智能的輸送帶探傷,但不會是信息物理系統與人工智能。換言之,智能化場景產生于需求,具象化于技術。

從單一需求的尺度看,露天煤礦各個場景相對獨立,從綜合需求的尺度看,各個場景相互依賴、彼此制約。挖掘機的生產效率可以通過合理的規劃來提升,但同時也受制于爆破質量,爆破質量可以通過優化孔網參數來提高,但同時也受制于地質建模的精細程度,地質建模精細度取決于勘探的精細度。

露天煤礦智能化建設日新月異,傳統的需求導向研究范式已不再適合新形勢的需要,研究范式的轉移迫在眉睫。露天煤礦智能化建設必須以系統科學為基礎理論,構建“場景生態”是關鍵。


文章來源:《智能礦山》2022年第6期

第一作者:王忠鑫,教授級高級工程師,現任中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司副總經理、數字與產業中心經理、礦山設備制造中心經理

引用格式:王忠鑫,田鳳亮,辛鳳陽,等. 露天煤礦智能化建設 構建場景生態是關鍵[J].智能礦山,2022,3(6):93-100.


01
數字技術與場景生態建設的邏輯關系


數字技術是數字經濟最主要的驅動工具,是數字經濟的核心,數字技術有利于場景生態圈的建設。隨著數字技術和場景生態圈融合度的加深,對兩者發展均有重要意義,一方面數字技術讓場景生態圈更現代化、立體化、專業化,進一步提升場景中的市場吸引力、凝聚力;另一方面優質的場景生態圈又使數字技術的價值進一步體現,推動數字技術創新能力進一步增強,數字技術和場景生態兩者相輔相成、相互促進的關系得以構建。

隨著煤炭行業的發展,數字技術賦能行業經濟的作用逐步增強,對于行業場景生態的建設,大數據、人工智能、物聯網等技術更是不可或缺的。

大數據技術與場景生態建設

隨著露天煤礦智能化場景的不斷豐富,大數據技術的應用也越發重要。大數據技術在露天煤礦智能化場景生態建設的重要意義體現在露天煤礦一體化智能綜合管控平臺、帶式輸送機無人值守、無人車-鏟協同配合等相關的數據融合,使智能化場景之間互通變得精準且簡單。

對場景生態制造者和建設者而言,利用大數據技術不僅可以及時了解露天煤礦現有的智能化需求與動向,并做出應對方案,精準提供智能化場景,而且可以利用大數據技術進行礦山風險管控,及時了解風險信息,掌握行業動態變化及趨勢。

對于場景生態消費者(國內各露天煤礦)而言,基于礦山安全、高效、綠色的發展目標,結合礦山發展的實際需求,利用大數據技術可以提供最精準的智能化場景解決方案,以解決礦山現有痛點。這樣便可有效增加供需雙方的交互,場景消費者的消費結果就是對智能化場景優化最直接的反饋。

人工智能技術與場景生態建設

人工智能在一定程度上改變了“場”的維度,深度影響“景”的情景與交互方式。露天煤礦面臨的痛點、難點問題多與人工智能技術息息相關,帶式輸送機巡檢機器人、智能門禁人臉識別、物料塊度識別、圖像識別和專家系統等方面均應用了AI人工智能。

對場景生態制造者而言,露天煤礦智能化場景不僅是新的場景涉獵,更多的是利用人工智能技術,將原場景向智能化場景轉變,以節約勞動力投入,運用數字機器人替代傳統的勞動力,不僅可以提高工作效率,還可以降低人員作業的風險和成本。對場景生態建設者而言,人工智能技術的應用一方面提升了工作專業度,另一方面加強了智能化場景之間的關聯,有利于提升智能化場景經營決策管理水平。此外,場景生態消費者可以用同等或最低的成本獲得安全系數高且全面的場景應用。

物聯網技術與場景生態建設

物聯網技術是指將所有物理對象通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來,實現智能化的識別與管理。物聯網技術主要影響“場”中的空間及“景”中的情景與交互方式,使礦山生產更加可視化、物理化和實時化等。露天煤礦生產工藝復雜,涉獵的設備繁多,物聯網技術在礦山5G通信技術建設完備的環境下,通過構建嚴格的信息安全保障體系和機制,提供數據傳輸的安全可控機制,滿足礦山生產作業的實際需求,主要包括設備狀態實時監測、礦用卡車無人駕駛、挖掘機遠程操控、帶式輸送機遠程控制等數據通信功能,實現礦山安全、高效、綠色的目標。

元宇宙與場景生態建設

元宇宙不是一個新的概念,更像是一個經典概念的重生,是在擴展現實(XR)、區塊鏈、云計算、數字孿生等新技術下的概念具化。元宇宙影響了“場”中的時間與空間的維度,同時也改變了“景”中的情景及交互方式。

對場景生態制造者而言,基于BIM+GIS技術構建露天煤礦三維實景模型,關聯礦山生產實時運行數據,在時間維度上,實現了全天候的生產運行數據監測;在空間維度上,實現了現實與虛擬的無縫對接,可以很直觀地觀察礦山的現場生產狀況。

對場景生態建設者而言,采用現實與虛擬、多種業務相結合的方式,可以在很大程度上增加場景對礦山生產各方面的黏性與吸引力,有利于場景的擴充,提高可利用度。



02
露天煤礦場景智能化構建現狀
典型場景構建情況

目前,國內露天煤礦智能化建設以實現安全、高效、智能、無人、綠色生產及低碳環保等為目標,由此衍生出的智能化場景包括無人化場景、安全生產場景、智能管控場景、智能設計場景、智能決策場景五大場景。場景分布在露天煤礦信息基礎設施、礦山設計、智能穿爆、礦山工程、智能輔助、管理與決策和智能化園區等方面。通過對2021年開展的智能化露天煤礦驗收工作進行梳理,總結出五大場景的建設現狀。

1)無人化場景

國家電投集團白音華煤電有限公司露天煤礦在智能穿爆方面,建設了鉆機、裝藥車遠程操控平臺;在礦山工程方面,建設了礦用卡車無人駕駛、挖掘機遠程操控、帶式輸送機無人值守等智能化系統;在智能輔助方面,建設了移動設備智能安全監管平臺、變電站巡檢機器人、疏干排水遠程操控平臺;在智能化園區方面,建設了智能門禁、智能車輛管理等內容。

新疆疆納礦業有限公司興盛露天煤礦建成了輪斗挖掘機全連續自動采煤系統(圖1),替代了部分單斗-卡車間斷工藝,實現了減人提效的目標。上述系統需要以5G網絡全覆蓋的物聯網、人工智能、大數據等數字技術為依托,實現露天煤礦少人、無人生產作業,有效回避了傳統露天煤礦生產作業人員的工作環境惡劣等問題,提高了礦山生產的作業效率和生產安全性。

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圖1 輪斗挖掘機全連續自動采煤系統智能管控平臺

2)安全生產場景

國內多數露天煤礦配備了智能化門禁系統、變電站智能巡檢機器人系統、邊坡監測系統、輸送帶探傷系統、電子柵欄系統,危險區域實現了無人機巡檢等內容的建設。上述工作著眼于露天煤礦的少人、無人化作業,以實現安全生產的目標。上述系統和設備需要物聯網、人工智能等數字技術的支持。

3)智能管控場景

國內多數露天煤礦在信息基礎設施方面,搭建了露天煤礦一體化智能綜合管控平臺;在礦山工程方面,建設了作業調度系統、生產工業控制系統;在智能輔助方面,建設了疏干排水遠程控制系統、變電站遠程控制系統、設備故障診斷系統等內容,實現了露天煤礦生產作業過程智能管控的目標。建設智能管控場景的目的在于利用物聯網、人工智能、大數據等數字技術提高設備作業效率,進一步提高生產環節效率,從而減少現場作業人員的工作量。由中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司開發的露天煤礦人員-設備車輛生產指揮監管平臺如圖2所示。

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圖2 露天煤礦人員-設備車輛生產指揮監管平臺

4)智能設計場景

礦山設計是露天煤礦智能化建設的先行者,礦山生產計劃編制、采區轉向都離不開礦山設計。目前,礦山設計軟件如Minex、Surpac、Vulcan、3Dmine等已基本普及,但其作用仍局限于基于礦床模型的土石方算量等,而對于生產計劃的優化、智能設計決策、設備實際作業特性模擬、生產中存在的隨機事件等考慮相對較少。中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司研發了露天煤礦工程BIM協同設計及三維數字化交付平臺(圖3),利用物聯網等數字技術,融合開采現狀三維模型,實現了露天煤礦三維模型的輕量化瀏覽,關聯工程采購及施工相關數據與文檔信息,接入視頻及狀態檢測等系統,實現了工程信息模型的一體化動態實時展示。

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圖3 露天煤礦BIM協同設計及三維數字化交付平臺

5)智能決策場景

國內多數露天煤礦在礦山工程方面,以無人駕駛系統、作業調度系統、破碎站智能調速系統、連續工藝智能控制系統等為主體;在管理與決策方面,建設了生產指揮輔助平臺。上述內容主要利用物聯網、大數據等數字技術實現了礦山生產運營監控,輔助決策等目標。中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司開發的露天礦無人駕駛智能調度系統基于圖像語義分割的露天煤礦道路區域識別技術成果如圖4所示。

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圖4 基于圖像語義分割的露天煤礦道路區域識別


露天煤礦智能化場景生態存在的問題與分析

目前,國內露天煤礦實際投入運行的智能化場景主要存在以下3點問題:①智能化場景挖掘數量少,在礦山生產和管理的環節數量占比較低。②智能化場景與數字技術的融合程度低,智能化水平較低。③智能化場景之間未形成生態化,場景之間的關聯程度低,系統性不足,暫時無法滿足礦山的生產需求。

筆者歸納了產生上述問題的原因:①當場景的但與其他場景應用難以充分協同,無法獨存,具體表現為上述問題1和3;②當綜合考慮各類需求,以更大的粒度劃分場景時,就面臨需求不明確與多學科融合的困難,具體表現為問題2。



03
露天煤礦智能化場景生態建設路徑


露天煤礦智能化場景生態是全面實現萬物互聯、數據融合、全息感知、業務聯動和智能決策的場景生態。以解決實際需求為動力,以數字技術為基礎,各個場景共生共榮是露天煤礦智能化場景生態的主要特點。露天煤礦智能化場景生態如圖5所示,露天煤礦工藝系統呈非線性、工序多,設備規格大、類型多樣。對于大型露天煤礦設備規格大、類型多、工藝綜合的特點,需要對場景生態做總體規劃。以伊敏露天礦為例,生產工藝包括間斷工藝、半連續工藝和全連續工藝,基于數字技術建立場景生態圈包括:

1)無人化場景

4G/5G無線通信、無人駕駛、挖機遠程操控、輸送帶無人值守、輸送帶巡檢機器人、智能門禁和智能車輛管理等內容。

2)安全生產場景

核心網絡、工業環網、電子柵欄、邊坡監測、危險區域無人機巡檢和變電站巡檢機器人等內容。

3)智能管控場景

礦山建設的獨立系統間數據采集、一體化智能綜合管控平臺和疏干排水遠程操控等內容。

4)智能設計場景

礦山建設的獨立系統間數據采集、礦山設計參數、無人機三維掃描、生產數據虛實映射和生產區域數字孿生技術等內容。

5)智能決策場景

礦山建設的獨立系統間數據通信、作業調度系統、破碎站智能調速、輸送帶5項保護和工藝多機聯動等內容。

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圖5 露天煤礦智能化場景生態示意


露天煤礦智能化場景生態的構建是一項系統工程,既要遵循客觀的技術與經濟條件,也要充分調各方面資源。

2020年2月國家八部委發布的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》中指出要制定場景生態發展規劃,以此來引起全行業對這項工作的重視。各大中小型露天煤礦是場景的主要制造者和消費者,也是問題的發現者和驗證者,應該基于礦山實際需求、困點、難點,結合國家政策指導,提出具有針對性的露天煤礦智能化場景構想,為場景生態的建設提供空間和結果驗證。

各類科研院所和高等院校作為場景的建設者,是規劃的實施主體,要積極主動推動場景生態的形成,有計劃、有步驟地構建智能化場景,基于成熟的數字技術和露天煤礦業務應用在智能化場景間構建場景生態,實現可靠的場景生態循環機制。

從目前國內露天煤礦智能化場景生態建設現狀來看,建設信息基礎設施是構建場景的先行者和運行保障。5G網絡全覆蓋、機房建設、網絡安全等內容至關重要,此外,由于礦山生產工藝的不同,無人化、安全生產、智能管控、智能設計和智能決策五大場景的建設內容,應根據礦山需求區分主次,制定“一礦一策”的策略,形成智能化場景生態,以確保智能應用之間的融合及聯動得以實現。


04
智能化露天煤礦場景生態圖景


按照露天煤礦生產工藝和裝備類型可將露天煤礦分為“綜合工藝+大型裝備”的大型露天煤礦和“間斷工藝+小型裝備”的中小型露天煤礦2類。

依據國家能源局發布的《智能化示范煤礦驗收管理辦法(試行)》,智能化露天煤礦場景生態圈分為信息基礎設施、礦山設計、智能穿爆、礦山工程、智能輔助、管理與決策和智能化園區七大模塊(圖6),每個模塊關聯其余模塊,依托數字技術形成五大智能場景生態圈。

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圖6 智能化露天煤礦邏輯關系示意

“綜合工藝 + 大型裝備大型露天煤礦

對于大型露天煤礦設備規格大、類型多、工藝綜合的特點,需對場景生態做總體規劃。以華能伊敏煤電有限責任公司伊敏露天礦為例,生產工藝包括間斷工藝、半連續工藝和全連續工藝,如圖7所示?;跀底旨夹g建立的場景生態圈包括以下5種:

1)無人化場景

包括4G/5G無線通信、無人駕駛、挖機遠程操控、輸送帶無人值守、輸送帶巡檢機器人、智能門禁和智能車輛管理等內容。

2)安全生產場景

包括核心網絡、工業環網、電子柵欄、邊坡監測、危險區域無人機巡檢和變電站巡檢機器人等內容。

3)智能管控場景

包括系統間數據采集、一體化智能綜合管控平臺和疏干排水遠程操控等內容。

4)智能設計場景

包括系統間數據采集、礦山設計參數、無人機三維掃描、生產數據虛實映射和生產區域數字孿生技術等內容。

5)智能決策場景

包括系統間數據通信、作業調度系統、破碎站智能調速、輸送帶5項保護和工藝多機聯動等內容。

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圖7 大型智能化露天煤礦場景生態示意



“間斷工藝 + 小型裝備中小型露天煤礦


在鄂爾多斯、新疆等地的部分露天煤礦采用單斗-卡車間斷工藝。采煤、剝離等為全外包模式,單斗挖掘機、卡車等設備規格小、數量多。以大唐國際寶利煤炭有限公司中小型露天煤礦為例,生產工藝為單斗-卡車間斷工藝,露天煤礦規劃的場景較少,如圖8所示?;跀底旨夹g建立的場景生態圈包括以下5種:

1)無人化場景

包括4G無線通信、無人駕駛、挖機遠程操控、智能門禁和智能車輛管理等內容。

2)安全生產場景

包括核心網絡、工業環網、電子柵欄、邊坡監測等內容。

3)智能管控場景

包括一體化智能綜合管控平臺和設備故障診斷等內容。

4)智能設計場景

包括系統間數據采集、礦山設計參數、無人機三維掃描、生產數據虛實映射和生產區域數字孿生技術等內容。

5)智能決策場景

包括系統間數據通信、作業調度系統和工藝多機聯動等內容。

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圖8 中小型智能化露天煤礦場景生態示意


綜上所述,2種類型露天煤礦的場景生態建設的區別主要源于目標不同,“綜合工藝+大型裝備”露天煤礦智能化建設不僅體現在單臺設備、單個環節上,更主要的是體現在跨設備、跨工藝環節、系統,甚至跨業務范疇的信息共通共享、高效利用等目標;“間斷工藝+小型裝備”的中小型露天煤礦智能化建設主要體現在提高設備安全性、生產效率,以實現信息共通共享、高效利用的目標。


05
智能化建設總體規劃設計是“必選題”

露天煤礦智能化建設是一項復雜的系統工程,整個過程投入大、周期長、對現有業務的管理模式和系統都有較大影響。露天煤礦智能化建設是從底層到上層的逐步建設過程,同一業務單元會在不同的智能化建設項目中被涉及,會以不同的智能化場景為目標被改造;另外,也會出現不同的智能化系統或平臺間數據邊界交織、層級邏輯不清、功能各自獨立的情況。因此,露天煤礦智能化方案規劃設計的另一項重要內容是科學確定各項規劃建設內容的實施時序,避免出現重復建設、重復投入、超前投入、滯后產出等不合理現象。如果各項內容的建設時序不合理,某一系統的建設可能不僅未達到智能化建設的目標,反而影響礦山的綜合效益水平,顯然是違背預期目標的。因此在開展智能化露天礦山建設工作前,一方面必須依據實際應用需求在宏觀上設定合理的階段建設目標,另一方面需要確定階段內各項智能化建設內容的先后次序,有序推進智能化露天煤礦建設規劃的各項工作。



06
結語

露天煤礦智能化發展順利推進的前提是大數據、人工智能、物聯網等數字技術與智能化露天煤礦場景的快速融合與相互促進,共同形成和諧、共生的智能化場景生態圈。筆者介紹了數字技術與智能化露天煤礦場景生態建設的邏輯關系,討論了“綜合工藝+大型裝備”的大型露天煤礦和“間斷工藝+小型裝備”的中小型露天煤礦2種典型的智能化露天煤礦場景生態圖景,認為露天煤礦智能化建設的根本目標是實現安全、高效、綠色開采,并非單純地追求少人或無人,各礦的開采條件不同,智能化分級建設是必要的。同時,礦山開采屬于一種經濟行為,礦山智能化建設投入產出的經濟性是必須要考慮的現實問題。因此,建設之前進行科學的規劃設計,遵循價值導向,確定合理的建設內容、投入規模、智能化程度等是非常重要的。


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