5G+智能化生产调度指挥中心（图）

    图1挂轨式巡检机器人

    加快推进智能化建设是贯彻落实党中央、国务院的重要决策部署。自2020年2月国家八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》以来，我国通过大力推进煤矿智能化建设，进一步提高了煤矿安全生产水平，为煤炭安全稳定供应提供了保障。我国煤矿智能化发展取得了阶段性成果，但当前煤矿智能化建设仍处在初级阶段，在关键技术和重大装备系统研发应用，以及各系统互联互通上仍有很长的路要走。笔者从煤矿5G通信系统、煤矿人员定位系统、煤矿机器人、无人驾驶技术、图像识别技术、透明地质应用技术6个方面系统分析了我国煤矿智能化发展现状，从煤矿智能化认知、技术、管理3个层面分析了现阶段存在的问题，并给出了相应的意见和建议。

我国煤矿智能化发展现状

    智能化煤矿是指采用物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、智能装备等与煤炭开发技术装备进行深度融合，形成全面自主感知、实时高效互联、自主学习、智能分析决策、动态预测预警、精准协同控制的煤矿智能化系统，实现矿井地质保障、煤炭开采、巷道掘进、主辅运输、通风、排水、供电、安全保障、分选运输、生产经营管理等全过程的安全高效智能运行。尤其在煤矿5G通信系统、煤矿人员定位系统、煤矿机器人、无人驾驶技术、图像识别技术、透明地质应用技术6个方面进行了大量的探索研究。

    煤矿5G通信系统

    5G是新一代蜂窝移动通信技术，具有传输速率高、时延低、可靠性高、容量大等优点，已在地面广泛应用。2020年7月，安标国家矿用产品安全标志中心有限公司（以下简称安标国家中心）发布了《煤矿5G通信系统安全技术要求（试行）》《煤矿5G通信系统安全标志管理方案（试行）》《煤矿5G通信系统安全标志检验方案（试行）》，按照新产品审核发放模式，发放了我国第１张煤矿5G通信系统安全标志证书。

    煤矿5G通信系统并没有针对煤矿井下安全生产特点进行研发，而是将用于地面的5G产品进行防爆改造，仅可用于矿井语音通信和视频图像传输。近年来，按照煤矿使用需求进行研发设计的5G通信系统陆续出现，然而，由于受到射频电磁能防爆要求等因素的制约，5G基站的有效发射功率低，5G通信系统在煤矿井下的实际使用效果仍有很多地方需要进一步改善。

    煤矿人员定位系统

    以往煤矿多基于RFID技术来实现区域定位的人员管理系统，近年来，随着技术的发展，精确定位技术在煤矿开采中得到了应用，特别是2019年山东煤矿安全监察局首次对全省安装的人员定位系统提出了定位精度的要求，规范了山东煤矿人员精确定位系统的建设。2021年，安标国家中心发布实施了《煤矿井下人员定位系统安全标志管理方案（试行）》《煤矿井下人员定位系统安全技术要求（试行）》《煤矿井下人员定位系统安全标志检验方案（试行）》，将定位精度指标也纳入考核范围，并制定了详细的实验室及井下现场检验方法，目前已有部分设备生产企业按照新要求开展安标送审工作。另外，煤矿人员定位系统的行业标准也在制定过程中。

    煤矿机器人

    2019年，原国家煤矿安全监察局制定公布了《煤矿机器人重点研发目录》，针对关键岗位、危险岗位等重点研发应用掘进、采煤、运输、安控和救援5类38种煤矿机器人，并对每种机器人的功能提出了具体要求。

    目前，安标国家中心发布实施了《煤矿井下机器人安全标志管理方案》《煤矿井下机器人基本安全要求（试行）》，正在申办安全标志的产品包括输送带沿线的挂轨式巡检机器人、机电硐室中的巡检机器人、采煤工作面巡检机器人等，主要用于替代人工在特殊场所实现对环境、设备状态等进行巡视检查。其中，挂轨式巡检机器人（图1）是在原有井下挂轨式巡检装置的基础上，通过增加图像识别、自主导航、自主避障等智能化功能，并经过防爆安全设计研发而成，虽然外观结构相似，但在功能和技术指标上均有大幅度提升。

    无人驾驶技术

    无人驾驶技术是比较受关注的智能化技术，露天煤矿已经实现了无人驾驶（图2），例如，中煤平朔集团有限公司东露天煤矿现场作业平盘通过1台电铲+7台矿卡+13台辅助车的编排模式，实现了无人驾驶采运排全流程协同作业；国家能源集团准能黑岱沟露天煤矿实现了多台无人驾驶矿用卡车与电铲多工作面同时编组运行作业，宝日希勒露天煤矿完成了极寒型复杂气候环境露天煤矿无人驾驶卡车编组安全示范工程评审和科技成果鉴定；国家电投集团白音华露天矿完成了2个编组12台无人驾驶宽体自卸车联合试运转；华能伊敏煤电有限责任公司实现了无安全员情况下的有人驾驶车辆与无人驾驶车辆混编作业；陕西神延煤炭有限责任公司西湾露天煤矿实现了地面调度指挥中心远程控制露天煤矿作业区车队“无人化”开采。但是，对于井工开采煤矿，受限于无卫星导航、环境恶劣（光线暗、粉尘大）、爆炸性危险及安全因素多等技术问题，无人驾驶技术一直无法达到现场应用的水平。

    图像识别技术

    图像识别技术在煤矿井下的主要应用场景是对设备状态的识别，包括带式输送机的物料状态、仪表读数的视频识别，以及对人脸、人员行为识别等，可以在一些特定区域替代人员值守和监督，实现带式输送机异物识别、煤量检测、违章作业监督等，还可用于煤矸识别和分选。目前，图像识别技术已在部分矿井试用，但受到煤矿井下环境的影响，以及识别技术水平的参差不齐，应用效果也不尽相同。

    透明地质应用技术

    针对煤矿采、掘、机、运、通等全生产流程及地质探测的智能化，国内外学者开展了广泛而深入的研发与实践。针对智能化开采地质保障技术（图3），提出了煤矿地质透明化概念、基于GIS（地理信息系统）与BIM（建筑信息模型）融合，构建高精度地质模型，建设地质云等相关思路；针对制约煤巷快速掘进的主要因素，从掘、支、锚、运、破等全工艺流程分析入手，研发了适用于不同巷道条件的快速掘进技术与装备，提出了基于远程控制的巷道智能快速掘进方法；针对我国煤层赋存及生产技术条件的多样性，研发了工作面实现智能化开采的４种成套技术与装备模式，开发了基于煤层厚度变化的采煤机自适应截割、液压支架自适应支护、刮板输送机智能调速、多设备智能协同控制等技术与装备。但这些技术有些尚处于研究阶段，缺乏实践应用。

    图2露天煤矿无人驾驶矿用卡车

我国煤矿智能化发展现阶段存在的主要问题

    《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》明确了煤矿智能化发展的目标和任务，2020年9月召开的全国煤矿智能化现场推进会进一步明确提出了加快推进智能化煤矿建设的要求，全面推动了我国煤矿智能化发展。根据近年来煤矿智能化的发展情况，认知问题、技术问题、管理问题是决定煤矿智能化发展的关键因素。

    煤矿智能化认知问题

    目前，对煤矿智能化认识的不统一，主要有2种典型态度：一是盲目否定；二是混淆概念、内涵虚化，制造“颠覆性”概念。对煤矿智能化认识和理念的不统一，本质上不是对智能化概念的纠缠，而是因循守旧的保守思维对技术变革的不适应，是伪科学和形而上学在技术变革大潮中的投机炒作。应当从新时期、新格局和行业发展规律，认识其必然性和本质。

    煤矿智能化主要技术问题

    （1）难以适应复杂工作面。综放工作面智能化放顶煤技术尚无实质性突破；煤机装备的可靠性及自适应控制技术有待突破；综采设备群智能协同控制效果有待提升；工作面端头支架、超前支架智能化水平较低；采煤机自主精准智能调高、工作面惯性导航自动调直等未取得良好的应用效果，相关感知信息有效利用率较低，不同类型感知信息的融合分析效果较差，尚未形成完善的感知、分析、决策、控制闭环，特别在复杂开采条件下，智能化开采大多没有发挥出理想效果。

    （2）大系统、多系统兼容协同困难。煤矿智能化是一个复杂的巨系统，由于技术和商务利益等多重因素影响，各子系统设计标准和技术水准参差不齐，智能化煤矿不同系统之间的数据兼容、网络兼容、业务兼容和控制兼容效果不佳，主要表现为数据格式不统一、网络通信协议兼容性差、业务系统兼容性较差、系统间协同控制兼容性差。

    （3）无线控制的可靠性有待进一步研究。未来5G、WiFi6等无线通信技术将广泛应用于煤矿井下，将无线通信应用于重要设备的控制，其可靠性相对于之前的有线或现场控制，究竟有多大差别，目前缺乏依据和深入的研究，是否可替代有线和就地控制，是否需要冗余设计也有待进一步研究。如果无线控制的可靠性无法保证，还需另敷设有线设备，将在很大程度上限制井下无线通信的发展。

    （4）网络及信息化安全水平有待进一步提高。与之前相比，现在煤矿的信息化水平已大幅提高，有些煤矿还将井上和井下的系统都接入了外部公网，在一定程度上方便了煤矿的信息化工作，但是所带来的信息安全隐患也大幅提高，煤矿信息网络的安全性和可靠性直接影响到煤矿的安全生产，一旦煤矿内网包括井下网络遭遇黑客攻击，将极有可能影响煤矿的安全生产。

    （5）机器人可靠性和适应能力不足。煤矿机器人基础共性关键技术存在诸多不足，动力、行走机构、定位、自主感知与决策、精准导航、避障、续航管理以及轻型防爆材料等相关技术尚未突破；现有煤矿机器人智能化程度较低、体型较笨重、灵活性较差，对复杂煤层适应性较差；特殊作业机器人亟待开发。

    图3透明地质平台（图片来源张双楼煤矿）

    煤矿智能化管理问题

    （1）相关标准缺乏对实际效果的评判。现有的大部分智能矿山相关标准基本对各生产环节、分项子系统的技术装备、软件功能做了规定，量化了评分标准和评定办法，强化了达标的概念。但仍然存在比拼技术装备而忽视应用效果的问题。例如，大部分标准都提到矿山巡检机器人的应用，但对于机器人必须完成的细化功能或者能够达到的最终应用效果，并未详细说明，对某项指标的描述，往往不涉及覆盖面，仅强调对标不缺项。例如，对主运输的电子围栏功能，实际应用现场有多条输送带，如果只配置了1条满足要求的输送带，其他都没有配置，那么整体是否满足要求？尚缺乏统一标准。

    （2）相关标准法规需要与时俱进。智能矿山的发展，存在部分标准法规发展相对滞后的问题，一定程度上影响了智能矿山的应用效果。例如，《煤矿安全规程》对于巡检、值守、瓦检等有明确的规定，而要求采用煤矿工人实现巡检会对智能化巡检机器人及装置的大规模应用推广产生一定影响。

    （3）缺少相关政策性指导。煤矿井下运输一直以来都是煤矿安全的重要环节，然而针对目前煤矿井下无人驾驶、无人运输，缺乏政策性的指导。

    例如，是否可在有轨运输设备上进行无人驾驶的先行先试；或者考虑到目前的无人驾驶技术，仅允许采用辅助驾驶，待技术成熟后再逐步放开无人驾驶的相关要求。另外，由于井下运输安全的重要性，无人驾驶一旦出现事故，责任划分问题也需要着重考虑。

关于我国煤矿智能化发展的建议

    针对目前煤矿智能化发展存在的问题，为了使煤矿智能化能够更好地发展，并为煤矿安全生产提供更好的支撑，提出以下3点建议：

    （1）制定适合各类煤矿实际情况的智能化标准。智能化标准是煤矿建设、设备厂商设计生产等过程中必须遵守的要求和规定；因此，制定标准时应当充分考虑各类不同特点的矿井，明确其应该达到的智能化要求，并且应当考虑智能化给煤矿带来的实际效果及解决的问题，避免出现比拼技术装备的情况，避免人力物力浪费。

    （2）推进多系统融合。目前煤矿使用的系统均需经过本安关联检验，多系统融合之间的本安关联与配接问题直接与煤矿井下防爆安全相关。其次，还需要推进煤矿信息通信协议的统一。应针对目前煤矿各种用途、各种应用层级以及各种通信方式的协议统一，从前端数据采集、网络传输、逻辑控制等多方面统一煤矿通信协议。原国家煤矿安全监察局科技装备司在“十三五”期间实施的“煤矿安全监控系统升级改造”中，首次从协议统一的角度提出了对格式规范性的强制要求，将之前厂家“各自为政”“制定专有协议”的局面，统一到了目前的5种通用协议。只有在保证防爆安全、协议统一的基础上，才能真正实现煤矿各种系统、设备间的融合、联动与统一协调管控。

    （3）建立无线、有线相结合的井下通信网络。如前文中所提到的，无线通信用于对重要设备的远程控制，缺少对其可靠性及稳定性的相关研究。因此，一方面要加强相关领域的研究，另一方面为了保证煤矿安全，采用无线与有线相结合的方式，对重要安全设备的控制以及安全信息数据的采集，应采用有线或有线无线相结合的设计，而普通数据的传输可采用高质量无线传输的方式，建立煤矿井下高效、高可靠性融合组网技术。