机器人挖煤,远没有那么简单!大数据、人工智能目前已应用!智能化是关键!

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6月6日,国家重点研发计划“大型矿井综合掘进机器人”项目启动会暨实施方案评审会在山西焦煤举行,标志着该项目正式落地山西焦煤。作为科技部支持的国家重点研发计划“智能机器人”重点专项2020年度3个煤矿机器人项目之一,该项目拟用3年时间完成研发。项目研发成功后,可切实缓解改善煤矿采掘衔接紧张,实现大数据、人工智能与煤矿掘进、安全高效开采的有机融合,切实将一线掘进工人从最艰苦、安全无绝对保障的作业环境里解放出来,让矿工更加体面地工作和生活,对推动煤炭开采方式变革和山西省转型综改具有重大而深远的意义。

能源在我国国民经济发展过程中仍将继续扮演至关重要的角色。由于我国尚未完成工业化,城镇化水平还将持续提高、电气化水平还有很大提升空间,尚处于对能源和原材料消费最旺盛的阶段。其中煤炭是我国城镇化建设的重要能源,2020年,全国煤炭消费量约40.1亿吨、同比增长0.9%,预计2035年煤炭占我国一次能源消费比例仍在40%以上。因此,对于煤炭行业,我国一直在致力于推动智能化、化解过剩产能,提高能源利用率。

▍碳中和下的智能化发展新方向

煤矿智能化是煤炭高质量发展的技术支撑,我国采煤技术经历了人工炮采、普通机械化开采、综合机械化开采和目前的智能化开采4个主要阶段。煤矿智能化是第4次煤炭行业重大技术变革。

煤矿机器人就是推动煤炭行业智能化的关键一环。《煤矿机器人重点研发目录》将煤矿机器人分为掘进、采煤、运输、安控、救援五大类。在“十三五”期间,我国累计淘汰落后产能约10.7亿吨,面对煤矿智能化,开展了“大型矿井综合掘进机器人”、“复杂地质条件煤矿辅助运输机器人”、“面向冲击地压矿井防冲钻孔机器人等应用示范类”的专项,取得了一定成果,并对一些指标进行了规范。

在2019年初,《煤矿机器人重点研发目录》公布,提出聚焦关键岗位、危险岗位,重点推进5类、38种煤矿机器人研发。随着国家政策出台,不少科研机构、煤炭企业以及机器人制造企业开始探索研发煤矿井下机器人。

在十四五这一新发展时期,我国对于提高能源效率提出了新的发展要求,相关专项方向也进行了一定调整。

2020年3月,国家发展改革委等8部委印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(以下简称“意见”),对于煤矿智能化发展提出了新方向和新条件,并再次强调了将持续深化煤炭行业智能化发展的目标任务。

“意见”指出,煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,需要将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合,最终形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统,从而能够实现煤矿开拓、采掘(剥)、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行。这种一体化、智能化发展方向对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。

而在2021年4月6日,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)》,又对煤矿机器人提出安全要求,相关要求进一步明确、标准不断完善。

▍问题与机遇并存

目前,我国一些煤矿正在开展智能化建设工作,但存在基础理论研发滞后、技术标准与规范不健全、平台支撑作用不够、技术装备保障不足、高端人才匮乏等问题。

同时,从市场需求、政策需求和技术要求等方面来看,煤矿机器人推广应用的难点也非常大。从需求方面来说,煤矿灾害发生不属于煤矿的常态事件,一些智能机器人的使用频率较低,研发迭代的速度不快,使救援效果受到一定影响。并且,煤矿救灾机器人需要专业团队进行维护和保养,需要培养专业操作人员队伍,而建立起这样一支专业队伍,成本相对较高。同时,安全许可、检测评定以及标准化等方面的政策和法律法规需要更加明确,引导煤矿机器人推广应用得更加高效合理。

此外,技术提升也是推进煤矿救灾机器人发展的一个重要方面,尤其在防爆设计、防爆材料、轻量化结构、电子设备集成化、人工智能以及测试手段等方面。这些是煤矿救灾机器人走向实用化过程中要解决的问题。有人提出,可借鉴其他领域的人工智能技术,应用到煤矿机器人中来,如语音识别和分析、图像增强和障碍物识别、危险气体组分分析和识别、基于图像特征的位置导航等技术。

为推动煤炭行业高质量发展,促进煤炭产业转型升级,《意见》分了三部分的详细规划目标:

——到2021年,建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿,初步形成煤矿开拓设计、地质保障、生产、安全等主要环节的信息化传输、自动化运行技术体系,基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、井下和露天煤矿固定岗位的无人值守与远程监控。

——到2025年,大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化,形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系,实现开拓设计、地质保障、采掘(剥)、运输、通风、洗选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行,井下重点岗位机器人作业,露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输。

——到2035年,各类煤矿基本实现智能化,构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统,建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。

从目标及路径明确了三点:

1)煤炭智能化发展的愿景是:实现煤矿全时空多源信息实时感知,风险闭环管控本质安全;全流程人-机-环-管数字互联高效协同运行,生产现场全自动化作业,煤矿职工有更多幸福获得,煤炭企业有更多价值创造。

2)煤矿智能化建设应坚持分类建设,因矿施策;培育典型,示范引领;全面推进,分级达标;安全高效,质量第一的原则。

3)煤矿智能化的主要路径是“智能化生产决策控制+机器人作业”

与此同时,2020年12月,国家能源局、国家矿山安全监察局印发关于开展首批智能化示范煤矿建设的通知,确定71处煤矿作为国家首批智能化示范建设煤矿,其中井工矿66处,露天矿5处。智能化升级改造煤矿63处,新(改扩)建智能化煤矿8处。制定了《智能化煤矿分类、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》等煤矿智能化技术标准,研发了4种模式的智能化开采成套技术和装备,形成较为成熟的智能化煤矿建设推广模式。

▍结语

从我国的能源结构上可以预见,在未来相当长时期内,煤炭难以被大规模替代,同时,未来在国际政治局势动荡、国际贸易保护措施盛行的大背景下,在相当长时期内,煤炭仍是能源安全稳定供应的“压舱石”,支撑能源结构调整和转型发展的“稳定器”。

但在碳达峰碳中和这一总体要求下,也需要煤炭生产和利用方式转型,以第四次煤炭技术革命为契机,向数字化、智能化新产业和新业态转型。面对碳达峰碳中和目标,“十四五”时期能源发展需要全面贯彻“四个革命、一个合作”能源安全新战略,坚定走智能、绿色、可持续发展道路,煤炭作为我国基础能源,其高质量发展意义重大。

作为煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,煤矿智能化是煤矿综合机械化、信息化发展的新阶段,是煤炭生产力和生产方式革命的新方向,是“第四次重要技术变革”。加快推进煤矿智能化建设,构建智能+绿色煤矿工业新体系,实现煤炭资源的智能化安全高效的开采与清洁利用是我国煤炭工业新时期高质量发展的战略任务跟必由之路。推动煤炭开发利用方式变革,也是实现煤炭碳减排,构建清洁低碳安全高效的能源体系提高能源供给质量,努力实现2030年碳达峰、2060年碳中和远景目标的重要措施。

希望未来也能有更多人能够参与到煤矿机器人的建设中,让人工智能、云计算、互联网和大数据等技术为煤矿行业保驾护航。

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