大數(shù)據(jù)時代下礦山開采的智能化技術(shù)研究分析

劉瑞 厲彥鳳 山東科技大學(xué)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代的信息技術(shù)逐漸的興起，以深度感知、深度互聯(lián)和智能應(yīng)用為特征的智慧地球概念也誕生了。結(jié)合3S（GIS、RS、GPS）、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)及互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，本文基于智能地球的思想，研究了智能礦山的內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和途徑，旨在構(gòu)建智能礦山工程的理論框架和方法體系。受全球信息發(fā)展的“智慧星球”影響，采礦業(yè)已轉(zhuǎn)向自動化采礦和無人采礦。

1 礦山工程及其信息化發(fā)展歷程

礦山工程是以礦產(chǎn)資源為基礎(chǔ)，在礦山進(jìn)行資源開采作業(yè)的過程，包括井塔、卷揚(yáng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)等地面工程，以及井巷、硐室等地下工程經(jīng)過幾十年發(fā)展的采礦系統(tǒng)，已經(jīng)深入采礦工程的各個領(lǐng)域，如礦山地質(zhì)系統(tǒng)、礦山規(guī)劃與設(shè)計系統(tǒng)、礦山生產(chǎn)工藝系統(tǒng)、礦山管理系統(tǒng)等。采礦工程作業(yè)于地下百米甚至千米，涉及范圍廣，作業(yè)面分散，影響因素多。礦山企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境嚴(yán)酷，生產(chǎn)項(xiàng)目不確定和生產(chǎn)方式傳統(tǒng)的短處普遍存在。因此，有必要使用信息技術(shù)。

歸納來說，礦山綜合自動化、數(shù)字化是智慧礦山的基礎(chǔ)。自動化系統(tǒng)通過自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無人采礦和遙控采礦。智能是以高度的信息、自動化、智能化和高效、安全的礦山開采為代表的。智能礦山、感知礦山、智慧礦山是數(shù)字礦山、礦山綜合自動化等概念的升華。目前，隨著自動化和數(shù)字化的發(fā)展，礦山信息化正迎來智能化時代。

2 智慧煤礦關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展路徑

2.1 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能、云計算技術(shù)支撐的智慧礦山

智慧煤礦是在數(shù)字化煤礦基礎(chǔ)上提出來的，智慧煤礦與數(shù)字化煤礦的區(qū)別就在于它應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能、云計算3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)解決系統(tǒng)架構(gòu)和互通、數(shù)據(jù)處理決策及高級計算問題。智慧煤礦在數(shù)字化煤礦的 DCS、MES 和 ERP3 層架構(gòu)基礎(chǔ)上，升級為基于云計算和物聯(lián)網(wǎng)為核心的智慧決策支持平臺。3項(xiàng)技術(shù)的研究及應(yīng)用程度直接影響智慧煤礦的發(fā)展水平。

2.2 基于互聯(lián)網(wǎng)+的物聯(lián)網(wǎng)平臺

基于互聯(lián)網(wǎng)+的物聯(lián)網(wǎng)是智慧煤礦的信息高速公路，將承擔(dān)大數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠傳輸任務(wù)，起到了精確、及時上傳下達(dá)的作用，決定了智慧煤礦系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。因此，智能煤礦的物聯(lián)網(wǎng)平臺必須包含準(zhǔn)確定位、協(xié)調(diào)一致、統(tǒng)一指揮和綜合地理信息整合的特征。

目前的精確定位技術(shù)有 RFID 定位技術(shù)、Wifi 定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、Zig Bee 定位技術(shù)和超寬帶定位技術(shù)等。每種定位技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，Zig Bee定位技術(shù)和超寬帶定位技術(shù)以各自在定位精度和時間分辨率方面的優(yōu)勢將會是未來井下無線定位的發(fā)展方向。

2.3 大數(shù)據(jù)處理及人工智能技術(shù)

智慧煤礦的核心技術(shù)之一便是大數(shù)據(jù)的挖掘與知識發(fā)現(xiàn)。大量傳感器的應(yīng)用必將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的規(guī)模效應(yīng)給存儲、管理及分析帶來了極大的挑戰(zhàn)。需要充分利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和知識，為安全、生產(chǎn)、管理及決策提供及時有效的依據(jù)。

人工智能是近年來發(fā)展最為迅速和最為熱門的科技領(lǐng)域之一，它是在大數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法和技術(shù)。從原來的自動規(guī)劃、語音識別到最近的谷歌人工智能 ALPHAGO、人臉識別等都屬于這一范疇。深度學(xué)習(xí)是人工智能(智慧化) 的核心； 能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)自主更新和升級是其顯著特征。智慧礦山要成為一個數(shù)字化智慧體就必須要有深度學(xué)習(xí)能力。

2.4 機(jī)器人化智能開采系統(tǒng)

機(jī)器人化開采是建立在煤炭賦存條件精準(zhǔn)感知、截割軌跡精準(zhǔn)調(diào)控、機(jī)器人群組精準(zhǔn)配合和礦山壓力精準(zhǔn)預(yù)警的“四精準(zhǔn)”基礎(chǔ)之上的。機(jī)器人化智能開采系統(tǒng)通過裝備的擬人化完成工作面的破煤、裝煤、運(yùn)煤、頂板支護(hù)和采空區(qū)處理等 5 個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的無人智能生產(chǎn)，采煤機(jī)截割軌跡和截割高度自動調(diào)整，液壓支架自動調(diào)整初撐力及安全閥開啟壓力滿足開采空間的安全維護(hù)，刮板輸送機(jī)自動調(diào)直保證工作面平整，采煤機(jī)和帶式輸送機(jī)運(yùn)輸速度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人群組的智能感知、精準(zhǔn)控制和群組協(xié)調(diào)。

3 未來智慧煤礦目標(biāo)及情景描述

3.1 智慧煤礦目標(biāo)

智能煤礦的發(fā)展是一個持續(xù)改進(jìn)的過程。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，智力程度將不斷提高。目前正處于從數(shù)字煤礦到智能煤礦的過渡時期。智能煤礦的發(fā)展目標(biāo)可分為三個階段：

智能開采的第一階段：針對混合型系統(tǒng)的初步設(shè)計，對個體系統(tǒng)的智能選擇，以及對一些重要部門如采礦業(yè)和交通等，達(dá)到一個系統(tǒng)和崗位的無人作業(yè)。目前，部分先進(jìn)礦井已達(dá)到一期目標(biāo)。智能煤礦第二階段的目標(biāo)：構(gòu)建多系統(tǒng)信息融合的智能煤礦綜合框架，實(shí)現(xiàn)工作面開采、主煤流運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)的區(qū)域智能決策和自動協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)采掘面的無人作業(yè)。智能煤礦三期目標(biāo)：為整個煤礦和整個礦區(qū)建設(shè)一個多單元、多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)的一體化智能煤礦系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素和管理信息的數(shù)字化、準(zhǔn)確實(shí)時采集、實(shí)時傳輸和可視化。采礦、采掘、運(yùn)輸、通信、洗選等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能決策和自動化操作，實(shí)現(xiàn)了“全礦井無人作業(yè)”的目標(biāo)。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能、云計算技術(shù)支撐的智慧礦山

如前所述，智慧煤礦是在數(shù)字化煤礦基礎(chǔ)上提出來的，智慧煤礦與數(shù)字化煤礦的區(qū)別就在于它應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能、云計算3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)解決系統(tǒng)架構(gòu)和互通、數(shù)據(jù)處理決策及高級計算問題。智慧煤礦在數(shù)字化煤礦的 DCS、MES 和ERP 3 層架構(gòu)基礎(chǔ)上，升級為基于云計算和物聯(lián)網(wǎng)為核心的智慧決策支持平臺。3項(xiàng)技術(shù)的研究及應(yīng)用程度直接影響智慧煤礦的發(fā)展水平。

3.3 智慧煤礦評價和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

根據(jù)礦井煤層賦存條件、建設(shè)條件、生產(chǎn)目標(biāo)、效益要求等，提出被評價礦井的合理智慧煤礦建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)?；谠摌?biāo)準(zhǔn)對上述評價指標(biāo)體系的各評價指標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)先度排序，結(jié)合層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重值。采用模糊系統(tǒng)理論建立智慧煤礦系統(tǒng)的評價因素集、權(quán)重集及評價結(jié)果集，采用模糊綜合評判方法對礦井的智慧程度進(jìn)行綜合評判，確定礦井的綜合智慧程度。

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能、云計算是智慧煤礦的三大支撐，在數(shù)字煤礦的 DCS、MES 和EPR 3層架構(gòu)基礎(chǔ)上升級為基于云計算和物聯(lián)網(wǎng)為核心的人工智能決策支持平臺。在此平臺上開發(fā)應(yīng)用智能化技術(shù)和裝備，是智慧煤礦建設(shè)的要務(wù)。智慧煤礦建設(shè)要堅持科學(xué)的設(shè)計和評價方法，建立規(guī)范的指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多要素、多產(chǎn)業(yè)鏈、多信息、多系統(tǒng)融合，智能化決策與自動化運(yùn)行的未來煤礦新模式。