智能礦山建設規劃思路及建議

劉海鋒

（國家能源集團神華準格爾能源集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著“中國制造2025”和“互聯網+”的強國政策深入實施，對于能源型企業來說，信息化與工業化的深度融合、促進傳統產業轉型升級，勢在必行[1]。聚焦國家及地方政策導向，加快煤礦智能化發展，實現智能化、無人化運行，是煤炭企業未來的發展目標。放眼行業趨勢，隨著國家環境保護力度的加大和能源消費結構的轉型，倒逼煤炭產業必須走綠色智能的清潔化生產之路，國內外煤炭企業、科研院所和裝備廠商，不斷加大煤礦智能開采的研發投入和應用力度，從而不斷推動煤炭生產向少人化、無人化方向發展。因此，針對煤炭企業，加快推進其數字化向智能化方向的升級[2]，持續加大智能礦山建設的推進力度，最終實現多機裝備智能化協同、區域無人作業，建成智能煤礦無人化生產管控體系，將是必行之路。

1 智能化建設規劃基本思路

針對智能礦山規劃及建設，大多數配套服務廠商智能化升級方向，均是以信息化集成等統籌規劃方案為主；而各煤機應用及制造企業，則重點以發展單機裝備的智能化為突破口。致使工藝及其設備合理銜接、能效匹配方面缺乏分析，容易形成各個子系統之間、各工藝銜接之間、上下游設備之間各自為營的局面。若沒有統籌的設備、工藝規劃改進分析，企業就會有可能在日后造成重復投資，因此，重點要打破各子系統之間各自為營的“視野局限”，并納入規劃當中。針對智能化升級改造，首先要實現以子系統或單機裝備為代表的獨立生產單元的智能化；其次要將各個關聯工藝子系統之間、上下游設備之間的銜接，實現多機裝備智能化協同聯動；最后是實現整個過程的智能決策。

1.1 能效驗證分析必要性

針對煤炭生產企業來說，往往設備的設計能力要遠高于實際應用能力，因此在智能化升級前，計算出以子系統或單機裝備為代表的獨立生產單元的合理經濟運行區間、效率銜接最佳運行區間至關重要，如2 個區間之間重疊或部分重疊，則可做到單機裝備的智能化升級經濟效益最優；若2 個區間不重疊，需在智能化升級改造中一并完善設備能效改造，從而才能做到經濟效益最優。對于投資建設較早、經歷過多次改擴建的大型煤企來說，更需進行重新核算驗證工作。

從理論上看，對既有系統進行信息化集成等統籌規劃方案，一般多是停留在對既有資源的整合分析，而缺乏以上能效匹配的統籌驗證，故很難達到預期的提質增效及降本增效效果。從單純意義上的單機裝備智能化角度來看，此方案是暫脫離整個工藝鏈條的局部智能，對整個工藝鏈條來說更是缺乏能效及匹配合理度的統籌驗證，如設備選型定位不準或數據開放性約束不夠縝密，則又為日后整體優化或集成兼容方面埋下了一定的重復投資隱患。

在煤企智能化升級整體規劃中，無論采取哪種實現方式，對既有的整個生產工藝鏈條先做系統的能效驗證分析事關重要。既要做好以子系統或單機裝備為代表的獨立生產單元的能效分析，又要做好整個工藝鏈條中各個獨立生產單元，在能效最優范圍內無縫銜接的最優匹配關系分析。通過理論分析及可行性評估，利用改變生產組織、調整設備運行參數、改造或淘汰更新落后產能等方式方法，不斷優化獨立生產單元的能效比及各獨立生產單元的銜接匹配度。在整個生產工藝鏈條匹配度最優模式下，再開展有針對性的單機裝備智能化升級、多機裝備智能協同聯動改造，從而才能做到較為科學有效。

1.2 單機裝備的智能化建設

整個工藝鏈條是由若干獨立生產單元組成，而針對每個獨立生產單元又是諸多功能設備的組合體，因此若實現整體智能化藍圖，則單機裝備的智能化就是先行基礎。實現單機裝備的智能化，理論上智能煤機應該具備以下特征：

1）具備深度感知能力。實現智能，感知是基礎。不但要做到其本身狀態的實時自檢、實現功能的質檢，還應與上游關聯設備運行狀態、物料或介質流瞬變信息等，形成一定的工業預判或建立起數據共享機制。

2）具備記憶與思維能力。針對記憶的設計需區分設備本身數據積累和實現功能質量數據積累2 個主要部分，設備自身運行與狀態數據是為設備全壽命周期管理和故障診斷預判體系服務的；實現功能質量數據則是為工藝調整的智能決策服務的。針對思維能力，則是最基本的預判分析能力，也是核心需求。不但要預判設備的運行狀態及故障并分析應對的處置策略，還要提前預判上游物料及介質流變化并分析應對的生產策略。

3）具備行為決策能力。對于基本的思維預判分析結果，在充分驗證復核后，必須得實際解決問題。針對設備本身的運行狀態出現偏差，必須采取對應閉環糾偏調節；針對設備本身故障，得按照故障等級采取對應的緊急保障措施；針對上游物料及介質流變化，得提前調節對應的工藝參數保證功能質量。在行動方案得到有效決策后，對應的執行機構應該快速有效的得到監督執行，進而才能達到預期效果。

4）具備自學與自適應能力。設備的固定功能容易實現，但后期的特殊情況則較為復雜。在智能化實現之前基本都是人為決策，雖然過程控制不一定精準，但也不易出現生產質量等其他問題，智能化實現之后在無需人為干預的情況下，如出現特殊情況就必須得要求其實現類人腦功能，自動修改工藝參數以改進過程控制，使得質量控制范圍達到最佳或至少是容許范圍內，并做到設備安全可控，甚至在該類似問題再次發生時必須自動識別并有效從容應對。

1.3 多機裝備的智能化協同

在單機裝備實現智能化的基礎上，需進一步有效開展獨立生產單元的集成整合，因此建立健全相關標準體系、開發智能一體化管控平臺等相關工作[3]，將是實現多機裝備智能化協同的宏觀要求。當然，受單機裝備智能化升級進程的制約，相關標準體系的建立和智能一體化管控平臺的開發等相關工作，一般將會與其同步開展并配合實施。在平臺建立、智能單機裝備之間形成互聯互通關系的同時，關鍵問題是怎么協同，這里就涉及到了“智能決策”的問題，只有真正意義上的智能決策或智能輔助分析決策有效應用的情況下，才能真正做到一鍵智能化生產的終極目標[4]。因此，“智能決策”必將是多機裝備協同的核心所在。

1）在井工開采及選煤領域的連續生產工藝中，正常情況下生產組織方式較為固定、生產工藝組合相對最優，針對于每一個生產節點中若出現物料或介質流瞬變，則可由其智能單機裝備進行自行智能調節，來保證其功能質量。但在實際生產過程中，也不排除會出現某套獨立生產單元故障、檢修或因其它不可預測情形，所致的待產或停產情況。此類問題出現后，按照人為控制模式來說，通常會采取調整生產組織，啟用備機、利用其他平行生產單元進行互補或酌情整體降效運行等方式，來確保整條生產鏈的連續性。所謂的“智能決策”，就應該代替上述且不僅上述內容的人工分析，并給出最優的、科學有效的生產組織方案，直接用于智能調節或智能輔助人工分析決策，從而最終達到完全無需人為干預或需人為審核執行的一鍵智能運行、自主科學決策調整生產組織的理想模式，為固定崗位少人化甚至無人化奠定基礎技術保障。

2）在露天開采領域的離散型生產工藝中，其生產組織較為機動靈活。具體體現在以下且不僅以下所述的一些情況：在車、鏟匹配方面存在隨機調整性；由于設備采購（投用）、維修、保養等批次及修程不同，其同型號設備的性能存在差異；實現相同功能的設備，其規格型號也不盡相同；不同的獨立生產模塊單元（1 鏟及輔助+N 車及輔助），其運行工況的差異性較大。針對露天開采大型礦機的單機裝備智能化方面，之前已經做過簡要分析，其實現難度很大，且還要考慮針對老舊設備相關改造的性價比、投入產出比的問題。針對實施智能化建設的相關基礎設施建設和工業環境保障來說，由于露天開采礦坑的持續推進性、轉場遷移等因素，在通信、電力供應及其他補給方面，均無法做到相對固定。特別是在智能化、無人化生產的通信保證方面，其最新的5G 技術在此工業應用場景下的建設就存在一定的難度，且每個周期性的遷改、移設及網絡重新優化的工作量較大，其成本投入更是耗資巨大。因此，在露天開采領域若實現其離散工藝多機裝備協同的智能化，其能夠實現的程度和效果，均需要企業根據自身需求及實際，進一步做好相關技術成熟度論證和投入回報比的評估工作，其實現的周期可能會相對較長，甚至于將是一個長期堅持完善的過程。

1.4 智能裝備與智能機器人的定向開發

以上智能化升級藍圖構架，只是圍繞生產工藝主鏈條的一些措施及方案，通過不斷完善實施，實現原有固定司機崗位及各級調度指揮崗位的無人化。在實際生產中，這部分崗位人員雖然重要但占比并不是很高。因此，在加緊建設智能礦山主構架的同時，還要不斷完善配套主工藝鏈的其它子模塊及輔助生產模塊的智能化建設工作，要將整個工業作業環境均納入到統籌考慮范圍之中，將原始的點巡檢、各類配套主工序的準備型作業、補給、定期或不定期的處置型作業、環境保持，甚至部分有固定流程式的檢修作業，均應不斷探索并完善其智能化水平，在解決好相關問題后，才能真正做到區域無人或少人化作業。在具體實施過程中要按照實際需求，逐步配置或定制開發智能采礦裝備及采礦專用機器人[5]，逐步實現將重復性高、作業量大和風險性高的作業工序，利用人工智能來進行替代，從而在降低既有職業病及人身傷害風險同時，進一步做到減員增效。

2 智能化建設的相關建議

在部分能源型企業剛剛歷經了1 次自動化、數字化升級改造的基礎上[6]，智能化又不約而期的接踵而至。在我國，能源型企業多數還是較為傳統的用人體量相對較大，若實現智能化、無人或少人生產，將是1 次真正的新的工業革命。針對該項舉措，要求企業從日常的、基礎性的工作著手，立足長遠統籌謀劃，緊盯前沿技術領域和行業導向，做好該項戰役的持久戰準備。面臨智能化建設這個新的課題，在建設期間須抓好細節、打牢基礎。

1）在業內，實時關注前沿技術的應用動態，適時引進吸收及推廣應用。

2）在業外，根據實際工況及需求，勇于創新并積極探索引進和移植相關成熟技術[7]。

3）在企業經營范圍內，具體實施設備新購、更新及改造時，重點考慮智能化、信息化方向，避免后期重復投入；針對準備立項并處于調研期的智能化建設相關項目，本著“研用結合”的方式開展實際調研，確保最終項目的科學決策和有效實施落地；針對已建成的用于支撐智能化建設的系統類平臺，強化應用、積累有效數據，為最終的智能決策奠定基礎；關鍵設備及核心部件，要逐步探索轉向國內合作的模式，為智能化升級進一步打破技術壁壘；在工藝、設備升級改造過程中，踐行“先行試點，逐步推廣”的原則，待項目評估成熟后再逐步推廣使用，降低投資風險；在新產品試用方面，要積極配合生產企業提升產品品質，以互補共贏的模式彌補零星短板。

3 結語

針對大型礦山類企業的智能化建設，提出了智能礦山建設規劃思路及建議，智能化升級將是1 個長久的持續改進的過程，并不是1 次達標驗收工程。在各大礦山企業經歷智能化升級的漫漫長征路之后，終將實現單機裝備智能、相關聯的多機裝備智能化協同、智能決策的無人或少人化生產最終目標。