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煤礦機器人向我們大步走來

煤礦機器人向我們大步走來

作者:
中國煤炭網
發布時間:
2019/03/27
    2018年,煤炭智能化開采迎來大發展,其中最引人注目、充滿神秘色彩的煤礦機器人逐漸揭開面紗,亮相人前。
    “機器人”對于國內的煤礦來說并不新鮮。早在2006年7月,中國礦業大學可靠性與救災機器人研究所就研制出國內第一臺煤礦搜救機器人。自此,探測與救災機器人、膠帶運輸機器人、巡檢機器人……各種類型的煤礦機器人開始出現在煤炭人的生活中。
    2018年7月,時任中國礦業大學校長的葛世榮在山西長治舉辦的全國煤礦安全基礎建設推進大會上的一場發言十分“吸睛”。他詳細描述了煤礦機器人的分類和特征,提出未來煤炭開采的核心理念,表達了煤炭人對機器人應用的向往。
    近日,國家煤監局正式公布《煤礦機器人重點研發目錄》,第一次明確提出,聚焦關鍵崗位、危險崗位,重點研發應用掘進、采煤、運輸、安控和救援五大類、38種煤礦機器人?!赌夸洝穼γ糠N機器人的功能提出了具體要求,既希望引起全社會的關注與投入,又拿出標準,避免盲目投資、倉促上馬。在煤礦機器人關鍵技術上迎來新突破,才是當前的目標。
    回顧機器人和煤礦機器人的發展史,能更好地幫助人們了解智能化開采的方向。
    20世紀60年代初期,世界上第一臺真正實用的機器人——工業機器人誕生了。它的模樣就像一個坦克的炮塔,基座上有一個機械臂,可以繞著軸在基座上旋轉,臂上有一個小一點的機械臂,可以張開和握拳。它是由美國Unimation公司設計制造的,并在美國通用汽車公司投入工業化應用。
縱觀機器人的發展歷程,可分為四個階段:1930年至1950年萌芽期的可編程機器人,1960年至1970年成長期的示教再現機器人,1980年至2000年快速發展期的簡單反饋感知機器人,2000年至今智能化時期的自主感知學習決策機器人。發展至今,機器人的生產效率由每天的幾噸級上升到萬噸級乃至更高。
    “這四個階段表明,機器人替代人工勞動所用的時間越來越短,同時生產效率也越來越高?!爆F任中國礦業大學(北京)校長葛世榮接受《中國煤炭報》記者采訪時表示。
    隨著機器人技術的飛速發展、煤礦安全高效生產的要求,越來越多的機器人在煤炭行業得到應用。目前,煤礦機器人研究最廣泛的領域仍集中在安全監控,以煤礦探測與救災機器人、膠帶運輸機巡檢機器人、綜采工作面巡檢機器人為代表的機器人在煤礦應用較多。
    2004年,葛世榮領導組建了我國首支煤礦救災機器人研發團隊,并于2006年研制出第一代機器人。該機器人具備基本的遙控移動、視頻傳輸、危險氣體探測以及物品移動能力。經過對2個國家“863”計劃重點項目課題“煤礦井下環境探測與搜救機器人系統”和“礦災救援機器人研究開發與應用”的深入研發,中國礦業大學與常州科研試制中心有限公司合作的 CUMT-Ⅴ型煤礦救災機器人獲得煤礦安全的資格認證。
    2011年,由唐山市質監局、唐山開誠集團組織編寫了我國第一個關于礦用井下機器人的省級地方標準——《礦用井下機器人技術規范》,填補了國內空白。支撐這項技術規范的背后,是2010年唐山開誠集團等課題組共同參與的“KRZ-I型礦用井下機器人裝置”重大科技項目。KRZ-I型礦用井下機器人具有越障、防爆、自定位、數據傳輸和信息采集識別等功能,能夠進入危險區域進行環境探測。
    如今,綜采智能化無人開采技術已廣泛適用于大采高、中厚煤層、薄煤層以及放頂煤工作面,全國已建成70多個智能化采煤工作面。井下機器人研發應用加快推進,國家能源集團、中煤集團、兗礦集團等大型煤炭企業正在研發采煤、掘進、運輸、救援等38個崗位的機器人。
    葛世榮指出,我國經濟發展對能源需求巨大,現階段乃至今后相當長的時間內,煤炭仍是能源供應的主體,客觀上要求煤炭要實現綠色開采,達到零傷亡、零損害、零排放。國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》中,提出了“智能工業機器人、智能服務機器人大規模應用。實現生產設備網絡化、生產現場無人化”。國家發改委、國家能源局關于印發《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030)》的通知也提出,提升煤炭開發效率和智能化水平,重點礦區基本實現工作面無人化。
    “智能化、無人化靠什么?我認為靠的是機器人化?!备鹗罉s說,“機器人化開采可達到一種綠色境界:整個采煤過程無人操作、遠程監控,達到‘無人則安’的境界,大幅度降低開采成本;自主選擇性開采煤炭,從源頭減少矸石產出量和運輸量;開采近零損害、近零排放,節能節材?!?/div>
從仿生走向擬人
    2017年,工信部將機器人分為工業機器人、特種機器人和服務機器人三大類,特種機器人首次作為一個類別出現,并逐步應用于礦山開采、消防、搶險等領域,推動安全、智能作業。
    2018年底,由中信重工開誠智能研制的18款特種機器人在河北唐山正式亮相,新產品類別涵蓋礦用防爆軌道式巡檢機器人、礦用防爆輪式巡檢機器人、消防機器人、水下偵測機器人等,讓煤炭人開了眼。
    按照近日公布的《煤礦機器人重點研發目錄》分類,煤礦機器人可分為五大類、38種井下機器人,主要為掘進類、采煤類、運輸類和安控類、救援類五大類,其中有一些機器人在一定程度上得到應用。
    “井下10種作業類型中,采掘、運輸、電氣、放炮作業崗位發生的煤礦事故死亡人數占煤礦事故總死亡人數的70%,高危崗位急需機器人。我國煤礦機器人潛力空間較大,可替代井下高危崗位,實現無人作業、有人監控的工位分布?!备鹗罉s說。
    葛世榮表示,采礦機器人化是機器擬人化生產,自動執行采礦作業的機器裝置。
    “機器人開采源自仿生,走向擬人。比如,掘進機模仿了穿山甲,采煤機挖掘很像地鼠在打洞,帶式輸送機就像螞蟻搬家,每個托輥相當于一只螞蟻?!备鹗罉s舉例說,很多機器人都能從現實中找到參考。
    對于煤礦來說,機器人化是智能礦山的核心架構。機器人化的核心就是計算的智能化、感知的智能化和認知的自動化。多機器人協同作業,實現自主定位、自動感知、自適運行,過程數字化、設備物聯化、運行可視化。
    “仿生之后,就要賦予機器人智能化。如何智能化?我們不放心地面,搞個監控中心,把裝備互聯網化,也就是生產設備物聯網。接下來,導航技術、監控技術都少不了,而且必須有智能感知和大數據系統支撐。這些大數據不就是我們大腦里的記憶信息嗎?感知就是我們的觸覺、視覺、聽覺,可視化就是我們大腦里的建模。從腦子里就能看到反饋系統,這就是我們做煤礦機器人仿生的思路?!备鹗罉s說。
    實現煤礦機器人化開采的關鍵技術系統為地面監控中心通過礦井物聯網,聯接機器人化采礦設備,利用井下定位導航技術、虛擬采礦與仿真控制技術和生產工況動態監控技術,建成可視化與建模系統、智能感知與大數據系統。
    “以井下采煤機器人為例,目前的采煤機智能水平與人的采煤智力還存在一些差距。采煤機可以替代體力,但在替代智力方面,怎么采、怎么糾偏、怎么適應復雜煤層、怎么感知,它還不具備這些能力,還無法替代人的大腦?,F在的采煤機器人還處于簡單感知的二代機器人的水平。只有把感知、糾偏、自適應的功能全部附加上去,才可以說它是采煤機器人?!备鹗罉s說。
    對于機器人化采煤來說,關鍵要實現“五調控”,這是機器人化采煤的核心技術,即截割滾筒自動調轉以調控切煤速度,截割滾筒自主調高以調控截割軌跡,采煤機自適推進以調控截割厚度,刮板機自主檢測彎曲度并自動調直,液壓支架自主檢測支撐狀態并自動調姿調力。
    “五調控”關鍵技術的落實,在于井下精準定位導航技術、煤層界面自動識別截割、液壓支架自動感知調控。中國礦業大學主持的國家“973”計劃項目的研究目標,即為研制“五調控”的第四代采煤機器人提供基礎理論支持:自主調高、自主調速、自主推進、自主調直、自主糾偏。
    如今,我國機器人化采煤已在一些礦區進行了推廣應用。目前,我國已建成“有人巡視、無人值守”智能化開采工作面50多個,以黃陵一號煤礦、同煤同忻煤礦、棗礦付煤公司、神東錦界煤礦、兗礦轉龍灣煤礦為代表的典型智能化工作面,可實現綜采工作面減人50%以上。
推廣應用還有較大空間
    目前,我國煤礦機器人推廣應用還有較大潛力空間。中國礦業大學的一項調研發現,2014年美國井工煤礦為42處,綜采工作面48個,單面平均產量為440萬噸,井下平均用工230多人,人均工效為每小時4.37噸。2017年,神華集團(后重組為國家能源集團)煤礦49處,綜采工作面77個,單面平均產量373萬噸,井下平均用工260多人,人均工效為每小時4.68噸。而西南某礦業集團的綜采工作面平均產量為15萬噸,井下平均用工700多人,人均工效每小時1.42噸。
    “通過數據可以看出差距,如果實現機器人化開采的話,可以減人80%,生產成本降低40%?!备鹗罉s說。
    國家能源集團神東煤炭集團有關負責人舉例說,噴漿機器人通過3D掃描、點云技術,結合精準的速凝劑配比,解決了人工干噴混凝土工藝噴射效率低、原料浪費、噴射質量差、員工健康危害大等問題,“原干式噴漿工藝每班最大噴射量9立方米,噴漿機器人最大噴射量可達40立方米,相比原工藝可節約材料成本20%以上”。
    不過,由于煤礦開采條件的多樣性和復雜性,煤礦機器人推廣應用仍有一些限制。
    煤礦機器人協同推進中心主任孔晉華在國家煤監局新聞通氣會上說,通過調研發現,國外露天煤礦機器人化開采程度較高,井工機器人研發技術相對來說也比國內有優勢,而我國井工煤礦對于高危行業、重點崗位機器人下井的需求更迫切。
    “我們的科研實力還不夠,所以要引導大家來關注和研發煤礦機器人,同時防止過度開發。比如,我們也申報了幾項‘卡脖子’技術,即國內研發了這些技術,但效果不如國外的先進,尤其是在穩定性和精準性方面?!笨讜x華對《中國煤炭報》記者說。
    中國工程院院士王國法表示,地下復雜極端環境信息感知及穩定傳輸、大規模復雜系統數據分析、工作面設備故障自動化處理、復雜煤層自動割煤智能決策與控制等都是要攻克的難點。他舉了一個例子,智能自動控制采煤機截割高度是智能化無人開采的核心技術之一,但由于井下煤層厚度、走向復雜多變,斷層、陷落柱等地質結構時常出現,給自動截割帶來極大困難。
    “智慧煤礦建設是煤炭工業技術革命、產業轉型升級的戰略方向,必須利用物聯網、人工智能、大數據等技術提升和改造傳統采礦業?!蓖鯂ńㄗh,通過產學研用協調創新,支持重點開展核心技術攻關、補齊短板。
    也有學者從市場需求、政策需求和技術要求等方面分析了煤礦機器人推廣應用的難點。從需求方面來說,煤礦災害發生不屬于煤礦的常態事件,一些智能機器人的使用頻率較低,研發迭代的速度不快,使救援效果受到一定影響。并且,煤礦救災機器人需要專業團隊進行維護和保養,需要培養專業操作人員隊伍,而建立起這樣一支專業隊伍,成本相對較高。同時,安全許可、檢測評定以及標準化等方面的政策和法律法規需要更加明確,引導煤礦機器人推廣應用得更加高效合理。
    此外,技術提升也是推進煤礦救災機器人發展的一個重要方面,尤其在防爆設計、防爆材料、輕量化結構、電子設備集成化、人工智能以及測試手段等方面。這些是煤礦救災機器人走向實用化過程中要解決的問題。有人提出,可借鑒其他領域的人工智能技術,應用到煤礦機器人中來,如語音識別和分析、圖像增強和障礙物識別、危險氣體組分分析和識別、基于圖像特征的位置導航等技術。
    “機器人采煤所創造的價值是知識創造的價值,是技術帶來的收益價值,而不是僅靠礦工冒險艱苦勞動去創造價值。今后,要研究如何讓機器人創造者參與這種技術所創造價值的分配,這是未來實現機器人化采煤之后需要考慮的新型勞動分配規律?!备鹗罉s說。
    國家煤監局有關負責人表示,下一步將遵循市場規律,堅持應用導向,推進煤礦機器人相關科技成果應用轉化,同時發揮國家煤監局在協調指導、政策支持、標準制定等方面的重要作用,為煤礦機器人的研發、應用和推廣營造良好環境。
    “我們鼓勵支持煤礦企業與國內外科研單位、機器人制造企業開展合作,大力研發應用煤礦機器人,推進煤炭工業高質量發展,推進煤礦安全發展;對組織煤礦機器人研發應用的企業(單位)提供相關政策和信息服務;煤礦機器人協同推進中心要及時了解并發布煤礦機器人研發應用新進展,并協調解決研發過程中遇到的新問題?!笨讜x華說。
 
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