b体育网站官方登录·我国矿山智能机器人应用现状及发展策略 科技导报
来源:b体育网站登录 作者:b体育网页版登录      发布时间:2024-07-18 11:41:25

  矿山智能机器人是实现智能矿山建设的重要支撑。本文梳理了我国矿山智能机器人相关政策、技术发展以及应用情况;总结了矿山智能机器人内涵及应具备的智能感知、精准作业、实时定位、智能管控、智能决策以及故障诊断的6个特征;从关键核心技术、数据标准、人才培养等方面分析了我国矿山智能机器人面临的问题,提出应从政策扶持、技术自主研发、人才支撑、标准制定等方面加强对企业的扶持和培养,营造良好智能机器人生态环境。

  机器人的研发、制造是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。我国有各类矿山4万余处,伴随着矿山开采深度增加、开采难度加大、安全事故频发等因素,矿山机器人在替代人工生产方面具有明显优势。矿用机器人正成为增强企业竞争力、降低生产成本的关键,是矿山企业战略转型过程中的重要力量。随着新一轮科技和矿山加速演变,新一代信息技术、大数据、人工智能与机器人技术深度融合,我国矿山智能机器人迎来跨越式发展的窗口期。我国矿山已经由高速发展转向高质量发展,建设现代化矿山体系,构建新型智能矿山,迫切需要新兴产业和技术的强力支撑。矿山智能机器人通过信息感知和数据处理,制定出合理的开采和控制策略,协同完成矿山智能开采、安全保障、应急救援等工作,是今后矿山发展的新模式和新业态,对提高矿山安全性、高效性、推动矿山高质量发展具有重要意义。

  许世范在1993年提出矿业机器人将是煤炭工业技术发展的一个重要方向,2009年顾玲等再次提出发展机器人技术是提升我国矿山机械行业整体科技水平的途径。30多年来,我国矿山机器人有了长足发展,在矿山救援机器人方面,马宏伟等提出矿山钻孔救援探测机器人发展和设计,与此同时有学者围绕矿山救援机器人所涉及的传感器、视觉技术、井下矿工识别理论、越障机理研究以及矿山救援机器人路径规划等方面持续研究。徐嘉麒等对我国矿山巷道多功能修复机器人进行设计研究。2019—2022年,我国矿山巡检机器人发展迅猛,国内学者围绕矿山巡检机器人开展了一系列研究,涵盖矿山输煤廊道、井下胶带运输、矿山巷道测风等,并逐步优化矿山机器人的系统设计和算法,矿山水仓清理、矿用充填等方面的研究较少。在矿山机器人发展研究中,学者不断完善机器人的应用场景,同时也聚焦机器人稳定性与协同控制研究、精准定位、路径规划和无人驾驶等方面的研究。目前,发展矿山智能机器人是我国抢抓矿业智能化发展的重要机遇,是保障我国能源安全和供给的重要支撑,对推动我国由矿业大国向着矿业强国转变,向着本质安全发展具有重要意义。

  矿山智能机器人是智能矿山建设的重要组成部分。其特征需要具备智能感知、实时定位、智能管控、故障诊断、精准作业和智能决策(图1),以推动矿山生产方式向着低成本、高工效、强精准、绿色方向发展。

  1)智能感知能力:矿山智能机器人可通过传感器设备实现对作业环境、自身位置、工作状态、异常信息等关键核心信息进行实时感知和传输,实现矿山机器人智能感知能力,满足矿山井下、露天矿坑实时作业。

  2)实时定位作业:矿山智能机器人依托5G和北斗导航,实现地面和井下设备的实时定位。精准的定位能力,为矿山安全生产和灾后救援提供精准位置支撑,保证矿山各生产环节的高效运行。

  3)精准作业能力:通过北斗导航定位、无人驾驶技术与智能控制技术相结合,矿山智能机器人实现精准化智能化作业。其中,自动定位和导航技术是实现矿山无人驾驶设备的基础。矿山精准作业涵盖:露天矿山的无人驾驶、精准钻孔、井下矿山智能掘进和煤流运输以及实现智能巡检和灾后应急与救援。

  4)智能管控能力:智能管控主要包括矿山智能机器人的状态终端监控、大数据、云服务、知识库以及算法模型库等。在云中心平台的管控下,实现机器人远程调度管控和智能装备的网络化管理。

  5)故障诊断能力:矿山机器人利用人工神经网络、支持向量机和深度神经网络等机器学习方法,建立安全风险数据库和健康寿命指标,实现对自身安全风险精准研判、潜在故障分级预警、关键部件健康寿命预测和维护流程科学优化,实现自诊断、自评估,实现自我体检,提高矿山机器人健康指数和使用寿命。

  6)智能决策能力:智能决策是智能矿山机器人进行精准控制和高效高质作业的基础和保障。智能矿山机器人通过机器学习算法分析传感器的作业数据,结合知识库和数据库的信息,制定变量作业或者路径规划的策略,进行最优行使路径规划和协同作业控制等。

  目前,国内对矿山智能机器人并未有明确和统一的定义。机器人厂家在研发与应用时,没有一个准确和完整的框架和定义约束,导致目前矿山机器人仅仅是为了解决一个功能或一类问题而开发应用。随着新的需求更新,需要厂家再一次进行机器设备迭代更新,导致机器人更新换代快,多功能智能决策于一体的矿山智能机器人一直处于更新换代中,也导致行业中机器人功能和类型多种多样,而具备复合应用能力的机器人研发进展缓慢。为此,明确矿山智能机器人的概念和定义对我国矿山智能机器人研发应用和总体功能规划具有重要的意义。结合机器人的特征,提出矿山智能巡检、救援等类别机器人的内涵概念为:融合计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术和机器人技术等,通过计算机编程语言实现远程控制,靠自身动力,可在矿山环境中安全、平稳、连续、精准、高效作业,具备矿山环境下的感知、定位、故障诊断和智能决策,可实现对特定场景和环节下人工操作的全替代,其使用寿命和成本投入优于人工操作或与之相当。

  国家高度重视矿山智能机器人的研发应用,助力矿山智能化发展和保障矿山安全、高效生产,保障我国能源安全。2019年1月,原国家煤矿安全监察局(现国家矿山安全监察局)出台煤矿机器人重点研发目录,大力推动煤矿机器人研发应用,推进煤炭工业高质量发展和安全发展,提出5类38种煤矿机器人。5类为:掘进类、采煤类、运输类、安控类、救援类。2022年,工业和信息化部发布的《“十四五”机器人产业发展规划》提出推进机器人应用场景开发和产品示范推广。2023年1月,工业和信息化部等十七部门关于印发“机器人+”应用行动实施方案的通知,我国要加快拓展新的应用领域,引导机器人产品创新,加速机器人产品推广,集聚多方资源,推动机器人创新应用。

  在相关政策的大力支持下,国内企业和科研院所加大研发创新力度,矿山智能机器人关键技术攻关取得了积极进展,产业发展步伐加快,近3年5类38种机器人研发应用进展明显。截至2020年底,38种机器人应用22种,正在研发7种,空白9种,经过数据调研显示,2022年9月,5类38种机器人应用31种,正在研发6种,空白1种。目前,煤矿井下高危繁重劳动岗位机器人替代率持续增加,已在370余处煤矿应用了巡检、喷浆、钻锚、气体检测、灭火救援等机器人。

  1)智能掘进设备达到世界领先水平。在矿山智能掘进方面,形成了以中煤科工集团和中国铁建重工集团有限公司(以下简称“中铁建工”)的智能掘进设备。中煤科工集团自主研发的世界首套“煤海蛟龙”掘支运一体化系统,根据不同的地质条件配套,整个系统最长可超过200m,重量超过230t。整个系统在稳定围岩条件下,最高进尺3088m/月;在中等稳定围岩条件下,最高进尺2086m/月,是对应煤矿掘进速度的3倍以上;在复杂围岩条件下,月最高进尺856m,是相应煤矿掘进效率的1.5倍。“中铁建工”生产的TBM全称为全断面隧道掘进机,能够完成破岩、支护、出渣等掘进一体化作业,具有安全性好、掘进速度快、整体成巷质量高等优点,在围岩稳定性好、中-高强度的岩层中的掘进环节使用效果良好。

  2)固定岗位无人值守、巡检成熟。目前煤矿井下无人值守变电所、无人值守水泵房以及井下皮带无人巡检机器人成功应用。全国首批71家智能矿山60%以上的变电所,75%的水泵房,80%以上的压风机房实现无人值守。晋能控股集团2021年无人值守硐室达到280处。依托AI智能视频识别功能,对煤矿井下皮带异物、开停、撕裂等场景进行识别,目前,国内大部分矿山均已实现基于AI智能视频巡检机器人的投入使用。

  3)无人机量测机器人成熟应用。大型露天矿山,开展无人机测量环节应用。利用无人机平台的各种传感器设备,移动测量传感器(非量测型相机、量测型相机等)、红外传感器、多镜头集成倾斜摄影相机、机载激光雷达,在满足航线安全规定要求的前提下,无人机测量使得外业测量效率大大提升,使得原来半个月测量成图,缩短至3d,提高了矿山生产设计的效率。目前,国内特大型露天矿均已实现无人机测量。

  4)露天矿山无人驾驶逐步兴起。我国20余处大型露天矿山开展无人驾驶试验应用,融合激光雷达、卫星定位等多种感知技术,通过对复杂环境集群设备的系统仿真、测试、矿山决策指挥系统、作业设备感知及智能控制等技术的深入研究,实现了车铲协同铲装、自主导航、卸载、避障以及实现无人驾驶等。截至2022年底,全国累计已有约180辆矿用无人卡车在露天矿山试验运行。无人驾驶矿用卡车机器人正在矿山编组运行,无人驾驶发展迅速。

  随着我国矿山智能机器人投入使用,煤矿井下减人和工效提升明显。大型煤炭企业原煤生产人员工效比2020年提升4.2%,井下作业人员从2020年的224万人减少到219万人,减幅2.2%。全国智能化煤矿杜绝了较大以上事故,百万吨死亡率0.024,不到全国平均数的50%。2020年大型煤炭企业原煤生产人员工效为:8.656t/工;2021年大型煤炭企业原煤生产人员工效为:8.786t/工。2022年末,全国大型煤炭企业原煤生产人员工效突破9.02t/工。同时,榆家梁煤矿建成首个无人工作面,实现生产期间井下无人监护,真正实现煤机司机工作由井下转移到地面,实现在地面对井下工作面进行集中控制。无人化生产工作面效率首次超过人工割煤效率,为智能化建设树立了典范。截至2022年9月30日,全国572处煤矿建成智能化采掘工作面1019个,智能采掘工作面单班下井人数平均控制在15人以内,智能机器人应用减人成效明显。

  随着智能矿山向纵深发展,我国矿山智能机器人建设成了多个新兴企业和厂家,为我国矿山智能机器人发展和智能矿山建设贡献力量。图2为我国部分矿山智能机器人。以国家矿山安全监察局发布的5类38种机器人为例,笔者调研了目前国内各类型矿山机器人的主要厂家,例如:中信重工开诚电气公司、山西中泰特种机器人有限公司以及山西戴德测控主要研发矿山救援机器人和智能巡检机器人;踏歌智行、青岛慧拓主要研发露天矿山无人驾驶机器人;三一重型装备有限公司、中煤科工集团以及“中铁建工”主要研发智能采煤工作面机器人群、采煤机和掘进机器人。与此同时,矿山智能化的发展也带动了我国矿山机器人上下游产业的快速发展,例如:芯片、摄像头、激光雷达、毫米波雷达计算机主机、工程公司以及运输公司等供应商,同时也提供了更多就业机会。如今矿山智能机器人产品更加智能化,在矿山应用场景越来越多,在企业制造和研发应用呈现出蓬勃发展态势。但我国矿山机器人制造企业面临机遇的同时,也面临更加激烈的国内外竞争和关键核心卡脖子技术的制约。总体。


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