智能矿山建设规划思路及建议

2021-12-30刘海锋

露天采矿技术 2021年1期

刘海锋

（国家能源集团神华准格尔能源集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

随着“中国制造2025”和“互联网+”的强国政策深入实施，对于能源型企业来说，信息化与工业化的深度融合、促进传统产业转型升级，势在必行[1]。聚焦国家及地方政策导向，加快煤矿智能化发展，实现智能化、无人化运行，是煤炭企业未来的发展目标。放眼行业趋势，随着国家环境保护力度的加大和能源消费结构的转型，倒逼煤炭产业必须走绿色智能的清洁化生产之路，国内外煤炭企业、科研院所和装备厂商，不断加大煤矿智能开采的研发投入和应用力度，从而不断推动煤炭生产向少人化、无人化方向发展。因此，针对煤炭企业，加快推进其数字化向智能化方向的升级[2]，持续加大智能矿山建设的推进力度，最终实现多机装备智能化协同、区域无人作业，建成智能煤矿无人化生产管控体系，将是必行之路。

1 智能化建设规划基本思路

针对智能矿山规划及建设，大多数配套服务厂商智能化升级方向，均是以信息化集成等统筹规划方案为主；而各煤机应用及制造企业，则重点以发展单机装备的智能化为突破口。致使工艺及其设备合理衔接、能效匹配方面缺乏分析，容易形成各个子系统之间、各工艺衔接之间、上下游设备之间各自为营的局面。若没有统筹的设备、工艺规划改进分析，企业就会有可能在日后造成重复投资，因此，重点要打破各子系统之间各自为营的“视野局限”，并纳入规划当中。针对智能化升级改造，首先要实现以子系统或单机装备为代表的独立生产单元的智能化；其次要将各个关联工艺子系统之间、上下游设备之间的衔接，实现多机装备智能化协同联动；最后是实现整个过程的智能决策。

1.1 能效验证分析必要性

针对煤炭生产企业来说，往往设备的设计能力要远高于实际应用能力，因此在智能化升级前，计算出以子系统或单机装备为代表的独立生产单元的合理经济运行区间、效率衔接最佳运行区间至关重要，如2 个区间之间重叠或部分重叠，则可做到单机装备的智能化升级经济效益最优；若2 个区间不重叠，需在智能化升级改造中一并完善设备能效改造，从而才能做到经济效益最优。对于投资建设较早、经历过多次改扩建的大型煤企来说，更需进行重新核算验证工作。

从理论上看，对既有系统进行信息化集成等统筹规划方案，一般多是停留在对既有资源的整合分析，而缺乏以上能效匹配的统筹验证，故很难达到预期的提质增效及降本增效效果。从单纯意义上的单机装备智能化角度来看，此方案是暂脱离整个工艺链条的局部智能，对整个工艺链条来说更是缺乏能效及匹配合理度的统筹验证，如设备选型定位不准或数据开放性约束不够缜密，则又为日后整体优化或集成兼容方面埋下了一定的重复投资隐患。

在煤企智能化升级整体规划中，无论采取哪种实现方式，对既有的整个生产工艺链条先做系统的能效验证分析事关重要。既要做好以子系统或单机装备为代表的独立生产单元的能效分析，又要做好整个工艺链条中各个独立生产单元，在能效最优范围内无缝衔接的最优匹配关系分析。通过理论分析及可行性评估，利用改变生产组织、调整设备运行参数、改造或淘汰更新落后产能等方式方法，不断优化独立生产单元的能效比及各独立生产单元的衔接匹配度。在整个生产工艺链条匹配度最优模式下，再开展有针对性的单机装备智能化升级、多机装备智能协同联动改造，从而才能做到较为科学有效。

1.2 单机装备的智能化建设

整个工艺链条是由若干独立生产单元组成，而针对每个独立生产单元又是诸多功能设备的组合体，因此若实现整体智能化蓝图，则单机装备的智能化就是先行基础。实现单机装备的智能化，理论上智能煤机应该具备以下特征：

1）具备深度感知能力。实现智能，感知是基础。不但要做到其本身状态的实时自检、实现功能的质检，还应与上游关联设备运行状态、物料或介质流瞬变信息等，形成一定的工业预判或建立起数据共享机制。

2）具备记忆与思维能力。针对记忆的设计需区分设备本身数据积累和实现功能质量数据积累2 个主要部分，设备自身运行与状态数据是为设备全寿命周期管理和故障诊断预判体系服务的；实现功能质量数据则是为工艺调整的智能决策服务的。针对思维能力，则是最基本的预判分析能力，也是核心需求。不但要预判设备的运行状态及故障并分析应对的处置策略，还要提前预判上游物料及介质流变化并分析应对的生产策略。

3）具备行为决策能力。对于基本的思维预判分析结果，在充分验证复核后，必须得实际解决问题。针对设备本身的运行状态出现偏差，必须采取对应闭环纠偏调节；针对设备本身故障，得按照故障等级采取对应的紧急保障措施；针对上游物料及介质流变化，得提前调节对应的工艺参数保证功能质量。在行动方案得到有效决策后，对应的执行机构应该快速有效的得到监督执行，进而才能达到预期效果。

4）具备自学与自适应能力。设备的固定功能容易实现，但后期的特殊情况则较为复杂。在智能化实现之前基本都是人为决策，虽然过程控制不一定精准，但也不易出现生产质量等其他问题，智能化实现之后在无需人为干预的情况下，如出现特殊情况就必须得要求其实现类人脑功能，自动修改工艺参数以改进过程控制，使得质量控制范围达到最佳或至少是容许范围内，并做到设备安全可控，甚至在该类似问题再次发生时必须自动识别并有效从容应对。

1.3 多机装备的智能化协同

在单机装备实现智能化的基础上，需进一步有效开展独立生产单元的集成整合，因此建立健全相关标准体系、开发智能一体化管控平台等相关工作[3]，将是实现多机装备智能化协同的宏观要求。当然，受单机装备智能化升级进程的制约，相关标准体系的建立和智能一体化管控平台的开发等相关工作，一般将会与其同步开展并配合实施。在平台建立、智能单机装备之间形成互联互通关系的同时，关键问题是怎么协同，这里就涉及到了“智能决策”的问题，只有真正意义上的智能决策或智能辅助分析决策有效应用的情况下，才能真正做到一键智能化生产的终极目标[4]。因此，“智能决策”必将是多机装备协同的核心所在。

1）在井工开采及选煤领域的连续生产工艺中，正常情况下生产组织方式较为固定、生产工艺组合相对最优，针对于每一个生产节点中若出现物料或介质流瞬变，则可由其智能单机装备进行自行智能调节，来保证其功能质量。但在实际生产过程中，也不排除会出现某套独立生产单元故障、检修或因其它不可预测情形，所致的待产或停产情况。此类问题出现后，按照人为控制模式来说，通常会采取调整生产组织，启用备机、利用其他平行生产单元进行互补或酌情整体降效运行等方式，来确保整条生产链的连续性。所谓的“智能决策”，就应该代替上述且不仅上述内容的人工分析，并给出最优的、科学有效的生产组织方案，直接用于智能调节或智能辅助人工分析决策，从而最终达到完全无需人为干预或需人为审核执行的一键智能运行、自主科学决策调整生产组织的理想模式，为固定岗位少人化甚至无人化奠定基础技术保障。

2）在露天开采领域的离散型生产工艺中，其生产组织较为机动灵活。具体体现在以下且不仅以下所述的一些情况：在车、铲匹配方面存在随机调整性；由于设备采购（投用）、维修、保养等批次及修程不同，其同型号设备的性能存在差异；实现相同功能的设备，其规格型号也不尽相同；不同的独立生产模块单元（1 铲及辅助+N 车及辅助），其运行工况的差异性较大。针对露天开采大型矿机的单机装备智能化方面，之前已经做过简要分析，其实现难度很大，且还要考虑针对老旧设备相关改造的性价比、投入产出比的问题。针对实施智能化建设的相关基础设施建设和工业环境保障来说，由于露天开采矿坑的持续推进性、转场迁移等因素，在通信、电力供应及其他补给方面，均无法做到相对固定。特别是在智能化、无人化生产的通信保证方面，其最新的5G 技术在此工业应用场景下的建设就存在一定的难度，且每个周期性的迁改、移设及网络重新优化的工作量较大，其成本投入更是耗资巨大。因此，在露天开采领域若实现其离散工艺多机装备协同的智能化，其能够实现的程度和效果，均需要企业根据自身需求及实际，进一步做好相关技术成熟度论证和投入回报比的评估工作，其实现的周期可能会相对较长，甚至于将是一个长期坚持完善的过程。

1.4 智能装备与智能机器人的定向开发

以上智能化升级蓝图构架，只是围绕生产工艺主链条的一些措施及方案，通过不断完善实施，实现原有固定司机岗位及各级调度指挥岗位的无人化。在实际生产中，这部分岗位人员虽然重要但占比并不是很高。因此，在加紧建设智能矿山主构架的同时，还要不断完善配套主工艺链的其它子模块及辅助生产模块的智能化建设工作，要将整个工业作业环境均纳入到统筹考虑范围之中，将原始的点巡检、各类配套主工序的准备型作业、补给、定期或不定期的处置型作业、环境保持，甚至部分有固定流程式的检修作业，均应不断探索并完善其智能化水平，在解决好相关问题后，才能真正做到区域无人或少人化作业。在具体实施过程中要按照实际需求，逐步配置或定制开发智能采矿装备及采矿专用机器人[5]，逐步实现将重复性高、作业量大和风险性高的作业工序，利用人工智能来进行替代，从而在降低既有职业病及人身伤害风险同时，进一步做到减员增效。

2 智能化建设的相关建议

在部分能源型企业刚刚历经了1 次自动化、数字化升级改造的基础上[6]，智能化又不约而期的接踵而至。在我国，能源型企业多数还是较为传统的用人体量相对较大，若实现智能化、无人或少人生产，将是1 次真正的新的工业革命。针对该项举措，要求企业从日常的、基础性的工作着手，立足长远统筹谋划，紧盯前沿技术领域和行业导向，做好该项战役的持久战准备。面临智能化建设这个新的课题，在建设期间须抓好细节、打牢基础。

1）在业内，实时关注前沿技术的应用动态，适时引进吸收及推广应用。

2）在业外，根据实际工况及需求，勇于创新并积极探索引进和移植相关成熟技术[7]。

3）在企业经营范围内，具体实施设备新购、更新及改造时，重点考虑智能化、信息化方向，避免后期重复投入；针对准备立项并处于调研期的智能化建设相关项目，本着“研用结合”的方式开展实际调研，确保最终项目的科学决策和有效实施落地；针对已建成的用于支撑智能化建设的系统类平台，强化应用、积累有效数据，为最终的智能决策奠定基础；关键设备及核心部件，要逐步探索转向国内合作的模式，为智能化升级进一步打破技术壁垒；在工艺、设备升级改造过程中，践行“先行试点，逐步推广”的原则，待项目评估成熟后再逐步推广使用，降低投资风险；在新产品试用方面，要积极配合生产企业提升产品品质，以互补共赢的模式弥补零星短板。