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煤矿机器人向我们大步走来 青科恒安行业动态

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人气:-发表时间:2019-01-22 13:44【

煤矿机器人向我们大步走来

中国煤炭报 作者 王世雄

日本东北大学研发的蛇形机器人

机器人替代矿工劳动.jpg月份


矿用侦测机器人


智能安防巡逻机器人

世界第一台矿井机器人.jpg

世界第一台矿井机器人

新型特种机器人在河北唐山亮相.jpg

新型特种机器人在河北唐山亮相


带式输送机.jpg

现如今已推广开的煤矿皮带传送机器


  2018年,煤炭智能化开采迎来大发展,其中最引人注目、充满神秘色彩的煤矿机器人逐渐揭开面纱,亮相人前。
  “机器人”对于国内的煤矿来说并不新鲜。早在2006年7月,中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所就研制出国内第一台煤矿搜救机器人。自此,探测与救灾机器人、胶带运输机器人、巡检机器人……各种类型的煤矿机器人开始出现在煤炭人的生活中。
  2018年7月,时任中国矿业大学校长的葛世荣在山西长治举办的全国煤矿安全基础建设推进大会上的一场发言十分“吸睛”。他详细描述了煤矿机器人的分类和特征,提出未来煤炭开采的核心理念,表达了煤炭人对机器人应用的向往。
  近日,国家煤监局正式公布《煤矿机器人重点研发目录》,第一次明确提出,聚焦关键岗位、危险岗位,重点研发应用掘进、采煤、运输、安控和救援五大类、38种煤矿机器人?!赌柯肌范悦恐只魅说墓δ芴岢隽司咛逡?,既希望引起全社会的关注与投入,又拿出标准,避免盲目投资、仓促上马。在煤矿机器人关键技术上迎来新突破,才是当前的目标。

从可编程到自主决策

  回顾机器人和煤矿机器人的发展史,能更好地帮助人们了解智能化开采的方向。
20世纪60年代初期,世界上第一台真正实用的机器人——工业机器人诞生了。它的模样就像一个坦克的炮塔,基座上有一个机械臂,可以绕着轴在基座上旋转,臂上有一个小一点的机械臂,可以张开和握拳。它是由美国Unimation公司设计制造的,并在美国通用汽车公司投入工业化应用。
纵观机器人的发展历程,可分为四个阶段:1930年至1950年萌芽期的可编程机器人,1960年至1970年成长期的示教再现机器人,1980年至2000年快速发展期的简单反馈感知机器人,2000年至今智能化时期的自主感知学习决策机器人。发展至今,机器人的生产效率由每天的几吨级上升到万吨级乃至更高。

  “这四个阶段表明,机器人替代人工劳动所用的时间越来越短,同时生产效率也越来越高。”现任中国矿业大学(北京)校长葛世荣接受《中国煤炭报》记者采访时表示。
  随着机器人技术的飞速发展、煤矿安全高效生产的要求,越来越多的机器人在煤炭行业得到应用。目前,煤矿机器人研究最广泛的领域仍集中在安全监控,以煤矿探测与救灾机器人、胶带运输机巡检机器人、综采工作面巡检机器人为代表的机器人在煤矿应用较多。
  2004年,葛世荣领导组建了我国首支煤矿救灾机器人研发团队,并于2006年研制出第一代机器人。该机器人具备基本的??匾贫?、视频传输、危险气体探测以及物品移动能力。经过对2个国家“863”计划重点项目课题“煤矿井下环境探测与搜救机器人系统”和“矿灾救援机器人研究开发与应用”的深入研发,中国矿业大学与常州科研试制中心有限公司合作的 CUMT-Ⅴ型煤矿救灾机器人获得煤矿安全的资格认证。
  2011年,由唐山市质监局、唐山开诚集团组织编写了我国第一个关于矿用井下机器人的省级地方标准——《矿用井下机器人技术规范》,填补了国内空白。支撑这项技术规范的背后,是2010年唐山开诚集团等课题组共同参与的“KRZ-I型矿用井下机器人装置”重大科技项目。KRZ-I型矿用井下机器人具有越障、防爆、自定位、数据传输和信息采集识别等功能,能够进入危险区域进行环境探测。
  如今,综采智能化无人开采技术已广泛适用于大采高、中厚煤层、薄煤层以及放顶煤工作面,全国已建成70多个智能化采煤工作面。井下机器人研发应用加快推进,国家能源集团、中煤集团、兖矿集团等大型煤炭企业正在研发采煤、掘进、运输、救援等38个岗位的机器人。
  葛世荣指出,我国经济发展对能源需求巨大,现阶段乃至今后相当长的时间内,煤炭仍是能源供应的主体,客观上要求煤炭要实现绿色开采,达到零伤亡、零损害、零排放。国务院印发的《新一代人工智能发展规划》中,提出了“智能工业机器人、智能服务机器人大规模应用。实现生产设备网络化、生产现场无人化”。国家发改委、国家能源局关于印发《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》的通知也提出,提升煤炭开发效率和智能化水平,重点矿区基本实现工作面无人化。
  “智能化、无人化靠什么?我认为靠的是机器人化。”葛世荣说,“机器人化开采可达到一种绿色境界:整个采煤过程无人操作、远程监控,达到‘无人则安’的境界,大幅度降低开采成本;自主选择性开采煤炭,从源头减少矸石产出量和运输量;开采近零损害、近零排放,节能节材。”
从仿生走向拟人

  2017年,工信部将机器人分为工业机器人、特种机器人和服务机器人三大类,特种机器人首次作为一个类别出现,并逐步应用于矿山开采、消防、抢险等领域,推动安全、智能作业。
  2018年底,由中信重工开诚智能研制的18款特种机器人在河北唐山正式亮相,新产品类别涵盖矿用防爆轨道式巡检机器人、矿用防爆轮式巡检机器人、消防机器人、水下侦测机器人等,让煤炭人开了眼。
  按照近日公布的《煤矿机器人重点研发目录》分类,煤矿机器人可分为五大类、38种井下机器人,主要为掘进类、采煤类、运输类和安控类、救援类五大类,其中有一些机器人在一定程度上得到应用。
  “井下10种作业类型中,采掘、运输、电气、放炮作业岗位发生的煤矿事故死亡人数占煤矿事故总死亡人数的70%,高危岗位急需机器人。我国煤矿机器人潜力空间较大,可替代井下高危岗位,实现无人作业、有人监控的工位分布。”葛世荣说。
  葛世荣表示,采矿机器人化是机器拟人化生产,自动执行采矿作业的机器装置。
  “机器人开采源自仿生,走向拟人。比如,掘进机模仿了穿山甲,采煤机挖掘很像地鼠在打洞,带式输送机就像蚂蚁搬家,每个托辊相当于一只蚂蚁。”葛世荣举例说,很多机器人都能从现实中找到参考。
  对于煤矿来说,机器人化是智能矿山的核心架构?;魅嘶暮诵木褪羌扑愕闹悄芑?、感知的智能化和认知的自动化。多机器人协同作业,实现自主定位、自动感知、自适运行,过程数字化、设备物联化、运行可视化。
  “仿生之后,就要赋予机器人智能化。如何智能化?我们不放心地面,搞个监控中心,把装备互联网化,也就是生产设备物联网。接下来,导航技术、监控技术都少不了,而且必须有智能感知和大数据系统支撑。这些大数据不就是我们大脑里的记忆信息吗?感知就是我们的触觉、视觉、听觉,可视化就是我们大脑里的建模。从脑子里就能看到反馈系统,这就是我们做煤矿机器人仿生的思路。”葛世荣说。
  实现煤矿机器人化开采的关键技术系统为地面监控中心通过矿井物联网,联接机器人化采矿设备,利用井下定位导航技术、虚拟采矿与仿真控制技术和生产工况动态监控技术,建成可视化与建模系统、智能感知与大数据系统。
  “以井下采煤机器人为例,目前的采煤机智能水平与人的采煤智力还存在一些差距。采煤机可以替代体力,但在替代智力方面,怎么采、怎么纠偏、怎么适应复杂煤层、怎么感知,它还不具备这些能力,还无法替代人的大脑。现在的采煤机器人还处于简单感知的二代机器人的水平。只有把感知、纠偏、自适应的功能全部附加上去,才可以说它是采煤机器人。”葛世荣说。
  对于机器人化采煤来说,关键要实现“五调控”,这是机器人化采煤的核心技术,即截割滚筒自动调转以调控切煤速度,截割滚筒自主调高以调控截割轨迹,采煤机自适推进以调控截割厚度,刮板机自主检测弯曲度并自动调直,液压支架自主检测支撑状态并自动调姿调力。
  “五调控”关键技术的落实,在于井下精准定位导航技术、煤层界面自动识别截割、液压支架自动感知调控。中国矿业大学主持的国家“973”计划项目的研究目标,即为研制“五调控”的第四代采煤机器人提供基础理论支持:自主调高、自主调速、自主推进、自主调直、自主纠偏。
  如今,我国机器人化采煤已在一些矿区进行了推广应用。目前,我国已建成“有人巡视、无人值守”智能化开采工作面50多个,以黄陵一号煤矿、同煤同忻煤矿、枣矿付煤公司、神东锦界煤矿、兖矿转龙湾煤矿为代表的典型智能化工作面,可实现综采工作面减人50%以上。
推广应用还有较大空间
  目前,我国煤矿机器人推广应用还有较大潜力空间。中国矿业大学的一项调研发现,2014年美国井工煤矿为42处,综采工作面48个,单面平均产量为440万吨,井下平均用工230多人,人均工效为每小时4.37吨。2017年,神华集团(后重组为国家能源集团)煤矿49处,综采工作面77个,单面平均产量373万吨,井下平均用工260多人,人均工效为每小时4.68吨。而西南某矿业集团的综采工作面平均产量为15万吨,井下平均用工700多人,人均工效每小时1.42吨。
  “通过数据可以看出差距,如果实现机器人化开采的话,可以减人80%,生产成本降低40%。”葛世荣说。
  国家能源集团神东煤炭集团有关负责人举例说,喷浆机器人通过3D扫描、点云技术,结合精准的速凝剂配比,解决了人工干喷混凝土工艺喷射效率低、原料浪费、喷射质量差、员工健康危害大等问题,“原干式喷浆工艺每班最大喷射量9立方米,喷浆机器人最大喷射量可达40立方米,相比原工艺可节约材料成本20%以上”。
  不过,由于煤矿开采条件的多样性和复杂性,煤矿机器人推广应用仍有一些限制。
  煤矿机器人协同推进中心主任孔晋华在国家煤监局新闻通气会上说,通过调研发现,国外露天煤矿机器人化开采程度较高,井工机器人研发技术相对来说也比国内有优势,而我国井工煤矿对于高危行业、重点岗位机器人下井的需求更迫切。
  “我们的科研实力还不够,所以要引导大家来关注和研发煤矿机器人,同时防止过度开发。比如,我们也申报了几项‘卡脖子’技术,即国内研发了这些技术,但效果不如国外的先进,尤其是在稳定性和精准性方面。”孔晋华对《中国煤炭报》记者说。
  中国工程院院士王国法表示,地下复杂极端环境信息感知及稳定传输、大规模复杂系统数据分析、工作面设备故障自动化处理、复杂煤层自动割煤智能决策与控制等都是要攻克的难点。他举了一个例子,智能自动控制采煤机截割高度是智能化无人开采的核心技术之一,但由于井下煤层厚度、走向复杂多变,断层、陷落柱等地质结构时常出现,给自动截割带来极大困难。
  “智慧煤矿建设是煤炭工业技术革命、产业转型升级的战略方向,必须利用物联网、人工智能、大数据等技术提升和改造传统采矿业。”王国法建议,通过产学研用协调创新,支持重点开展核心技术攻关、补齐短板。
  也有学者从市场需求、政策需求和技术要求等方面分析了煤矿机器人推广应用的难点。从需求方面来说,煤矿灾害发生不属于煤矿的常态事件,一些智能机器人的使用频率较低,研发迭代的速度不快,使救援效果受到一定影响。并且,煤矿救灾机器人需要专业团队进行维护和保养,需要培养专业操作人员队伍,而建立起这样一支专业队伍,成本相对较高。同时,安全许可、检测评定以及标准化等方面的政策和法律法规需要更加明确,引导煤矿机器人推广应用得更加高效合理。
  此外,技术提升也是推进煤矿救灾机器人发展的一个重要方面,尤其在防爆设计、防爆材料、轻量化结构、电子设备集成化、人工智能以及测试手段等方面。这些是煤矿救灾机器人走向实用化过程中要解决的问题。有人提出,可借鉴其他领域的人工智能技术,应用到煤矿机器人中来,如语音识别和分析、图像增强和障碍物识别、危险气体组分分析和识别、基于图像特征的位置导航等技术。
  “机器人采煤所创造的价值是知识创造的价值,是技术带来的收益价值,而不是仅靠矿工冒险艰苦劳动去创造价值。今后,要研究如何让机器人创造者参与这种技术所创造价值的分配,这是未来实现机器人化采煤之后需要考虑的新型劳动分配规律。”葛世荣说。
  国家煤监局有关负责人表示,下一步将遵循市场规律,坚持应用导向,推进煤矿机器人相关科技成果应用转化,同时发挥国家煤监局在协调指导、政策支持、标准制定等方面的重要作用,为煤矿机器人的研发、应用和推广营造良好环境。
  “我们鼓励支持煤矿企业与国内外科研单位、机器人制造企业开展合作,大力研发应用煤矿机器人,推进煤炭工业高质量发展,推进煤矿安全发展;对组织煤矿机器人研发应用的企业(单位)提供相关政策和信息服务;煤矿机器人协同推进中心要及时了解并发布煤矿机器人研发应用新进展,并协调解决研发过程中遇到的新问题。”孔晋华说。


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