给矿山装上“智慧大脑”

　　低温环境下，采矿作业如何既保安全又保供应？位于呼伦贝尔草原中部的宝日希勒露天煤矿，每年冬日气温逼近零下45摄氏度，在这样严酷的环境下，一辆辆“庞然大物”，冒着风雪，灵活地行驶在沟壑纵横的露天煤矿作业面。更令人称奇的是，这些满载矿石、行驶自如的矿用卡车里竟然没有驾驶员。

　　“矿山是典型的‘少人则安、无人更安’的场景，在人工智能（AI）、云计算、大数据等技术的加持下，智能矿山的理念逐渐被广泛应用，助力加快实现‘安全、绿色、高效、智能’采矿目标。”中国科学院自动化研究所研究员陈龙介绍。

　　无人化作业降本增效

　　宝日希勒煤矿位于内蒙古呼伦贝尔草原的中部，纬度达到49.2°，1月份夜间最低气温逼近零下50摄氏度，被称之为“极寒”天气条件下，该煤矿还承担着东北三省煤炭保供的任务。因此，在保供期间，每一辆矿用卡车需要维持日常全天候运行，而这背后更是需要近10人的团队支持。同时，矿用卡车司机需要在凌晨三四点钟，驾驶近四百吨的钢铁“巨兽”，机械地往复于沟壑纵横之间，危险情况时有发生。

　　面对这一情况,青岛慧拓智能机械有限公司（下称慧拓公司）应用“用于无人矿用车辆的车辆路径控制方法及装置”“一种智能驾驶系统”等多件专利，有效降低了车辆行驶过程中的油耗与轮胎损耗，并将车辆沿路线行驶的偏差控制在15厘米至20厘米之间，保障了运输环节的安全稳定，实现了多台重型矿用卡车无人驾驶与有人驾驶混编运行。同时，无人驾驶的矿用卡车一天的运行时长可达20小时以上，降低了矿山生产成本，提升了生产效益。

　　“矿山无人化作业是一项系统工程，也是矿山智能化的发展目标。然而，矿山作业环境恶劣，对设备的要求严苛，智能化开采还存在感知能力不强、信息互通性不够、人机交互性不好等诸多问题。”慧拓公司联合创始人艾云峰表示。作为中国科学院自动化研究所孵化的创新型企业，该公司与国家能源集团大雁公司（宝日希勒能源）、航天重型工程装备有限公司合作，在宝日希勒露天煤矿打造了极寒型复杂气候环境露天矿5G+无人驾驶卡车编组安全示范工程，通过创新技术解决了矿山作业难题。

　　“2021年，我们在该煤矿实现了‘安全员下车’级别的全天候无人运行。目前，我们已在30余个矿区，落地了300余台无人矿车。”艾云峰介绍，对于无人驾驶重型矿用卡车与配套的远程应急接管、矿用挖机、推土机及洒水车、平路机、指挥车等辅助作业车辆，形成了一套完整的露天矿无人运输作业系统，具备矿用车辆集群调度、协同作业、状态监控及数据分析、应急接管等功能，在智能矿山无人化建设方面作用明显。

　　智能化识别强安保供

　　露天矿山可通过无人驾驶实现降本增效，那么，在矿井开采方面，AI、5G等创新技术又发挥了怎样的作用呢？

　　中国矿业大学信息与控制工程学院教授程德强介绍，矿山智能化需要用先进监测预警技术更好地“保障人的安全”，用先进机器装备更高效地“替换人的作业”。程德强团队所做的就是在矿井等高危作业场所，用AI等技术实现安全隐患辨识、监管预警，保障生产作业的安全性。

　　十余年来，程德强团队致力于基于视频内容识别的矿井生产场景安全隐患辨识和监管预警技术研究，突破了制约煤矿安全生产隐患的视觉实时感知、边缘分析决策、云边端协同控制等关键技术，已提交了80余件发明专利申请，形成了集井下图像采集、智能分析等多项创新成果。

　　如今，团队的成果已在煤矿的安全监测与监控生产一线实现落地应用，为煤矿带来直接经济效益。近两年，在团队专利技术的支持下，9对矿井累计新增利润超过7.3亿元。

　　除了智能感知探测环境，保障煤矿的安全、高效生产技术外，团队多件专利还在相关企业实现转化。程德强表示，团队的发明专利“一种适合井下分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法”已在徐州江煤科技有限公司进行了转化应用，有效提升了该公司的矿井爆炸危险性实时监测预警装备的智能化水平，升级后的装备得到了江苏省科技成果转化专项资金的支持。通过三年的成果应用，该公司实现了14万台套设备的市场销售，销售额超过2亿元。

　　在淮北矿业集团朱仙庄煤矿工作面，中国矿业大学（北京）副校长王家臣带领厚煤层开采团队进行了现场试验。在工作面安装智能放煤控制系统、进行含矸率检测试验，利用图像识别智能放煤在线检测软件、进行多次现场图像分析……多年以来，王家臣团队已辗转几十个矿区进行研究、论证、实验，在放顶煤智能开采煤岩识别、智能放煤和岩层运动及精准控制等方向进行重点攻关。

　　“智能放煤技术的意义在于既保证煤矸识别的精准度，又保证矿方的回收率最高、经济效益最好。”王家臣表示，为此，在智能放煤方面，团队形成了指导采放工艺的放煤理论，突破了顶煤运移跟踪、图像识别智能放煤、自动化放煤控制系统等多项技术，拥有多件发明专利，可使煤岩界面均匀、平缓下沉，避免了矸石混入顶煤，提高了顶煤采出率，最大限度减少了资源浪费。

　　同时，为进一步提高了煤矸图像识别精度，王家臣团队联合该校机电与工程学院科研团队，将计算机图像学中的理论知识，应用到煤矸图像灰度特征识别上。此外，为解决图像识别动态顶煤放出过程，团队自主研制的煤矿顶板破断三维模拟实验平台，以及井下图像采集系统——第二代顶煤运移跟踪仪，重现了地下顶板破碎效果，开展了不同场景的模拟试验。在团队创新技术的助力下，山西和新疆乌鲁木齐等多地煤矿工作面的采煤产量、开采效率和安全性均实现大幅提高。

　　据了解，截至2022年4月，我国有近400座煤矿开展了智能化建设，已建成煤矿智能化采掘工作面813个，其中采煤工作面477个，掘进工作面336个。由此可见，智能化技术在煤矿减人强安提效方面做出了重要贡献。

　　未来，相信矿山智能化也以科技创新为驱动，将技术与矿业进行深度融合，实现产业化落地，推进矿山的安全化、无人化作业，从而助力矿业高质量发展。（刘弘一）

（编辑：田伊慧）