哈爾烏素露天煤礦智能化系統構建優化

蘇紅俊

（國能準能集團有限責任公司 哈爾烏素露天煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

國家能源集團公司哈爾烏素露天煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗，礦區面積67 km2。當前，哈爾烏素露天煤礦開采中智能化系統應用已經初具規模，大大提升了實際生產水平，但應用仍存在如下的問題[1]：①由于工作環境復雜惡劣，需要格外增派人員配合電鏟司機作業，遙控人員容易誤操作，引發安全事故；②遙控人員與電鏟司機協同作業時，需要隨時溝通進而操作，不僅增加工作人員的負擔，而且降低工作效率；③智能追蹤技術在礦山機電領域應用極少，礦山資源作為人類生產和生活必不可少的推動力，智能追蹤技術將為其帶來新的科技革命和產業變革。因此，在充分立足現實條件基礎上，進行綜合分析，最終提出最優化建議。

1 哈爾烏素露天煤礦智能化發展

1.1 智能化技術改進了傳統作業困境

哈爾烏素露天煤礦在積極推動智慧化技術與生產管理有效結合的過程中，尤其是人工動手操作裝車技術的應用，突破了傳統的管理方式，提升了現代管理的效率[2]。

哈爾烏素選煤廠2 套快速定量裝車站此前一直采用人工手動作裝車，對人的依賴性強，勞動強度大，裝車效率不高。為提升裝車作業效率，減輕職工負擔，針對存在的問題，科學技術研究院聯合天津美騰科技股份有限公司經過2 年的持續攻關，成功研制了全自動智能裝車系統。該系統采用圖像、激光、紅外等多項檢測技術，通過開發智能控制程序，實現了裝車和配煤過程的全自動運行。2020 年1 月至今，2套智能裝車系統已連續安全運行近1 年，累計自動裝車4 200 余列，大幅減輕了勞動強度，裝車效率得到提升，指標滿足要求。智能裝車系統取代了繁重的體力勞動，降低管理成本，大幅提高裝車合格率，提升崗位效率和管理水平，取得了顯著的成效。

1.2 智慧化安全管理體系全面建設

哈爾烏素露天煤礦生產中強化安全管理，塑造良好的安全管理氛圍，是煤礦實現長遠發展的重要條件。哈爾烏素露天煤礦在生產中積極與智慧化技術相結合，構建了系統的智慧化安全管理體系[3-4]。

智能防撞預警系統有效滿足了當前安全生產的要求。這一系統主要原理為GPS 模塊將采集得到實時的單個運輸車輛位置坐標，采用高精度GPS 定位技術得到車輛的精確坐標位置；之后運用射頻通信技術，將車輛之間的坐標互換，同時將車輛的坐標和信息通過液晶屏幕顯示；最后通過語音模塊導出，根據事先預定的報警，給出相應的預警信號[5-7]。

在創新應用中，哈爾烏素露天煤礦智能防撞預警系統取得了巨大的成功，獲得了諸多專利：一種露天礦車輛防撞預警系統的監測系統專利、一種露天礦車輛預警預控系統專利、一種露天礦車載監控及超速和防撞預警裝置專利等，這些專利的申請彰顯了智能化安全體系構建發揮了重要促進作用。

1.3 智能化提升了企業發展市場競爭力

露天煤礦智能調度系統的應用能充分滿足生產高效的要求，在快速而精準的操作下實現高效運轉，提升作業效率。哈爾烏素露天煤礦智能組織調度指揮系統，是集無人運輸和有人運輸為一體的全方位、多層次的統一調度指揮系統。該系統依托我國自主研發的智慧礦山技術，開創性地將無人駕駛礦卡、露天礦智能作業與監控系統作為全礦生產作業設備智能化生產的核心抓手，實現無人運輸、有人運輸、有人與無人混編作業的全方位調度管理，為全礦無人化建設奠定了堅實基礎。在對露天礦采運排作業進行實時遠程智能化生產指揮和生產管理的過程中，露天煤礦智能生產調度指揮系統將實現所有生產數據實時在網、在線，為智慧礦山的生產管理提供完備的信息化基礎[8-9]。

哈爾烏素露天煤礦智能生產調度指揮系統融合設備智能調度、無人礦卡運輸、地圖管理更新、設備實時監測、數據統計分析等關鍵技術，在實現礦山全部有人設備和無人設備安全運行、協同高效工作、采運排智能化生產的基礎上，將智能化工作與資產效益提升充分結合，從根本上提升企業市場競爭力。

2 哈爾烏素露天煤礦智能系統構建存在問題

2.1 跟蹤系統需要及時改進

在哈爾烏素露天煤礦智能系統構建中，切實需要建設高水平的、定位精確高的職能跟蹤系統，尤其體現在露天煤礦綜采設備激光跟蹤應用上。這一系統的應用主要是為了積極改變以往煤礦綜采設備無法精確定位，導致安全事故發生，設備生產效率低下等問題。露天煤礦智能跟蹤系統對于裝車設備、防撞預警系統等應用起著重要的支持作用。而在當前應用中，關于智能化系統科學化構建存在一定偏差，在一定程度上導致跟蹤系統建設未能受到足夠重視，未能根據地質特征實現及時調整?，F代化煤礦發展中，根據智能化技術的發展，建設無人開采體系是非常重要的。而在煤礦安全生產相關規定中，采剝工作面推進過程中必須使工作面做到工作幫整齊，挖掘后的地表平整，也就是所謂的“幫齊地平”。為了保證工作面的幫齊地平，及時針對工作面進行調整、調水平、調高低等一系列的操作，這對于工藝的要求也是非常高的。而面對哈爾烏素露天煤礦在綜采面跟蹤設備的應用改進中，需要明確的是工作面的環境本身帶有較大的復雜性，跟蹤系統建設技術存在一定的局限性，在運用可視化技術實現遠程干預尚未能就統一的地理坐標實現精確的描述。而綜采設備則未能結合煤層地質特征上自行適應調整相關的設備參數，這樣人工需要進行不斷地頻繁干預，在一定程度上嚴重影響了露天采掘設備的智能感知能力和智能決策水平。面對這一問題，哈爾烏素煤礦的相關專業技術人員認識到，必須形成精確定位的跟蹤技術是綜采工作智能化系統構建的核心問題之一。而跟蹤系統的建設是多樣化的，一方面，前期需要對工作面進行地質勘探；另一方面，因工作面環境復雜，需要克服煤塵、水汽、電磁干擾和設備機體振動以及散熱條件差等不利因素的影響，具有較強的適用性，同時定位誤差不會積累，能長時間高精度穩定工作。

哈爾烏素露天煤礦跟蹤系統應用中，未能針對傳統定位方法基礎上的多種定位方法進行綜合的應用，以此在定位過程中未能實現優勢互補，導致跟蹤定位存在較大的誤差。傳統的定位方法是將采掘設備的某一特定坐標為定位進行精準的檢測，定位基準伴隨著工作面的推進而不斷的變化，該方法能夠對采煤設備的位置實現監測，但存在較大的誤差。超聲帶定位方法相比傳統的定位方法能夠通過納秒微差級的非正弦曲線波窄脈沖進行傳輸數據能夠實現高精度的定位，且抗干擾能力較強，傳播速度快，投入成本也是較小的，但在露天煤礦采掘工作面中，由于設備所在平盤的車輛密度較高，車輛的金屬表面會對脈沖信號進行反射，從而導致刷新率調低，也影響了其定位的精度和效率。慣性導航定位法作為一件智能自主的導航系統，需要陀螺儀和加速度計的積分運算和航跡推算，從而實現為采掘設備提供位置、速度和方位，根據多種參數的計算，精確確定采煤設備的位置坐標和相應的姿態，慣性導航對外部的信息依賴度較低，能夠實現長時間的獨立作業，但初始化的時間較長。組合定位法能夠在一定程度上彌補慣性導航定位的不足，也就是將慣性導航與其他定位方式進行充分的結合，在積累誤差的基礎上進行充分的矯正，對慣性導航傳感器的精度要求更高，而且多種組合定位方法的應用會在一定程度上增加投入成本。設備視覺定位法是通過采用多個不同位置的攝像機對圖形圖像進行采集，再通過圖像識別算法為目標實現精確定位，但由于其工作面照度的粉塵大會在一定程度上影響圖像的質量，對于采掘設備未能實現精確的定位。激光掃描法作為一種非常規接觸式的測量方法，能夠通過激光測距，在檢驗測算的基礎上精確得到目標未知信息，其抗干擾能力也是較強的，但其對工作環境的要求較高，一旦粉塵、水霧較高的話無法實現精確的地位，難以滿足智能化工作面的需要。

在針對多種方法研究之后，發現哈爾烏素露天煤礦在跟蹤系統運用中需要多種方法相互補充、相互應用。而當前相關技術人員以及管理人員在多種方法組合應用上存在較大的質疑性，認為其不但增加投入的成本，反而未能達到預期的效果，這一工作在后期需要及時的改進和研究。

2.2 系統集成水平需要提升

智能化系統的構建需要1 套完整的集成系統，而系統集成的高水平建設則需要在高效運轉的電纜應用上實現。通過實際調查發現，哈爾烏素煤礦電纜建設未能及時改進，硬件設備應用不合理，未能給系統高效集成提供支持。故后期在哈爾烏素露天煤礦電纜系統構建中，需要積極借鑒外部成功經驗，構建現代化的電纜管理體系。相關人員切實能明確到礦用電纜信息識別及管理系統是一項能夠在煤礦特殊工作環境下保障人員安全、提高露天設備作業效率、降低運營生產成本、降低人工單耗的項目，能夠為工作人員提供每根運維電纜的連接信息，當前隨動信息在系統中能夠準確變更；能夠協助操作人員從多根同時存在的電纜中，準確找到在控制柜處人工斷電的電纜線路；能夠簡化工作人員每日繁瑣的臺賬管理工作。

在針對相關專業人員調查中發現，其中部分人員談到“目前尚未見針對露天煤礦特殊環境、電纜工作線路信息每日大量隨動變更的實際情況而專門研發的電纜信息識別及管理系統”從這一訪談中能充分明確面對電纜信息管理系統的建設相關人員在思想上是較為滯后的，未能創新型地引導實際工作落實。但是項目研發露天礦專用電纜信息識別及管理系統，不僅能夠實現電纜臺賬管理自動化功能，兼具輔助解決露天礦供電安全隱患的特色功能，為保障國有資產、提高生產效率、保護員工生命安全做出貢獻。

通過以上2 個方面切實能認識到系統集成需要1 個高效運轉的電纜系統作為基礎，只有這樣才能獲得強有力的硬件支持，才能為其他系統的高效應用奠定基礎，后期智能化系統建設切實需要改進這一方面。

2.3 智能化安全管理有待優化改進

哈爾烏素露天煤礦智能化發展中，重點方面需要優化改進安全管理體系，這也是智能化系統建設的關鍵，對于整體上促使煤礦實現智能化發展起著非常重要作用。通過實際調查發現，當前哈爾烏素露天煤礦智能化安全管理體系建設中存在一定滯后性，未能與經濟生產實現有效對接，安全管理和經濟生產存在不平衡的現象，這與上述安全經濟生產理論是不符合的。就露天煤礦而言，安全生產是非常重要的，在哈爾烏素露天煤礦發展中，一方面，在一定程度上認識了智能化安全管控體系構建的重要性，但是為積極投入相關人力、財力和物力加強實際建設，導致實際工作落實存在較大的差距；另一方面，智能化安全管理體系建設是一項較為復雜的工作，需要循序漸進實現，尤其在應用物聯網技術構建安全管理體系中更加應該注重有序推及和目標規劃。但由于當前繁重的生產壓力，在一定程度上未能給予智能化安全管控體系足夠支持，這些工作是后期急需改進的重要方面。

2.4 智能化人員隊伍構建存在問題

智能化系統的構建確實需要建設1 支相匹配的人員隊伍，不但能夠從智力、思想方面提供強有力的支持，而且在實踐操作方面內能夠有效引導。針對哈爾烏素露天煤礦智化人員隊伍構建，發現人員隊伍構建存在不合理的現象。①學歷層面上：智能化技術構建直接需要研發型的人員隊伍，而當前研究生及以上學歷的人員僅僅占據35%，大學本科人員占據65%，其他人員占據10%，在專門的研發人員隊伍中具有科研能力的人員非常少，人員一般從事的多為工作實踐落實層面，這就在一定程度上導致了專業研發能力低下，無法實現高水平的研發；②科學的研發規劃未能及時形成：通過上述調查能夠發現，智能化系統構建是一項系統的設計層面較多的工作，因此需要形成科學的研發規劃，而當前在實際研發工作過程中，由于頂層人員未能加強重視，面對哈爾烏素露天煤礦的當下及未來發展形成智能化建設的目標，因此在綜合落實過程中存在一定的盲目性；③健全的管理機制與規范未能及時形成：針對智能化系統的構建需要針對人員形成有效的激勵機制，只有人員在激勵機制的有效支持下才能夠高效地落實到相關系統的研發與準備過程當中。而當前通過實際調查發現，哈爾烏素露天煤礦的管理機制與規范均存在不健全的現象，未能激勵人員高效參與到相關工作當中，在一定程度上也妨礙了智能化研發工作的落實。

2.5 智能化監管體系有待加強

哈爾烏素煤礦智能化發展中需要建設相配套的監管體系，深入到煤礦智能化發展的全方面實現高效分析，分析其中存在問題，及時反饋給專業技術人員，提升智能化系統構建和應用效率。當前監管體系的建設需要獨立于煤礦自身管控體系之外，只有這樣才能公平、公正處理，切實為煤礦智能化發展提供建議。但縱觀當前煤礦智能化監管體系建設中，忽視了監管體系建設的重要性，導致監管體系整體建設水平低下。尤其現有的監管人員隊伍缺乏對智能化技術運作的專業知識和經驗，在面對大數據運行相關監管工作落實中未能及時辨別分析，產生安全風險、經濟運行風險等問題。

3 哈爾烏素露天煤礦智能系統構建優化

3.1 目標定位提升跟蹤系統建設水平

就哈爾烏素露天煤礦的長遠發展而言，在煤礦智能化系統構建中，無論是裝車系統還是智能防撞預警系統，都需要精確定位的跟蹤系統作為基礎。因此，哈爾烏素煤礦的相關工作人員在智能化系統構建和改進中必須精確的定位實現多種技術的綜合應用，能夠切實形成適用于哈爾烏素露天煤礦工作面的高精度的定位跟蹤系統。在定位跟蹤系統應用中，可以強化對于激光跟蹤定位法的應用，通過多臺定位跟蹤，激光跟蹤機器組成1 整套完善的跟蹤系統。①多種組合奠定激光定位跟蹤系統，多臺激光跟蹤定位機器的應用能夠根據采煤設備的移動實現實時跟蹤，當采掘設備行走至某平盤臺階時，激光跟蹤器對該設備進行精準跟蹤定位，系統后臺計算出設備的坐標位置，直到采掘設備離開此平盤，由下平盤的工作面激光跟蹤器繼續跟蹤定位，從而實現在工作面全過程、全方位的對設備進行精確跟蹤定位，根據采掘設備位置擬定出該設備的運行軌跡，進而得到移動破碎站推移曲線，實現采掘設備精確定位功能；②工作面激光跟蹤器在應用中需要結合運動目標定位跟蹤原理實現動態化的跟蹤，通過工作面激光跟蹤器的應用，在借助典型的電、機、光一體化測量儀器，研究運動目標跟蹤定位的基本原理。目標運動特點在長、寬、高形成的三維立體空間，使該系統穩定對運動目標實施實時跟蹤。

3.2 提升系統集成水平實現智能化控制

哈爾烏素露天煤礦系統集成水平提升是一項綜合性強的，但是又具有一定復雜性的工作。實際推進系統集成水平提升中，需要有計劃、有目標的推進落實。首先，不同層面系統的獨立運轉和高效應用。在針對不同智能化系統高效運轉基礎上，提升同一類別系統的集成水平，為整體系統集成水平提升奠定基礎。如針對挖掘機斗齒斷裂丟失，容易造成破碎站卡堵的現狀，哈爾烏素露天煤礦設計了1 套斗齒監控系統并成果應用。此監控系統將基于AI 智能影像識別技術應用到露天采礦領域，實現實時缺失檢測，并提供聲音和圖像報警信息。這一監控報警系統的應用能隨時根據作業變化實現數據信息反饋，實現集中作業和處理。這一技術適用于在露天采礦挖掘機等設備上，且操作過程中能通過安裝1 套斗齒監控系統，通過成像器將掃描到斗齒的熱信號轉化為立體圖像并傳輸到駕駛室內的監視器上，實現實時缺失檢測，并提供聲音和圖像報警信息?？梢约皶r發現斗齒斷裂并回收，避免斷裂斗齒進入破碎站，提升生產效率，預防衍生事故的發生。同時，需要注重的是監控報警系統可以在滿是塵土的空氣中，在劇烈震動或晃動的大型機械設備上使用，成像器可以將掃描到斗齒的熱信號轉化為立體圖像并傳輸到駕駛室內的監視器上。通過AI 智能判斷，過濾無效的干擾信息。哈爾烏素露天煤礦首次基于AI 智能影像識別技術應用到露天采礦領域，在單斗挖掘機鏟斗上安裝1 套斗齒監控系統，實現實時缺失檢測，并提供聲音和圖像報警信息。在提高采掘生產能效同時，還可以有效地預防衍生事故、次生事故的發生。這一系統每套共計34 萬元，整機質保期是2 年，所以2 年內不發生運行成本。質保期過后，預計每年維護費用約2 萬元。在后期應用中，可以及時發現斗齒斷裂并回收，避免斷裂斗齒進入破碎站，安裝后斗齒缺失檢測預警準確率為100%，在提高設備生產能效的同時，還可以積極防止事故的發生，建議在露天礦進行推廣使用。

通過以上監控預警系統的應用，能切實明確系統集成水平的不斷提升能在一定程度上提升作業效率，而且對于控制成本投入也起著分非常重要的作用。因此，這就需要智能化團隊認識到系統集成的高效性，切實給予足夠的重視，在分布系統集成實現基礎上，為整體系統的高效集成奠定基礎。

無論是智能裝車系統還是智能防撞預警系統的應用，都需要在跟蹤系統定位精確的基礎上，實現集中且具有靈活性的調整。這一方面而言，需要系統集成在統一調配中，根據工作進度實現不同程度調整。同時結合工作面的作業狀況及時收集相關數據和參數，根據反饋建議，不斷提升系統集成的綜合性、科學性。

3.3 優化構建智能化安全管理體系

露天煤礦實現高效發展中，積極借助智能化技術建設現代化安全管理體系具有非常重要的現實意義。實際構建落實中，一方面，在原有的安全管理體系基礎上有序地引入現代化管理技術，通過現代化技術的使用從煤礦自身發展出發，構建智能化安全管控體系，智能化安全管控體系建設形成之后需要定期進行測驗評估，面對安全管理體系中存在的不當問題實現積極應對處理，以此切實為煤礦實現智能化發展營造良好的安全管控環境；另一方面，建設相對應的智能化安全技術人員隊伍，智能化安全管理體系需要技術人員在大數據運行基礎上，通過綜合分析探究煤礦安全生產過程，及時辨別風險，通知相關人員加以有效管控。因此，哈爾烏素露天煤礦安全生產人員隊伍構建需要熟悉智能化技術操作知識，具有大數據高效運算分析能力，煤礦管理層面需要加強人員培訓教育，通過引進專業技術人員或對當前人員崗位培訓教育等多方面落實，提升人員隊伍建設的高水平。

3.4 強化人員隊伍構建發揮智力支持

1）煤礦智能化發展的頂層設計。企業與相關部門要把握好煤礦未來發展方向，做好智能化建設的發展藍圖，根據煤礦類別量身定制智能化建設規劃，建立健全煤礦智能化建設驗收標準與相應的獎懲措施。突破重點難點、多角度各層次穩步推進、鞏固提升，由點到面逐步推進煤礦智能化建設，激發煤炭企業的內生動力和創新活力；相關部門應該加強政策和規劃引導，加大支持力度，營造煤礦智能化發展的良好環境，鼓勵煤礦企業積極投身到智能化建設當中去；同時相關部門要把握好煤礦智能化建設方向，統一的指揮管理，保證總體規劃和建設方案要與上級智能化規劃、信息化規劃一致，在相關部門把好舵、企業煤礦使好力的前提下，共同推動煤礦智能化建設的目標。

2）技術與裝備保障。隨著我國制造業水平的不斷提高，煤機裝備的智能化水平不足也制約著煤礦智能化建設的發展，新基建、新技術、新材料、新裝備、新產品、新業態上不斷取得突破。要針對煤礦智。能化核心技術與裝備加強攻關，從特殊材料、智能制造技術、設備的適應性與可靠性等關鍵技術的理論基礎與應用開發方面開展產－學－研協同創新，不斷研發新裝備并應用實踐。然后，不斷優化完善管理機制，結合煤礦自身條件探尋智能化煤礦建設模式，在宏觀規劃下發展個性化的智能化建設技術路徑與激勵政策，開展智能化示范煤礦建設；加強運維人才培養，支撐新技術、新裝備應用，以期為智能化煤礦的管理、運行提供保障；組織建設全國煤礦大數據中心及應用云平臺，形成智能化煤礦高質量運行的新模式。

3）資金投入保障。設立煤礦智能化專項資金，大力支持煤礦智能化研發，將煤礦智能化裝備納入國家智能制造發展規劃，對高端綜采綜掘智能化裝備、重大災害應急救援智能裝備等重大裝備研發和應用給予一定的財稅政策支持。企業對于煤礦智能化建設的實際需求給予配。套資金支持；同時，生產計劃、相關指標及重點工作任務方面，應充分考慮煤礦智能化建設水平、試驗運行狀況、管理變革、人才建設等方面因素，做出合理規劃。對相關單位列入智能化煤礦建設及技術研發方面投入的資金，應給予視同研發投入的政策支持。

培養智能化建設人才隊伍，建立智能化建設人才梯隊。要配套推進運行維護體系建設，形成信息技術人員和業務骨干相結合的聯合運行維護團隊，在煤礦智能化建設期間，設置專職業務部門，負責本煤礦的智能化建設和管理。在隊伍構建中，要始終秉持培養人才為核心，高層次人才隊伍是推動煤礦智能化建設和行業高質量發展的最重要力量。

可以通過2 個方面充實、拓展人才隊伍。一是加大自有人才培養力度，設立智能化開采技術培訓平臺；二是加大人才激勵以及引進力度，在職級評定、工資待遇等方面向智能化開采技術研發及服務人員傾斜，吸引相關領域的高學歷、高技能人才投身到煤礦智能化建設事業中去。

3.5 優化監管體系建設

哈爾烏素露天煤礦智能化體系構建是1 個循序漸進，不斷改進落實的過程。因此，在實際落實過程中，需要不斷優化監管體系，以此切實發現智能化體系構建存在問題，提升智能化系統構建水平。哈爾烏素露天煤礦智能化監管體系建設中，一方面，引進第3 方監管人員隊伍，在擁有獨立權限基礎上，公平、公正針對露天煤礦智能化體系構建現狀分析，探究其中存在問題，直接反饋相關領導人員，及時改進，將損害控制在最小范圍內；另一方面，督促建設高水平監管人員隊伍，智能化體系構建需要建設1 支高水平監管人員隊伍，不但熟悉煤礦生產運作，而且能加強大數據分析，具有較高的“管理敏感度”，為煤礦高效生產提供支持。

4 結語

哈爾烏素露天煤礦在實現創新發展中，積極構建智能化系統具有非常必要的現實意義。智能化系統構建對于滿足安全生產、高效生產起著非常重要作用。面對哈爾烏素露天煤礦當前智能化系統構建現狀分析，切實認識到其在定位跟蹤系統方面存在不足、目標系統集成不合理以及智能化隊伍構建不科學等方面。針對這些問題，需要精確定位，提升系統集成水平、強化人員隊伍構建，發揮智力支持，以此將智能化技術真正貢獻于哈爾烏素露天煤礦實現長效發展中。