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作 者
任怀伟1,2,王国法1,2,赵国瑞1,2,曹现刚3,杜毅博1,2,李帅帅2
作者单位
1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部；2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院,；3. 西安科技大学 机械工程学院
研究背景
智慧煤矿及智能化开采将现代科学技术与传统采矿科学融合发展,是煤矿开采领域的技术发展趋势和当前研究的热点问题。1999年,首次提出了数字矿山的概念,是由数字地球延伸而来,即在矿山范围内以三维坐标信息及其相关关系为基础而组成的信息框架。之后,地质探测、环境监测、开采装备状态等更加广泛、深入的信息不断融入,再辅以UWB超宽带局部定位、虚拟现实等先进技术被引入到矿山开采数字信息的处理中,形成了基于GIS(地理信息系统)的一系列信息化、数字化矿山模型。当前,数字煤矿已经实现了信息实时精准采集、远程网络传输、三维实景展现等功能,也实现了从井上到井下、从整个矿区到具体设备、从现场到远程、从生产到安全的多层次立体信息集成。
数字矿山更多强调的是信息的数字化表达。对矿山开采系统而言,复杂多变的地质环境、系统集成的作业工艺、高度关联的生产调度都越来越需要智能化的决策和控制,近年来提出的智慧矿山就是在数字信息的特征提取、逻辑推理及智能决策方面进行大量的研究,以期从大量数据中挖掘特定关联关系并推演出全新的运行逻辑。因而,为支持这一技术需求,煤矿信息框架不仅仅是三维地理坐标、环境、装备等信息,还应包括数据间的相互关联关系及其逻辑推理,包括功能关系、事件关系、物理关系的表达、辨识和处理等,从而形成支撑智慧煤矿的逻辑信息框架。
目前,从数字矿山向智慧矿山信息框架演进的过程中,存在3个核心问题未有效解决:
一是信息关联层次不清晰,基于“规则”的方法只是建立了数据间的“表象”关联状态,未进行深度有效的挖掘,矿山生产预测难、监控难、效率低、安全事故多等问题一直不能有效解决。如何实现矿山大规模、多层次、非线性的时间、空间信息的耦合及关联,并以此支撑资源的安全、高效开采活动成为了矿山工程领域发展过程中面临的科学难题。
二是框架结构不完善,现阶段仍然是以数字矿山的数据获取为核心的架构,而不是以数据利用为核心的架构。智慧矿山缺乏系统的信息关联机制、知识发现策略和统一的逻辑模型和再现方法,现有数字矿山的框架体系更多的演变成为智慧服务的基础支持体系。
三是缺少智能决策依据及有效控制方法。利用现代机械、电气及人工智能技术解决矿山装备控制难题、实现智能无人开采是智慧煤矿发展的核心目标之一。虽然突破了液压支架跟机自动化、采煤机记忆截割、运输系统煤流平衡、远程遥控、一键启停等多项关键技术,实现了简单地质条件下的设备协同联动自动运行。
然而,这些技术主要是从开采系统内部或单个环节取得的技术突破,无法组合起来实现更为复杂地质条件下的连续稳定开采。必须从系统级开展多种技术、数据的融合集成研究,解决数据不利用、信息不关联、控制不智能的问题,从根本上提升煤矿的开采水平、生产效率及人员与设备安全保障能力。
为解决上述三方面的问题,笔者提出智慧煤矿逻辑模型,包括智能信息“实体”、智能匹配方法与推送策略,建立基于开采行为影响预测推理的煤矿智慧逻辑模型进化机制;提出智慧逻辑模型框架下的开采系统关联关系模型,构建综采设备群空间位姿关系运动学及动力学模型;提出时变多因素影响下开采设备群全局最优规划和分布式协同控制方法,为构建智慧煤矿提供基础理论与技术支撑。
摘 要
针对数字矿山向智慧矿山发展过程中信息关联层次不清晰、框架结构不完善、缺少智能决 策依据及有效控制方法的问题,提出了智慧煤矿信息逻辑模型,基于本体和语义网技术建立了煤矿多源、异构关系数据的信息“实体”和虚实映射机理,提出基于知识需求模型的信息实体主动匹配与推送策略,构建基于开采行为预测推理的智慧逻辑模型进化机制,形成了层级清晰、结构明确、全面覆盖的智慧煤矿信息模型。
构建了综采设备群空间位姿关系模型,提出了考虑随机误差的强耦合设备群空间坐标统一描述及各设备关联坐标系转换方法,建立了多参量融合分析和评估的开采环境—生产系统耦合关系模型,为煤矿装备位姿控制及智能决策提供支撑;给出了时变多因素影响下的开采设备群全局最优规划和分布式协同控制方法。
将综采设备群全局最优规划归结为一个二次积分模型的燃料最优规划问题,提出了基于多模态控制的综采设备群全局最优推进路径规划及控制策略,可兼顾开采条件、设备能力、工艺流程及能量消耗,确保生产成本、效率的有效改善。给出了同时考虑环境干扰和传感器数据时延特性的液压支架群组分布式协同控制方法。
上述基础架构和数学模型为深层次挖掘智慧煤矿海量信息之间的关联关系、解决大数据环境下开采系统的最优化协同控制、实现复杂地质条件下连续稳定开采提供了基础理论支撑,可有效推动智慧煤矿技术的发展。
作者简介
任怀伟，男, 1980年9月9日生，河北廊坊人，博士后，研究员。 现任天地科技开采设计事业部科创中心副主任，主持自然基金面上项目 1项，参与自然基金重点项目、863、973等国家课题13项，获得省部级一等奖6项，其他奖励4项； 发表学术论文 38篇，参与编写著作3部，获得发明专利8项。 获 “全国煤炭青年科技奖”。
研究方向
煤矿综采装备及自动化控制
主要成果
致力于煤矿综采装备及自动化控制技术的研究，在超大采高液压支架结构创新、装备围岩耦合关系、工作面装备分布式协同控制等方面取得了多项创新性成果，为推动工作面自动化程度的提升提供了理论和方法支撑，获得了多项发明专利，制定国家标准3项，取得明显经济社会效益，为煤矿高效、自动化、智能化开采提供了有力的技术保障。
文中图片
智慧矿山数据特征
信息实体单元
虚实映射技术路线
知识需求模型构建
数据智能匹配与推送策略
智慧矿山数据流转和交互
系统行为预测推理及自我优化方法
基于智能感知的煤矿智慧逻辑模型
工作面设备群坐标系
开采环境—生产系统耦合建模
综采设备群二次积分全局最优规划模型
综采设备群最优规划开关曲线及优化路径
开采系统分布式协同控制
时变多因素影响下综采设备群分布式控制
文中表格
智慧矿山数据信息类型
数据元(信息实体)产生的主要层次和交互关系
开采环境—生产系统相互影响关系
来源：
任怀伟,王国法,赵国瑞,等. 智慧煤矿信息逻辑模型及开采系统决策控制方法[J]. 煤炭学报,2019,44(9):2923-2935.
REN Huaiwei,WANG Guofa,ZHAO Guorui,et al. Smart coal mine logic model and decision control method of mining system[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(9):2923-2935.
责任编辑：郭晓炜编辑整理：郭晓炜
审 核：常琛
End
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