機器人與煤礦如何深度融合?

目前，全國已有370余處礦井應用了巡檢、噴漿、鉆錨、滅火、救援等共計31種煤礦機器人。機器人領(lǐng)域的精準控制、定位導航、機器視覺(jué)、自主決策等新技術(shù)在礦山行業(yè)推廣，助力煤機裝備企業(yè)實(shí)現了智能化和機器人化升級。智能化建設減人增安效果不斷顯現，自2016年以來(lái)，全國煤礦井下危險繁重崗位作業(yè)人員減少37萬(wàn)人。

從后面看，只是一輛行駛緩慢的普通方形小車(chē);到前面才發(fā)現，這輛小車(chē)沒(méi)有駕駛室，也沒(méi)有司機。當記者乘坐的車(chē)故意停在這輛小車(chē)前面，小車(chē)沒(méi)有“發(fā)怒”直接撞上來(lái)，而是“脾氣很好”地繞道行駛。

這是記者日前在陜煤集團小保當礦業(yè)公司廠(chǎng)區看到的場(chǎng)景。這個(gè)小車(chē)就是小保當礦業(yè)公司應用的智慧配送機器人。它可以按照提前規劃的路線(xiàn)，幫職工“跑腿”，配送零部件。

不只是地面，如今，在煤礦，越來(lái)越多的機器人“忙碌”起來(lái)。

全國已有370余處礦井應用31種煤礦機器人

談到煤礦機器人，大多數專(zhuān)家都會(huì )提到2019年1月由原國家煤礦安全監察局發(fā)布的《煤礦機器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》?！赌夸洝妨谐隽?類(lèi)38種重點(diǎn)研發(fā)煤礦機器人。

2020年2月，國家發(fā)改委、國家能源局、應急管理部等八部門(mén)印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見(jiàn)》，提出將機器人等與現代煤炭開(kāi)發(fā)利用深度融合。

今年1月，工信部、應急管理部、國家礦山安監局等17部門(mén)聯(lián)合印發(fā)的《“機器人+”應用行動(dòng)實(shí)施方案》提出，聚焦十大應用重點(diǎn)領(lǐng)域，突破100種以上機器人創(chuàng )新應用技術(shù)及解決方案，推廣200個(gè)以上具有較高技術(shù)水平、創(chuàng )新應用模式和顯著(zhù)應用成效的機器人典型應用場(chǎng)景。包括煤炭在內的能源是十大應用重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

系列政策文件的出臺，推動(dòng)煤礦機器人研發(fā)應用快速發(fā)展。

國家礦山安全監察局安全基礎司二級巡視員陸南介紹，目前，全國已有370余處礦井應用了巡檢、噴漿、鉆錨、滅火、救援等共計31種煤礦機器人，智能化建設減人增安效果不斷顯現。

重點(diǎn)煤炭企業(yè)因企制宜，加大資金投入力度，推進(jìn)智能化建設，探索應用煤礦機器人的無(wú)限可能。

山東能源集團總經(jīng)理助理王立才介紹，2021年以來(lái)，山東能源集團累計投入100多億元，推進(jìn)煤礦智能化建設，加快煤礦機器人在運輸、供電、排水、選矸等場(chǎng)景應用，在用各類(lèi)煤礦機器人72臺(套)。2020年全國煤礦智能化建設現場(chǎng)推進(jìn)會(huì )召開(kāi)以來(lái)，該集團累計減少井下作業(yè)人員1.2萬(wàn)人。目前，山東能源集團6處礦井單班入井人數控制在100人以?xún)龋?0處礦井單班入井人數控制在200人以?xún)取?/p>

國家能源集團神東煤炭公司智能技術(shù)中心主任崔亞仲介紹，目前，神東煤炭公司已應用30種195臺(套)機器人，其中79臺(套)輔助作業(yè)類(lèi)機器人代替人工進(jìn)行掘進(jìn)輔助搬運、水倉清淤、電纜收放和單元支架搬運等重體力作業(yè)。

神東煤炭公司在錦界、布爾臺、補連塔和哈拉溝選煤廠(chǎng)主廠(chǎng)房各安裝應用1臺掛軌式巡檢機器人，上灣選煤廠(chǎng)應用四足仿生巡檢機器人，實(shí)現區域自動(dòng)巡檢和智能識別。大柳塔選煤廠(chǎng)應用撿矸機器人，代替撿矸工2人。

陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)公司副總經(jīng)理譚震介紹，該公司推進(jìn)機器人集群應用，構建了面向礦區生產(chǎn)、安全、生活的采煤、掘進(jìn)、輔助作業(yè)等八大機器人群;提出“群間任務(wù)調度、群內任務(wù)編排、突發(fā)任務(wù)觸發(fā)”的機器人群分級管控策略，初步建成機器人集群管控體系;構建井上井下和空中立體式機器人集群服務(wù)格局，應用40余臺(套)機器人。

巡檢機器人發(fā)展最成熟，隔爆外殼輕量化、續航等亟需突破

“整體來(lái)看，礦山機器人的發(fā)展正處于爬坡過(guò)坎的關(guān)鍵時(shí)期，機器人技術(shù)的新場(chǎng)景應用有待突破，機器人企業(yè)的產(chǎn)品力有待加強，礦山機器人標準體系有待完善，產(chǎn)品的適用性、穩定性、可靠性有待提高。”陸南說(shuō)。

即便煤礦機器人已在許多礦井得到應用，但整體而言仍處于初級發(fā)展階段。

“巡檢類(lèi)機器人發(fā)展最為成熟，輔助作業(yè)類(lèi)機器人成為發(fā)展的重要方向。”中國工程院院士、中國煤炭科工集團首席科學(xué)家王國法說(shuō)，巡檢機器人現已廣泛替代人工進(jìn)行工作面、帶式輸送機、巷道、變電所和水泵房等場(chǎng)所巡檢，助力礦井實(shí)現多崗位無(wú)人值守。

巡檢機器人發(fā)展最為成熟，一方面是應用場(chǎng)景相對簡(jiǎn)單，技術(shù)相對成熟，另一方面也與需求相關(guān)。

北京天瑪智控科技股份有限公司主任工程師任偉介紹，他們通過(guò)調研發(fā)現，巡檢機器人功能需求占比達55%，其中移動(dòng)視頻監控35%，三維激光掃描3%，聲音檢測5%，慣性導航直線(xiàn)度6%，機頭大塊煤擁堵監測6%。

王國法表示，目前，煤礦機器人研發(fā)應用還存在7項共性關(guān)鍵技術(shù)需要突破，分別是隔爆外殼輕量化技術(shù)、煤礦機器人電磁兼容、煤礦機器人動(dòng)力可靠關(guān)鍵技術(shù)、射頻電磁能防爆安全研究、煤礦機器人功能安全、運移與越障、重載執行機構。

“煤礦機器人最特殊的要求就是防爆。”王國法說(shuō)，巡檢機器人隔爆外殼占整體重量的40%左右，嚴重影響機器人使用效能。不同類(lèi)型纖維增強復合材料作為隔爆外殼、輕型隔爆外殼關(guān)鍵部件防爆設計、批量化生產(chǎn)與質(zhì)量控制等相關(guān)課題都需要深入研究。

機器人不怕危險、任勞任怨，但事實(shí)上，機器人也“知疲倦”。

任偉介紹，他們在榆家梁礦薄煤層工作面開(kāi)展的工業(yè)性試驗顯示，研發(fā)的視頻機器人工作面感知(聲音、溫度、圖像)正常，可以替代人進(jìn)行工作面快速巡檢和跟機巡檢。但目前視頻機器人的最大續航時(shí)間今晚3.5小時(shí)，與現場(chǎng)普遍要求的8小時(shí)續航有不小差距。

據了解，現有井下防爆機器人大部分采用鋰電池。鋰電池有泄壓、著(zhù)火，甚至爆炸的可能。大多數鋰電池安全事故發(fā)生在充電環(huán)節。機器人鋰電池電源井下充電缺乏依據。

“機器人井下充電應為無(wú)人操作，應具備更高安全等級。”王國法說(shuō)，防爆結構經(jīng)常打開(kāi)，難以保證隔爆的有效性。煤礦機器人動(dòng)力可靠關(guān)鍵技術(shù)需要深入研究。

“中國工業(yè)機器人自主品牌市場(chǎng)占有率長(cháng)期徘徊在30%左右。高端領(lǐng)域中，弧焊機器人自主品牌占比19.4%，點(diǎn)焊機器人自主品牌占比2.6%。”中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執行理事長(cháng)宋曉剛介紹，近年來(lái)，我國機器人產(chǎn)業(yè)持續發(fā)展，工業(yè)機器人市場(chǎng)占全球市場(chǎng)的56%，但自主品牌市場(chǎng)占比低且無(wú)明顯進(jìn)展，高端產(chǎn)品供給不足等問(wèn)題仍存在。

煤礦機器人領(lǐng)域亦如此。中煤科工機器人科技有限公司副總經(jīng)理王雷介紹，現階段煤礦機器人依然面臨著(zhù)國產(chǎn)感知單元低能力、傳統算力平臺功耗高、核心控制系統依賴(lài)進(jìn)口等諸多問(wèn)題，整體國產(chǎn)化率僅為70%左右。

3月下旬，中國煤科所屬機器人公司、沈陽(yáng)研究院、常州研究院聯(lián)合華為、科大訊飛、?？低暟l(fā)布國內首套全國產(chǎn)化煤礦機器人解決方案——領(lǐng)航者3巡檢機器人。

邁向高端化，實(shí)現從“有”到“優(yōu)”

煤礦機器人未來(lái)發(fā)展趨勢如何?機器人如何與煤礦實(shí)現深度融合?

宋曉剛表示，要發(fā)揮我國政治體制和市場(chǎng)優(yōu)勢，供需協(xié)同發(fā)力，以應用促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈之間、新興技術(shù)協(xié)同創(chuàng )新，補齊短板，強化弱項，向高端化、智能化發(fā)展，提高市場(chǎng)占有率和高端產(chǎn)品供給能力，實(shí)現從“有”到“優(yōu)”，賦能制造業(yè)、服務(wù)業(yè)智能化轉型。

“型號譜系化、功能專(zhuān)用化、裝備智能化、作業(yè)自主化、任務(wù)協(xié)同化將是今后煤礦機器人的發(fā)展趨勢。”山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院機器人研究中心主任李貽斌說(shuō)，型號譜系化就是要發(fā)展適用于各種復雜地質(zhì)條件的煤礦機器人，可以先讓機器人干好一種活兒，避免系統過(guò)于復雜，影響可靠性。

深圳市智能機器人研究院院長(cháng)席寧表示，煤礦的非結構性環(huán)境是其應用的難點(diǎn)之一，會(huì )對機器人的感知、控制、規劃等產(chǎn)生影響。

在感知方面，慣性導航技術(shù)是克服井下粉塵多、照度低等困難的有效手段。慣性導航技術(shù)應用一段時(shí)間后會(huì )漂移，可結合激光等現有感知技術(shù)進(jìn)行矯正。在控制方面，可將基于時(shí)間的控制，變?yōu)榛谑录目刂啤?/p>

席寧解釋道，基于時(shí)間的控制就是提前規劃好機器人什么時(shí)間做什么事情，但現實(shí)中可能遇到障礙，機器人不能開(kāi)展下一步工作，導致誤差越來(lái)越大，必須關(guān)閉機器人?；谑录目刂?，則是以傳感器數據為依據，將位置、距離作為參照系。這樣，當遇到障礙時(shí)，誤差是定值，障礙移除后，機器人還可以繼續執行任務(wù)。

在規劃方面，席寧表示，應加強人與機器人的協(xié)調控制。“機器人再自主也需要人，要解決的問(wèn)題不是代替人，而是找到一種更合適的方式，讓人與機器人更好地協(xié)同工作。”席寧說(shuō)。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院機器人與智能裝備中心主任王衛軍也表示，人機協(xié)同技術(shù)在煤機研發(fā)中大有可為。

“將外骨骼技術(shù)應用到礦山，機器人可以由穿著(zhù)外骨骼的人遠程操作。”王衛軍說(shuō)，動(dòng)力外骨骼將在很大程度上減少職業(yè)傷害，同時(shí)顯著(zhù)提升生產(chǎn)力，在應急救援、設備搶修、人員康復等方面具有廣闊的應用前景。

據了解，神東煤炭公司高端設備研發(fā)中心就與聯(lián)合團隊一起開(kāi)發(fā)了3款機械外骨骼產(chǎn)品，分別是上肢外骨骼機器人、腰部外骨骼機器人以及下肢外骨骼機器人，主要用于井下安裝、生產(chǎn)、搬運和地面單位制造、生產(chǎn)、維修等場(chǎng)景。

“智能化體現在兩方面，一個(gè)是‘大腦’智能，比如算法、人工智能;另一個(gè)是機械智能，就是機器人的結構智能。”英國皇家工程院院士、南方科技大學(xué)機器人研究院院長(cháng)戴建生說(shuō)，目前，機械智能是限制智能化發(fā)展的瓶頸。例如，巡檢機器人雖然可適應各種不同環(huán)境，采用不同算法，但結構大同小異。

“我國重大工程領(lǐng)域亟需高適應、可重構機器人。”戴建生說(shuō)，結構可變的礦山變胞機器人可以收集氣體、溫度、濕度等數據，可收集礦石樣本，在巷道巡檢與維修、緊急救援等場(chǎng)景發(fā)揮作用。

各煤炭相關(guān)單位也積極行動(dòng)起來(lái)，推動(dòng)煤礦機器人研發(fā)應用邁上新臺階。

在政策支撐層面，據了解，今年，國家礦山安全監察局將在原5類(lèi)38種《煤礦機器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》的基礎上，出臺礦山機器人重點(diǎn)研發(fā)目錄，組織編制礦山安控類(lèi)機器人數據共享規范，引導制造企業(yè)實(shí)現機器人數據互聯(lián)互通。

科研單位加強煤礦機器人研發(fā)。目前，中國煤科機器人科技有限公司正在開(kāi)展煤倉巡檢機器人、回風(fēng)立井巡檢機器人、采空區飛行巡檢機器人等特殊場(chǎng)景巡檢機器人研發(fā);開(kāi)展煤倉清理機器人、洗煤廠(chǎng)高低壓帶電作業(yè)機器人、水倉水溝施工機器人等5種輔助機器人研發(fā)，解決井下危重場(chǎng)合替人難題，提高作業(yè)效率;規劃仿生蛇形救援機器人等3種救援機器人研發(fā)，應用于煤礦水災等人員無(wú)法進(jìn)入的場(chǎng)景，完成災情精準探測。

在企業(yè)應用層面，崔亞仲介紹，到2025年，神東煤炭公司要推廣應用100臺(套)作業(yè)類(lèi)機器人。

檸條塔礦業(yè)公司則提出了機器人集群三期建設規劃。他們將豐富機器人集群數量和種類(lèi)，做好“大型煤礦井下巷道輔助作業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)與應用示范”項目機器人集成示范工作，探索實(shí)用化無(wú)人駕駛技術(shù)，基于一體化管控平臺打造“智能化生產(chǎn)決策控股+井下機器人(智能裝備)操作”模式，支撐煤礦柔性生產(chǎn)體系。

相關(guān)政策

2019年1月，原國家煤礦安全監察局發(fā)布《煤礦機器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》。

2020年2月，國家發(fā)改委、國家能源局、應急管理部等8部門(mén)印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見(jiàn)》。

2021年12月，工業(yè)和信息化部、應急管理部、國家礦山安全監察局等15部門(mén)印發(fā)《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃》。

2022年8月，工業(yè)和信息化部辦公廳、農業(yè)農村部辦公廳、國家衛生健康委員會(huì )辦公廳、國家礦山安全監察局綜合司公布農業(yè)、建筑、醫療、礦山領(lǐng)域機器人典型應用場(chǎng)景名單，發(fā)布20個(gè)礦山領(lǐng)域機器人典型應用場(chǎng)景。

2023年1月，工業(yè)和信息化部、應急管理部、國家礦山安監局等17部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《“機器人+”應用行動(dòng)實(shí)施方案》。