機器人與煤礦如何深度融合？

目前，全國已有370余處礦井應(yīng)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(dǎo)航、機器視覺、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)實現(xiàn)了智能化和機器人化升級。智能化建設(shè)減人增安效果不斷顯現(xiàn)，自2016年以來，全國煤礦井下危險繁重崗位作業(yè)人員減少37萬人。

從后面看，只是一輛行駛緩慢的普通方形小車；到前面才發(fā)現(xiàn)，這輛小車沒有駕駛室，也沒有司機。當記者乘坐的車故意停在這輛小車前面，小車沒有“發(fā)怒”直接撞上來，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?shù)V業(yè)公司廠區(qū)看到的場景。這個小車就是小保當?shù)V業(yè)公司應(yīng)用的智慧配送機器人。它可以按照提前規(guī)劃的路線，幫職工“跑腿”，配送零部件。

不只是地面，如今，在煤礦，越來越多的機器人“忙碌”起來。

智能倉儲機器人

全國已有370余處礦井應(yīng)用31種煤礦機器人

談到煤礦機器人，大多數(shù)專家都會提到2019年1月由原國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》。《目錄》列出了5類38種重點研發(fā)煤礦機器人。

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

今年1月，工信部、應(yīng)急管理部、國家礦山安監(jiān)局等17部門聯(lián)合印發(fā)的《“機器人+”應(yīng)用行動實施方案》提出，聚焦十大應(yīng)用重點領(lǐng)域，突破100種以上機器人創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)及解決方案，推廣200個以上具有較高技術(shù)水平、創(chuàng)新應(yīng)用模式和顯著應(yīng)用成效的機器人典型應(yīng)用場景。包括煤炭在內(nèi)的能源是十大應(yīng)用重點領(lǐng)域之一。

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

國家礦山安全監(jiān)察局安全基礎(chǔ)司二級巡視員陸南介紹，目前，全國已有370余處礦井應(yīng)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(shè)減人增安效果不斷顯現(xiàn)。

重點煤炭企業(yè)因企制宜，加大資金投入力度，推進智能化建設(shè)，探索應(yīng)用煤礦機器人的無限可能。

山東能源集團總經(jīng)理助理王立才介紹，2021年以來，山東能源集團累計投入100多億元，推進煤礦智能化建設(shè)，加快煤礦機器人在運輸、供電、排水、選矸等場景應(yīng)用，在用各類煤礦機器人72臺（套）。2020年全國煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)場推進會召開以來，該集團累計減少井下作業(yè)人員1.2萬人。目前，山東能源集團6處礦井單班入井人數(shù)控制在100人以內(nèi)，20處礦井單班入井人數(shù)控制在200人以內(nèi)。

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(yīng)用30種195臺（套）機器人，其中79臺（套）輔助作業(yè)類機器人代替人工進行掘進輔助搬運、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主廠房各安裝應(yīng)用1臺掛軌式巡檢機器人，上灣選煤廠應(yīng)用四足仿生巡檢機器人，實現(xiàn)區(qū)域自動巡檢和智能識別。大柳塔選煤廠應(yīng)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，該公司推進機器人集群應(yīng)用，構(gòu)建了面向礦區(qū)生產(chǎn)、安全、生活的采煤、掘進、輔助作業(yè)等八大機器人群；提出“群間任務(wù)調(diào)度、群內(nèi)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(gòu)建井上井下和空中立體式機器人集群服務(wù)格局，應(yīng)用40余臺（套）機器人。

瓦斯抽采鉆孔機器人

巡檢機器人發(fā)展最成熟，隔爆外殼輕量化、續(xù)航等亟需突破

“整體來看，礦山機器人的發(fā)展正處于爬坡過坎的關(guān)鍵時期，機器人技術(shù)的新場景應(yīng)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(wěn)定性、可靠性有待提高。”陸南說。

即便煤礦機器人已在許多礦井得到應(yīng)用，但整體而言仍處于初級發(fā)展階段。

“巡檢類機器人發(fā)展最為成熟，輔助作業(yè)類機器人成為發(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家王國法說，巡檢機器人現(xiàn)已廣泛替代人工進行工作面、帶式輸送機、巷道、變電所和水泵房等場所巡檢，助力礦井實現(xiàn)多崗位無人值守。

巡檢機器人發(fā)展最為成熟，一方面是應(yīng)用場景相對簡單，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，他們通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，巡檢機器人功能需求占比達55%，其中移動視頻監(jiān)控35%，三維激光掃描3%，聲音檢測5%，慣性導(dǎo)航直線度6%，機頭大塊煤擁堵監(jiān)測6%。

王國法表示，目前，煤礦機器人研發(fā)應(yīng)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(zhí)行機構(gòu)。

“煤礦機器人最特殊的要求就是防爆。”王國法說，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。不同類型纖維增強復(fù)合材料作為隔爆外殼、輕型隔爆外殼關(guān)鍵部件防爆設(shè)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(xù)航時間今晚3.5小時，與現(xiàn)場普遍要求的8小時續(xù)航有不小差距。

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

“機器人井下充電應(yīng)為無人操作，應(yīng)具備更高安全等級。”王國法說，防爆結(jié)構(gòu)經(jīng)常打開，難以保證隔爆的有效性。煤礦機器人動力可靠關(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占有率長期徘徊在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(zhí)行理事長宋曉剛介紹，近年來，我國機器人產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，工業(yè)機器人市場占全球市場的56%，但自主品牌市場占比低且無明顯進展，高端產(chǎn)品供給不足等問題仍存在。

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(xiàn)階段煤礦機器人依然面臨著國產(chǎn)感知單元低能力、傳統(tǒng)算力平臺功耗高、核心控制系統(tǒng)依賴進口等諸多問題，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、沈陽研究院、常州研究院聯(lián)合華為、科大訊飛、海康威視發(fā)布國內(nèi)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，實現(xiàn)從“有”到“優(yōu)”

巷道修復(fù)機器人

煤礦機器人未來發(fā)展趨勢如何？機器人如何與煤礦實現(xiàn)深度融合？

宋曉剛表示，要發(fā)揮我國政治體制和市場優(yōu)勢，供需協(xié)同發(fā)力，以應(yīng)用促進產(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，提高市場占有率和高端產(chǎn)品供給能力，實現(xiàn)從“有”到“優(yōu)”，賦能制造業(yè)、服務(wù)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。

“型號譜系化、功能專用化、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。”山東大學控制科學與工程學院機器人研究中心主任李貽斌說，型號譜系化就是要發(fā)展適用于各種復(fù)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(tǒng)過于復(fù)雜，影響可靠性。

深圳市智能機器人研究院院長席寧表示，煤礦的非結(jié)構(gòu)性環(huán)境是其應(yīng)用的難點之一，會對機器人的感知、控制、規(guī)劃等產(chǎn)生影響。

在感知方面，慣性導(dǎo)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(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用一段時間后會漂移，可結(jié)合激光等現(xiàn)有感知技術(shù)進行矯正。在控制方面，可將基于時間的控制，變?yōu)榛谑录目刂啤?/p>

席寧解釋道，基于時間的控制就是提前規(guī)劃好機器人什么時間做什么事情，但現(xiàn)實中可能遇到障礙，機器人不能開展下一步工作，導(dǎo)致誤差越來越大，必須關(guān)閉機器人。基于事件的控制，則是以傳感器數(shù)據(jù)為依據(jù)，將位置、距離作為參照系。這樣，當遇到障礙時，誤差是定值，障礙移除后，機器人還可以繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

在規(guī)劃方面，席寧表示，應(yīng)加強人與機器人的協(xié)調(diào)控制。“機器人再自主也需要人，要解決的問題不是代替人，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。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院機器人與智能裝備中心主任王衛(wèi)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(yīng)用到礦山，機器人可以由穿著外骨骼的人遠程操作。”王衛(wèi)軍說，動力外骨骼將在很大程度上減少職業(yè)傷害，同時顯著提升生產(chǎn)力，在應(yīng)急救援、設(shè)備搶修、人員康復(fù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)了解，神東煤炭公司高端設(shè)備研發(fā)中心就與聯(lián)合團隊一起開發(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)、維修等場景。

“智能化體現(xiàn)在兩方面，一個是‘大腦’智能，比如算法、人工智能；另一個是機械智能，就是機器人的結(jié)構(gòu)智能。”英國皇家工程院院士、南方科技大學機器人研究院院長戴建生說，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(yīng)各種不同環(huán)境，采用不同算法，但結(jié)構(gòu)大同小異。

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

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

在政策支撐層面，據(jù)了解，今年，國家礦山安全監(jiān)察局將在原5類38種《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》的基礎(chǔ)上，出臺礦山機器人重點研發(fā)目錄，組織編制礦山安控類機器人數(shù)據(jù)共享規(guī)范，引導(dǎo)制造企業(yè)實現(xiàn)機器人數(shù)據(jù)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展煤倉巡檢機器人、回風立井巡檢機器人、采空區(qū)飛行巡檢機器人等特殊場景巡檢機器人研發(fā)；開展煤倉清理機器人、洗煤廠高低壓帶電作業(yè)機器人、水倉水溝施工機器人等5種輔助機器人研發(fā)，解決井下危重場合替人難題，提高作業(yè)效率；規(guī)劃仿生蛇形救援機器人等3種救援機器人研發(fā)，應(yīng)用于煤礦水災(zāi)等人員無法進入的場景，完成災(zāi)情精準探測。

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

檸條塔礦業(yè)公司則提出了機器人集群三期建設(shè)規(guī)劃。他們將豐富機器人集群數(shù)量和種類，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(yīng)用示范”項目機器人集成示范工作，探索實用化無人駕駛技術(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。

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相關(guān)政策

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

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

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

2022年8月，工業(yè)和信息化部辦公廳、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳、國家衛(wèi)生健康委員會辦公廳、國家礦山安全監(jiān)察局綜合司公布農(nóng)業(yè)、建筑、醫(yī)療、礦山領(lǐng)域機器人典型應(yīng)用場景名單，發(fā)布20個礦山領(lǐng)域機器人典型應(yīng)用場景。

2023年1月，工業(yè)和信息化部、應(yīng)急管理部、國家礦山安監(jiān)局等17部門聯(lián)合印發(fā)《“機器人+”應(yīng)用行動實施方案》。

行業(yè)數(shù)據(jù)

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