機(jī)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(jì)31種煤礦機(jī)器人。機(jī)器人領(lǐng)域的精準(zhǔn)控制、定位導(dǎo)航、機(jī)器視覺、自主決策等新技術(shù)在礦山行業(yè)推廣，助力煤機(jī)裝備企業(yè)實(shí)現(xiàn)了智能化和機(jī)器人化升級(jí)。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(xiǎn)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(jī)。當(dāng)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(tuán)小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司廠區(qū)看到的場(chǎng)景。這個(gè)小車就是小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司應(yīng)用的智慧配送機(jī)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(jī)器人“忙碌”起來。

智能倉儲(chǔ)機(jī)器人

全國已有370余處礦井應(yīng)用31種煤礦機(jī)器人

談到煤礦機(jī)器人，大多數(shù)專家都會(huì)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(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》?！赌夸洝妨谐隽?類38種重點(diǎn)研發(fā)煤礦機(jī)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(jī)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(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》提出，聚焦十大應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域，突破100種以上機(jī)器人創(chuàng)新應(yīng)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(yīng)用模式和顯著應(yīng)用成效的機(jī)器人典型應(yīng)用場(chǎng)景。包括煤炭在內(nèi)的能源是十大應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

系列政策文件的出臺(tái)，推動(dòng)煤礦機(jī)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(jí)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(jì)31種煤礦機(jī)器人，智能化建設(shè)減人增安效果不斷顯現(xiàn)。

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(shè)，探索應(yīng)用煤礦機(jī)器人的無限可能。

山東能源集團(tuán)總經(jīng)理助理王立才介紹，2021年以來，山東能源集團(tuán)累計(jì)投入100多億元，推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)，加快煤礦機(jī)器人在運(yùn)輸、供電、排水、選矸等場(chǎng)景應(yīng)用，在用各類煤礦機(jī)器人72臺(tái)（套）。2020年全國煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)會(huì)召開以來，該集團(tuán)累計(jì)減少井下作業(yè)人員1.2萬人。目前，山東能源集團(tuán)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(tuán)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(tái)（套）機(jī)器人，其中79臺(tái)（套）輔助作業(yè)類機(jī)器人代替人工進(jìn)行掘進(jìn)輔助搬運(yùn)、水倉清淤、電纜收放和單元支架搬運(yùn)等重體力作業(yè)。

神東煤炭公司在錦界、布爾臺(tái)、補(bǔ)連塔和哈拉溝選煤廠主廠房各安裝應(yīng)用1臺(tái)掛軌式巡檢機(jī)器人，上灣選煤廠應(yīng)用四足仿生巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)區(qū)域自動(dòng)巡檢和智能識(shí)別。大柳塔選煤廠應(yīng)用撿矸機(jī)器人，代替撿矸工2人。

陜煤集團(tuán)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(jī)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(jìn)、輔助作業(yè)等八大機(jī)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(jī)器人群分級(jí)管控策略，初步建成機(jī)器人集群管控體系；構(gòu)建井上井下和空中立體式機(jī)器人集群服務(wù)格局，應(yīng)用40余臺(tái)（套）機(jī)器人。

瓦斯抽采鉆孔機(jī)器人

巡檢機(jī)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(jī)器人的發(fā)展正處于爬坡過坎的關(guān)鍵時(shí)期，機(jī)器人技術(shù)的新場(chǎng)景應(yīng)用有待突破，機(jī)器人企業(yè)的產(chǎn)品力有待加強(qiáng)，礦山機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善，產(chǎn)品的適用性、穩(wěn)定性、可靠性有待提高?！标懩险f。

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

“巡檢類機(jī)器人發(fā)展最為成熟，輔助作業(yè)類機(jī)器人成為發(fā)展的重要方向?！敝袊こ淘涸菏俊⒅袊禾靠乒ぜ瘓F(tuán)首席科學(xué)家王國法說，巡檢機(jī)器人現(xiàn)已廣泛替代人工進(jìn)行工作面、帶式輸送機(jī)、巷道、變電所和水泵房等場(chǎng)所巡檢，助力礦井實(shí)現(xiàn)多崗位無人值守。

巡檢機(jī)器人發(fā)展最為成熟，一方面是應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)簡單，技術(shù)相對(duì)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(jī)器人功能需求占比達(dá)55%，其中移動(dòng)視頻監(jiān)控35%，三維激光掃描3%，聲音檢測(cè)5%，慣性導(dǎo)航直線度6%，機(jī)頭大塊煤擁堵監(jiān)測(cè)6%。

王國法表示，目前，煤礦機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用還存在7項(xiàng)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(jī)器人電磁兼容、煤礦機(jī)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(jī)器人功能安全、運(yùn)移與越障、重載執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

“煤礦機(jī)器人最特殊的要求就是防爆?！蓖鯂ㄕf，巡檢機(jī)器人隔爆外殼占整體重量的40%左右，嚴(yán)重影響機(jī)器人使用效能。不同類型纖維增強(qiáng)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(jì)、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(jī)器人不怕危險(xiǎn)、任勞任怨，但事實(shí)上，機(jī)器人也“知疲倦”。

任偉介紹，他們?cè)谟芗伊旱V薄煤層工作面開展的工業(yè)性試驗(yàn)顯示，研發(fā)的視頻機(jī)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(jī)巡檢。但目前視頻機(jī)器人的最大續(xù)航時(shí)間今晚3.5小時(shí)，與現(xiàn)場(chǎng)普遍要求的8小時(shí)續(xù)航有不小差距。

據(jù)了解，現(xiàn)有井下防爆機(jī)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(jī)器人鋰電池電源井下充電缺乏依據(jù)。

“機(jī)器人井下充電應(yīng)為無人操作，應(yīng)具備更高安全等級(jí)?！蓖鯂ㄕf，防爆結(jié)構(gòu)經(jīng)常打開，難以保證隔爆的有效性。煤礦機(jī)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(jī)器人自主品牌市場(chǎng)占有率長期徘徊在30%左右。高端領(lǐng)域中，弧焊機(jī)器人自主品牌占比19.4%，點(diǎn)焊機(jī)器人自主品牌占比2.6%?！敝袊鴻C(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)占全球市場(chǎng)的56%，但自主品牌市場(chǎng)占比低且無明顯進(jìn)展，高端產(chǎn)品供給不足等問題仍存在。

煤礦機(jī)器人領(lǐng)域亦如此。中煤科工機(jī)器人科技有限公司副總經(jīng)理王雷介紹，現(xiàn)階段煤礦機(jī)器人依然面臨著國產(chǎn)感知單元低能力、傳統(tǒng)算力平臺(tái)功耗高、核心控制系統(tǒng)依賴進(jìn)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(jī)器人公司、沈陽研究院、常州研究院聯(lián)合華為、科大訊飛、?？低暟l(fā)布國內(nèi)首套全國產(chǎn)化煤礦機(jī)器人解決方案——領(lǐng)航者3巡檢機(jī)器人。

邁向高端化，實(shí)現(xiàn)從“有”到“優(yōu)”

巷道修復(fù)機(jī)器人

煤礦機(jī)器人未來發(fā)展趨勢(shì)如何？機(jī)器人如何與煤礦實(shí)現(xiàn)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(shì)，供需協(xié)同發(fā)力，以應(yīng)用促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈之間、新興技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新，補(bǔ)齊短板，強(qiáng)化弱項(xiàng)，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(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(hào)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(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)?！鄙綎|大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)器人研究中心主任李貽斌說，型號(hào)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(jī)器人，可以先讓機(jī)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(jī)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(diǎn)之一，會(huì)對(duì)機(jī)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(shí)間后會(huì)漂移，可結(jié)合激光等現(xiàn)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(guī)劃好機(jī)器人什么時(shí)間做什么事情，但現(xiàn)實(shí)中可能遇到障礙，機(jī)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(jī)器人?；谑录目刂?，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(dāng)遇到障礙時(shí)，誤差是定值，障礙移除后，機(jī)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(qiáng)人與機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制?！皺C(jī)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(jī)器人更好地協(xié)同工作?！毕瘜幷f。

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

“將外骨骼技術(shù)應(yīng)用到礦山，機(jī)器人可以由穿著外骨骼的人遠(yuǎn)程操作?！蓖跣l(wèi)軍說，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(tuán)隊(duì)一起開發(fā)了3款機(jī)械外骨骼產(chǎn)品，分別是上肢外骨骼機(jī)器人、腰部外骨骼機(jī)器人以及下肢外骨骼機(jī)器人，主要用于井下安裝、生產(chǎn)、搬運(yùn)和地面單位制造、生產(chǎn)、維修等場(chǎng)景。

“智能化體現(xiàn)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(jī)械智能，就是機(jī)器人的結(jié)構(gòu)智能?！庇始夜こ淘涸菏俊⒛戏娇萍即髮W(xué)機(jī)器人研究院院長戴建生說，目前，機(jī)械智能是限制智能化發(fā)展的瓶頸。例如，巡檢機(jī)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(jī)器人?！贝鹘ㄉf，結(jié)構(gòu)可變的礦山變胞機(jī)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(chǎng)景發(fā)揮作用。

各煤炭相關(guān)單位也積極行動(dòng)起來，推動(dòng)煤礦機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用邁上新臺(tái)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(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》的基礎(chǔ)上，出臺(tái)礦山機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄，組織編制礦山安控類機(jī)器人數(shù)據(jù)共享規(guī)范，引導(dǎo)制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。

科研單位加強(qiáng)煤礦機(jī)器人研發(fā)。目前，中國煤科機(jī)器人科技有限公司正在開展煤倉巡檢機(jī)器人、回風(fēng)立井巡檢機(jī)器人、采空區(qū)飛行巡檢機(jī)器人等特殊場(chǎng)景巡檢機(jī)器人研發(fā)；開展煤倉清理機(jī)器人、洗煤廠高低壓帶電作業(yè)機(jī)器人、水倉水溝施工機(jī)器人等5種輔助機(jī)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(guī)劃仿生蛇形救援機(jī)器人等3種救援機(jī)器人研發(fā)，應(yīng)用于煤礦水災(zāi)等人員無法進(jìn)入的場(chǎng)景，完成災(zāi)情精準(zhǔn)探測(cè)。

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(tái)（套）作業(yè)類機(jī)器人。

檸條塔礦業(yè)公司則提出了機(jī)器人集群三期建設(shè)規(guī)劃。他們將豐富機(jī)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(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范”項(xiàng)目機(jī)器人集成示范工作，探索實(shí)用化無人駕駛技術(shù)，基于一體化管控平臺(tái)打造“智能化生產(chǎn)決策控股+井下機(jī)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(jī)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(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(jī)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(huì)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(jī)器人典型應(yīng)用場(chǎng)景名單，發(fā)布20個(gè)礦山領(lǐng)域機(jī)器人典型應(yīng)用場(chǎng)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(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》。

行業(yè)數(shù)據(jù)

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