隨著科技的不斷進(jìn)步和對機(jī)器人代替人類工作的不斷需求,人工智能在煤礦的研究和應(yīng)用得到了快速發(fā)展.《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃提出,要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過程智能控制以及建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠,未來的煤礦將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和生產(chǎn)現(xiàn)場無人化,這為智能煤礦發(fā)展提供了借鑒性指導(dǎo).在我國《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃》中,明確了要提升煤炭開發(fā)效率和智能化水平,研發(fā)高效建井、快速掘進(jìn)、智能化工作面等技術(shù),重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無人化,全國采煤機(jī)械化程度達(dá)到95％以上.

煤礦機(jī)器人是依靠自身動力和控制能力來完成各種采礦操作任務(wù)的機(jī)器.評判煤礦機(jī)器人的性能水平包含3個(gè)因素,一是智能因素,是指記憶、運(yùn)算、比較、判斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等感知能力;二是機(jī)能因素,是指變通性、通用性或空間占有性等運(yùn)動能力;三是物理能因素,是指力、速度、可靠性和壽命等負(fù)載能力.

根據(jù)控制能力的自主程度,煤礦機(jī)器人可分為一般煤礦機(jī)器人和智能煤礦機(jī)器人.一般煤礦機(jī)器人是僅有一般編程能力和操作功能的機(jī)器人,可認(rèn)為是一種針對特定采礦任務(wù)而有可編程動作的特殊機(jī)器.智能煤礦機(jī)器人是自控機(jī)器人,它具有較為齊全和可靠的傳感器和執(zhí)行器,能夠像礦工一樣自主完成各類采礦作業(yè)任務(wù),它應(yīng)具備3個(gè)要素,即感知要素、反應(yīng)要素和決策要素.

1、機(jī)器人將開創(chuàng)智能采礦新時(shí)代

通常把機(jī)器人技術(shù)發(fā)展分為三代.第一代機(jī)器人指只有操作器(手)的機(jī)器人,以可編程序或示教再現(xiàn)方式工作,不具有對外界信息的反饋能力.第二代機(jī)器人指裝備各種傳感器(如力覺、觸覺、視覺等)的機(jī)器人,在一定程度上能感知客觀環(huán)境的變化及動作的結(jié)果,即具有對外部信息的反饋能力,能適應(yīng)客觀環(huán)境的變化.第三代機(jī)器人指智能機(jī)器人.智能機(jī)器人裝有豐富的傳感器,并將人工智能技術(shù)與機(jī)器人相結(jié)合,使機(jī)器人不僅能夠感知環(huán)境,而且能夠建立并適時(shí)修正環(huán)境模型,然后根據(jù)確定的任務(wù),以實(shí)時(shí)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行問題求解,作出決策及制訂規(guī)劃,并且具有一定的學(xué)習(xí)功能,它具有高度的自適應(yīng)性及自治功能.

按照替代功能和應(yīng)用領(lǐng)域劃分,機(jī)器人大致可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人3類.工業(yè)機(jī)器人指具有焊接、切割、搬運(yùn)、涂裝、包裝和碼垛等功能的機(jī)器人;服務(wù)機(jī)器人包括能夠?yàn)槿祟愄峁┘艺?wù)、醫(yī)療服務(wù)和公共服務(wù)的機(jī)器人;特種機(jī)器人則是指在軍事、救災(zāi)、極地、高危作業(yè)以及采礦等領(lǐng)域所使用的機(jī)器人.

在采礦業(yè)中,機(jī)器人將逐漸代替礦工的勞動,從幾千年前的人工挖煤,到100多年前的動力助人采煤,再到幾十年前的機(jī)械化替人采煤,發(fā)展到今天的自動化減人開采,而且最終采礦業(yè)會實(shí)現(xiàn)無人智能化開采.隨著自動化程度的提高,生產(chǎn)效率得到了極大的提高.采礦工具發(fā)展歷程如圖所示.

采礦行業(yè)中有很多崗位是高危崗位,如果機(jī)器人能夠替代礦工去完成這些高危作業(yè),將從根源上解決煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)問題.煤礦事故死亡人數(shù)占比較高的危險(xiǎn)崗位主要分布在掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、電氣、檢修、巡檢等作業(yè)地點(diǎn).這些危險(xiǎn)崗位的井下礦工人數(shù)占到近60％,而事故死亡人數(shù)高達(dá)85％.如果這些高危崗位被機(jī)器人所替代,那么將會在提高生產(chǎn)效率的同時(shí),極大程度地降低因煤礦生產(chǎn)事故而死亡的人數(shù).

2019年1月,為了推動工業(yè)機(jī)器人、智能裝備在危險(xiǎn)工序和環(huán)節(jié)替代應(yīng)用,國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》,聚焦關(guān)鍵崗位、危險(xiǎn)崗位,重點(diǎn)研發(fā)應(yīng)用掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、安控和救援5類、38種煤礦機(jī)器人,并對每種機(jī)器人的功能提出了基本要求.

掘進(jìn)類機(jī)器人包括掘進(jìn)工作面機(jī)器人群、掘進(jìn)機(jī)器人、全斷面立井盾構(gòu)機(jī)器人、臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、噴漿機(jī)器人、探水鉆孔機(jī)器人、防突鉆孔機(jī)器人、防沖鉆孔機(jī)器人;采煤類機(jī)器人包括采煤工作面機(jī)器人群、采煤機(jī)機(jī)器人、超前支護(hù)機(jī)器人、充填支護(hù)機(jī)器人和露天礦穿孔爆破機(jī)器人;運(yùn)輸類機(jī)器人包括搬運(yùn)機(jī)器人、破碎機(jī)器人、車場推車機(jī)器人、巷道清理機(jī)器人、煤倉清理機(jī)器人、水倉清理機(jī)器人、選矸機(jī)器人、巷道沖塵機(jī)器人、井下無人駕駛運(yùn)輸車、露天礦電鏟智能遠(yuǎn)程控制自動裝載系統(tǒng)、露天礦卡車無人駕駛系統(tǒng);安控類機(jī)器人包括工作面巡檢機(jī)器人、管道巡檢機(jī)器人、通風(fēng)監(jiān)測機(jī)器人、危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人、自動排水機(jī)器人、密閉砌筑機(jī)器人、管道安裝機(jī)器人、皮帶機(jī)巡檢機(jī)器人、井筒安全智能巡檢機(jī)器人、巷道巡檢機(jī)器人;救援類機(jī)器人包括井下?lián)岆U(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人、礦井救援機(jī)器人、災(zāi)后搜救水陸兩棲機(jī)器人