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智慧礦山系統(tǒng)工程及關(guān)鍵技術(shù)研究與實踐

2024-10-17

1.智慧礦山系統(tǒng)工程概述

總體技術(shù)架構(gòu)：將智慧礦山細分為信息感知支撐層、邊緣計算層、云數(shù)據(jù)中心、多型網(wǎng)絡(luò)、礦山智能生產(chǎn)管控平臺、礦山智能生產(chǎn)系統(tǒng)、智慧礦山運維管理系統(tǒng)。

 

 

 

存在問題：技術(shù)裝備智能化水平不高、系統(tǒng)融合能力不足、對復雜條件適應(yīng)性較差、主要系統(tǒng)智能化技術(shù)裝備存在瓶頸、數(shù)據(jù)治理能力不足、5G 應(yīng)用場景有待挖掘、系統(tǒng)裝備可靠性與適應(yīng)性較差。

 

2. 智慧礦山系統(tǒng)模型與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

 

智慧礦山系統(tǒng)工程模型：

 

信息實體：提取并描述物理實體，具有實體屬性和關(guān)聯(lián)屬性。實體屬性對信息實體進行基本描述，包括屬性信息、結(jié)構(gòu)信息、功能信息等；關(guān)聯(lián)屬性描述信息實體之間的關(guān)系屬性，包括分組/分類等關(guān)聯(lián)屬性、層次關(guān)系屬性、重要度關(guān)系、影響關(guān)系屬性及行為屬性等。

 

 

知識圖譜：通過 Apriori 算法挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則，構(gòu)建基于開采行為的智慧礦山領(lǐng)域本體，建立智慧礦山各層次內(nèi)部與外延對象間的邏輯關(guān)系模型。

數(shù)據(jù)共享：基于智慧礦山業(yè)務(wù)需求，對任務(wù)進行分解，得到控制決策的本體知識，將匹配數(shù)據(jù)推送給控制對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享交互和生產(chǎn)信息化管理。

 

 

智慧礦山系統(tǒng)工程模型：包括通信網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智慧礦山機器人，為礦山企業(yè)生產(chǎn)運營提供基礎(chǔ)支撐。

 

 

3. 地下空間重構(gòu)與模型動態(tài)更新

 

地下空間重構(gòu)流程：包括稀疏重建、稠密重建、空間表示和紋理貼圖四個模塊，以機器視覺傳感數(shù)據(jù)為主，其他傳感數(shù)據(jù)為輔，構(gòu)建礦山井下場景的三維視覺空間模型。

 

 

礦山井下場景三維視覺與空間重建框架：以可見光 / 紅外光視覺數(shù)據(jù)為主，輔以激光、UWB、IMU 等數(shù)據(jù)，通過設(shè)計多傳感器時空標定理論、噪聲抑制策略，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合增強，獲取高質(zhì)量視覺圖像，進行典型目標的精準識別和礦山場景空間模型的高效重建。

 

4.地下復雜環(huán)境機器視覺測量技術(shù)

 

液壓支架單設(shè)備位姿檢測：通過安裝在液壓支架頂梁上的 RGB - D 相機，對液壓支架的支護高度、頂梁相對于底座的姿態(tài)角進行測量。

 

 

綜采裝備（群）姿態(tài)同時空測量：采用基于 Transformer 架構(gòu)的分割模型進行結(jié)構(gòu)化細粒度辨識，基于裝備標志物的已知結(jié)構(gòu)尺寸進行位姿提取。

 

 

煤巖分界面識別：基于視圖的煤巖分界面提取流程包括圖像噪聲預處理、圖像分割、形態(tài)學處理、輪廓提取、分界線提取等。

 

 

5.井下瓦斯環(huán)境下射頻引爆風險分析

 

現(xiàn)行標準試驗方法分析：6W安全限值不適用 5G 頻段，相關(guān)試驗方法也不適用于 5G 技術(shù)，且相關(guān)評價指標存在極大的安全系數(shù)。

射頻電磁能防爆試驗方法設(shè)計：基于半波偶極子天線設(shè)計了射頻電磁能防爆專用試驗裝置，試驗結(jié)果表明，至少可以將 700MHz 頻段基站功率限值由閾功率 6W 提升到端口功率 20W 以上。

 

6.全時空信息感知與閉環(huán)管控系統(tǒng)

 

礦井全時空信息感知技術(shù)架構(gòu)：感知控制層負責信息感知和防控指令執(zhí)行，網(wǎng)絡(luò)傳輸層實現(xiàn)信息傳輸，智能支撐層進行數(shù)據(jù)融合和管理，應(yīng)用業(yè)務(wù)層具備防治方案設(shè)計等功能。

 

 

礦井全時空信息感知與融合預警技術(shù)：包括瓦斯災(zāi)害多源信息融合預警技術(shù)、火災(zāi)綜合預警技術(shù)、礦井水害預警系統(tǒng)、頂板與沖擊地壓災(zāi)害預警技術(shù)、井下粉塵智能防治技術(shù)、煤礦安全態(tài)勢融合預警技術(shù)。

 

7. 煤礦智能化技術(shù)標準體系

 

構(gòu)建原則：給出總體布局和發(fā)展規(guī)劃，理順標準關(guān)系，統(tǒng)一規(guī)范關(guān)鍵技術(shù)，便于了解標準情況。

體系框架：包括基礎(chǔ)通用、信息基礎(chǔ)、賦能平臺與軟件、生產(chǎn)系統(tǒng)與技術(shù)裝備、智慧園區(qū)與運維管理五個標準子體系。

 

 

重點標準化方向及領(lǐng)域：基礎(chǔ)通用標準子體系包括基礎(chǔ)共性標準、設(shè)計標準、安全通用標準、智能化共性技術(shù)和評價與評估標準等；信息基礎(chǔ)設(shè)施標準子體系包括礦井信息網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)標準、邊云協(xié)同、煤礦信息安全等；賦能平臺與軟件標準子體系包括地理信息平臺、大數(shù)據(jù)平臺、綜合管控平臺與煤炭工業(yè)軟件、人工智能系統(tǒng)、數(shù)字孿生系統(tǒng)等；生產(chǎn)系統(tǒng)與技術(shù)裝備標準子體系針對地下、露天生產(chǎn)和煤礦洗選三大生產(chǎn)場景中的智能化生產(chǎn)裝備和系統(tǒng)；智慧園區(qū)與運維管理標準子體系包括智能化園區(qū)、設(shè)備狀態(tài)保持、運行維護管理、生產(chǎn)經(jīng)營管理等。

 

8. 智能化煤礦巨系統(tǒng)建設(shè)實踐

 

張家峁煤礦智能化系統(tǒng)建設(shè)實踐：

高速傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)：覆蓋礦井工業(yè)場地、行政辦公、安全生產(chǎn)，5G 基站覆蓋半徑至少達到 150m。

煤礦安全生產(chǎn)管控一體化平臺：基于煤礦安全生產(chǎn)智能化管控平臺、煤礦大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)管理平臺以及煤礦智能化綜合監(jiān)控平臺構(gòu)建。

智能化生產(chǎn)及輔助系統(tǒng)：建成多個智能化綜采工作面，研發(fā)了智能化快速掘進系統(tǒng)，建設(shè)了智能通風系統(tǒng)等。

智慧園區(qū)建設(shè)：構(gòu)建了智慧園區(qū)綜合管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了園區(qū)內(nèi)信息的統(tǒng)一采集、存儲、計算、管理和應(yīng)用。

 

檸條塔煤礦機器人集群建設(shè)實踐：

煤礦復雜應(yīng)用場景下目標定位識別方法：研發(fā)了基于多視覺傳感器的多元信息拼接算法和多維特征空間全局特征描述方法。

煤礦機器人標準化接入技術(shù)：采用基于 OPC UA 的統(tǒng)一機器人通信協(xié)議與中間件進行開發(fā)，保證數(shù)據(jù)接入標準化及數(shù)據(jù)模型對象化。

機器人作業(yè)調(diào)度策略：提出同類機器人覆蓋作業(yè)調(diào)度策略，保障區(qū)域內(nèi)機器人響應(yīng)時間最短。

機器人集群管控與協(xié)同調(diào)度平臺：分為機器人群層、通信接入層、應(yīng)用服務(wù)層、數(shù)據(jù)發(fā)布層與數(shù)據(jù)交互層。

 

 

9.  金屬礦（井工）智能化建設(shè)實踐

 

金屬礦智能化開采技術(shù)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)：以智能開采共性關(guān)鍵技術(shù)為支撐，以智能化采礦裝備與工作系統(tǒng)為載體，總體架構(gòu)包括規(guī)劃與調(diào)度層、控制層、安全保障層、執(zhí)行層和驗證與示范層，關(guān)鍵技術(shù)包括泛在信息采集技術(shù)、井下無線通信技術(shù)、井下高精度定位與智能導航技術(shù)、地下裝備智能控制技術(shù)、地下金屬礦多裝備協(xié)同控制技術(shù)、井下無人采礦作業(yè)多區(qū)域安全控制技術(shù)、無人采礦生產(chǎn)運營一體化集控平臺。

 

 

金屬礦（井工）典型智能開采裝備：包括地下智能鏟運機、地下智能礦用汽車、地下智能裝藥車、智能中深孔全液壓鑿巖臺車等。

 

10.   結(jié)語與展望

 

發(fā)展趨勢與展望：深入開展基礎(chǔ)理論研究，推進 5G 應(yīng)用場景探索與實踐，推進礦山企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，加快突破智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)與裝備，聚焦礦山裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，開展煤礦機器人相關(guān)基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)研究，推進相關(guān)院校礦業(yè)工程類專業(yè)優(yōu)化調(diào)整，推進智慧礦山建設(shè)向智能整體化、系統(tǒng)化邁進。