主要研究内容

基于时间维度梳理了智能化采矿概念，提出了智采工作面定义。

明确了智采工作面的5个智能要素——自主感知、自主决策、自主控制、自主协同、自主交互。根据智能要素的差异性，将智采工作面智能等级划分为初级、中级和高级。

构建了智采工作面智能等级评价指标体系，介绍了定性的蛛网图评价法和定量的层次分析评价法。

建立了智采工作面耦合关联模型，提出采煤工艺、设备和煤流的3个智能闭环。

提出了涵盖功能维、技术维和组织维的智采工作面体系架构。

智采工作面基本定义

本文将智采工作面定义为：一个在不同程度上无需人工干预而自主完成采煤作业的生产系统，其中的“不需要人工干预”意为通过机器感知、深度学习、自主控制而实现，“自主完成”明确智能机器要承担指定任务，“不同程度”表明智能化有等级之分。因此，智采工作面的基础是智能机器，特征是自主感控，功能是独立作业，目的是无人化开采。

智采工作面等级划分

（1） 智采工作面智能特性指标。

      智采工作面的智能特性体现在智能装备的运行行为，实际上是采煤装备自主能力的高低。自主性是一个系统独立于操作者的管理程度和自我管理的能力，自主控制能力越强，智能化水平越高。本文认为智采工作面应具备5个智能要素、25个自主功能，其中的智能要素主要体现为自主感知、自主决策、自主控制、自主协同、自主交互。

（2）智采工作面智能等级划分。

      根据智采工作面定义和智能要素的差异性，将智采工作面智能等级分为初级、中级和高级。智采工作面发展是一个承前启后的过程，它与自动化、信息化、互联化工作面建设相衔接，形成一个渐进发展过程。预计到2025年左右，我国重点煤矿将实现初级智能化采煤作业；到2035年进入中级智能化，智采工作面具有自主感知、自主调控能力，在条件较好的一些煤矿基本实现无人化采煤作业；2045年左右，我国煤矿将建成高级智采工作面，实现工作面无人化开采。

3）智采工作面智能等级评价方法。

      对于不同煤矿条件、装备水平和技术目标，智采工作面的智能等级不尽相同。为了描述这种差异性，有必要建立智采工作面的智能等级评价方法。

      ① 基于蛛网图的定性评价方法。从原点向外辐射出5条轴，每条轴分别代表1个评价要素，划分3个级别，代表这些要素的技术成熟程度。对一个智采工作面，把每个评价要素的相应水平标在每条轴上的对应点，连接起来就构成蛛网的纬线，即可直观地评价智采工作面所处的等级。

② 基于层次分析法的定量评价方法。根据智采工作面的5个智能要素、25个自主功能，构建智采工作面智能等级评价指标体系。采用层次分析法进行智采工作面智能等级进行定量评价。

智采工作面系统架构

（1） 智采工作面关联模型。

      提出智采工作面耦合关联模型。采煤机、液压支架、输送机组分别受到来自煤岩体的煤层构造突变、岩层压力瞬变、采运煤流多变的外部作用，这些作用既是智能采煤的环境难题，也是智能采煤控制的关键变量。针对3个煤岩作用变量，智采工作面必须保证3个自适应调控能力，即采煤与煤层自适应、支护与岩层自适应、运输与割煤自适应。因此，采煤设备与煤岩体之间、采煤-运输-支护设备之间形成了3个智能控制闭环。

① 工艺智能闭环。是智采工作面的第1个智能控制闭环，体现为采煤工艺智能化，实现采煤与支护协同控制、采煤与运输协同控制、支护与推溜协同控制，如果是放顶煤开采工艺，还应实现放煤与运输协同控制。

      ② 设备智能闭环。是智采工作面的第2个智能控制闭环，体现为设备系统智能化，实现采煤机、刮板输送机、液压支架之间的9项自适调控：采煤机与液压支架之间应具有自适跟机、自适支护和自适避让的调控能力；采煤机与刮板输送机之间应具有自适调速、自适调高、自适推进的调控能力；刮板输送机与液压支架之间应具有自适推移、自适调直、自适调姿的调控能力。

      ③ 煤流智能闭环。是智采工作面的第3个智能控制闭环，体现为运输系统智能化，实现刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机之间的3个自适调控：对煤流运输设备自适应软启动及载荷变化时自适应调速；对煤流装载、转载、破碎、外运的4个运输环节无缝对接、智能协作、高效顺畅的智能控制；煤流量与割煤量的协同控制。

（2） 智采工作面体系架构。

      借鉴智能制造系统架构，提出一个由功能维、技术维和组织维构成的智采工作面体系架构。功能维是从虚拟设计到物理现实的孪生；技术维是从自动化、数字化到智能化的演变；组织维是从智能装备、智能机组到智能采面的进阶。

来源：工矿自动化