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機器人與煤礦如何深度融合?

發布時間 2023-04-23  來源:

機器人與煤礦如何深度融合?

中國煤炭報 作者:本報記者 鄢麗娜 2023-04-17 15:04:37

目前,全國已有370余處礦井應用了巡檢、噴漿、鉆錨、滅火、救援等共計31種煤礦機器人。機器人領域的精準控制、定位導航、機器視覺、自主決策等新技術在礦山行業推廣,助力煤機裝備企業實現了智能化和機器人化升級。智能化建設減人增安效果不斷顯現,自2016年以來,全國煤礦井下危險繁重崗位作業人員減少37萬人。

從后面看,只是一輛行駛緩慢的普通方形小車;到前面才發現,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礦業公司廠區看到的場景。這個小車就是小保當礦業公司應用的智慧配送機器人。它可以按照提前規劃的路線,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。

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智能倉儲機器人

全國已有370余處礦井應用31種煤礦機器人

談到煤礦機器人,大多數專家都會提到2019年1月由原國家煤礦安全監察局發布的《煤礦機器人重點研發目錄》?!赌夸洝妨谐隽?類38種重點研發煤礦機器人。

2020年2月,國家發改委、國家能源局、應急管理部等八部門印發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》,提出將機器人等與現代煤炭開發利用深度融合。

今年1月,工信部、應急管理部、國家礦山安監局等17部門聯合印發的《“機器人+”應用行動實施方案》提出,聚焦十大應用重點領域,突破100種以上機器人創新應用技術及解決方案,推廣200個以上具有較高技術水平、創新應用模式和顯著應用成效的機器人典型應用場景。包括煤炭在內的能源是十大應用重點領域之一。

系列政策文件的出臺,推動煤礦機器人研發應用快速發展。

國家礦山安全監察局安全基礎司二級巡視員陸南介紹,目前,全國已有370余處礦井應用了巡檢、噴漿、鉆錨、滅火、救援等共計31種煤礦機器人,智能化建設減人增安效果不斷顯現。

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

山東能源集團總經理助理王立才介紹,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,加快煤礦機器人在運輸、供電、排水、選矸等場景應用,在用各類煤礦機器人72臺(套)。2020年全國煤礦智能化建設現場推進會召開以來,該集團累計減少井下作業人員1.2萬人。目前,山東能源集團6處礦井單班入井人數控制在100人以內,20處礦井單班入井人數控制在200人以內。

國家能源集團神東煤炭公司智能技術中心主任崔亞仲介紹,目前,神東煤炭公司已應用30種195臺(套)機器人,其中79臺(套)輔助作業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。

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用1臺掛軌式巡檢機器人,上灣選煤廠應用四足仿生巡檢機器人,實現區域自動巡檢和智能識別。大柳塔選煤廠應用撿矸機器人,代替撿矸工2人。

陜煤集團神木檸條塔礦業公司副總經理譚震介紹,該公司推進機器人集群應用,構建了面向礦區生產、安全、生活的采煤、掘進、輔助作業等八大機器人群;提出“群間任務調度、群內任務編排、突發任務觸發”的機器人群分級管控策略,初步建成機器人集群管控體系;構建井上井下和空中立體式機器人集群服務格局,應用40余臺(套)機器人。

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瓦斯抽采鉆孔機器人

巡檢機器人發展最成熟,隔爆外殼輕量化、續航等亟需突破

“整體來看,礦山機器人的發展正處于爬坡過坎的關鍵時期,機器人技術的新場景應用有待突破,機器人企業的產品力有待加強,礦山機器人標準體系有待完善,產品的適用性、穩定性、可靠性有待提高?!标懩险f。

即便煤礦機器人已在許多礦井得到應用,但整體而言仍處于初級發展階段。

“巡檢類機器人發展最為成熟,輔助作業類機器人成為發展的重要方向?!敝袊こ淘涸菏?、中國煤炭科工集團首席科學家王國法說,巡檢機器人現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,助力礦井實現多崗位無人值守。

巡檢機器人發展最為成熟,一方面是應用場景相對簡單,技術相對成熟,另一方面也與需求相關。

北京天瑪智控科技股份有限公司主任工程師任偉介紹,他們通過調研發現,巡檢機器人功能需求占比達55%,其中移動視頻監控35%,三維激光掃描3%,聲音檢測5%,慣性導航直線度6%,機頭大塊煤擁堵監測6%。

王國法表示,目前,煤礦機器人研發應用還存在7項共性關鍵技術需要突破,分別是隔爆外殼輕量化技術、煤礦機器人電磁兼容、煤礦機器人動力可靠關鍵技術、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、重載執行機構。

“煤礦機器人最特殊的要求就是防爆?!蓖鯂ㄕf,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合材料作為隔爆外殼、輕型隔爆外殼關鍵部件防爆設計、批量化生產與質量控制等相關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性試驗顯示,研發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航時間今晚3.5小時,與現場普遍要求的8小時續航有不小差距。

據了解,現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。大多數鋰電池安全事故發生在充電環節。機器人鋰電池電源井下充電缺乏依據。

“機器人井下充電應為無人操作,應具備更高安全等級?!蓖鯂ㄕf,防爆結構經常打開,難以保證隔爆的有效性。煤礦機器人動力可靠關鍵技術需要深入研究。

“中國工業機器人自主品牌市場占有率長期徘徊在30%左右。高端領域中,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%?!敝袊鴻C器人產業聯盟執行理事長宋曉剛介紹,近年來,我國機器人產業持續發展,工業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,高端產品供給不足等問題仍存在。

煤礦機器人領域亦如此。中煤科工機器人科技有限公司副總經理王雷介紹,現階段煤礦機器人依然面臨著國產感知單元低能力、傳統算力平臺功耗高、核心控制系統依賴進口等諸多問題,整體國產化率僅為70%左右。

3月下旬,中國煤科所屬機器人公司、沈陽研究院、常州研究院聯合華為、科大訊飛、??低暟l布國內首套全國產化煤礦機器人解決方案——領航者3巡檢機器人。

邁向高端化,實現從“有”到“優”

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巷道修復機器人

煤礦機器人未來發展趨勢如何?機器人如何與煤礦實現深度融合?

宋曉剛表示,要發揮我國政治體制和市場優勢,供需協同發力,以應用促進產業鏈之間、新興技術協同創新,補齊短板,強化弱項,向高端化、智能化發展,提高市場占有率和高端產品供給能力,實現從“有”到“優”,賦能制造業、服務業智能化轉型。

“型號譜系化、功能專用化、裝備智能化、作業自主化、任務協同化將是今后煤礦機器人的發展趨勢?!鄙綎|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展適用于各種復雜地質條件的煤礦機器人,可以先讓機器人干好一種活兒,避免系統過于復雜,影響可靠性。

深圳市智能機器人研究院院長席寧表示,煤礦的非結構性環境是其應用的難點之一,會對機器人的感知、控制、規劃等產生影響。

在感知方面,慣性導航技術是克服井下粉塵多、照度低等困難的有效手段。慣性導航技術應用一段時間后會漂移,可結合激光等現有感知技術進行矯正。在控制方面,可將基于時間的控制,變為基于事件的控制。

席寧解釋道,基于時間的控制就是提前規劃好機器人什么時間做什么事情,但現實中可能遇到障礙,機器人不能開展下一步工作,導致誤差越來越大,必須關閉機器人?;谑录目刂?,則是以傳感器數據為依據,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,機器人還可以繼續執行任務。

在規劃方面,席寧表示,應加強人與機器人的協調控制?!皺C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同工作?!毕瘜幷f。

中國科學院深圳先進技術研究院機器人與智能裝備中心主任王衛軍也表示,人機協同技術在煤機研發中大有可為。

“將外骨骼技術應用到礦山,機器人可以由穿著外骨骼的人遠程操作?!蓖跣l軍說,動力外骨骼將在很大程度上減少職業傷害,同時顯著提升生產力,在應急救援、設備搶修、人員康復等方面具有廣闊的應用前景。

據了解,神東煤炭公司高端設備研發中心就與聯合團隊一起開發了3款機械外骨骼產品,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、搬運和地面單位制造、生產、維修等場景。

“智能化體現在兩方面,一個是‘大腦’智能,比如算法、人工智能;另一個是機械智能,就是機器人的結構智能?!庇始夜こ淘涸菏?、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展的瓶頸。例如,巡檢機器人雖然可適應各種不同環境,采用不同算法,但結構大同小異。

“我國重大工程領域亟需高適應、可重構機器人?!贝鹘ㄉf,結構可變的礦山變胞機器人可以收集氣體、溫度、濕度等數據,可收集礦石樣本,在巷道巡檢與維修、緊急救援等場景發揮作用。

各煤炭相關單位也積極行動起來,推動煤礦機器人研發應用邁上新臺階。

在政策支撐層面,據了解,今年,國家礦山安全監察局將在原5類38種《煤礦機器人重點研發目錄》的基礎上,出臺礦山機器人重點研發目錄,組織編制礦山安控類機器人數據共享規范,引導制造企業實現機器人數據互聯互通。

科研單位加強煤礦機器人研發。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、采空區飛行巡檢機器人等特殊場景巡檢機器人研發;開展煤倉清理機器人、洗煤廠高低壓帶電作業機器人、水倉水溝施工機器人等5種輔助機器人研發,解決井下危重場合替人難題,提高作業效率;規劃仿生蛇形救援機器人等3種救援機器人研發,應用于煤礦水災等人員無法進入的場景,完成災情精準探測。

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

檸條塔礦業公司則提出了機器人集群三期建設規劃。他們將豐富機器人集群數量和種類,做好“大型煤礦井下巷道輔助作業機器人關鍵技術與應用示范”項目機器人集成示范工作,探索實用化無人駕駛技術,基于一體化管控平臺打造“智能化生產決策控股+井下機器人(智能裝備)操作”模式,支撐煤礦柔性生產體系。


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