苏红俊

（国能准能集团有限责任公司 哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

国家能源集团公司哈尔乌素露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗，矿区面积67 km2。当前，哈尔乌素露天煤矿开采中智能化系统应用已经初具规模，大大提升了实际生产水平，但应用仍存在如下的问题[1]：①由于工作环境复杂恶劣，需要格外增派人员配合电铲司机作业，遥控人员容易误操作，引发安全事故；②遥控人员与电铲司机协同作业时，需要随时沟通进而操作，不仅增加工作人员的负担，而且降低工作效率；③智能追踪技术在矿山机电领域应用极少，矿山资源作为人类生产和生活必不可少的推动力，智能追踪技术将为其带来新的科技革命和产业变革。因此，在充分立足现实条件基础上，进行综合分析，最终提出最优化建议。

1 哈尔乌素露天煤矿智能化发展

1.1 智能化技术改进了传统作业困境

哈尔乌素露天煤矿在积极推动智慧化技术与生产管理有效结合的过程中，尤其是人工动手操作装车技术的应用，突破了传统的管理方式，提升了现代管理的效率[2]。

哈尔乌素选煤厂2 套快速定量装车站此前一直采用人工手动作装车，对人的依赖性强，劳动强度大，装车效率不高。为提升装车作业效率，减轻职工负担，针对存在的问题，科学技术研究院联合天津美腾科技股份有限公司经过2 年的持续攻关，成功研制了全自动智能装车系统。该系统采用图像、激光、红外等多项检测技术，通过开发智能控制程序，实现了装车和配煤过程的全自动运行。2020 年1 月至今，2套智能装车系统已连续安全运行近1 年，累计自动装车4 200 余列，大幅减轻了劳动强度，装车效率得到提升，指标满足要求。智能装车系统取代了繁重的体力劳动，降低管理成本，大幅提高装车合格率，提升岗位效率和管理水平，取得了显著的成效。

1.2 智慧化安全管理体系全面建设

哈尔乌素露天煤矿生产中强化安全管理，塑造良好的安全管理氛围，是煤矿实现长远发展的重要条件。哈尔乌素露天煤矿在生产中积极与智慧化技术相结合，构建了系统的智慧化安全管理体系[3-4]。

智能防撞预警系统有效满足了当前安全生产的要求。这一系统主要原理为GPS 模块将采集得到实时的单个运输车辆位置坐标，采用高精度GPS 定位技术得到车辆的精确坐标位置；之后运用射频通信技术，将车辆之间的坐标互换，同时将车辆的坐标和信息通过液晶屏幕显示；最后通过语音模块导出，根据事先预定的报警，给出相应的预警信号[5-7]。

在创新应用中，哈尔乌素露天煤矿智能防撞预警系统取得了巨大的成功，获得了诸多专利：一种露天矿车辆防撞预警系统的监测系统专利、一种露天矿车辆预警预控系统专利、一种露天矿车载监控及超速和防撞预警装置专利等，这些专利的申请彰显了智能化安全体系构建发挥了重要促进作用。

1.3 智能化提升了企业发展市场竞争力

露天煤矿智能调度系统的应用能充分满足生产高效的要求，在快速而精准的操作下实现高效运转，提升作业效率。哈尔乌素露天煤矿智能组织调度指挥系统，是集无人运输和有人运输为一体的全方位、多层次的统一调度指挥系统。该系统依托我国自主研发的智慧矿山技术，开创性地将无人驾驶矿卡、露天矿智能作业与监控系统作为全矿生产作业设备智能化生产的核心抓手，实现无人运输、有人运输、有人与无人混编作业的全方位调度管理，为全矿无人化建设奠定了坚实基础。在对露天矿采运排作业进行实时远程智能化生产指挥和生产管理的过程中，露天煤矿智能生产调度指挥系统将实现所有生产数据实时在网、在线，为智慧矿山的生产管理提供完备的信息化基础[8-9]。

哈尔乌素露天煤矿智能生产调度指挥系统融合设备智能调度、无人矿卡运输、地图管理更新、设备实时监测、数据统计分析等关键技术，在实现矿山全部有人设备和无人设备安全运行、协同高效工作、采运排智能化生产的基础上，将智能化工作与资产效益提升充分结合，从根本上提升企业市场竞争力。

2 哈尔乌素露天煤矿智能系统构建存在问题

2.1 跟踪系统需要及时改进

在哈尔乌素露天煤矿智能系统构建中，切实需要建设高水平的、定位精确高的职能跟踪系统，尤其体现在露天煤矿综采设备激光跟踪应用上。这一系统的应用主要是为了积极改变以往煤矿综采设备无法精确定位，导致安全事故发生，设备生产效率低下等问题。露天煤矿智能跟踪系统对于装车设备、防撞预警系统等应用起着重要的支持作用。而在当前应用中，关于智能化系统科学化构建存在一定偏差，在一定程度上导致跟踪系统建设未能受到足够重视，未能根据地质特征实现及时调整。现代化煤矿发展中，根据智能化技术的发展，建设无人开采体系是非常重要的。而在煤矿安全生产相关规定中，采剥工作面推进过程中必须使工作面做到工作帮整齐，挖掘后的地表平整，也就是所谓的“帮齐地平”。为了保证工作面的帮齐地平，及时针对工作面进行调整、调水平、调高低等一系列的操作，这对于工艺的要求也是非常高的。而面对哈尔乌素露天煤矿在综采面跟踪设备的应用改进中，需要明确的是工作面的环境本身带有较大的复杂性，跟踪系统建设技术存在一定的局限性，在运用可视化技术实现远程干预尚未能就统一的地理坐标实现精确的描述。而综采设备则未能结合煤层地质特征上自行适应调整相关的设备参数，这样人工需要进行不断地频繁干预，在一定程度上严重影响了露天采掘设备的智能感知能力和智能决策水平。面对这一问题，哈尔乌素煤矿的相关专业技术人员认识到，必须形成精确定位的跟踪技术是综采工作智能化系统构建的核心问题之一。而跟踪系统的建设是多样化的，一方面，前期需要对工作面进行地质勘探；另一方面，因工作面环境复杂，需要克服煤尘、水汽、电磁干扰和设备机体振动以及散热条件差等不利因素的影响，具有较强的适用性，同时定位误差不会积累，能长时间高精度稳定工作。

哈尔乌素露天煤矿跟踪系统应用中，未能针对传统定位方法基础上的多种定位方法进行综合的应用，以此在定位过程中未能实现优势互补，导致跟踪定位存在较大的误差。传统的定位方法是将采掘设备的某一特定坐标为定位进行精准的检测，定位基准伴随着工作面的推进而不断的变化，该方法能够对采煤设备的位置实现监测，但存在较大的误差。超声带定位方法相比传统的定位方法能够通过纳秒微差级的非正弦曲线波窄脉冲进行传输数据能够实现高精度的定位，且抗干扰能力较强，传播速度快，投入成本也是较小的，但在露天煤矿采掘工作面中，由于设备所在平盘的车辆密度较高，车辆的金属表面会对脉冲信号进行反射，从而导致刷新率调低，也影响了其定位的精度和效率。惯性导航定位法作为一件智能自主的导航系统，需要陀螺仪和加速度计的积分运算和航迹推算，从而实现为采掘设备提供位置、速度和方位，根据多种参数的计算，精确确定采煤设备的位置坐标和相应的姿态，惯性导航对外部的信息依赖度较低，能够实现长时间的独立作业，但初始化的时间较长。组合定位法能够在一定程度上弥补惯性导航定位的不足，也就是将惯性导航与其他定位方式进行充分的结合，在积累误差的基础上进行充分的矫正，对惯性导航传感器的精度要求更高，而且多种组合定位方法的应用会在一定程度上增加投入成本。设备视觉定位法是通过采用多个不同位置的摄像机对图形图像进行采集，再通过图像识别算法为目标实现精确定位，但由于其工作面照度的粉尘大会在一定程度上影响图像的质量，对于采掘设备未能实现精确的定位。激光扫描法作为一种非常规接触式的测量方法，能够通过激光测距，在检验测算的基础上精确得到目标未知信息，其抗干扰能力也是较强的，但其对工作环境的要求较高，一旦粉尘、水雾较高的话无法实现精确的地位，难以满足智能化工作面的需要。

在针对多种方法研究之后，发现哈尔乌素露天煤矿在跟踪系统运用中需要多种方法相互补充、相互应用。而当前相关技术人员以及管理人员在多种方法组合应用上存在较大的质疑性，认为其不但增加投入的成本，反而未能达到预期的效果，这一工作在后期需要及时的改进和研究。

2.2 系统集成水平需要提升

智能化系统的构建需要1 套完整的集成系统，而系统集成的高水平建设则需要在高效运转的电缆应用上实现。通过实际调查发现，哈尔乌素煤矿电缆建设未能及时改进，硬件设备应用不合理，未能给系统高效集成提供支持。故后期在哈尔乌素露天煤矿电缆系统构建中，需要积极借鉴外部成功经验，构建现代化的电缆管理体系。相关人员切实能明确到矿用电缆信息识别及管理系统是一项能够在煤矿特殊工作环境下保障人员安全、提高露天设备作业效率、降低运营生产成本、降低人工单耗的项目，能够为工作人员提供每根运维电缆的连接信息，当前随动信息在系统中能够准确变更；能够协助操作人员从多根同时存在的电缆中，准确找到在控制柜处人工断电的电缆线路；能够简化工作人员每日繁琐的台账管理工作。

在针对相关专业人员调查中发现，其中部分人员谈到“目前尚未见针对露天煤矿特殊环境、电缆工作线路信息每日大量随动变更的实际情况而专门研发的电缆信息识别及管理系统”从这一访谈中能充分明确面对电缆信息管理系统的建设相关人员在思想上是较为滞后的，未能创新型地引导实际工作落实。但是项目研发露天矿专用电缆信息识别及管理系统，不仅能够实现电缆台账管理自动化功能，兼具辅助解决露天矿供电安全隐患的特色功能，为保障国有资产、提高生产效率、保护员工生命安全做出贡献。

通过以上2 个方面切实能认识到系统集成需要1 个高效运转的电缆系统作为基础，只有这样才能获得强有力的硬件支持，才能为其他系统的高效应用奠定基础，后期智能化系统建设切实需要改进这一方面。

2.3 智能化安全管理有待优化改进

哈尔乌素露天煤矿智能化发展中，重点方面需要优化改进安全管理体系，这也是智能化系统建设的关键，对于整体上促使煤矿实现智能化发展起着非常重要作用。通过实际调查发现，当前哈尔乌素露天煤矿智能化安全管理体系建设中存在一定滞后性，未能与经济生产实现有效对接，安全管理和经济生产存在不平衡的现象，这与上述安全经济生产理论是不符合的。就露天煤矿而言，安全生产是非常重要的，在哈尔乌素露天煤矿发展中，一方面，在一定程度上认识了智能化安全管控体系构建的重要性，但是为积极投入相关人力、财力和物力加强实际建设，导致实际工作落实存在较大的差距；另一方面，智能化安全管理体系建设是一项较为复杂的工作，需要循序渐进实现，尤其在应用物联网技术构建安全管理体系中更加应该注重有序推及和目标规划。但由于当前繁重的生产压力，在一定程度上未能给予智能化安全管控体系足够支持，这些工作是后期急需改进的重要方面。

2.4 智能化人员队伍构建存在问题

智能化系统的构建确实需要建设1 支相匹配的人员队伍，不但能够从智力、思想方面提供强有力的支持，而且在实践操作方面内能够有效引导。针对哈尔乌素露天煤矿智化人员队伍构建，发现人员队伍构建存在不合理的现象。①学历层面上：智能化技术构建直接需要研发型的人员队伍，而当前研究生及以上学历的人员仅仅占据35%，大学本科人员占据65%，其他人员占据10%，在专门的研发人员队伍中具有科研能力的人员非常少，人员一般从事的多为工作实践落实层面，这就在一定程度上导致了专业研发能力低下，无法实现高水平的研发；②科学的研发规划未能及时形成：通过上述调查能够发现，智能化系统构建是一项系统的设计层面较多的工作，因此需要形成科学的研发规划，而当前在实际研发工作过程中，由于顶层人员未能加强重视，面对哈尔乌素露天煤矿的当下及未来发展形成智能化建设的目标，因此在综合落实过程中存在一定的盲目性；③健全的管理机制与规范未能及时形成：针对智能化系统的构建需要针对人员形成有效的激励机制，只有人员在激励机制的有效支持下才能够高效地落实到相关系统的研发与准备过程当中。而当前通过实际调查发现，哈尔乌素露天煤矿的管理机制与规范均存在不健全的现象，未能激励人员高效参与到相关工作当中，在一定程度上也妨碍了智能化研发工作的落实。

2.5 智能化监管体系有待加强

哈尔乌素煤矿智能化发展中需要建设相配套的监管体系，深入到煤矿智能化发展的全方面实现高效分析，分析其中存在问题，及时反馈给专业技术人员，提升智能化系统构建和应用效率。当前监管体系的建设需要独立于煤矿自身管控体系之外，只有这样才能公平、公正处理，切实为煤矿智能化发展提供建议。但纵观当前煤矿智能化监管体系建设中，忽视了监管体系建设的重要性，导致监管体系整体建设水平低下。尤其现有的监管人员队伍缺乏对智能化技术运作的专业知识和经验，在面对大数据运行相关监管工作落实中未能及时辨别分析，产生安全风险、经济运行风险等问题。

3 哈尔乌素露天煤矿智能系统构建优化

3.1 目标定位提升跟踪系统建设水平

就哈尔乌素露天煤矿的长远发展而言，在煤矿智能化系统构建中，无论是装车系统还是智能防撞预警系统，都需要精确定位的跟踪系统作为基础。因此，哈尔乌素煤矿的相关工作人员在智能化系统构建和改进中必须精确的定位实现多种技术的综合应用，能够切实形成适用于哈尔乌素露天煤矿工作面的高精度的定位跟踪系统。在定位跟踪系统应用中，可以强化对于激光跟踪定位法的应用，通过多台定位跟踪，激光跟踪机器组成1 整套完善的跟踪系统。①多种组合奠定激光定位跟踪系统，多台激光跟踪定位机器的应用能够根据采煤设备的移动实现实时跟踪，当采掘设备行走至某平盘台阶时，激光跟踪器对该设备进行精准跟踪定位，系统后台计算出设备的坐标位置，直到采掘设备离开此平盘，由下平盘的工作面激光跟踪器继续跟踪定位，从而实现在工作面全过程、全方位的对设备进行精确跟踪定位，根据采掘设备位置拟定出该设备的运行轨迹，进而得到移动破碎站推移曲线，实现采掘设备精确定位功能；②工作面激光跟踪器在应用中需要结合运动目标定位跟踪原理实现动态化的跟踪，通过工作面激光跟踪器的应用，在借助典型的电、机、光一体化测量仪器，研究运动目标跟踪定位的基本原理。目标运动特点在长、宽、高形成的三维立体空间，使该系统稳定对运动目标实施实时跟踪。

3.2 提升系统集成水平实现智能化控制

哈尔乌素露天煤矿系统集成水平提升是一项综合性强的，但是又具有一定复杂性的工作。实际推进系统集成水平提升中，需要有计划、有目标的推进落实。首先，不同层面系统的独立运转和高效应用。在针对不同智能化系统高效运转基础上，提升同一类别系统的集成水平，为整体系统集成水平提升奠定基础。如针对挖掘机斗齿断裂丢失，容易造成破碎站卡堵的现状，哈尔乌素露天煤矿设计了1 套斗齿监控系统并成果应用。此监控系统将基于AI 智能影像识别技术应用到露天采矿领域，实现实时缺失检测，并提供声音和图像报警信息。这一监控报警系统的应用能随时根据作业变化实现数据信息反馈，实现集中作业和处理。这一技术适用于在露天采矿挖掘机等设备上，且操作过程中能通过安装1 套斗齿监控系统，通过成像器将扫描到斗齿的热信号转化为立体图像并传输到驾驶室内的监视器上，实现实时缺失检测，并提供声音和图像报警信息。可以及时发现斗齿断裂并回收，避免断裂斗齿进入破碎站，提升生产效率，预防衍生事故的发生。同时，需要注重的是监控报警系统可以在满是尘土的空气中，在剧烈震动或晃动的大型机械设备上使用，成像器可以将扫描到斗齿的热信号转化为立体图像并传输到驾驶室内的监视器上。通过AI 智能判断，过滤无效的干扰信息。哈尔乌素露天煤矿首次基于AI 智能影像识别技术应用到露天采矿领域，在单斗挖掘机铲斗上安装1 套斗齿监控系统，实现实时缺失检测，并提供声音和图像报警信息。在提高采掘生产能效同时，还可以有效地预防衍生事故、次生事故的发生。这一系统每套共计34 万元，整机质保期是2 年，所以2 年内不发生运行成本。质保期过后，预计每年维护费用约2 万元。在后期应用中，可以及时发现斗齿断裂并回收，避免断裂斗齿进入破碎站，安装后斗齿缺失检测预警准确率为100%，在提高设备生产能效的同时，还可以积极防止事故的发生，建议在露天矿进行推广使用。

通过以上监控预警系统的应用，能切实明确系统集成水平的不断提升能在一定程度上提升作业效率，而且对于控制成本投入也起着分非常重要的作用。因此，这就需要智能化团队认识到系统集成的高效性，切实给予足够的重视，在分布系统集成实现基础上，为整体系统的高效集成奠定基础。

无论是智能装车系统还是智能防撞预警系统的应用，都需要在跟踪系统定位精确的基础上，实现集中且具有灵活性的调整。这一方面而言，需要系统集成在统一调配中，根据工作进度实现不同程度调整。同时结合工作面的作业状况及时收集相关数据和参数，根据反馈建议，不断提升系统集成的综合性、科学性。

3.3 优化构建智能化安全管理体系

露天煤矿实现高效发展中，积极借助智能化技术建设现代化安全管理体系具有非常重要的现实意义。实际构建落实中，一方面，在原有的安全管理体系基础上有序地引入现代化管理技术，通过现代化技术的使用从煤矿自身发展出发，构建智能化安全管控体系，智能化安全管控体系建设形成之后需要定期进行测验评估，面对安全管理体系中存在的不当问题实现积极应对处理，以此切实为煤矿实现智能化发展营造良好的安全管控环境；另一方面，建设相对应的智能化安全技术人员队伍，智能化安全管理体系需要技术人员在大数据运行基础上，通过综合分析探究煤矿安全生产过程，及时辨别风险，通知相关人员加以有效管控。因此，哈尔乌素露天煤矿安全生产人员队伍构建需要熟悉智能化技术操作知识，具有大数据高效运算分析能力，煤矿管理层面需要加强人员培训教育，通过引进专业技术人员或对当前人员岗位培训教育等多方面落实，提升人员队伍建设的高水平。

3.4 强化人员队伍构建发挥智力支持

1）煤矿智能化发展的顶层设计。企业与相关部门要把握好煤矿未来发展方向，做好智能化建设的发展蓝图，根据煤矿类别量身定制智能化建设规划，建立健全煤矿智能化建设验收标准与相应的奖惩措施。突破重点难点、多角度各层次稳步推进、巩固提升，由点到面逐步推进煤矿智能化建设，激发煤炭企业的内生动力和创新活力；相关部门应该加强政策和规划引导，加大支持力度，营造煤矿智能化发展的良好环境，鼓励煤矿企业积极投身到智能化建设当中去；同时相关部门要把握好煤矿智能化建设方向，统一的指挥管理，保证总体规划和建设方案要与上级智能化规划、信息化规划一致，在相关部门把好舵、企业煤矿使好力的前提下，共同推动煤矿智能化建设的目标。

2）技术与装备保障。随着我国制造业水平的不断提高，煤机装备的智能化水平不足也制约着煤矿智能化建设的发展，新基建、新技术、新材料、新装备、新产品、新业态上不断取得突破。要针对煤矿智。能化核心技术与装备加强攻关，从特殊材料、智能制造技术、设备的适应性与可靠性等关键技术的理论基础与应用开发方面开展产－学－研协同创新，不断研发新装备并应用实践。然后，不断优化完善管理机制，结合煤矿自身条件探寻智能化煤矿建设模式，在宏观规划下发展个性化的智能化建设技术路径与激励政策，开展智能化示范煤矿建设；加强运维人才培养，支撑新技术、新装备应用，以期为智能化煤矿的管理、运行提供保障；组织建设全国煤矿大数据中心及应用云平台，形成智能化煤矿高质量运行的新模式。

3）资金投入保障。设立煤矿智能化专项资金，大力支持煤矿智能化研发，将煤矿智能化装备纳入国家智能制造发展规划，对高端综采综掘智能化装备、重大灾害应急救援智能装备等重大装备研发和应用给予一定的财税政策支持。企业对于煤矿智能化建设的实际需求给予配。套资金支持；同时，生产计划、相关指标及重点工作任务方面，应充分考虑煤矿智能化建设水平、试验运行状况、管理变革、人才建设等方面因素，做出合理规划。对相关单位列入智能化煤矿建设及技术研发方面投入的资金，应给予视同研发投入的政策支持。

培养智能化建设人才队伍，建立智能化建设人才梯队。要配套推进运行维护体系建设，形成信息技术人员和业务骨干相结合的联合运行维护团队，在煤矿智能化建设期间，设置专职业务部门，负责本煤矿的智能化建设和管理。在队伍构建中，要始终秉持培养人才为核心，高层次人才队伍是推动煤矿智能化建设和行业高质量发展的最重要力量。

可以通过2 个方面充实、拓展人才队伍。一是加大自有人才培养力度，设立智能化开采技术培训平台；二是加大人才激励以及引进力度，在职级评定、工资待遇等方面向智能化开采技术研发及服务人员倾斜，吸引相关领域的高学历、高技能人才投身到煤矿智能化建设事业中去。

3.5 优化监管体系建设

哈尔乌素露天煤矿智能化体系构建是1 个循序渐进，不断改进落实的过程。因此，在实际落实过程中，需要不断优化监管体系，以此切实发现智能化体系构建存在问题，提升智能化系统构建水平。哈尔乌素露天煤矿智能化监管体系建设中，一方面，引进第3 方监管人员队伍，在拥有独立权限基础上，公平、公正针对露天煤矿智能化体系构建现状分析，探究其中存在问题，直接反馈相关领导人员，及时改进，将损害控制在最小范围内；另一方面，督促建设高水平监管人员队伍，智能化体系构建需要建设1 支高水平监管人员队伍，不但熟悉煤矿生产运作，而且能加强大数据分析，具有较高的“管理敏感度”，为煤矿高效生产提供支持。

4 结语

哈尔乌素露天煤矿在实现创新发展中，积极构建智能化系统具有非常必要的现实意义。智能化系统构建对于满足安全生产、高效生产起着非常重要作用。面对哈尔乌素露天煤矿当前智能化系统构建现状分析，切实认识到其在定位跟踪系统方面存在不足、目标系统集成不合理以及智能化队伍构建不科学等方面。针对这些问题，需要精确定位，提升系统集成水平、强化人员队伍构建，发挥智力支持，以此将智能化技术真正贡献于哈尔乌素露天煤矿实现长效发展中。