智能矿山成首批人工智能示范应用场景 如何实现?

近日,智能矿山入选科技部《关于支持建设新一代人工智能示范应用场景的通知》中十大示范应用场景,引发能源行业关注。
 
据通知内容,科技部将充分发挥人工智能赋能经济社会发展的作用,围绕构建全链条、全过程的人工智能行业应用生态,支持一批基础较好的人工智能应用场景,加强研发上下游配合与新技术集成,打造形成一批可复制、可推广的标杆型示范应用场景。
 
首批支持建设十个示范应用场景包括:智慧农场、智能港口、智能矿山、智能工厂、智慧家居、智能教育、自动驾驶、智能诊疗、智慧法院、智能供应链。
 
为何智能矿山得以入选?通知称,针对我国矿山高质量安全发展需求,聚焦井工矿和露天矿,运用人工智能、5G通信、基础软件等新一代自主可控信息技术,建成井工矿“数字网联、无人操作、智能巡视、远程干预”的常态化运行示范采掘工作面,开展露天矿矿车无人驾驶、铲运装协同自主作业示范应用,通过智能化技术减人换人,全面提升我国矿山行业本质安全水平。
 
事实上,去年以来国内煤电阶段性供应紧张问题突出,煤炭等相关能源价格创下多年新高,煤炭供给不足问题以及如何实现煤炭保供,已引起国家高层及社会的广泛关注。在此背景下,智慧矿山的技术发展,无疑能为我国实现能源保供持续增加先进产能的比重,有效发挥煤炭的兜底保障作用,助力全国煤炭生产供应保障能力的增强。
 
中国矿业大学(北京)校长葛世荣表示,矿山无人化作业是一项系统工程,也是矿山智能化的发展目标。然而,我国煤炭绿色开采的重要难题是如何实现煤炭开采的低损化和低碳化。这就需要借助5G、工业互联网、人工智能、大数据、数字孪生等新一代ICT技术,更好地实现数据泛在高速接入、装备实时控制、图像视频智能分析、灾害监测预警、机电装备故障诊断等功能,最终构建矿山产运销储用全流程透明化系统。
 
产研结合 中科院孵化企业助力能源保供
 
中科院作为国家战略科技力量,在中国过去十年所取得的辉煌科技成果中发挥了重大作用,一批批中科院科学家走出实验室,不断将前沿科研成果转化为科技力量。在2022年6月6日举行的“中国这十年”系列主题新闻发布会上,中科院院长侯建国表示,近十年来,中科院累计向社会转化了约11万项科技成果,助力我国企业的高质量发展。
 
针对能源保供这一关系到国计民生的重大问题,中科院立足“四个面向”以科技助力智能矿山建设,近几年,由中科院自动化所孵化的智慧矿山技术和服务提供商慧拓已在这一领域取得了一系列成果。
 
中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室主任王飞跃教授是智能控制、智能机器人、无人驾驶、智能交通等领域早期开拓者之一,曾担任美国NASA/UA本地行星资源利用空间工程研究中心无人系统主管与空间机器人首席研究员,研发太空挖掘机器人;担任美国亚利桑那大学系统与工业工程系、矿业与地质工程系教授、机器人与自动化实验室主任、复杂系统高等研究中心主任。90年代初,卡特彼勒邀请王飞跃教授合作研发了全球第一台无人驾驶矿卡,他提出的分层智能控制理论和智能挖掘算法,由此率先应用到了卡特彼勒无人矿卡及必和必拓无人铜矿淬取项目中。
 
2000年,王飞跃教授以中科院“百人计划”的身份回国,后担任过中科院自动化研究所副所长,2011年创建中科院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室并担任主任至今。
 
2017年,徐工集团与慧拓进行战略合作,王飞跃教授带领由中科院中青年博士生导师组成核心团队,立足平行智能,迈出了中国智慧矿山无人化的第一步。近几年,慧拓在持续落地矿山无人化项目,推动智慧矿山技术和服务的系统化和体系化,也在与能源和矿山企业合作的过程中,不断强化“产学研用”深度融合。目前慧拓研发人员所占的比例约为70%。而只有像这样把有理论基础的技术人才聚集在一起,服务于生产建设,实验室里的前沿科技成果才能最终转化为实际解决问题的科技应用,从而为中国实现科技强国贡献力量。
 
慧拓团队基于平行智能自主研发的“愚公YUGONG”平行矿山操作系统是目前全世界唯一全机型、国内唯一多矿种、全场景适配的智慧矿山操作系统。据悉,“愚公YUGONG”系统包含矿车无人驾驶、无人运输仿真、远程驾驶、挖机协同作业管理、V2X智能路侧协同系统、云端智能调度与管理六大子系统,已实现软件硬件化、服务产品化、产品系列化和系统平台化。子系统的搭配组合支持各类场景需求,并适配国内外各型矿车。
 
矿山如何变得智能?
 
7月以来,持续36℃以上的高温灸烤着华北大地。位于山西省朔州市的安太堡露天煤矿,地表温度接近50度,整个矿区开启了烧烤模式。同时,大股风沙、煤灰也常常席卷矿区。
 
条件艰苦,再加上高强度、高危险性的工作环境,曾让这座煤矿很难找到年轻的矿车司机。“夏天的时候,车里像烤炉,沙啊,煤灰啊,从车窗缝里不断灌进来。” 曾有矿车司机在接受媒体采访时表示,“这个矿几百个矿车司机里面,一个90后都没有,现在的娃娃都吃不了这个苦。”
 
如今,在安太堡露天煤矿,一辆辆穿梭自如的重型矿车内,已经难见挥汗如雨的司机的身影。而在矿区不远处调度指挥中心内,一张张年轻的面孔正聚精会神地盯着面前的大屏幕,上面展示的是矿车作业实时画面、各种车辆运行数据以及矿区实时地图,以保证这些无人驾驶的矿车可以安全运行。
 
安太堡露天煤矿总面积376平方千米,产量1533吨/年,是当年邓小平同志亲切关怀诞生的中国改革开放第一家中外合资企业,是当时引进外资额度最大、现代化程度最高的中外合作项目,被誉为“中国改革开放试验田”。如今这里又成为了我国探索矿山无人化、智慧化的试验田。
 
安太堡露天煤矿的这种蜕变来自于2020年,慧拓与中煤集团、中煤平朔集团的一次技术合作。当时,三方在平朔安太堡露天煤矿建立了国内首个智慧矿山开发测试基地,依托于“愚公YUGONG”系统真实模拟露天矿不同气候条件下的各种作业场景,详细验证了露天矿大型矿用自卸卡车无人驾驶项目的安全性和实效性,打造了我国最早落地“真无人”、“安全员下车”5G+智慧矿山项目。2021年初,安太堡露天煤矿智慧矿山开发测试基地项目获得验收。
 
在安太堡露天煤矿取得成功合作后,中煤集团又于2022年6月再次选择与慧拓合作,在平朔东露天煤矿打造5G+无人驾驶智慧矿山项目,以“1+7+N”的编排化模式,实现了东露天煤矿“采-运-排”全流程的无人化、智能化协同作业。
 
此外,在地质环境更恶劣复杂的井工矿领域,慧拓从2020年也开始进行无人化布局。通过一年多的时间内完成了关键技术的落地转化。2021年9月,慧拓与陕煤集团小保当煤矿、中国电信携手建设的小保当“5G+智慧矿区”通过验收。该项目在井工矿无人驾驶领域,取得多项关键技术突破,多源异构融合感知技术可以适应井下巷道弱光照和水汽干扰工况;基于多模态的高精地图等多项技术研制的高精度组合定位系统,可以实现在无GPS信号环境中的大范围精准定位。为小保当矿区“智能装备、智能交通、智能管理”的总体框架提供了无人运输完整解决方案,积极推动国内井下辅助运输系统的智能化改造。
 
智慧矿山要脱离概念,真正实现落地和商业化,离不开解决场景化的技术问题。慧拓的技术人员曾表示,一些场景化的技术问题,是要在实际落地项目的过程中,去发现、分析和解决的。以水泥矿山为例,相比煤炭行业,水泥行业一个非常突出的特点是多数矿山卸料时有破碎站,无人驾驶矿车在进入破碎站后,GNSS信号会因卸料棚的遮挡而减弱或消失,车辆单独依靠GNSS信号无法进行精准导航定位。慧拓依托自主研发的GNSS/IMU/ SLAM/轮速里程计多源协同定位技术,首创性地解决了无/弱GNSS信号环境下精确导航定位难题,无人驾驶矿车可安全、流畅地自动完成排队等候、入站卸料及出站,不受环境和通信延迟影响。
 
这样的场景化问题既是矿山企业的痛点,也是慧拓保持技术领先,实现创新突破的动力。技术创新与规模发展无疑是相辅相成、相互驱动的,技术领先的企业更易获得客户的青睐,抢占落地项目的先机,也只有在积累了一定的客户数量、多元化的落地场景和实地测试数据后,才能更好地进行算法训练,进行技术和服务的创新迭代。
 
目前慧拓已在国内煤炭、水泥、有色、冶金行业落地30余个矿山无人化项目,获得了国家能源集团、中国华能、中煤集团、江铜集团等大客户的复购订单,在内蒙古、新疆等地陆续开展矿山无人化运营业务,积累了丰富的项目经验。
 
中国科学院自动化所党委书记牟克雄曾如此评价:“慧拓是中科院自动化研究所围绕‘四个面向’,在具有产业战略性的矿业孵化出的高科技公司代表。以自主研发的虚实互动的平行驾驶技术,推动科技成果与生产能力双向驱动,不仅填补了世界极寒气候相关领域的空白,并且切实守护了矿区的生命财产安全,助力矿业高质量、低能耗发展。”
 

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