未來30年，新一輪科技革命與能源產業變革形成交匯期，新一代信息技術、智能化技術、智能裝備等新技術將大幅提升傳統產業發展能級和效率，由此引發煤炭生產方式發生巨大轉變，實現煤礦生產無人化、安全化、綠色化。2019年1月，國家煤礦安全監察局公布《煤礦機器人重點研發目錄》。2020年2月，國家發展和改革委員會等八部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》。這為我國煤炭工業智能化和機器人技術發展指明了方向，是我國未來人工智能發展戰略在煤炭工業的重點行動，是《中國制造2025》在煤礦企業的重要實踐，是煤炭工業高質量發展的重大機遇。本次全國煤礦智能化建設現場推進會的召開適逢其時，必將加快我國煤礦安全生產和智能化水平快速提升，對推動煤炭行業高質量發展，促進煤炭產業轉型升級具有十分重要的意義。
一、煤礦智能化進展回顧
2018年7月12日，全國煤礦安全基礎建設推進大會在山西潞安召開，會議要求，各地區、各部門、各煤礦企業要大力推進機械化、自動化、信息化、智能化建設及機器人研發應用。從國家層面和行業整體發展角度對煤礦智能化建設提出了明確的要求和工作部署，吹響了加快我國煤礦智能化建設步伐的新號角。
（一）呈現新趨勢，煤礦智能化成為創新重點。近三年，煤礦智能化成為煤炭行業科技創新的重點方向，以“煤礦智能化”為主題，2015年之前我國學者在煤礦智能化方面的論文發表總數每年不足10篇，之后的研究論文數量卻呈現翻倍增長，近5年發表的煤礦智能化論文達到287篇，主要集中在綜采工作面(占22%)、智能化開采(占21%)、智能化技術(占16%)、采煤機(占13%)、液壓支架(占8%)、帶式輸送機(占5%)。煤礦智能化研究側重于綜采智能化(約占85%)，其中有43%的研究是面向采煤工作面智能化，42%的研究是圍繞采煤裝備智能化，可見采煤智能化關鍵點在于開采工藝智能化和采煤裝備智能化。另一方面，共檢索到2006年以來發表的煤礦機器人研究論文367篇，主要集中在煤礦探測機器人、巡檢機器人、救援機器人等方面，反映出煤礦智能化發展速度加快，智能化研究呈現躍升趨勢。
（二）明確新目標，出臺首個行業智能化指導意見。《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》是我國出臺的首個行業智能化發展的頂層設計，把煤礦智能化作為煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，將人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等融入煤炭開發利用，實現煤礦生產過程智能化運行，這對于提升我國煤礦安全生產水平、保障煤炭穩定供應具有重要意義。到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦；到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化；到2035年，各類煤礦基本實現智能化。
（三）科研新方向，設立重點專項和基礎研究計劃。為了推動煤礦智能化技術創新，科技部在2020年國家重點研發專項的“智能機器人”中設立了煤礦機器人方向，攻克煤礦特殊環境服役機器人關鍵技術，深化我國煤礦機器人的工程化應用，今年首批資助大型礦井綜合掘進機器人、復雜煤層條件下煤礦輔助運輸機器人、面向沖擊地壓礦井的防沖鉆孔機器人等三個項目。此外，國家自然科學基金委員會今年首次在工程與材料學部增設了“智能礦山”方向（學科代碼E0406），資助重點包括礦山精細描述與測量、數字礦山、礦山智能監測與控制、采掘裝備與智能化、智能化系統與方法等基礎前沿方向，研究煤礦智能化和煤礦機器人研發所面臨的關鍵科學問題和核心技術瓶頸。
（四）研發新裝備，我國提出了國際上首個煤礦機器人技術體系。機器人是煤礦裝備智能化的新內涵，國家煤礦安全監察局發布的《煤礦機器人重點研發目錄》，對規劃和引導煤礦機器人技術發展十分重要。該目錄是國際上提出的首個煤礦機器人技術體系，針對煤礦機器人的不同面向對象、作業區域、功能屬性，明確了煤礦機器人分類及種類。從作業類型角度，將煤礦機器人分為掘進、采煤、運輸、安控、救援五大類，結合當前機器人和人工智能的發展水平，規劃了不同種類、層次煤礦機器人的研發路徑。目前，列入目錄中的19種煤礦機器人已在煤礦現場實現了不同程度的應用，13種煤礦機器人已有企業正在研發，6種機器人研發尚有難度。
（五）構建新系統，煤炭開采智能化水平穩步提升。通過智能化技術和工程實踐探索，目前我國煤礦智能化取得了若干突破性進展，特別是各生產子系統的智能化水平得到了穩步提升。其中，智能化采煤工作面（簡稱智采工作面）技術相對比較成熟，目前的智采工作面已在大采高、中厚煤層、薄煤層及放頂煤開采中實現，到今年5月底，全國建成智采工作面338個，這個規模在世界采煤國家處于領先地位。一些智采工作面實現了基于記憶截割的自動化割煤、基于慣性導航的自動調直、三機協同和自動跟機移架與人工巡視相結合的初級智能化生產模式，可在順槽監控中心和地面調度室對智采工作面進行“一鍵啟停”運行和遠程控制，實現工作面少人作業，采煤效率一般可提高20%以上。此外，少人快速掘進、智能化運輸、井下配電室和水泵房無人值守、安控類巡檢機器人、智能煤矸分選機器人、智慧洗煤廠等已在一些煤礦進行了試驗應用。
（六）產業新融合，5G技術在煤礦井下示范性應用。新一代移動通信技術是未來智能化煤礦的基礎，5G技術為煤炭智能生產流程提供強大的信息交互能力。2020年6月，中國移動聯合陽煤集團、中國礦業大學(北京)、清華大學、中煤科工、華為公司等70多家單位，成立了“5G智慧礦山聯盟”，推動5G、大數據等信息技術與煤炭產業深度融合，研發成功世界上首個井工煤礦5G網絡，在新元公司投入運營，這標志著我國在“5G+智能礦井”商用領域取得突破性的進展，實現了井上井下高清視頻連接、海量數據快速傳輸、智能設備遠程聯控等多種應用，將有力推動煤礦行業從“數字化”走向“智能化”的轉型升級。
（七）展現新面貌，智能安全高效煤礦已成為主力。經過多年的實踐，自動化、智能化開采已成為現代煤礦的主要生產模式。目前，我國煤礦智能化處于初級階段，部分技術及工程實踐引領國際煤礦智能化開采發展方向。到2020年5月，我國在產安全高效煤礦有901處（其中露天礦28處），其產量占全國煤炭產量的56%，利潤總額占全行業的78%。這些煤礦有井下采煤隊1134個，其中全部國產裝備1042個采煤隊，部分進口裝備91個采煤隊；采煤機械化程度99.9%，智能化采煤工作面近300個。這些先進產能煤礦的百萬噸死亡率已降低至0.0015，有898處煤實現了零死亡，已經超過國外先進煤礦的安全水平（0.02）。這說明，智能安全高效煤礦將是未來進一步提升我國煤礦安全生產水平的必由之路，發展煤礦智能化未來可期。
（八）搭建新平臺，推動智能化人才培養和技術創新。煤炭行業高校積極聚焦煤礦智能化對人才培養提出的新要求，不斷加快煤礦智能化相關專業布局，構建多學科交叉、產學研融合的人才培養模式。目前，中國礦業大學（北京）、安徽理工大學等6所煤炭行業特色大學設置機器人工程專業，7所大學設置人工智能專業，7所大學設置大數據科學與技術專業，部分高校還在傳統采礦工程專業開設智能采礦特色班，努力培養適應煤礦智能化發展的復合型人才。同時，國內行業和地方管理部門通過聯合科研院所和大型煤礦企業集團，成立了形式多樣的煤礦智能化及機器人研發技術創新平臺，國家煤礦安全監察局同中國航天科技集團簽訂了戰略合作框架協議，“天地合作”研發應用煤礦機器人；中國煤炭學會、中煤科工等27家單位成立了煤礦智能化技術創新聯盟；中國礦業大學（北京）成立了智慧礦山與機器人研究院，遼寧工程技術大學組建成立煤礦機器人協同創新中心，致力于解決煤礦智能化共性關鍵技術問題；山東能源新礦集團成立機器人研究院，淮北礦業與四川航天攜手成立了智能化開采技術研發聯合中心，兗礦集團成立煤礦智能開采試驗中心，各大國有煤炭企業集團正積極打造煤礦智能化研究、試驗基地，開展智能化技術研發與新裝備推廣應用。
二、煤礦智能化技術展望
煤礦智能化是將人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與煤炭開發利用深度融合，形成全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統，其最終目標是實現掘進工作面、采煤工作面、煤流運輸系統、機電維護和安監系統的自主運行，從而大幅度減少井下勞動人員，顯著提高煤炭生產效率，并形成全煤礦的智慧生產和管理。目前，我國部分煤礦建成了初級的智能化工作面，與全煤礦、全礦區智慧化、無人化目標還有較大距離，應繼續加強基礎科學研究，突破關鍵核心技術，加快工程應用實踐，取得以下關鍵技術突破。
（一）智能化采掘的透明地質技術。面對看不見、摸不著、測不準的地質條件，難以實現精準的智能化開采，亟需掌握厘米級分辨率的地質信息探測技術，在精準探測技術上實現顛覆性創新，構建數據、信息、知識三層架構的全息透明地質圖，為智能化采掘提供無人駕駛的導航地圖，從而真正實現采掘作業無人化。
（二）腦機環智能感知與交互技術。煤炭生產是一個人的智慧與機器、煤巖介質三者之間交互作用的過程。以智采工作面為例，采煤機組與煤巖相互作用產生了巨量信息，實現智能化開采就要解決采煤知識自動化的問題，使采煤作業的信息匯聚、分析、推理、決策和執行能自動實現。煤炭智能開采具備工藝規劃、煤層變化識別、截割狀態調控、運行效果優化、安全保障的自主能力，從開采模型到設備驅動信號的正向傳遞數據鏈路、從現場傳感器信號到運行控制系統、工藝規劃系統的信息反饋數據鏈的能力。
（三）智能化煤礦的數據智能技術。數據智能是大數據的新境界，智能化煤礦的數據智能體現為數據驅動決策，讓機器具備推理等認知能力，以大數據指導優化決策，依靠數據驅動來智能調控煤炭生產流程。因此，需要研發應用可靠穩定的各類傳感器，構建從數據采集、數據處理、數據存儲、數據分析等環節的自動工具及平臺，使煤炭開采具備深度學習、深井語言程序化、知識圖譜等人工智能建模和數據可視化能力。
（四）智能化煤礦的平行智能控制技術。煤礦生產過程是掘進、采煤、運輸、動力、安全的多個環節平行作業集合，也是每個環節多種設備平行控制運行。因此，未來是平行智能控制的煤炭生產，它基于信息物理環境系統（CPSS），以工業智聯網技術、軟件定義技術和知識自動化技術，通過描述智能、預測智能和引導智能的綜合運用，構建平行演化、閉環反饋、協同優化的智能煤礦體系。
（五）煤礦智能化運行的數字孿生技術。數字孿生被認為是工業自動化進程中的顛覆性技術之一，煤礦智能化的數字孿生通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為采掘作業實體提供更加實時、高效、智能的運行或操作平臺。例如，構建數字孿生智采工作面系統，需要研究物理模塊、信息模塊、通信模塊、控制模塊的智能仿生與應用，創建智采工作面數據主線（環境信息流、控制信息流和能量信息流），實現采煤狀態的自動跟蹤、生產規劃的快速迭代、開采過程的穩定控制和設備維護的實時管理。
（六）煤礦井下智能機器人技術。我國煤礦每天下井作業人員大約有100萬人，在采煤、掘進等危險繁重崗位上的作業人員占到60%，迫切需要以機器人來替代。煤礦智能機器人亟需突破八大關鍵技術，即煤礦機器人防爆安全設計理論及方法、長續航高能量密度機器人動力技術、井下受限封閉環境下機器人自主精準定位導航技術、煤礦機器人的高可靠抗干擾通訊技術、煤礦復雜環境下機器人智能感知與險情識別技術、井下機器人群協同控制決策機、煤礦機器人可靠性測試評估方法、煤礦機器人模塊化設計方法。2019年，我國工業領域每萬名工人擁有140臺機器人，機器人密度與發達國家還有很大差距，若煤礦井下危險崗位減人50%，需要40萬臺煤礦機器人，每處煤礦井下有100多臺機器人執行任務。
（七）煤炭工業互聯網技術。煤炭工業互聯網是一個從工作面到用戶的全煤流物聯網，形成與煤炭生產緊密相關的全要素、全產業鏈互聯體系，它全面連接煤炭生產、洗選加工、運輸、銷售、使用以及安全監管、企業決策、生態影響等方面。煤炭工業互聯網既能系統推進智能煤礦建設又能為煤炭企業賦能，屬于煤炭行業更高層級、更大范圍的智能化系統。
新中國成立70年來，幾代煤炭人不懈奮斗，我國煤礦形成了以井工開采為主露天開采為輔的開發格局�？傮w上看，我國煤礦在復雜條件下的煤炭開采工藝技術處于世界領跑，特厚煤層開采、千萬噸級開采裝備處于世界并跑，然而仍有部分先進高端裝備依賴進口。因此，煤礦智能化建設是煤炭行業實現跨越式發展的又一歷史契機，通過加強煤礦智能化基礎設施建設，大力發展煤礦智能裝備和煤礦機器人技術，將推動采礦工業技術革命，助推我國煤炭生產技術和裝備雙領跑，助力新時代經濟雙循環的新發展格局。
