人工智能技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用與探討

中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司；中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司 王利欣

煤炭是我國一次能源中最經(jīng)濟、可靠的資源。基于世界能源格局和我國富煤、貧油、少氣的資源特點，在一定時間內(nèi)煤炭仍將是我國的主體基礎(chǔ)能源。當前，在人工智能產(chǎn)業(yè)大發(fā)展以及國家相關(guān)政策的指引下，煤礦智能化建設(shè)顯得越來越重要。通過近一年對人工智能技術(shù)發(fā)展的跟蹤，本文對人工智能在煤礦設(shè)計、生產(chǎn)、經(jīng)營、安全等方面的應(yīng)用進行了闡述，并對未來人工智能在煤礦領(lǐng)域的發(fā)展進行了展望。

1 人工智能技術(shù)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1.1 人工智能技術(shù)的發(fā)展歷程

1956年，麥卡錫、明斯基等科學(xué)家在美國達特茅斯學(xué)院開會研討“如何用機器模擬人的智能”，首次提出“人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）”這一概念，標志著人工智能學(xué)科的誕生。20世紀80年代初期，隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)再次回到人們的視野，并形成了以專家系統(tǒng)為代表的第二代人工智能。但隨著人工智能的應(yīng)用規(guī)模不斷擴大，專家系統(tǒng)存在應(yīng)用領(lǐng)域狹窄、知識獲取困難等問題逐漸暴露出來。到20世紀80年代末期，人工智能的發(fā)展再次進入低潮期。近三十年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)據(jù)分析、算力和算法的進步，人工智能技術(shù)迎來了爆發(fā)式增長的新高潮。

1.2 人工智能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

新一代人工智能發(fā)展在信息感知、信息處理、行為操控等方面取得較大突破，其中在信息感知方面主要有圖像識別、語音識別以及智能感知等技術(shù)；信息處理方面主要有語言翻譯、棋類博弈、賦詩填詞、醫(yī)療診斷、專家系統(tǒng)、智能推薦等技術(shù)；行為操控方面主要有仿真機器人、自動駕駛、智能家居、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等技術(shù)。這些技術(shù)目前已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

2 人工智能技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用方向探討

2.1 信息感知技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

目前以圖像識別、語音識別、智能感知為代表的人工智能技術(shù)在煤礦生產(chǎn)、安全監(jiān)管等場景中發(fā)揮著重要作用。

（1）圖像識別

眼睛是人們認識世界的重要途徑，而具有圖像識別功能的機器，相當于機器有了視覺能力。利用安裝在煤礦井下的攝像頭拍攝巷道內(nèi)的視頻或圖片，經(jīng)過深度學(xué)習(xí)，實現(xiàn)模式識別。

在主運輸系統(tǒng)中，圖像識別技術(shù)可以監(jiān)測帶式輸送機上的運行狀態(tài)（如煤流量大小、是否存在異物、皮帶是否跑偏、堆煤等），當識別出皮帶出現(xiàn)異常情況，聯(lián)動井下的聲光報警裝置，發(fā)出指令，提示井下相關(guān)作業(yè)人員進行及時處理。

在輔助運輸中，利用圖像識別技術(shù)可以將車輛周圍的各種場景，區(qū)分出人、物以及道路的邊、線等參數(shù)，并指導(dǎo)機器做出反應(yīng)；在煤矸識別方面：利用圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)對矸石形狀、光澤、灰度、紋理等特征的辨識，區(qū)分煤與矸石；在安全監(jiān)管方面，利用圖像識別技術(shù)可以識別人的不安全行為，比如利用人臉識別技術(shù)，實現(xiàn)入井考勤；在重點危險場所，通過設(shè)置電子圍欄，配合語音系統(tǒng)，防止違法闖入，識別“三違”情況，保障安全；在探水、瓦斯抽采鉆孔施工中可以監(jiān)督鉆孔深度是否滿足要求（圖1）。

圖1 機器視覺技術(shù)在安全監(jiān)管方面的應(yīng)用

（2）語音識別

機器的語音識別就是將各種聲音轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，然后通過各種復(fù)雜的算法實現(xiàn)分辨識別。

在放頂煤開采方面，通過在液壓支架后方安裝聲音拾取傳感器，對煤和矸石撞擊液壓支架聲波進行采集與分析，辨識出放煤過程煤矸比例的變化；在人機交互方面，通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進算法，并使用語音大數(shù)據(jù)訓(xùn)練，使人機之間的語音交互成為可能。

（3）智能感知

除了視聽等感知能力外，配合溫度、壓力、振動、氣體等傳感器，形成多傳感器融合的綜合性智能感知系統(tǒng)。在大型設(shè)備健康管理、人員健康管理、井下環(huán)境監(jiān)測等方面，建立大數(shù)據(jù)庫及深度學(xué)習(xí)模型，為煤礦生產(chǎn)提供支持。

2.2 信息處理技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

在大數(shù)據(jù)技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)的推動下，可以建構(gòu)基于大數(shù)據(jù)的新一代智能專家系統(tǒng)。

（1）在煤礦設(shè)計中的應(yīng)用

應(yīng)用專家系統(tǒng)確定開發(fā)方案：智能專家系統(tǒng)可將影響礦井開拓開采所涉及到的所有因素（例如：市場、交通、電源、地形、地質(zhì)、煤層賦存、安全條件等），通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)計算得出決策因素的權(quán)重系數(shù)，最后利用模糊評判技術(shù)來確定出最優(yōu)的礦井開發(fā)方案。

應(yīng)用機器學(xué)習(xí)中的遺傳算法確定設(shè)備選型：礦井開發(fā)方案確定后，各類設(shè)備的類型已初步確定，但是具體要用什么型號和用多少還需大量的方案比選確定。利用遺傳算法可以給出最優(yōu)型號和數(shù)量。

應(yīng)用專家系統(tǒng)優(yōu)化巷道支護參數(shù)：專家系統(tǒng)可根據(jù)地區(qū)差異、使用功能、圍巖情況、巷道斷面等參數(shù)以及歷史支護效果進行著推理與判斷，對巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化（圖2）。

圖2 某公司煤礦智能輔助設(shè)計系統(tǒng)

（2）在煤礦經(jīng)營生產(chǎn)中的應(yīng)用

在礦井生產(chǎn)中，利用專家系統(tǒng)將互聯(lián)網(wǎng)與云端的所有知識聯(lián)系在一起，形成一個海量數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)煤礦生產(chǎn)經(jīng)營涉及的市場、成本、生產(chǎn)、安全等多方面因素，優(yōu)化礦井生產(chǎn)、降低設(shè)備運營成本、提升運行效率，最大限度的節(jié)省人力、物力，同時根據(jù)市場情況，優(yōu)化礦井生產(chǎn)。

在礦井健康管理中，利用專家系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析，結(jié)合生產(chǎn)實際，優(yōu)化采掘接替、設(shè)備管理、風(fēng)量調(diào)節(jié)、礦壓監(jiān)測、水文監(jiān)測，使礦井長期處于健康狀態(tài)。

在設(shè)備健康管理中，利用人工智能專家系統(tǒng)整合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、無線通訊等技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫、算法，為礦井設(shè)備加裝智能監(jiān)控設(shè)備，實時采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測設(shè)備的健康狀態(tài)，早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障，提前維修，使礦井設(shè)備長期處于健康狀態(tài)（圖3）。

圖3 某公司煤礦安全大數(shù)據(jù)預(yù)警平臺

（3）在煤礦安全中的應(yīng)用

在煤礦安全生產(chǎn)中，智能災(zāi)害診斷專家系統(tǒng)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強大的學(xué)習(xí)能力，通過總結(jié)煤礦以往的生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的安全問題以及解決方案，當問題出現(xiàn)時，專家系統(tǒng)便能迅速反應(yīng)，預(yù)算問題所能帶來的災(zāi)害，給出相應(yīng)的處置方案，從而降低安全事故的發(fā)生，并提高救援系統(tǒng)應(yīng)對災(zāi)害的能力。

2.3 行為操控技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

（1）煤礦機器人（圖4）

實施煤礦機器人崗位替代，把人徹底從井下解放出來，從而減少井下作業(yè)人員數(shù)量，從本質(zhì)上實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

目前國內(nèi)已針對噴漿機器人、鑿巖機器人、采煤機器人、救災(zāi)機器人、機器人礦車等在內(nèi)的多種煤礦機器人進行了研究開發(fā)，其中具有代表性的有：用于煤礦救援的礦井搜救機器人、用于巡檢的巡檢機器以及綜采工作面巡檢機器人等。基于人工智能技術(shù)的煤礦機器人，大幅降低了工人的勞動強度，有效保證了工人的安全。

圖4 礦用隔爆兼本安型巡檢機器人

（2）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實（VR）是指通過計算機模擬生成一個三維虛擬世界，利用人工智能把來自多源的信號虛擬為聽覺、視覺和觸覺，使人們有身臨其境之感，從而將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有質(zhì)感的可視圖形，同時配合遠程操控系統(tǒng)，真正實現(xiàn)不下井采煤。

增強現(xiàn)實（AR）是利用計算機生成的虛擬物體、場景等信息疊加到真實場景中增強用戶對現(xiàn)實世界感知的一種技術(shù)。目前煤礦已在設(shè)備上應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備不開蓋，即可對內(nèi)部空間進行展示和模擬處理，為工人培訓(xùn)提供支持。

結(jié)語：煤炭在一定時間內(nèi)仍將是我國的主體基礎(chǔ)能源，如何能在安全生產(chǎn)的前提下，保障高效率的開發(fā)成為煤礦開采的重中之重。本文初步探討了人工智能技術(shù)在煤礦中應(yīng)用的方向，建議應(yīng)用于煤礦中的人工智能系統(tǒng)要結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，多做實際技術(shù)交流，增加實際經(jīng)驗，不斷地提高系統(tǒng)的完善程度以及系統(tǒng)的智能化，合理有效地運用人工智能技術(shù)解決煤礦實際問題。相信隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展并與煤礦充分結(jié)合后必將推動煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)生巨大變革。