我國煤礦煤機智能技術與裝備發展研究

葛世榮 ，張晞, ，薛光輝, *，任懷偉 ，王宏偉 ，龐義輝 ，范磊,

（1. 中國礦業大學（北京），北京 100083；2. 煤礦智能化與機器人創新應用應急管理部重點實驗室，北京 100083；3. 中國礦業大學（北京）機械與電氣工程學院，北京 100083；4. 中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；5. 天地科技股份有限公司，北京100013；6. 山西省煤礦智能裝備工程研究中心，太原 030024；7. 太原理工大學機械與運載工程學院，太原 030024）

一、前言

能源是國家經濟可持續發展的重要支撐[1,2]，但其伴生的CO2過度排放成為引發氣候變化的主要因素。在全球范圍內經濟社會與能源產業形成了低碳化發展的大趨勢，我國也正式提出“雙碳”戰略，實現碳達峰、碳中和成為我國經濟社會高質量發展的內在要求[3]。也要注意到，富煤貧油少氣的能源賦存特性[4～6]決定了煤炭是我國的主體能源和重要工業原料。2022年，世界煤炭消費量超過8×109t[7]，我國原煤產量為4.56×109t，同比增長10.5%[8,9]。當前煤炭在我國一次能源生產和消費總量中的占比分別超過67%、56%[10]，預測2030年煤炭的一次能源占比仍有46.3%[11]。因此，在未來相當長一段時期內煤炭仍是經濟發展、能源安全穩定的“壓艙石”“穩定器”[12～14]。

構建以煤基能源為保障，具有清潔低碳、安全高效特征的能源體系，是保障我國能源安全、建設能源強國的重要途徑[15,16]。與龐大的煤炭產能相對應，我國是全球最大的煤機市場國、煤機需求國。為實現“雙碳”戰略目標，我國煤機市場正在進行階段性的調控和整頓，面臨著市場集中、行業整合、技術與產品創新等方面的挑戰；但也蘊藏著諸多新的發展機遇，以煤機裝備技術的智能化、無人化、機器人化為代表，成為煤炭行業綠色低碳、安全高效轉型升級的新質支撐力量。

相關已有研究主要涉及“雙碳”背景下能源領域高質量發展[17,18]、能源消費結構與煤炭消費趨勢[19]、煤炭能源升級戰略[20]、煤炭行業發展路徑[21～23]、煤炭資源強國建設[24]等宏觀內容，井工煤礦智能化開發技術進展[25,26]、40 年來煤機裝備制造發展歷程和煤炭工業科技創新成就[27,28]等技術內容。《“十四五”智能制造發展規劃》（2021 年）、《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》（2020 年）[29]、《煤炭工業“十四五”裝備制造發展指導意見》（2021 年）等政策文件也明確了煤機技術與裝備高質量發展的主攻方向。值得指出的是，盡管煤炭行業與技術研究成果較多，但針對煤機智能技術與裝備開展的發展研究明顯不足[30,31]。

煤機智能技術與裝備范圍非常廣泛，既有井工礦智能技術與裝備，也有露天礦智能技術與裝備，還有煤炭洗選與煤化工智能技術與裝備等。本文聚焦我國井工礦煤機智能技術與裝備，總結發展現狀及趨勢、分析關鍵技術體系、辨明產業發展方向，以期為“雙碳”發展背景下的煤機裝備高質量發展研究提供參考。

二、煤機智能技術與裝備的發展現狀及趨勢

（一）煤機智能技術與裝備的發展現狀

“十三五”以來，我國主要煤機裝備基本實現了國產化，“三機一架”（采煤機、掘進機、刮板輸送機和液壓支架）等關鍵裝備已達到了國際領先或先進水平[32]。一批超大采高智能化綜采綜放、智能快速掘進支護、大運量帶式輸送機等主煤流運輸、煤礦機器人等煤機智能裝備為智能煤礦建設提供了強大支撐。

1. 煤機智能裝備支撐系統

基于第五代移動通信技術（5G）網絡高速率、低時延和廣連接的移動通信特點，煤機智能裝備支撐系統已形成了“端 - 邊 - 云”三級網絡架構，實現了煤機裝備海量數據的高效可靠傳輸和互聯。煤炭科技工作者構建了綜采工作面三維虛擬數字孿生分析決策技術架構；基于多維地球物理精細探測方法，構建了全空間、全方位地質動態模型技術體系[33]，為煤炭智能精準開采[1]提供了透明地質條件和三維采場空間數字化模型。煤機智能裝備研究院所和生產廠家采用分布式架構集控系統軟件，研發了多設備協同作業一體化控制中心，基于統一的服務器、存儲及數據接口標準構建協同作業控制平臺，實現了遠程、共享、平行協同作業。

2. 智能綜采綜放裝備

我國已開展了8 m 超大采高綜采、7 m 超大采高綜放等一批重大實踐[34～36]，取得了超大采高智能采煤機、智能刮板輸送機及液壓支架等標志性成果，引領了特厚煤層開采及高端裝備的發展方向。神東煤炭集團公司聯合高校、科研院所以及煤機裝備制造企業研制的8～9 m超大采高智能采煤機總裝機功率達3450 kW，整機重量為220～230 t，可實現9 m 厚煤層一次采全高；8 m 超大采高液壓支架和大運量智能刮板輸送機實現了輸送、轉載、破碎及皮帶自移機尾等裝備系統集成；創成的回風順槽無反復支護裝備提高了兩巷作業的自動化水平，保障了工作面設備群的協同高效推進。8.8 m 超大采高雙滾筒采煤機（生產能力為6000 t/h）、超大工作阻力液壓支架（支架工作阻力為26 000 kN）、大運量高強度刮板輸送機（輸送量為6000 t/h）、大流量乳化液泵站（最大流量為1350 L/min）和超長運輸距離智能單點驅動帶式輸送機（帶長為6000 m，帶寬為1.8 m）等組成的8.8 m超大采高綜采智能成套技術裝備在神東煤炭集團的上灣煤礦投入應用[37]，創造了單日割煤22 刀、日產6.55×104t 的紀錄。薄及極薄煤層智能開采技術與裝備也有較大發展，解決了大功率較薄煤層高效開采采煤機的關鍵技術難點，突破了刨煤機成套關鍵技術與裝備，研制出了螺旋鉆采煤機，薄煤層采煤機、刨煤機、連采機及其配套的液壓支架、刮板輸送機等關鍵裝備都已實現了成套國產化。

3. 智能快速掘進支護成套裝備

我國已形成了適用于不同煤層條件下煤礦的智能快速掘進工藝技術與裝備[25,38]，研制的煤礦快速掘錨成套裝備系統實現了掘、支、運一體化連續協同作業，可完成寬6.5 m、高4.5 m大斷面巷道機械化施工，掘、錨同步作業，設計掘進速度可達1500 m/月。集成掘、支、錨、運、通風、除塵等智能裝備的護盾式快速掘進系統在陜西小保當煤礦實現了工程應用。以“掘錨一體機+錨運破+大跨距轉載”成套裝備為基礎，精準導航為引導，多機協同控制為核心，建成了基于“地理信息系統（GIS）+三維可視化”掘進遠程集控系統。長距離、大坡度斜井專用掘進機實現巷道開挖、砌襯、出渣、運輸、排水與通風等功能的系統集成，成功應用于補連塔煤礦，創造了單日進尺42 m，單月進尺639 m 的記錄[26]。中國鐵建重工集團股份有限公司研制的由掘錨一體機、錨桿鉆車、自移式皮帶機組成的智能型大斷面快速掘錨成套裝備[38]在國家能源集團、陜西煤業化工集團有限責任公司、中國中煤能源集團有限公司等大型煤炭集團進行了應用，提高了復雜地質條件下煤礦巷道的智能化快速掘進水平。薄煤層掘進機國產化機型有20 多種，主要有EBZ-132、135、150A和160等。

4. 主 / 輔助運輸系統智能裝備

圍繞長距離、大運量和高速度帶式輸送機在設計制造、安全運行等方面的突出問題，科研院所和企業合作研制出了具有國際先進水平的超大型帶式輸送機。煤炭科技工作者基于智能化煤礦對煤流系統提出的智能調控及無人值守的新要求，圍繞高效、節能、可靠、無人的目標，取得了高性能輸送帶、驅動技術、煤流檢測等技術新突破。近年來，國產化變頻一體機完成了進口產品的替代，形成了功率為315～2000 kW、電壓為660～3300 V的全系列礦用產品。無人駕駛技術也已經在井工礦的無軌膠輪車、單軌吊、有軌電機車等輔助運輸系統中開展了試驗研究。科研人員研制出了遠距離大運量帶式輸送機及其系統，實現了永磁電機直接驅動、張力分布式調節、大跨度空間轉彎等關鍵技術[39]。

5. 煤礦機器人

據統計，國家安全生產監督管理局規劃的38種機器人中已有31種在煤礦現場進行了應用[1]，臨時支護、露天礦穿孔爆破、巷道沖塵、巷道清理和密閉砌筑等5種機器人已立項研發，僅有充填支護機器人和井下搶險作業機器人尚屬空白。中國礦業大學（北京）在國家重點基礎研究發展計劃項目資助下研制的機器人化掘進機群，由掘進機器人、支護機器人、鉆錨機器人、支架搬運機器人、轉載機器人和帶式輸送機機器人等組成，具有多機協同、平行作業、自主定位與導航、自適應智能截割等功能。巡檢類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的巡檢作業，實現了多崗位的無人值守。智能噴漿機器人投入使用后，作業人數減少至2人，日噴漿進度提升至30 m 左右，混凝土回彈率降至20%以內，年節約成本120萬元。搬運機器人可實現1 t重載搬運作業，可節約作業人數2～3 人，工作效率可提高35%左右。

（二）煤機智能技術與裝備的發展趨勢

我國煤炭開采經歷了人工、炮采、普采、綜采、智能開采等技術發展階段[30,40]，目前處于智能化開采的初級階段。煤機裝備相應經歷了動力化助人、機械化替人、自動化減人和智能化無人等不同階段。目前，我國煤機裝備正在朝著智能化、高端化、成套化方向發展[41]。

1. 向高端智能裝備方向發展，構建綠色、低碳、安全高效的煤機裝備產業鏈

綠色、低碳、安全高效的煤炭智能開采需要煤機智能技術與裝備的支撐，要求煤機裝備向綠色、低碳、安全、高效方向發展。高端智能煤機裝備的發展要求加強煤礦智能化裝備基礎理論研究和核心基礎零部件、先進基礎工藝、關鍵基礎材料等共性關鍵技術的研發，重點突破精準地質探測、精確定位與數據高效連續傳輸、智能快速掘進、復雜地質條件智能綜采、永磁直驅連續化輔助運輸、露天無人開采作業、重大危險源智能感知與預警、煤礦機器人等技術與裝備，提高國產化水平，構造綠色、低碳、安全、高效的煤機裝備產業鏈。重點打造10 m超大采高綜采等一批標桿性示范項目，帶動相關產業提速發展。

2. 向成套智能裝備方向發展，構建不同復雜地質條件下智能化采煤技術與裝備

科研院所和煤機制造企業經過多年對復雜地質條件下薄煤層、中厚煤層和厚煤層智能化開采技術與裝備的理論研究與實踐探索，研發了以采煤機、液壓支架、刮板輸送機、以巷道集中監控為基本框架的智能采煤成套技術與裝備，初步形成了薄煤層、中厚煤層、大采高與超大采高和特厚煤層等智能化采煤模式。薄煤層和中厚煤層智能化綜采還涉及工作面自動找直、液壓支架自動跟機與遠程干預、采煤機記憶截割與遠程干預、刮板輸送機煤流負荷平衡控制、綜采智能集中控制、工作面視頻監控、安全監測聯動聯制和超前支護智能控制等關鍵技術與成套裝備。厚煤層智能綜采關鍵技術與裝備還包括大采高工作面防片幫智能控制、大采高底軟智能控制、大采高視頻智能監控和大采高安全保障等。智能掘進裝備已形成適應不同地質條件的快速掘進工藝和成套裝備。此外，采煤裝備精準定位、煤巖界面智能識別、圍巖自適應支護、智能糾偏、智能煤流運輸系統等核心關鍵技術還需深入研究，以提高智采工作面的自主能力和對復雜地質條件的適應性。

3. 向“新基建”方向發展，構建煤礦新型基礎設施，建設煤礦智能化的“地基”

新型基礎設施包括5G 基站、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網七大領域。煤礦基礎設施體系需依托5G、大數據、人工智能和工業互聯網等新一代信息技術，以新發展為理念，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，構建智慧煤礦綜合信息一體化管控平臺，為煤礦提供數字化轉型、智能化升級以及融合創新等服務，以提高煤礦的自動化、信息化和智能化水平。5G 與工業互聯網為煤礦裝備海量數據傳輸和泛在連接提供了無限可能，大數據、人工智能為煤礦裝備的智能計算和智能決策提供了強大理論與技術支撐，為煤礦智能裝備的應用提供了平臺基礎。煤礦智能化的投入比煤礦綜合機械化投入增加約30%，將開辟煤炭行業新一輪“新基建”空間，尤其在5G 通信、大數據中心建設等方面將加速發展，“新基建”賦能的煤礦智能裝備在構建煤礦新型基礎設施建設煤礦智能化的“地基”中扮演著重要角色。

三、煤機智能裝備關鍵技術體系

近年來，在國家科技研發項目的資助下，煤炭科技工作者開展了大量科學研究和技術創新，在煤炭智能化開采基礎理論、關鍵技術、重大智能裝備和工程示范應用等領域取得了許多重大突破，為我國煤炭智能化開采提供了重要的技術和裝備支撐，也為國家“雙碳”戰略目標的實現奠定了堅實基礎。

（一）煤礦智能裝備支撐技術

煤礦裝備智能化主要包括環境智能感知、行為決策與智能控制、狀態監測與健康診斷，需要大量的技術支撐，主攻方向包括礦井透明地質精細化模型構建、煤礦災害預測與防治、煤礦環境的智能感知與實時重構、煤礦裝備狀態感知與智能決策控制等。將5G 通信、人工智能和大數據等新一代信息技術與煤礦智能化“地基”深度融合，形成環境感知 - 分析決策 - 智能控制 - 閉環反饋的運行模式，研制礦井智能閉環管控平臺系統，形成集監測、預警、防控、應急于一體的閉環管控體系，實現煤礦地質模型的實時精細化構建、煤礦災害智能感知與預防和煤礦裝備分析決策與智能控制。由工業網絡控制系統、工作面智能開采決策系統、液壓動力執行系統、煤礦地面井下一體化控制中心、高效通信網絡等構成的新一代無人化智能開采控制系統與裝置為煤礦無人化智能開采提供系統和環境支撐。未來，還要加強基礎材料、制造加工工藝、設備可靠性等基礎理論研究，增強煤機裝備的可靠性。

（二）智能綜采綜放技術

智能綜采綜放技術主要是指采煤機、液壓支架、刮板輸送機、帶式輸送機和巷道集中控制等智能化技術[42,43]。采煤機的智能化技術主要包括基于角度傳感器和旋轉編碼器的姿態感知技術，基于機載超低照度高清晰攝像儀視頻監控技術，基于高速率、大帶寬、低延時的交互通信技術，基于傳感檢測與控制的記憶截割技術，基于慣性導航的自主定位技術和基于多參數辨識的煤巖識別技術。液壓支架智能控制技術包括自動移架、跟機、調斜與調直，自適應護幫，智能供液、放頂煤智能控制、超前支護智能控制、端頭支護的智能控制和巷道集中控制等。刮板輸送機智能控制技術包括智能自啟動、智能調速、多功率協調控制、智能緊鏈與斷鏈監控、自動調直、采運協同和智能控制系統等。此外，大采高防片幫冒頂智能控制技術，高精度地質探測及精準地質建模技術，基于數字孿生的單機控制、順槽集中控制和地面遠程控制等都是亟待解決的關鍵技術。薄及極薄煤層開采智能技術與裝備的主攻方向主要有薄煤層智能化開采、高效卸壓開采和稀缺煤種高采出率開采技術，以及開發大功率矮機身滾筒采煤機、無人化自動化刨煤機、無人化螺旋鉆采煤機和連續采煤機成套裝備等。

（三）智能快速掘進技術

煤礦掘進工作面空間狹長、環境惡劣、工序復雜，存在成套掘進裝備系統地質適應性差、自動化和智能化程度低、單機可靠性低等問題，難以滿足掘進工作面平行作業等快速掘進的需要[44～46]，采掘接續失調，掘支矛盾突出。為實現巷道快速掘進，需解決智能快速掘進成套技術與裝備在掘支錨護等工藝裝備的自動化、智能化乃至機器人化，研制智能快速掘進成套技術與裝備，以實現適應不同地質條件的煤礦巷道的快速掘進。其主攻方向涉及到的主要技術包括智能超前探測技術、掘進裝備的位姿精準檢測與導向技術、煤巖特性智能識別技術、自適應截割技術、智能支護技術和智能除塵技術、智能快速掘進工藝與協同控制技術等。此外，支護工藝、支護材料、噴涂材料等的研究也需加強，以使支護工藝簡單化、支護材料輕型化，為智能快速掘進提供支撐。薄及極薄煤層的快速掘進技術主要是在降低掘進機高度的同時，研制低矮型的掘進與支護裝備，實現少巖化快速掘進。

（四）主 / 輔助運輸系統智能感知與控制技術

煤礦主運輸系統有礦用提升機、帶式輸送機等關鍵裝備；輔助運輸系統有單軌吊、有軌機車和無軌膠輪車等關鍵裝備。礦用提升機已實現智能化無人值守運行，其智能感知與控制技術主要是運行決策與健康維護，主要包括其運行分析決策與智能控制、狀態監測與健康診斷。帶式輸送機智能感知與控制技術包括智能驅動、自動張緊、自移機尾、智能保護和煤流智能管控等。此外，采用圖像識別、伽馬射線檢測、變頻控制以及機器人巡檢等技術實現煤流量智能檢測與控制、膠帶撕裂與斷帶保護和鐵絲、鋼扦等異物智能識別與分揀是帶式輸送機主煤流運輸系統全方位感知與常態化智能運行的關鍵保障。精細化閉環管控和高級輔助駕駛技術是連續化輔助運輸系統智能化的主攻方向，包括基于工業互聯網的煤礦井下輔助運輸管控技術、煤礦井下車聯網與無人駕駛技術。

（五）煤礦機器人技術

煤礦機器人是面向煤炭行業的特種機器人，是煤礦智能化技術與裝備發展的新方向，是傳統煤機裝備和現代機器人技術交叉融合的創新成果。其發展面臨著許多關鍵的共性技術[47～49]，主要有本體防爆安全設計理論與方法、行走與作業機構設計、長續航高效動力及其驅動設計、多傳感器融合環境智能感知與障礙識別技術、受限封閉空間自主定位與導航技術、狹長空間高可靠抗干擾通信技術、可靠性測試與評估方法和多機器人群協同控制技術等。將煤礦機器人與5G、工業互聯網、大數據、云計算、人工智能和數字孿生等新技術融合以提升其智能化水平是當前的研究熱點。

四、煤機智能裝備產業發展方向

隨著智能煤礦建設的深入，支撐智慧煤礦建設的裝備研制也不斷與新一代信息技術深度融合，呈現出眾多的發展方向，初步構建出了面向未來的煤機裝備綠色、低碳、智能產業體系。

（一）煤機裝備關鍵基礎材料和先進加工工藝

智能煤機裝備的應用提升了煤炭智能開采的水平，同時煤炭智能開采也要求智能煤機裝備具備高可靠性，以保障煤炭智能開采作業的安全高效。關鍵基礎材料和先進加工工藝的應用是提高煤機裝備可靠性的根本途徑。目前，我國大型煤機裝備的設計加工工藝、高強度基礎材料和關鍵核心零部件等與國際先進水平相比還存在一定差距，也滯后于我國煤炭工業的整體發展水平。因此，煤機裝備基礎核心零部件、關鍵基礎材料和先進加工制造工藝等瓶頸技術的研究和關鍵基礎材料及先進加工工藝的突破可為我國煤機智能裝備的高可靠性提供保障。

（二）煤機裝備柔性制造和虛擬仿真

由于煤炭賦存條件的復雜性，其生產裝備具有一定的個性化和特殊性，煤機裝備生產模式多為小批量訂單式為主，再加上煤機裝備結構件多、類型和材料不同，從而要求煤機裝備生產制造工藝離散化和柔性化。柔性制造技術和虛擬仿真技術在智能制造的實現中扮演著重要的角色，可為智能煤機裝備的離散與柔性制造提供高效率、低成本的有效支撐。柔性制造技術是在傳統制造技術基礎上發展起來的新興制造技術，數控智能設備的應用是柔性制造的基礎。虛擬仿真技術有面向產品制造工藝和裝備、面向產品和面向生產管理三個層面的仿真技術。針對煤機裝備生產制造工藝的離散化和柔性化，煤機裝備制造業充分利用虛擬仿真技術的優點，建立相應的虛擬裝配、性能驗證和柔性制造執行系統，應用柔性生產線、自動化立體庫、自動導引車（AGV）、工業機器人和自動上下料系統建立數字化柔性制造產線，實現煤機裝備生產計劃的訂單式、數字化和自適應管理，為煤機裝備個性化定制和小批量生產提供條件。

（三）煤機裝備再制造

從煤機裝備價值來看，綜采設備占比約為60%～75%，占據煤機市場的主要份額。其中，采煤機、液壓支架和刮板輸送機等煤機核心設備的服務壽命一般為5～8年，煤炭生產存在巨大的設備更新需求。在智能煤礦建設和設備更新驅動下，現有煤機裝備面臨著技術改造升級、修復和再制造的巨大市場和發展機遇。煤機裝備再制造是循環經濟“再利用”的高級形式，是促進國民經濟高質量發展的重要內容。煤機裝備再制造是煤機裝備全生命周期管理的延伸和提升，是實現煤機裝備制造綠色化、低碳化發展理念的有效途徑，是實現既有煤機裝備技術、性能和價值升級的有效手段。煤機裝備再制造技術包括再制造先進設計技術、毛坯壽命評估技術、復合表面工程技術和智能化再制造技術等。

（四）基于5G+工業互聯網深度融合

煤機裝備的個性化定制和訂單式生產模式要求煤機裝備的制造高度協同。基于時間的分工協同和基于空間的個性化定制服務均需要強大的數據獲取能力與實時的智能服務能力來支撐。5G 技術和工業互聯網在智能煤礦建設中發揮著十分關鍵的作用。5G 技術的高速率、大帶寬、廣連接和低時延特性及其數字化生態重塑了煤機智能裝備生產和服役過程中人、機器與數據三者的實時連接、協作互動關系。煤機裝備自身及其生產數據的高效可靠穩定傳輸與交換是其智能化的關鍵，深度融合5G+工業互聯網可為煤機智能裝備提供必要的數據鏈路和平臺支持，可極大提升我國煤機裝備產業的生產鏈和價值鏈內涵，推動我國煤機制造業實現向智能化、高端化和服務化升級轉型。

（五）工業大數據與人工智能

煤機裝備從制造到服役的整個過程均伴隨著海量數據的產生和應用。工業大數據是煤機裝備制造和生產的關鍵技術之一，貫穿于煤機裝備的產品設計、生產制造和應用的整個生命周期，是推動煤機裝備智能創新的核心技術力量，尤其是以數據挖掘和分析為核心的應用和服務。人工智能（AI）主要研究知識表示、認知建模、推理應用、機器感知、機器思維、機器學習和智能系統等。傳統技術與AI技術深度融合后，運用AI 技術和工業大數據挖掘分析可有效解決煤機裝備產業從產品設計研發、制造裝配到管理服務等全生命周期的管理問題。大數據和AI 技術已成為煤機裝備產業不斷提升創新能力與可持續競爭優勢的新引擎，不斷推動其邁向更高的智能化階段。

（六）物聯網智能感知與互聯

煤機裝備的智能化有賴于對環境的智能感知和數據的高速互聯，因此智能感知與互聯技術是煤機智能裝備的關鍵技術。煤機智能裝備從制造到生產全過程，均需要通過有線或無線傳感器網絡實時監控，與制造和生產有關的各種現場數據需實時傳輸給控制中心，甚至上傳到大數據中心進行數據分析。物聯網技術已廣泛應用在生產工藝優化、設備監控管理、環境監測、能源管理與安全生產管理等方面。物聯網智能感知與互聯技術融入到煤機智能裝備的各制造和應用環節，可改善產品質量，提高生產效率，降低生產成本和資源消耗，是我國煤機裝備制造業由傳統制造提升到智能制造的必由之路，也是實現煤機智能裝備可靠運行的有效保障。

（七）信息物理系統與數字孿生系統

信息物理系統是通過計算資源與物理資源的緊密協調與配合來進行系統建模的，提供制造、生產相關事物與計算空間的映射理論框架，具有適應性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性和可用性等特點。數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體提供更加實時、高效、智能的運行或操作服務，是集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。數字孿生智采工作面[50]是數據可視化、人機強交互和工藝自優化的高逼真采煤工作面三維鏡像場景，高度依賴煤機裝備的單機智能化、集群自主化和遠程智能管控技術，涉及物理工作面、虛擬工作面、孿生數據、信息交互、模型驅動、邊緣計算、沉浸式體驗、云端服務、信息物理系統和智能終端等關鍵技術。基于信息物理系統與數字孿生系統，煤機裝備可利用其物理模型、歷史運行和傳感器更新數據，在虛擬空間中反映其全生命周期過程，為我國煤機裝備產業提供研發、生產和服務過程的狀態智能感知、實時精確分析、科學決策和精準執行的數據閉環，也為煤機智能裝備更加精細、安全、穩定的運行決策與安全管控提供理論與技術支撐。

五、發展建議

基于我國煤機智能技術與裝備的現狀，面向煤炭工業“十四五”規劃建設綠色、高效、安全的智能煤礦總體戰略[51]，我國煤機智能裝備產業發展應瞄準煤礦高端智能裝備，加強技術攻關，培育創新人才、完善產業布局，增強原始創新、集成創新和繼承創新能力，推動產業升級。

（一）加強煤機智能技術與裝備攻關，形成煤機智能裝備產業新業態

加強煤礦智能裝備的基礎理論研究和基礎材料、先進制造工藝等共性核心技術研發，重點突破精準地質探測、精確定位與高效數據傳輸、“掘 -支 - 錨”一體化智能快掘、智能綜采綜放、連續高效主煤流 / 無人駕駛輔助運輸、危險源智能感知與預警、煤礦機器人等技術與裝備，打造10 m超大采高綜采等標桿性示范項目，帶動相關產業提速發展，提升煤機智能裝備研制水平。應堅持示范成功后再進行成套推廣的研發策略；堅持綠色和服務型煤炭裝備制造，積極探索煤機裝備虛擬仿真、柔性制造與再制造技術，利用5G、工業互聯網、大數據、云計算等新一代信息技術，發展先進制造和現代服務業深度融合的新模式新業態，推動煤機裝備制造與服務協同發展，打造煤機智能裝備產業新業態。

（二）完善煤機研制人才支撐體系，建立示范引領機制

加強創新驅動，積極開展國際交流合作，引進國外先進管理與技術裝備，內外聯動銜接國內與國際標準，強化標準化基礎，構建知識、信息、技術與人才等要素支撐的優勢體系，打造“政產學研資”緊密合作的創新生態。推進煤機智能裝備研發試驗中心建設、工業強基、智能制造、綠色制造和高端裝備創新等工程建設，推動煤機智能裝備產業健康可持續發展。完善人才支撐體系，鼓勵高校、科研院所與企業聯合培養復合型創新與應用高水平人才，支持建立行業協會高級人才儲備庫和企業人才庫，大力發展職業教育和專業培訓，健全完善職業資格和人才評價制度。建立示范引領機制，研究發布煤機智能裝備產業發展指數和報告，總結典型經驗，為煤機智能裝備制造企業提供示范引領。

（三）規劃引導與產業布局優化并舉，推進產業鏈現代化

加強規劃引導，發揮協會和行業聯盟的作用，綜合考慮我國煤炭資源分布、環境容量和市場空間等因素，統籌分析我國煤炭裝備的市場需求，引導煤機智能裝備產業布局優勢區域、向集群化轉型升級，重點發展“2 高5 重”（北京、上海2 市高端制造企業集群；山東、河南、河北、山西、陜西5省重點制造企業集群）煤炭產業裝備集群，推進創新工程建設，打造具有戰略性和全局性的高效協同產業鏈，精準合理布局，補短鏈、延中鏈、強長鏈，增強產業鏈韌性。鼓勵煤機裝備制造企業深度融入全球產業鏈體系，向集群化轉型升級，創建煤機智能裝備產業集群，優化產業布局和結構，提高產業整體規模和效益。智能技術與裝備宜采取先研發、試驗再推廣的模式，優先在地質條件較好的礦井開展工業性試驗，成熟后再推廣。

（四）建立煤機研制創新生態系統，保障煤機智能技術與裝備持續升級

加快相關法律法規、產業政策的制定 / 修訂，為煤機裝備制造業發展提供制度保障和營商環境；加快培育建設企業技術中心、重點實驗室等科技創新平臺，吸引國內外一流科研院所、知名院校合作建設科技成果轉移轉化中心，積極完善標準體系，夯實標準化基礎，支持建設智能化采掘裝備、主輔運輸裝備等數字孿生、可靠性模擬試驗臺和智能控制、智能檢測試驗臺等高水平研發平臺，提高產品創新研發能力和可靠性保障能力；重點支持采掘裝備、主輔運輸設備關鍵元部件、耐腐蝕耐磨高強度新材料制造及熱處理、變頻與永磁電機、高可靠性圓環鏈、無托輥及空氣懸浮帶式輸送機等關鍵技術攻關，支持新型大功率智能運輸設備產品開發與升級換代。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財務沖突。

Received date:July 21, 2023;Revised date:September 28, 2023

Corresponding author:Xue Guanghui is an associate professor from School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing. His major research fields include coal mine robot, coal mine equipment automation and intelligence, and wireless sensor network. E-mail: xgh@cumtb.edu.cn.

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “High Quality Development Strategy of Coal Machinery Equipment Manufacturing in Shanxi” (2022-XY-42)