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HCPS理论体系下新一代智能煤矿发展路径

金智新 王宏伟 付翔

金智新,王宏伟,付翔. HCPS理论体系下新一代智能煤矿发展路径[J]. 工矿自动化,2022,48(10):1-12.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17988
引用本文: 金智新,王宏伟,付翔. HCPS理论体系下新一代智能煤矿发展路径[J]. 工矿自动化,2022,48(10):1-12.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17988
JIN Zhixin, WANG Hongwei, FU Xiang. Development path of new generation intelligent coal mine under HCPS theory system[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(10):1-12.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17988
Citation: JIN Zhixin, WANG Hongwei, FU Xiang. Development path of new generation intelligent coal mine under HCPS theory system[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(10):1-12.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17988

HCPS理论体系下新一代智能煤矿发展路径

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17988
基金项目: 中国工程院咨询研究项目(2022SX2,2021-XZ-14,2020SX8);国家自然科学基金项目(52274157);山西省揭榜招标项目(20201101005);内蒙古自治区重点专项项目(2022EEDSKJXM010)。
详细信息
    作者简介:

    金智新(1959—),男,辽宁锦州人,教授级高级工程师,中国工程院院士,博士,研究方向为煤炭智能开采技术与煤矿安全工程管理,E-mail:jinzhixin@tyut.edu.cn

    通讯作者:

    付翔(1986—),男,山西长治人,讲师,博士,研究方向为煤矿自动化与控制工程、智能采掘理论与技术、智慧矿山工业互联网技术,E-mail:14632235@qq.com

  • 中图分类号: TD67

Development path of new generation intelligent coal mine under HCPS theory system

  • 摘要: 在当前煤矿智能化高质量工业发展背景下,基于新一代智能制造“人−信息−物理系统”(HCPS)技术机理,提出了以人为核心的新一代智能煤矿理论体系和技术路径。通过介绍近代煤矿机械化−信息化−智能化的生产模式演进和人、信息系统、物理系统的技术发展,以及新一代智能煤矿发展过程中主要面临的关键场景技术,构建了新一代智能煤矿的HCPS技术体系,阐述了人、煤矿信息系统、煤机装备物理系统相互协同作用机制,并从人、煤矿信息系统、煤机装备物理系统及三者集成这4个维度给出了HCPS技术组成要素。根据以人为核心的发展理念,提出了新一代智能煤矿HCPS理论体系下人机协同技术路径,重点阐明了煤矿安全生产目标下人机自主协同交互模式、人在回路的煤矿安全生产态势感知、人机信任与交互模式下的煤矿系统控制共享、煤矿任务场景的人机信息交互可视化应用开发等核心技术。指出采矿、机械、信息、计算机、管理等多学科交叉人才培养与实践,煤矿管理创新、安全制度创新、生产模式创新、人员工种创新等,是新一代智能煤矿发展的2个关键点。

     

  • 图  1  传统煤矿的HPS架构

    Figure  1.  Human-physical system architecture of traditional coal mine

    图  2  初级智能煤矿的HCPS架构

    Figure  2.  Human-cyber-physical system architecture of primary intelligent coal mine

    图  3  新一代智能煤矿的HCPS架构

    Figure  3.  Human-cyber-physical system architecture of new generation intelligent coal mine

    图  4  新一代智能煤矿的HCPS技术体系

    Figure  4.  Human-cyber-physical system technology system of new generation intelligent coal mine

    图  5  人在回路的煤矿安全生产态势感知技术框架

    Figure  5.  Situation awareness technology framework of coal mine safety production based on man in the loop

    图  6  基于人机信任的煤矿各系统人机自主协同决策与控制机制

    Figure  6.  Human-machine autonomous cooperative decision-making and control mechanism of coal mine systems based on man-machine trust

    表  1  新一代智能煤矿的HCPS技术组成要素

    Table  1.   Elements of human-cyber-physical system technology of new generation intelligent coal mine

    维度子维度具体内容
    人的角色 煤机设备操作工、机电维修工、信息化维护工、安全监管员、矿山图纸设计者、软件开发者、煤矿组织管理者
    人的效用 煤矿安全生产的执行效用、组织效用、维护效用、决策效用、管理效用
    组织形式 队级、科级、矿级、集团级、技术服务团队
    人才层次 煤矿普通技能工人、专业技术员、技术创新人才、管理创新人才
    物理系统 安全类 井下安全避难设施、智能型煤矿人员自救穿戴、智能型瓦斯预抽采系统、智能型防火注氮设施、智能型工作面除尘系统、智能型探水设备、智能通风系统、智能型防爆本安装置、智能型顶板卸压装备、救援机器人
    生产类 智能采煤装备群、智能掘进装备群、生产辅助机器人
    综合保障类 地质探测系统、智能胶带运输系统、智能提升系统、智能辅助运输系统、智能排水系统、智能供电系统、智能压风系统、煤矿特种机器人
    信息系统 感知层 井下安全监测传感器、煤机装备状态传感器、地质类传感器、人员状态传感器、音视频系统、智能终端
    传输层 井下物联网交互网关、数据交换机、固定有线网络、无线覆盖网络、广域网
    平台层 煤矿云计算设施、专业分类数据标志标准、分布式数据库、分析建模平台、微服务及应用开发环境、客户端、信息运维中心
    人工智能模型库 煤矿安全分析模型、安全生产规划模型、矿井数字孪生模型、煤机控制决策模型、人机协同自学习模型、煤矿管理协作模型
    软件应用层 地质、采掘、安监、综合保障、选煤、管理、经营等煤矿业务智能管控应用软件
    系统集成 系统层级 工作面单元级、采区系统级、整体矿井级、整个集团级
    设计开发 “一张图”设计更新、透明地质建模、煤机设备选型、信息基础设施建设、软件平台开发、人机界面设计
    运营管理 煤矿多系统综合管控平台、多业务协同管理平台、数据专业分析、设备全生命周期管理、安全监测预警平台、人工智能技术赋能
    运行模式 采煤专业人员自主、煤机系统自主、人机协同交互
    生命周期 煤炭开采周期、煤炭销售周期、系统服役周期、人员管控周期
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    表  2  新一代智能煤矿HCPS体系下不同自主程度的人机协同交互模式

    Table  2.   Human-machine cooperative interaction mode with different autonomy degrees under new generation intelligent coal mine human-cyber-physical system

    层级自主程度[32]适用的煤矿人机混合系统或行为
    1 人类执行所有行为 煤机设备修理、信息化系统维护、矿山设计等
    2 自主系统可完全补充人类行为集 巷道拉低修复、喷射混凝土等非标辅助工作等
    3 自主系统可提供一组人类行为补充集合 材料搬运机器人、水仓清理机器人、智能地质探测系统等
    4 自主系统仅提供建议 安全生产协调规划与综合管控、复杂地质条件生产行为、人员路线规划等
    5 自主系统在人类允许下自主执行一个行为 智能采煤系统、智能掘进系统、灾区探测机器人、救援机器人等
    6 自主系统在有限时间内人类不否决的情况下自动执行行为 智能煤流运输系统、智能提升系统等
    7 自主系统执行一个行为并告知人类 应急救援系统等
    8 自主系统执行一个行为并在人类要求时告知 智能通风系统、智能辅助运输系统等
    9 自主系统执行一个行为并自主决定是否告知人类 智能供电系统、灾害监测预警系统、巡检机器人、固定值守机器人等
    10 自主系统自主执行所有行为 智能排水系统、智能压风系统、智能分选系统等
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-29
  • 修回日期:  2022-10-06
  • 网络出版日期:  2022-10-21

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