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物联网掀起煤矿领域第四次技术革命

发布时间:2020-02-15 20:21:35 编辑:笔名

物联掀起煤矿领域第四次技术革命

进入21 世纪以来,以信息技术为代表的技术革命迅猛发展,为实现矿山的全面感知提供了成熟的技术支撑。数年来,工业界一直处于一场重大而根本性的变革之中,这一变革在德国被称为“工业4.0”,在中国称为“中国制造2025”,而推广到矿山领域,我们称之为“感知矿山”,它将是“互联+”这一概念应用在矿山行业的最佳模式。

感知矿山

人类早在几千年前就对矿山有了一定的了解,并开始对矿石进行开采和利用,如中国夏商时期对青铜、春秋战国时期对铁矿石的开采和冶炼;在欧洲,希腊学者在公元前约300 年就记载有煤的性质和产地,而古罗马更是在大约2000 年前就开始用煤进行加热。在矿石的开采过程中,人类对矿山形成了初步的感知,掌握了掘进、支护、开采、运输等一系列的生产流程,并沿用至今。随着科技的发展和进步,现代化开采需要新的感知手段,去更全面地了解矿山,从而更好地指导人们进行生产,由此,感知矿山的概念就应运而生了。

为了保证矿山的安全开采,管理者希望能够了解矿山开采每一个环节、每一道工序、每一台设备的运行情况,能够全面感知矿山的地质、环境、采掘设备状态等信息,就像人们利用感觉器官可以全面感知我们的身体状态一样。但是,矿山开采是一个复杂的过程,涉及大量的电气和机械设备,还难以做到有效监测监控。因此,感知矿山的内涵,就是要利用现代的传感技术、通信技术和信息处理技术,实现矿山生产过程中资源环境、地质灾害、人员安全、设备健康的全面监测。

矿山开采系统主要包括:综掘设备、综采设备、胶带运输、提升系统、辅助运输、煤的洗选、装车等矿山采掘、生产、运输过程中所涉及的一系列生产系统。同时,矿山开采还要面对复杂的地质条件、矿山压力、瓦斯、一氧化碳、地下水及煤尘等,需要排水、通风、供电、压风等生产辅助系统。大量的开采系统、辅助系统独立运行,不成体系,造成了矿山生产监控难、调度难、安全事故多等问题。

钱学森等3 位中国学者于1990 年发表了题为“一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论”一文,提出了开放的复杂巨系统的概念,揭开了开放的复杂巨系统研究的序幕。钱学森在复杂性理论的研究中将系统分为简单系统和巨系统两大类,巨系统又分为简单巨系统和复杂巨系统,进而提出开放的复杂巨系统概念。他指出开放的复杂巨系统具有以下四个特征:第一,系统是开放的,也就是系统本身与系统外部环境有物质、能量和信息的交换;第二,系统包含很多子系统,成千上万甚至是上亿万,所以是巨系统;第三,系统的种类繁多,有几十、上百甚至几百种,所以是复杂的;第四,正因为以上几个特征,整个系统之间的结构是多层次的,每个层次都表现出系统的复杂行为,甚至还有作为社会人的参与。

我们认为,矿井生产系统就是一个典型的开放的复杂巨系统。首先,矿井系统所包含的子系统种类繁多,数量庞大,如矿井地质、巷道开拓、巷道掘进、围岩支护、工作面回采、供电线路、电器设备、监测监控、瓦斯抽放、矿井通风、排水、井底车场、运输、提升、地面设施等子系统,这些子系统本身又包含许多子系统,层次很多,规模宏大,可以划分为成千上万个系统,所以称为“巨”系统;其次,影响安全生产的因子众多,各因子之间具有强烈的非线性相互作用,复杂是矿山安全生产系统的基本特征。最后,这些系统本身显然都与系统周围的环境有物质的交换、能量的交换和信息的交换,且有人的参与,由于有这些交换,所以是“开放的”。

开放的复杂巨系统的一个典型特点是人对其子系统不能完全认识、了解,子系统内部还有更深、更细的子系统无法完全认知,难以掌握其完全信息。例如对于矿井生产系统,我们无法确定矿井每一个地方的地质构造、瓦斯含量等。这些问题如何解决?钱学森院士在提出开放的复杂巨系统同时,还给出了现在能用的、唯一能有效处理开放的复杂巨系统的方法,这就是从定性到定量的综合集成方法,该方法强调人的重要性及人的聪明才智与实践活动经验的重要性,将科学理论、经验知识和专家判断力相结合,提出经验性假设(判断或猜想);而这些经验性假设不能用严谨的科学方式加以证明,往往是定性的认识,但可以用经验性的数据和资料以及几十、几百、上千个参数的模型对其确定性进行检测,而这些模型也必须建立在经验和对系统的实际理解上,经过定量计算,反复对比,最后形成结论,这个结论就是从定性上升到定量的认识。由此可见,从定性到定量的综合集成方法,其实质是利用各种通信络,将井下传感器的监测数据结合起来,形成物与物的交互;再把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来,分析这些监测数据

,形成物与人的交互,利用专家群体的优势(各类有关专家)解决生产过程中出现的问题。

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