前沿课题——大型矿山机械装备网络化科学问题

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四、大型矿山机械装备网络化科学问题

问题概述：

1. 大型矿山机械装备网络化科学问题产生背景及最新研究进展
资源开采是人类在地下进行的生产活动。矿山地质条件复杂多变，为创建适于设备运行与人员工作的安全可靠的开采环境，井下需同时运行矿井地质、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、地面设施等多达90多个子系统，这些子系统共同形成了一个大规模复杂运行体系。依据钱学森先生的“一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论”，矿井生产系统就是一个典型的开放的复杂巨系统。
     当前，由于探测感知、信息传输、以及矿山开采的动态复杂性，这一系统的运行难以做到有效监测监控，一直处于信息不透明、行为不确定、系统不关联的状态，造成了矿山生产预测难、监控难、效率低、安全事故多等问题。因此，如何实现这个系统大规模、多层次、非线性的时间、空间信息沟通及耦合，并以此支撑资源的安全、高效开采活动成为了矿山工程领域发展过程中面临的科学难题。
    科学的矿山机械装备网络化可有效解决上述难题。矿山生产系统的各个子系统就像人体的器官，矿山机械装备网络化就是要建立全身的神经网络系统，全面感知系统状态、传递设备运行信息。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。矿山机械装备网络化要利用现代的传感技术、通信技术和信息处理技术，实现对设备当前状况以及未来变化趋势的全面反映。
在这方面，已经有许多从定性到定量、以及综合集成方法的研究，包括矿山物联网的监测监控系统，对矿山的机械、电子设备工作健康状况进行感知，实现设备的预知维修；将科学理论、经验知识和专家判断力相结合，实现设备的故障诊断和健康管理；开发了初级的多系统数字矿山系统，实现矿山开采设备的网络化管控、协调联动及远程遥控，推动矿山生产向自动化、信息化、智能化的智慧型矿山迈进。然而，目前对于矿山开采设备网络化的基本架构、数据特征、拓扑类型、层次结构等基本科学问题还缺乏深入的研究。

2. 未来面临的关键难点、挑战
    矿山开采设备网络化以覆盖全矿山机电设备的感知设备及控制器为信息节点，以有线、无线传输为介质的工业以太网为信息传输通道，以设备运行参数的主动感知、状态的评估预测、设备行为的协同联控、故障的诊断处理等为技术手段，实现对所有矿山设备的实时掌控。
    矿山开采设备网络化面临的关键难题是矿山环境动态、多因素、非线性变化影响下的机电产品静动态特性及健康状态演化规律，这直接影响着设备网络连接的拓扑结构、数据表征及智能分析模型的构建。此外，矿山装备健康状态的表征与度量、系统级的故障诊断与健康评估模型、健康状态的智能维修决策方法等相关基础理论问题也都迫切需要解决。
重要意义：
    随着矿产资源开发不断向深部发展，开采环境愈发复杂，需要需要运行的装备也越来越多，设备间的协同运行要求越来越高，保障系统安全、可靠、连续运行的难度也越来越大。因而，矿山装备的网络化、智能化程度是有效满足上述要求的根本保障。
大型矿山装备作为矿山生产的基础，其高可靠性运行是保证全矿安全高效生产的必要条件。科学有效的矿山装备综合管理可以对设备的生产、运行状况进行及时、正确的做出评估和预报，能够根据运行情况对设备进行实时调度，避免设备长时间处于亚健康运行状态，从而大大提高了设备可靠性，避免不必要的停机，延长设备使用寿命和降低维修费用，有效提高煤矿的生产效率和水平。
大型矿山机械装备网络化相关基本理论有望在复杂巨系统的研究过程中衍生出新的理论方法和模型，并带动智能传感器、物联网、大数据、协同控制等技术集成创新，大幅提升资源开采的效率、安全和绿色化水平，从而有效推进未来更高水平的矿山开采理论体系建设。

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