从1.0时代到2.0时代!深度解析智能矿山机器人市场现状、面临的挑战和发展建议
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随着新一轮科技和矿山革命加速演变,新一代信息技术、大数据、人工智能与机器人技术深度融合,我国矿山智能机器人迎来跨越式发展的窗口期。本文将深度解析智能矿山机器人市场现状、面临的挑战和发展建议。
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机器人的研发、制造是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。我国有各类矿山4万余处,伴随着矿山开采深度增加、开采难度加大、安全事故频发等因素,矿山机器人在替代人工生产方面具有明显优势。
矿用机器人正成为增强企业竞争力、降低生产成本的关键,是矿山企业战略转型过程中的重要力量。随着新一轮科技和矿山革命加速演变,新一代信息技术、大数据、人工智能与机器人技术深度融合,我国矿山智能机器人迎来跨越式发展的窗口期。
矿山智能机器人发展现状
国家高度重视矿山智能机器人的研发应用,助力矿山智能化发展和保障矿山安全、高效生产,保障我国能源安全。
2019年1月,原国家煤矿安全监察局(现国家矿山安全监察局)出台煤矿机器人重点研发目录,大力推动煤矿机器人研发应用,推进煤炭工业高质量发展和安全发展,提出5类38种煤矿机器人。5类为:掘进类、采煤类、运输类、安控类、救援类。2022年,工业和信息化部发布的《“十四五”机器人产业发展规划》提出推进机器人应用场景开发和产品示范推广。2023年1月,工业和信息化部等十七部门关于印发“机器人+”应用行动实施方案的通知,我国要加快拓展新的应用领域,引导机器人产品创新,加速机器人产品推广,集聚多方资源,推动机器人创新应用。
在相关政策的大力支持下,国内企业和科研院所加大研发创新力度,矿山智能机器人关键技术攻关取得了积极进展,产业发展步伐加快,近3年5类38种机器人研发应用进展明显。截至2020年底,38种机器人应用22种,正在研发7种,空白9种,经过数据调研显示,2022年9月,5类38种机器人应用31种,正在研发6种,空白1种。目前,煤矿井下高危繁重劳动岗位机器人替代率持续增加,已在370余处煤矿应用了巡检、喷浆、钻锚、气体检测、灭火救援等机器人。
随着我国矿山智能机器人投入使用,煤矿井下减人和工效提升明显。大型煤炭企业原煤生产人员工效比2020年提升4.2%,井下作业人员从2020年的224万人减少到219万人,减幅2.2%。全国智能化煤矿杜绝了较大以上事故,百万吨死亡率0.024,不到全国平均数的50%。2020年大型煤炭企业原煤生产人员工效为:8.656t/工;2021年大型煤炭企业原煤生产人员工效为:8.786t/工。2022年末,全国大型煤炭企业原煤生产人员工效突破9.02t/工。
同时,榆家梁煤矿建成首个无人工作面,实现生产期间井下无人监护,真正实现煤机司机工作由井下转移到地面,实现在地面对井下工作面进行集中控制。无人化生产工作面效率首次超过人工割煤效率,为智能化建设树立了典范。截至2022年9月30日,全国572处煤矿建成智能化采掘工作面1019个,智能采掘工作面单班下井人数平均控制在15人以内,智能机器人应用减人成效明显。
从1.0时代到2.0时代进化
巡检类机器人1.0时代,需求12种33款巡检机器人,目前已经批量应用的巡检类机器人约有7种20款,主要应用于皮带机、变电所、回风巷道等10个场景;处于小规模试用阶段的约有3种、8款,还有2种、5款尚处于空白阶段。机器人公司当前已研发出7种、22款巡检机器人,已在韩家湾、塔拉壕等200余家煤矿现场取得应用。
辅助作业类机器人1.0时代需求21种44款辅助作业机器人,已应用约有17种38款,主要应用于主运巷道、顺槽等7个场景;机器人公司当前已研发出6种、12款辅助作业机器人,柠条塔、红柳、枣泉等煤矿开展应用,单班累计减少作业人员50%以上。
煤机机器人1.0时代共有16种需求,自动化智能化水平一直持续提升,但在姿态监测、远程通信控制、煤岩识别、状态监测与故障预判、可视化远程干预等技术上还需要机器人技术的加持与赋能,且目前还无法实现自主决策、智能控制。煤矿机器人技术1.0时代,行业内已攻克自适应喷浆、多场景自主导航等百余项技术,多方梳理了矿山机器人共性技术类别;机器人公司在智能感知、决策控制与智能执行方面,攻克了图像识别、声音识别、导航定位等关键技术共计30余项。
那么煤矿机器人2.0阶段需要完成哪些任务呢?首先是针对煤矿机器人产品分类覆盖不全、缺少分级,以及技术特征、技术架构、工艺等不规范导致的机器人认知混乱等问题,重新定义煤矿机器人;其次,针对客户、供应商以及生产商之间认知不一致,导致产业发展进展缓慢的问题,进行产品、技术、元器件、算法、任务分级;最后,针对缺少关键感知单元、核心控制单元等元器件,以及仿人化关键技术方面进展缓慢等问题,开展卡脖子技术分级梳理及攻关,进而完成产品精细化分类分级、机器人产品好用实用。
煤矿机器人的移动机构(脚)、执行机构(手)、感知系统(眼耳口鼻)的机构和功能方面已经在1.0阶段完成,2.0阶段重点要解决的是运动控制、手脚协同、自主作业、感知精度、信息调用和智能决策的问题,因此,提出具身智能煤矿机器人。
技术方面,进一步细化技术架构,面向行业的煤矿机器人通用技术架构应具备测试保证、系统融入、远端服务等8层技术架构。2.0技术体系梳理及分级应该包括本体、AI、感知技术作业单元、任务策略及仿真4个技术领域,导航、视觉、音频、三维重建等17条技术线,共计123项技术的技术体系。目前按照技术就绪度1-9级来划分,其中9项技术处于7级,39项技术处于6级,其余均为5级或以下。
面临的挑战和发展建议
通过对矿山行业智能机器人生产厂家进行调研,目前约有110家企业在从事矿山智能装备的生产和制造,总体来看呈现出龙头企业数量少,除天地玛珂、郑煤机、三一重工等大型企业外,企业整体综合能力和竞争力不足,大部分企业规模较小,成立时间短,核心技术不突出,企业间相互协同发展生态联系不紧密、信息交流和共享机制不灵活。以露天矿山无人驾驶企业为例,踏歌智行、青岛慧拓等企业仍然处在一边研发,一边拓展业务阶段,成套可应用的解决方案仍未应用,但企业发展和成长速度快,发展前景良好。
而国内知名机器人厂家新松机器人更多关注于工业机器人的研发和应用,并未给予矿山智能机器人应用研发更多关注。如何打造具有国际竞争力、生命力、规模化和可持续发展的矿山智能机器人企业,是我国矿山智能机器人面临的首要发展问题和亟待解决的问题。
因此,矿山智能机器人建设研发应用,需要强化机器人的自主研发,强化核心算法和中枢芯片的研发力度,如智能辅助决策、提升机器人灵活度、机器人稳定性和路径规划以及智能关键核心零部件和传感器等。突破机器人关键精密元器件材料,探索研究操作系统等共性技术,研发仿生感知、生机电融合、精准定位等前沿技术。
以华为和神东联合研发的矿鸿操作系统为例,逐步提升国产矿用操作系统技术。同时,要优化健全创新体制机制,推动技术研究和成果转化,建立一批矿山智能机器人技术实验室中心等,加强技术攻关,提升核心技术水平。
此外,加快矿山智能化技术装备、矿山智能机器人等相关技术规范、产品标准等制修订工作。加快推进矿山智能机器人标准体系建设工作,依托专业机构如“安标中心”或相关企事业单位,推动建立煤矿智能机器人功能标准性、性能符合性检测体系和研发技术平台,逐步形成矿山智能机器人标准制修订、咨询服务和执行监督的闭环管理体系。
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