创新点：
（1）基于三元空间融合理论（HPC），以第二生产空间为视角，阐释了煤矿智能化开采协同控制理论，明确了智能化开采的基本特征，提出了智能化开采协同控制原理，分析了多智能体特性与数据驱动的协同控制策略，实现煤矿智能化开采高效协同控制与资源优化配置。
（2）揭示了环境感知预处理、工艺规则自决策、装备群组自组织三者互馈耦合的智能开采协同控制机理，研究了智能化开采协同控制关键技术，实现对多元环境感知融合分析、多模态工艺自匹配与作业精准控制及采煤装备自组织多目标协同控制。
（3）运用上述理论技术，陕煤黄陵矿业和陕西延长矿业实现了基于多目标高效协同控制的智能化开采。黄陵矿业煤矿开采达到井下“无人开采”创新性突破。延长矿业基于5G技术实现了“破-装-运-支-处”一体化集约控制开采。
研究背景：
煤炭是我国能源体系的“稳定器”和“压舱石”，然而我国煤炭开采的危险性、环境的恶劣性，决定了煤炭行业面临“高危作业、效率瓶颈、生态约束”等多种困境，煤炭开采对机器替代人有天然需求。随着以“智能+”为特征的第4次工业革命的到来，以人工智能为核心的智能矿山建设已经成为新一轮煤炭行业科技革命和产业变革的核心驱动力，必将深刻改变矿山企业的安全生产方式，改变经营管理模式。为此，作为煤矿智能化的核心环节“煤炭开采”，需要充分融合现代信息技术与采煤工程实践，构建智能化开采协同控制原理，实现煤矿采煤作业精准控制、高效协同与最优资源配置。
随着5G、大数据、云计算和人工智能等新一代技术的快速发展，极大促进了煤炭科技的迭代升级，高度集成的科技应用与创新策略的融合已成为煤矿智能化开采发展的必然趋势，其中以采煤方法和采煤装备的进步尤为突出。我国智能化开采历经了从初级阶段的可视化远程干预，到中高级阶段的工作面自动找直、规划截割，直至装备机器人化。而数据融合感知与多智能体协同控制技术，已成为下一阶段煤矿智能化发展亟需攻克的难题。数据融合感知是指充分利用多源传感器资源，通过统计分析和信息论等方法对多源传感器信息进行合理支配和使用，将多源传感器在时间和空间上的冗余或互补信息进行组合，从而获得被观测对象的一致性解释或描述，现阶段主要涉及的方法有最小二乘法、贝叶斯理论、D-S、聚类分析及神经网络等。对于多智能体协同控制而言，多智能强化学习技术是其关键，传统马尔科夫强化学习只能解决单智能的强化学习问题，随着人工智能的发展，马尔科夫博弈被提出用于多智能体决策数学模型，同时多智能体强化学习也衍生出不同分支，如安全多智能体强化学习、多元智能体强化学习等。然而目前依然存在“智而不能、能而不智”的现状，平台有核心算法等智能技术，但缺乏实际应用落地能力，井下设备无法高效实时管控(智而不能)；装备有远程控制执行能力，但部分缺乏智能决策(能而不智)，从而抑制技术到系统能力的跃迁。只有实现技术与场景的深度耦合，让“智”与“能”互为支撑，才能突破“有智能无能力”或“有能力无智能”的困境。
针对当前智能化开采中作业环境感知不足、智能装备适应性差、协同作业能力有限等难题，笔者从人与煤空间关系出发，融合信息空间，提出了煤矿智能化三元空间融合理论(HPC)。以第二生产空间为视角，明确了智能化开采的基本特征，系统性构建了智能化开采协同控制原理，分析了多智能体特性以及包含任务分配、路径规划、资源优化3方面的多智能体协同控制策略。深入剖析了智能化开采协同控制的“环境预感知−工艺自匹配−装备自组织”等关键技术，并以黄陵矿区工作面智能化综采和延长矿业基于5G技术的智能开采协同控制为例进行了工程实践。该成果旨在通过各智能体间高效协作，克服传统孤立离散系统的局限，促进生产要素在三元空间的动态融合与持续优化，实现采煤作业的一体化智能管控，提升整个采煤过程的安全性与效率，为智能化开采存在的问题提供一种可借鉴的解决方案和理论支撑。
摘要：
针对煤矿智能化开采中作业环境感知不足、智能装备适应性较差、协同作业能力有限等导致的“智”与“能”无法相互支撑，存在“智而不能，能而不智”的难题，深入探讨了煤矿智能化开采协同控制理论与技术应用。基于三元空间融合理论(HPC)，以第二生产空间为视角，明确了智能化开采的基本特征，构建了智能化开采协同控制原理，分析了多智能体特性，明晰了包含任务分配、路径规划、资源优化3方面的数据驱动多智能体协同控制策略；深入剖析了智能化开采协同控制的“环境预感知−工艺自匹配−装备自组织”等关键技术，具体涉及基于图神经网络算法的多元环境感知融合分析技术、基于自组织映射算法的作业自匹配与精准控制技术、基于大规模图计算的采煤装备自组织多目标协同控制技术，实现了对环境、工艺及装备的多元感知融合、作业参数自适应调整、作业匹配智能决策与作业单元智能精准控制，确保了采煤活动的高效连通及作业环境的自适应。相关技术在黄陵矿区工作面智能化综采和延长矿业巴拉素煤矿基于5G技术的智能化开采中进行了工程实践，显著提升了采煤作业的智能化水平，优化了资源配置，突破了“远程控、自动采、有人巡、无人守”的智能生产模式，为煤矿智能化开采协同控制提供了理论指导与实践参考。
作者简介：
范京道，1965年7月生，河南理工大学西安科创中心主任，教授，博士生导师，国家矿山安全技术创新中心副主任，应急管理部煤矿智能化开采技术创新中心主任，煤矿智能化创新联盟副理事长，国家能源局首批煤矿智能化专家，陕西省“三秦学者”特聘专家；荣获全国创新争先奖、孙越崎能源大奖、国务院特殊津贴专家、陕西省及煤炭行业最美科技工作者等荣誉。因推动“我国煤炭工业进入一个新的阶段”的开拓性贡献，被《人民日报》以《研发新技术，采煤不下井》弘扬科学家精神专栏报道。
煤矿智能化开采协同控制理论与关键技术研究及应用
作者：范京道, 闫振国, 李川, 黄玉鑫, 杨明, 黄克军, 宋岳
单位：1. 河南理工大学 郑州高等研究院; 2. 应急管理部 煤矿智能化开采技术创新中心; 3. 西安科技大学 安全科学与工程学院; 4. 煤矿灾害防治教育部重点实验室; 5. 陕西延长石油靖边煤业公司
