2008年6月，一位學者在題為《無人工作面采煤機自主定位系統(tǒng)》論文中率先提出了利用慣性導航技術，并基于環(huán)境特征、路標識別和GIS技術來提高采煤機自主定位精度的設想。時隔3個月，該學者的另1篇題為《煤礦無人工作面開采技術研究》的論文在《科技導報》2008年第9期發(fā)表，論文基于“科學采礦”理念，首次指出了國內煤礦無人工作面開采的關鍵技術：采煤機自動調高、采煤機自主定位與導航系統(tǒng)、煤巖界面自動識別、井上井下雙向通信、采煤工藝智能化等。
以這2篇論文為發(fā)軔，該學者帶領團隊在智能工作面采煤機姿態(tài)高精度感知、液壓支架姿態(tài)智能感知、工作面刮板輸送機直線度光纖感知、開采環(huán)境智能感知與安全決策、智能化監(jiān)測儀器與裝備研發(fā)等方面進行科研創(chuàng)新，十四年如一日地默默耕耘，建立了煤礦智能工作面開采成套技術體系和煤礦開采光纖智能感知成套裝備與技術，并將科技成果應用服務于中煤能源集團、山西焦煤集團、華電煤業(yè)公司、晉能控股集團、山東能源集團、華陽新材料科技集團等大型礦區(qū)40余個礦井，助力礦區(qū)實現(xiàn)智能高效安全生產(chǎn)，探索出一條煤礦智能化開采的科研創(chuàng)新之路。
這名學者，就是中國礦業(yè)大學的方新秋教授。
源于興趣，智能開采求知探索路
1992—1996年，方新秋在中國礦業(yè)大學就讀采礦工程本科的同時，懷著濃厚的興趣輔修了計算機及應用專業(yè)，為后續(xù)的科研之路奠定了堅實的專業(yè)基礎。1996—2002年，方新秋又在中國礦業(yè)大學攻讀了采礦工程碩士和博士研究生。博士期間，師從我國礦業(yè)工程學科主要奠基人、中國工程院院士錢鳴高，導師的言傳身教，對方新秋有著很大的影響。他始終牢記錢鳴高院士教導“永遠不服輸、永遠不向困難低頭、永遠爭第一”的采礦精神，并在深入采煤一線學習和科研攻關的過程中敏銳地捕捉到了礦井安全高效科學開采的未來，一定是向著無人化的方向發(fā)展，而無人化開采的實現(xiàn)，最重要的核心就是控制。因此，2002年博士畢業(yè)后，方新秋又進入東南大學控制科學與工程博士后流動站開始了新的研究，合作導師為著名導航專家萬德鈞教授。在萬德鈞教授的指導下，他逐漸打開了研究思路：圍繞煤炭工業(yè)轉型升級發(fā)展的需求，通過采掘環(huán)境的智能感知、采掘裝備的智能調控、采掘作業(yè)的自主巡航等功能和技術的實現(xiàn)，由采掘裝備獨立完成回采作業(yè)過程，著力研發(fā)新一代礦井智能感知技術與裝備，尤其是慣性導航技術和光纖光柵傳感技術，以實現(xiàn)智能、無人開采。
2004年8月，博士后出站后，方新秋回到了中國礦業(yè)大學工作，一邊做著采礦、礦山壓力與巖層控制方面的教學與科研工作，一邊堅持著對煤礦智能化、無人化開采的研究和探索?；?ldquo;科學采礦”理念，他意識到“采礦生產(chǎn)力水平越高，對安全生產(chǎn)狀況的要求就越高，要解決困擾產(chǎn)業(yè)發(fā)展的安全問題，本質是要少人甚至無人開采;而通往無人開采的必經(jīng)之路，便是先從機械化到自動化，再到智能化”。面對當時國內外礦山智能化開采研究水平較低、參考文獻較少的現(xiàn)狀，方新秋帶領團隊自力更生、自主創(chuàng)新，沒有現(xiàn)成的模型，便帶領著研究生自己建模、推導、驗證;沒有實例可循，便積極與礦山企業(yè)、設備廠家溝通，在煤礦井下開展現(xiàn)場工業(yè)性試驗。在拳拳不變的初心和求知若渴的探索下，團隊碩果累累，一篇篇論文、一項項專利駢興錯出，從智能工作面采煤機姿態(tài)高精度感知、液壓支架姿態(tài)感知、刮板輸送機直線度光纖感知、開采環(huán)境智能感知與安全決策、智能化監(jiān)測儀器與裝備研發(fā)等方面探索出一條煤礦智能化開采的科研創(chuàng)新之路。
02
科技參謀，助力邊疆礦山開發(fā)
2009年11月，方新秋作為中組部選派的“第十批博士服務團”成員赴疆工作，受到了時任中央組織部部長的李源潮同志的親切接見。在新疆服務期間，方新秋任新疆生產(chǎn)建設兵團農一師阿拉爾統(tǒng)眾國有資產(chǎn)經(jīng)營有限責任公司(以下簡稱任職公司)副總經(jīng)理，充分發(fā)揮自身在礦業(yè)領域的專業(yè)優(yōu)勢，經(jīng)常深入礦山生產(chǎn)一線，奔波在哈密、庫爾勒、拜城和庫車等地區(qū)戈壁灘、沙漠及山溝進行實地察看。在師市推進新型工業(yè)化建設，加速推進優(yōu)勢資源轉化的總體部署下，他積極參與師市工業(yè)發(fā)展的能源、科技等領域，充分發(fā)揮科技參謀作用，對新疆生產(chǎn)建設兵團農一師的發(fā)展建設做出了積極貢獻。
在師市礦業(yè)資源收購整合工作中積極獻言獻策，成功收購了庫車縣榆樹泉煤炭有限責任公司和庫車縣榆樹嶺煤礦有限責任公司兩大煤礦，使農一師的工業(yè)發(fā)展有了保障;通過與外省優(yōu)秀礦企合作，幫助塔河礦業(yè)公司下屬小煤礦提升了煤礦產(chǎn)能;完成了新疆塔里木盆地資源狀況及農一師礦產(chǎn)資源規(guī)劃利用建議科研項目;利用自身專業(yè)和學校優(yōu)勢，發(fā)揮橋梁紐帶作用，在兵團干部培訓學院舉辦煤炭工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及科學采礦的專題講座，在師黨校為全師連隊干部舉辦了加快推進師市新型工業(yè)化建設的專題講座，并經(jīng)常在公司內部開展專業(yè)技術講座，擴寬了兵團技術人員的視野，強化了專業(yè)知識;此外，方新秋還與其他援疆干部一道，積極開展扶貧濟困、捐資助學等各類活動。
援疆期間，方新秋嚴格按照博士服務團“科技參謀、橋梁紐帶、人才培養(yǎng)”的要求，出色地完成了師黨委和任職公司交辦的各項任務，為師市工業(yè)和任職公司的發(fā)展做出了顯著貢獻，并榮獲新疆生產(chǎn)建設兵團三等功獎勵。服務期滿，方新秋婉拒了農一師主要領導對他提出的從政建議，回到了自己鐘愛的高校教學科研工作中，并被中國礦業(yè)大學評為“十佳共產(chǎn)黨員”。在中國礦業(yè)大學專門為他召開的“礦業(yè)學院方新秋博士援疆回校座談會”上，回首援疆經(jīng)歷，他感慨道：“新疆生產(chǎn)建設兵團本身就是一部奮斗史，條件十分艱苦，許多人是奉獻了青春、奉獻了終生、奉獻了子孫;新疆缺少的不是資金扶持，而是缺少專業(yè)人才，只有將屯工戍邊轉化為屯城戍邊，搞活工業(yè)，才能吸引人才”。
03
深耕科研，智能開采累結碩果
“方新秋博士多年來一直從事采礦教學與科研工作，長期致力于智能化、無人化安全開采技術研究與實踐，在國內外率先建立了智能工作面系統(tǒng)工程模型，經(jīng)過多年的集成創(chuàng)新與應用探索，將傳統(tǒng)煤炭開采科學技術與現(xiàn)代信息技術深度融合，在開采環(huán)境智能感知、采場空間災害監(jiān)測預警等方面進行了深入研究。” 中國工程院袁亮院士在方新秋的專著《采場三機姿態(tài)智能感知理論與實踐》序言中寫下如此評價。自2008年發(fā)表第1篇智能化開采方面的論文以來，方新秋一直致力于煤礦智能化開采、礦山開采智能感知與決策方面的研究，逐步形成了“跨學科-組團隊-強聯(lián)合”的團隊發(fā)展思路，組建了“學術帶頭人—骨干成員—一般成員”梯隊結構的安全智能開采教學科研創(chuàng)新團隊，專業(yè)涉及采礦工程、機械工程、通信及信息處理、測控技術與儀器、計算機科學與技術、智能控制、光纖通信等學科背景，具有扎實的理論基礎和多年從事科研工作的實踐經(jīng)驗，成果豐碩。
在錢鳴高院士的指導下，方新秋教授團隊首次提出了“以智能工作面首采保護層，多維時空抽采鄰近層卸壓瓦斯”的核心理念，攻克了高瓦斯煤層群安全智能開采關鍵技術難題，并在華晉焦煤有限責任公司沙曲煤礦得到成功應用，相關轉化成果獲得了我國工業(yè)領域最高獎——中國工業(yè)大獎。同時，跟隨錢鳴高院士“科學采礦”理念的指引，沿著智能化開采之路，“長壁工作面采煤機自主定位系統(tǒng)關鍵技術研究”“薄煤層開采關鍵技術與裝備”“基于光纖捷聯(lián)慣導的長壁工作面采煤機運行姿態(tài)感知研究”等國家級項目陸續(xù)完成或開展，并被總結為獨具特色的智能工作面開采成套技術體系和煤礦開采光纖智能感知成套裝備與技術。
1)智能工作面開采成套技術體系。智能工作面開采技術是智能開采的關鍵組成部分，針對當前智能開采的技術瓶頸，方新秋教授團隊對工作面“三機”姿態(tài)的智能感知技術進行了深入研究，首次構建了智能工作面開采成套技術體系。開發(fā)了智能工作面采煤機自主定位技術與系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)誤差補償模型，研發(fā)了導航降誤與系統(tǒng)誤差處理技術，提高了采煤機定位精度;構建了采煤機動力學模型與自動移架約束模型，實現(xiàn)了采煤機姿態(tài)的實時檢測與支架的自動化跟機;基于液壓支架運動學原理，建立了液壓支架姿態(tài)感知理論與技術體系，結合液壓支架頂梁回轉角、支架姿態(tài)與工作阻力關系、支架圍巖耦合關系，以及支架穩(wěn)定性特征，明確了液壓支架姿態(tài)感知指標體系及安全范圍，借助神經(jīng)網(wǎng)絡與多傳感融合算法，實現(xiàn)了支架姿態(tài)對頂板運動狀態(tài)、礦壓強度、支架穩(wěn)定性、支架關鍵結構工況等實時監(jiān)測;采用回采巷道集中控制技術實現(xiàn)了智能工作面安全高效開采。
2)煤礦開采光纖智能感知成套裝備與技術。智能感知是智能化開采的關鍵技術之一，針對煤礦開采智能感知水平低、傳感器種類少等技術問題，充分結合光纖光柵智能感知技術的先進性，通過分析FBG感知原理，揭示了應變場對光纖光柵反射波長的光譜分布規(guī)律，分析了均勻/非均勻應變場對光纖光柵反射光譜的變化規(guī)律，試驗驗證了均勻/非均勻應變場對光纖光柵的傳感響應特征，實現(xiàn)了多特征參量動態(tài)應變函數(shù)光纖光柵目標光譜重構，建立了光纖光柵-基體應變感知傳遞理論及感知模型，構建了工作面開采環(huán)境智能感知系統(tǒng)，創(chuàng)新了巷道圍巖狀態(tài)信息智能感知技術，開發(fā)了煤礦開采環(huán)境光纖智能感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件;基于光纖光柵曲率傳感原理，首次設計并研發(fā)了光纖光柵三維曲率傳感器，提出了刮板輸送機三維彎曲形態(tài)擬合感知與重構方法，建立了刮板輸送機三維彎曲測試實驗平臺，構建了工作面刮板輸送機直線度感知系統(tǒng)模型，提出了工作面刮板輸送機直線度光纖感知技術，實現(xiàn)了刮板輸送機三維彎曲形態(tài)的實時感知，為刮板輸送機直線度的精準控制奠定了基礎。構建了基于光纖智能感知的智能工作面多參量精準感知與安全決策技術體系，實現(xiàn)了開采環(huán)境信息及裝備姿態(tài)的全面感知，形成了煤礦開采光纖智能感知成套裝備與技術。
方新秋教授及其團隊研發(fā)的《基于支持向量機的礦井光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)缺失數(shù)據(jù)補償方法》《基于光纖光柵傳感的支架運行姿態(tài)在線監(jiān)測方法》《基于光纖光柵傳感器的煤礦井下安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)》等專利技術廣泛應用于煤礦井下的數(shù)據(jù)監(jiān)測采集，其他多項發(fā)明獲俄羅斯、澳大利亞等國家的國際專利授權。
04
傳道授業(yè)，培養(yǎng)礦業(yè)科技人才
方新秋教授主講《智慧礦山》《智能化開采》《開采環(huán)境智能感知》《智能采礦概論》《采礦學》《資源開發(fā)與規(guī)劃》《非煤開采技術》等本科生與研究生課程;主編的《開采環(huán)境智能感知》《智能采礦導論》等教材引領了《普通高等學校智能采礦工程專業(yè)系列教材》，《采場三機姿態(tài)智能感知理論與實踐》《巷道圍巖智能感知理論與實踐》等專著是很多從事智能開采方向科技工作者的案頭書。近幾年，煤礦智能化開采、無人化開采等概念逐漸被煤炭行業(yè)熟知并成為煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的技術共識，而早在2008年，方新秋教授就已在采礦工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中增設了“無人開采技術”專業(yè)選修課(《“無人開采技術”專業(yè)選修課設置探討》文中可詳細了解)，使學生了解最前沿的采煤技術。
方新秋教授在國家礦山安全監(jiān)察局、應急管理部培訓中心、中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中國煤炭學會、國家能源集團、中煤能源集團、山東能源集團、山西焦煤集團、陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司、云南煤化集團、浙江大學、上海交通大學等政府部門、企事業(yè)單位和高等院校進行了數(shù)十場智能化開采的講座，積極普及推廣智能化開采思想與技術。
“一方新知，三秋桃李”，這是畢業(yè)學生鐫刻在送給方新秋教授的鋼筆上的文字。方新秋教授已培養(yǎng)碩士博士70余名，多數(shù)仍在礦業(yè)高校、科研院所、煤礦企業(yè)從事礦山開采相關工作，他們對方新秋教授嚴以治學、勤以修身、誠以做事、寬以待人的言傳身教銘記于心，并外化于行，很多都已擔任科研院所所長、煤礦總工程師、高校老師等。方老師和學生相處時真誠寬容，經(jīng)常與課題組學生就具體的學術或工作問題展開討論、激發(fā)思維，這種團隊氛圍也一直影響著學生們在工作中不斷提升自己的工作作風。
05
牢記初心，智能開采科研腳步不息
智能開采光明，這是方新秋教授的網(wǎng)名，也是他對煤炭行業(yè)未來發(fā)展的期待。目前，智能開采和智能感知技術雖已取得系列成果，但距離真正實現(xiàn)智能化、無人化開采仍有很大差距。如何利用多傳感器信息與大數(shù)據(jù)深度融合，重點挖掘有效信息;如何加快感知與決策系統(tǒng)的可視化、智能化，實現(xiàn)礦井安全協(xié)同、決策管控的一體化;如何實現(xiàn)“人-機-環(huán)-管” 一體化感知、分析、決策、控制、管理等諸多科技難題仍待深入研究解決。攻關智能開采關鍵技術，服務煤礦智能安全高效發(fā)展，是方新秋教授及其團隊致力于采礦領域上下求索的初心和使命，也是礦山科研工作者的共同目標!
