英飞智信：大宗散货物料智能采制化机器人群关键技术与工程示范

2025年11月18日 16:54 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

摘要

针对煤炭、矿石、粮食等大宗散货物料质量检测存在效率低、误差大、数据失真等行业痛点，提出并研制了采-制-化-存-传-控的全流程智能机器人群系统。以工业物联网+5G+边缘计算+区块链为底座，首创单点智能→集群智能→无人化车间的技术路径，攻克了多物料自适应采制化工艺、大规模机器人集群协同、区块链数据保真、全生命周期故障预测、全工序国标合标的成套技术体系。示范工程运行结果表明:单套系统年检测量可达1 500 万t，检测误差≤0.5%，数据可追溯率100%，吨煤质检成本下降48%，CO₂年减排3.6 万t，达到国家能源局智能选煤厂“一级”标准。相关技术成果已推广至国家能源集团、陕煤集团、焦煤集团、淮北矿业等20 余家单位，社会经济效益显著，可为我国煤炭清洁高效利用与智能化转型提供成套技术范式。

该成果在煤炭清洁高效利用智能化成果发布暨选煤厂智能化建设论坛上进行了发布点击此处链接查看详情

文章来源：《智能矿山》2025年第10期“煤炭清洁高效利用智能化先进成果专栏”

第一作者：薛梅，现任英飞智信（北京）科技有限公司经理，主要从事煤矿智能化与机器人技术，以及矿山采-选-运-销全过程智能调度、协同优化与经济效益评价的相关研究工作。E-mail：xuemei@leonzx.com

作者单位：英飞智信（北京）科技有限公司

引用格式：薛梅，连进京，罗陨飞.大宗散货物料智能采制化机器人群关键技术与工程示范[J].智能矿山，2025，6(10)：79-86.

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大宗散货物料（煤炭、矿石、粮食等）的质量检测是工业生产过程中的关键环节，直接影响产品质量、经济效益和贸易公平。据统计，我国年煤炭检测量超过100亿t，矿石检测量约50亿t，粮食检测量超过6亿t。然而，传统的人工检测方式存在以下4个方面的局限。

（1）效率低下：单班次最大检测量不足20批次。

（2）误差率高：平均误差达10%，远超国际标准要求。

（3）数据可信度差：纸质记录导致数据可追溯性不足60%。

（4）存在安全隐患：重体力劳动和恶劣环境威胁工人健康。

在煤炭清洁高效利用背景下，亟需开发高精度、高效率、全溯源的新型智能检测技术来突破行业瓶颈。基于此，笔者提出了智能化、信息化、标准化的“三化融合”技术路径，构建了单点智能→集群智能→无人化车间的全流程解决方案，研制了面向多物料、多参数、复杂工况的大宗散货物料智能采制化机器人群，并在陕西陕煤黄陵矿业有限公司（简称陕煤黄陵矿业）建成了国内首个无人化煤炭质检车间。

全流程智能采制化机器人群系统设计原则

全流程智能采制化机器人群系统的设计原则以“全流程无人化、高兼容、高可靠、全合标”为核心，在系统科学视角下被抽象为1套可演化的4层控制论框架，贯穿需求分析、体系架构、硬件实现、软件定义、运维治理的全生命周期。

（1）在无人化维度

全流程智能采制化机器人群系统基于感知-决策-执行-管理闭环，通过自感知、自决策、自执行的机器人单体与5G-TSN亚毫秒级确定性网络耦合，构建端到端闭环控制体系，使采样、制样、化验、存查、传输、管理6个环节实现零人工干预；在极端工况（输送带瞬时跑偏、煤堆自燃、暴雨突袭等）下，系统可在30 s内无缝切换至远程专家接管模式，确保作业连续性与数据完整性。

（2）在高兼容维度

系统以统一软硬件底座为通用计算单元，通过模块化快换接口、可重构工艺库及自适应AI算法，实现对粒径0～300 mm、水分≤30%的煤、矿、粮全谱系物料的柔性适配，满足多场景、多品种、多批次柔性生产需求。

（3）在高可靠维度

系统采用+1冗余设计（控制器、伺服电机、传感器、网络链路），实现7×24 h连续运行、故障恢复时间≤5 min、极端环境（-30~+50 ℃、粉尘10 mg/m³）无降额运行，可用性≥99.8%；通过数字孪生实时映射与自愈算法，实现设备级、链路级、系统级三重容错。

（4）在全合标维度

系统将GB/T 475/474/212/213/214、ISO13909/18283、ASTMD7430/3173/3174/3175等现行及未来可扩展仲裁标准嵌入底层规则引擎，支持在线热插拔版本升级，停机时间<2 min；并通过标准热插拔机制，实现法规、标准、工艺同步演进，确保系统在技术、商业与法规三维坐标系内可持续演进，为亿吨级散货场景提供无人化、绿色化、可信化的“硬核底座”。

全流程智能采制化机器人群系统总体架构

以感知-决策-执行-管理的四级闭环架构贯通物理与数字世界，全流程智能采制化机器人群系统架构如图1所示。

图1 全流程智能采制化机器人群系统架构

（1）在感知层，多自由度机械臂与力觉、视觉、激光光谱、温湿度、气体等多维传感器阵列实时捕捉粒度、水分、成分、环境与位姿信息，数据经TSN网络汇聚至决策层。

（2）在决策层，由边缘节点和云端AI平台协同构成，内置区块链存证模块，在毫秒级完成数据清洗、特征融合、质量预测及任务调度，并生成不可篡改的哈希链。

（3）在执行层，采样机器人ZX-ISS、制样机器人ZX-IPS、化验机器人ZX-ITS及自动存查样库、气动/轨道复合传输系统按动态节拍联动，实现0～300 mm粒度、≤30%水分物料的全流程无人化作业。

（4）在管理层，以数字孪生为核心，将设备状态、质量数据、环境参数实时映射到三维虚拟车间，支持一键启停、AR远程巡检、剩余寿命预测和故障自愈，形成从现场传感、边缘智能、机器人执行到云端治理的完整技术闭环。

全流程智能采制化机器人群系统组成

系统以机器人及智能生产线为执行载体，实现质检样品的采集、制备、分样、存储、测试、数据分析、控制等环节无人值守、全自动运行。建成集智能化、信息化、标准化的“三化”融合的质量检验数字化车间，排除人为干扰，减少误差，降低企业人力成本和经济成本，提升煤炭检验工作质量及效率，最终实现煤炭等大宗散货物料质量有效调控及监管。系统由数字孪生系统、ZX ISS 采样机器人系列、ZX IPS 制样机器人成套装备、ZX ITS 化验机器人成套装备、在线检测系统、样品自动传输及智能存查样系统、信息化管控系统组成，全流程智能采制化机器人群系统技术路线如图2所示。

图2 全流程智能采制化机器人群系统技术路线

3.1 数字孪生系统

通过5G网络实时传输设备状态和检测数据，配合边缘计算节点进行本地化处理，再将关键数据上传至云端分析平台。边缘+云端的混合架构确保了数据实时性，降低了网络带宽需求。为保障数据真实性，系统采用区块链技术对关键检测数据进行存证，建立了不可篡改的数据链条。每个检测环节的操作记录、设备参数和环境数据都被完整保存，实现了检测过程的全生命周期追溯。此为行业内首创，为建立可信的质量数据体系奠定了坚实基础，全流程智能采制化机器人群数字孪生系统如图3所示。

图3 全流程智能采制化机器人群数字孪生系统

3.2 ZX ISS 采样机器人系列

采样机器人系统可全天候连续运转，实现样品采集功能，完全替代人工作业，提高了采制样效率及样品代表性，实现智能判断、动态采样、自动制样、无人值守。系统采用无输送带全密封采制一体化设计方案，拥有储给料仓、立式连续多级无筛板破碎、全煤流全断面切割定质量缩分、样品智能集样及密码封存等专利技术，解决了以往设备使用中长期存在的漏、粘、堵煤及残留等问题。采样方式按应用场景不同，分为汽车采样、火车采样、输送带采样、机器人/机械臂采样、移动采样等，采样机器人系列如图4所示。

图4 采样机器人系列

3.3 ZX IPS 制样机器人成套装备

制样机器人成套装备以先进的机器人技术、智能控制技术和信息化技术作为执行载体，完成样品识别感知、制备、转运、称量、封装、写码、存储等流程，输出满足国家标准要求的多批次各级样品；实现自感知、自判断、自适应、自执行的完全智能制样系统。系统解决了样品特性智能预判，自动调节制样参数，自主优化制样流程等问题，实现了全流程的智能化运行，支持了多参数多条件的检验需求。机器人制样系统可与智能采样系统、智能测试系统和信息化管理系统等组合、对接，共同构成数字化、智能化、标准化检验检测中心，制样机器人成套装备如图5所示。

图5 制样机器人成套装备

3.4 ZX ITS 化验机器人成套装备

化验机器人成套设备的目标是将煤炭的工业分析、全水、硫分、发热量等常规检测项目所有设备智能化集成，并处于长期无间断工作状态，工作环境苛刻，因此所用自动化设备和智能管理系统需要满足国家标准要求中的仲裁法规定，以苛刻的实验条件和精确的实验结果消除供需双方之间的产业纠纷。

系统通过工业机器人及智能控制技术，实现煤炭化验全过程的智能化升级，结合目前国内技术成熟的煤质检测设备（电子天平、烘箱、马弗炉、氧弹量热仪、库仑定硫等），实现煤的工业分析（水分、灰分、挥发分）、发热量、全硫等煤质检测项目从样品自动称量、样品检测，到弃样（料）回收、器皿清扫等环节全自动连续操作、无人值守。

系统整体包括智能称量、智能取样及分样、煤的水分、灰分、挥发分、全硫、发热量等指标测试。各个称量及测试单元符合GB/T211、GB/T212、GB/T213、GB214、GB/T476等标准要求的称量范围及计算过程，运行安全、稳定、高效，可实现煤炭测试全过程智能化无人值守。整个测试过程安全可靠不需要人为干预，可提高工作效率、降低人工劳动强度，实现全过程数据不落地，确保数据的真实有效，化验机器人成套装备如图6所示。

图6 化验机器人成套装备

3.5 在线检测系统

在线检测系统适用于煤矿、选煤、铁矿、水泥、焦化等行业的光机电一体化智能检测设备，能够方便、快速地提供所需的工业分析指标（如煤炭的发热量、全硫、水分、灰分、挥发分；铁矿的全铁含量、酸碱度等），用以取代低效、繁多的传统化验仪器，此测试方法符合国标要求，是煤炭等固体矿物在线检测行业的一次重大技术变革。可自动完成样品的检测、存查和数据的自动报出，实现煤炭等固体矿物的智能在线检测及无人化检验实验室建设，在线检测系统如图7所示。

图7 在线检测系统

3.6 样品自动传输及智能存查样系统

样品自动传输系统由风机动力单元、风向切换器、中转站、缓冲组件、管道换向器、收发站、中央控制中心、传输管道及附属支撑等组成。在系统控制器的控制下，实现样品在采样楼、全自动制样室、全自动存样柜、废瓶弃样等多个站点之间相互传送，单根管道单向/双向输送。高效安全，传输速度快，噪音低，也可实现较长距离输送。

智能存查样系统由智能存样柜、中央管理机、动力风机单元、全自动存样工作站、全自动取（弃）样工作站、传输管道和转换器组成。智能存样柜用于集中存储煤样瓶，瓶容量可根据项目需要进行扩展，可以自动将瓶存入和取出到柜出口位置，再经传输系统传出，通过信息化管理系统的自动控制完成自动传输、定位、提取、弃样等功能。整个系统保证人-样分离，无人工干预，杜绝人为换样风险。全流程可查，实现真正的无人值守。

3.7 信息化管控系统

智能化管控系统及煤质信息系统以物料检验检测相关业务需求为原则，集流程管理、资源管理、数据自动化采集、数据统计分析、体系管理、编码管理和安全管理等7个功能模块为一体，可对煤炭产品质量数据及管理数据进行采集、记录、报告、存储、传输、检索等处理，涵盖了物料采样、制样等全部过程。

通过该系统可实现对采制化现场及实验室资源的全面管控，建立基于工业物联网通信规范的设备信息化模型，实现各环节信息及数据的写入、读取和实时交换；所有过程数据不落地，自动采集、汇总、分析、处理，数据可溯源，采制化全过程实现在线实时监控，避免人为干扰。系统主要采用B/C/S模式设计，与用户交互数据采用人机界面友好的 B/S 模式。仪器设备数据采集采用数据安全系数较高的C/S端。设备层直接与C/S采用串口、数据库等多型的数据对接方式进行对接。

系统通过5G网络、边缘计算与区块链技术，实现数据的实时采集、高效处理与安全存储，确保数据的完整性和可追溯性。系统集成与优化确保各子系统信息无缝交互和设备协同运行，具备自适应学习和自我优化能力，以适应不同检测需求和工作环境。完善的系统监控与维护体系保障设备长期稳定运行，信息化管控系统组成如图8所示。

图8 信息化管控系统组成

关键技术与创新点

（1）基于多元数据学习的数字化集群控制技术

提出“物理-工艺-环境”多源数据融合模型，采用CNN+强化学习预测煤质灰分、硫分等关键指标，预测误差≤0.3%。通过数字孪生实现机器人任务动态调度，集群利用率≥95%。

（2）多物料自适应采制化工艺

针对0～300 mm 粒度、≤30%水分煤样，开发立式无筛板连续破碎+动态流态化研磨+智能恒温烘干组合工艺，攻克高水分、高粘性物料堵粘难题，制样合格率由人工80%提升至99%。

（3）模块化并联机器人系统

采用热插拔模块化设计，采样/制样/化验单元可独立维护；基于5G的并联控制算法实现多机器人协同，可用性≥99.99%。

（4）全流程区块链数据保真

首次将区块链引入煤炭质检，关键数据上链存证，实现数据不落地、过程不干预、数据不失真，满足国际贸易质量互认需求。

示范工程应用

陕煤黄陵矿业通过煤质智能检验中心及成套装备建设，实现了原煤、精煤、各级中间产品全过程质量管控，达到国家能源局智能选煤厂“一级”验收标准。助力陕煤黄陵矿业《智能化洗煤厂及采制化机器人系统应用》荣获“2022 年全国煤矿智能化重大进展”奖。项目涵盖煤质激光在线检测、采样、制样、样品存储及传输、化验、煤质检测信息化管理系统、视频门禁系统以及煤炭质量检验数字化车间土建和水电气暖等配套设施。

项目是国内首套煤炭生产过程质量管控和商品煤质管控的“双管”项目，全流程智能化、无人化。煤质激光在线检测为选煤厂生产过程的洗选方案优化调整提供及时、可靠、准确的科学数据；采制化运存组合方案提升原有检测装备水平，改善员工劳动强度及工作环境。“双管”项目实现了数据不落地、过程不干预、数据不失真，为企业生产、经营提供真实可靠的决策依据，形成了可复制、可推广的黄陵模式，为煤矿智能化建设提供了实践经验。

通过智能化选煤厂及全过程煤炭质量控制管理系统的建设，陕煤黄陵矿业一号煤矿选煤厂已实现精煤回收率增加1%，中煤带煤控制在1%以下，矸石带煤为0，介耗控制在1.2 kg/t以内，年增加经济效益约6 000万，煤质智能检验中心示范工程应用实物如图9所示。

图9 煤质智能检验中心示范工程应用实物

经济效益与社会效益

在实际应用中，智能化检测系统展现出了卓越的性能和效果。通过自动化流程和智能化设备的协同工作，实现了检测过程的高效运行。设备利用率保持在较高水平，减少了设备的闲置时间和维护成本，提高了设备的投资回报率。检测数据准确率高，为煤炭企业的生产决策提供了可靠的数据支持。企业可以根据检测结果及时调整生产参数，优化生产工艺，提高产品质量和生产效率。同时，还有助于企业满足环保要求，减少污染物的排放，提高企业的社会形象和市场竞争力。

经济效益方面，智能化检测系统的应用降低了人力成本和运营成本，通过减少人工干预，节省了大量劳动力成本。据估算，煤炭智能检测设备一次性投资1 500万～3 000万元，通常可在12～24个月内收回；典型600万t/a选煤厂全面投用后，年度直接经济效益普遍为600万～1000万元，并随产能规模扩大呈线性递增。系统高效稳定运行，降低了设备维护成本和故障率，进一步减少了运营成本。投资回报率表现优异，为企业带来了显著的经济效益，为企业的可持续发展注入了新动力。

智能化检测系统的应用还带来了良好的社会效益。系统的高效运行和准确检测结果，提高了煤炭行业的整体检测水平，促进了行业的技术进步和可持续发展。同时，系统的清洁化设计和环保性能，减少了对环境的影响，为建设绿色、低碳社会做出了贡献。

结语

全流程智能采制化机器人群系统以单点智能-集群智能-数字孪生车间的3级跃迁为骨架，贯通采-制-化-存-传-控的全链路无人化体系，填补了该领域的国际空白。攻克了多物料自适应工艺、大规模机器人协同、区块链数据保真等核心技术，检测误差≤0.5%、数据可追溯率100%，关键指标均优于现行国家标准。系统具备模块化-标准化-网络化特征，形成了可复制、可推广的成套技术体系，可在煤炭、电力、冶金、粮食、有色、港口等多行业快速迁移，为全球大宗散货清洁高效利用提供了借鉴方案。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录8种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

期刊简介

《智能矿山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中国煤炭科工集团有限公司主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。

主编：王国法院士

刊载栏目：企业/团队/人物专访政策解读视角·观点智能示范矿井对话革新·改造学术园地、专题报道等。

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