《自主采矿系统安全白皮书》编译与解读.pdf
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1、2023 10杂志官网:2023 年第 10 期Journal of Intelligent Mine自主采矿系统安全白皮书 编译与解读 孟令宇煤矿智能开采已成为煤炭工业发展的必然趋势,自主采矿系统、机器人集群、人-机协同的应用显著增加,区别于传统应用的操作规范,新技术将会带来新的潜在危险,必须建立一套完整的自主采矿安全体系。自主采矿系统安全白皮书旨在为在煤炭开采企业提供全面、系统、安全的作业方法。自主系统是指可应对非程序化或非预设态势,具有一定自我管理和自我引导能力的系统。相比自动化设备与系统,自主性设备和自主系统能够适应更多样的环境,完成更广泛的操作和自主作业,应用传感器和复杂软件,使设备
2、或系统在较长时间内无需通信或只需有限通信,且无需其他外部干预就能够独立完成任务,并在未知环境中自动进行系统调节,保持过程性能优良。自主机器是指能够自主决策和执行任务的机器。自主机器不仅具备智能化的功能,还可以根据环境和任务需求自主决策和行动。自主化可以被看作是自动化的外延,是更高级的自动化和智能化。笔者讨论了露天矿和井工矿井对自主采矿系统的应用,该系统适用于自主机器、半自主机器,以及整个采矿行业的复杂系统集成。通过对自主采矿系统安全白皮书进行编译及解读,旨在提高从业者对系统安全的认识,使从业者对安全高效自主采矿系统有更深刻的了解。自主采矿系统安全背景20世纪中期,核能、民用航空、国防等工业发展
3、迅速,各工业系统通常由多个子系统集成,因此整个系统庞大而复杂,亟需一系列保证系统安全的方法。依靠经验学习和管理这些复杂的系统是不现实的,系统之间协同工作至关重要,缺乏系统兼容性的考虑,较易导致意外事故发生。系统安全是将系统工程和系统管理应用于危险、安全和风险分析的过程中,以便在设计或修改系统、产品或服务时,识别、评估和控制相关危险,其目的是减少或消除在生产、施工或运营过程中发生事故的可能。系统安全是超越机器本身为解决复杂系统(包括人、机器、环境和管理以及他们之间的相互影响)的安全性问题而开发、研究出来的安全理论、方法体系。系统安全的最终目标是降低实施的风险,是一种有计划的、有纪律的、系统的方法
4、,通过对整个系统生命周期进行分析、设计和管理从而识别、分析、消除和控制危险。工作场所系统安全从工作场所安全的大背景来看,系统安全包括3个层面,如图1所示。外层是监管层,通过立法和普通法表达了社会对安全运行环境的期望。中间层是支持系统安全运行的组织层,包括:运营风险管理,评估和管理运营风险,尽可能降至合理可行的水平;应急管理,确认紧急事件的图1工作场所安全大背景下的系统安全Viewpoint 视角观点7Viewpoint 视角观点潜在后果,并准备好有效的应对措施;安全文化,努力在组织中建立一种知情、灵活、公正的安全文化,从错误中吸取教训,并作为日常绩效的一部分推动安全改进;变更管理,确认实施的每
5、项变更都经过评估和批准,确保系统的安全运行。内层提供了安全运行系统的一张整体视图,包括5个方面:功能安全提供系统的安全框架,为交付和维护安全相关和安全关键控制措施提供保障;技术合规性是指系统需要符合与其操作环境相适应的现有法规和标准;系统集成是指系统安全集成的要求,因为系统各组件不会考虑子系统之间的相互作用;人为因素是指人与其交互系统之间的关系,包括性能、人体工程学和其他环境或物理因素;危险材料是指对储存、搬运、运输和管理危险材料的要求,如果人员暴露在危险品中,可能会对健康产生影响。采矿特定利益和注意事项对于在整个供应链工作的个体,包括提供产品和解决方案的个体,以及在矿山的整个生命周期中操作和
6、维护系统的个体,安全是采矿的优先任务。在许多情况下,风险不能完全消除,这是提高安全的一个关键考虑因素。当与之相关的风险降低到可接受的水平时,则认为是安全的。自主系统等技术进步可以通过将个体从危险情况中解救出来,从而降低作业风险。在采矿系统向自主采矿系统的过渡时,除了机器自动化之外,需要考虑许多安全方面,包括:动态运行条件(如倾倒场、新矿区);单供应商或多供应商梯队;手动操作和自主设备环境的集成;自主系统的交互操作。系统安全方法提供了超越机器范围的系统整体安全,可作为评估整体安全的有效定性工具。随着高度自治和高度集成的解决方案的发展,这种方法显得尤为重要。使用系统安全方法的优点:提供一种将自主系
7、统集成到矿山现场的整体安全方法;降低工程风险;能够识别由设备接口和互连带来的危险;允许评估非确定性、复杂系统和使用新技术的系统;协助加强安全文化。自主采矿系统安全管理安全管理是指管理可能带来危害风险的变更。对于自主采矿系统,安全管理需要考虑所有相关因素,确保采用自主系统的风险尽可能低。生命周期自主采矿的系统安全活动贯穿整个系统生命周期。图2描述了自主采矿系统的安全生命周期,展示了系统安全管理的各个关键方面。表1提供了整个系统安全生命周期的各阶段应对措施。自主采矿系统生命周期各个阶段可以进行持续改进,在运行过程中可以自主迭代升级。因为采矿作业中自主系统的每个应用都不同,所以系统安全生命周期评估方
8、法也不相同。可能影响生命周期应用的一些因素包括该系统是商业现货还是新产品开发、项目规模、运行环境和矿区运行的成熟度。危险源识别和风险评估识别与变更过程的危险,确保针对每个危险采取预防措施是进行变更时的重要步骤。对于轻微风险,这一步骤对应的方法是证明风险产生的概率小,不值得考虑。自主采矿系统中自主机器和系统的风险与控制可在原始设备制造商文件、国际标准或其他行业指导和研究中发现。所采取的预防措施应反映法律、政府指导、法规和标准的规定。如果风险较低,并且完全被公认的权威机构发布的要求所覆盖,则证明遵循了这些要求,就足以证明该风险是可接受的。在确定参考标准已经足够之前,应确保:该设备正按照预期使用;该
9、标准可使风险降低到合理可行的最低水平。82023 年第 10 期Journal of Intelligent Mine2023 10杂志官网:在对采矿中的自主系统进行变更时,新系统可以提高整个系统的安全性,并降低所识别的任何风险。非确定性的系统元素和机器学习自主采矿系统可能具有非确定性元素,这意味着决策来自复杂的传感器和处理算法或涉及机器学习。传统的安全标准以及传统的软件开发过程可能不适用于这些情况。越来越多的复杂功能正在使用机器学习进行开发。这些能力从示例中学习,而不是通过传统的开发手段,这可以使其具有成本效益。当机器学习被用于某些系统软件时,将会对系统安全生命周期及其保障产生影响。机器学习
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