我國金屬礦山智能化現狀與問題探討

胡乃聯 李國清

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083)

進入21 世紀以來,與兩化融合/深度融合和傳統工業數字化轉型等國家發展戰略相匹配,我國金屬礦山的工業化與機械化進程顯著加快,智能化建設取得了長足的進展,實現了從機械化到自動化、從數字化到智能化的跨越式轉變。 尤其是一批起步早、技術裝備水平高的金屬礦山,在近20 a 的探索性應用后,已形成了適用于礦山自身條件的智能化建設模式、推進方式以及建設內容,積累了豐富的建設經驗,取得了一批具備推廣應用價值的技術成果[1-2]。

隨著礦山企業進入規?；a、集約化管控、精細化核算與全球化布局的新階段,我國金屬礦山除了需要應對資源稟賦條件差、生產過程復雜等問題外,還必須面對沉重的安全、生態與成本壓力,“深部、綠色、智能”已陸續成為礦山的現實性生產運營環境。在這種內外部環境條件以及發展趨勢下,越來越多的金屬礦山加大了對智能化建設的投入,礦山智能化已逐步由示范性的探索研究轉向為規?；某B應用。顯然,這一過程并不是簡單的擴大范圍、購置裝備、建設系統,而是需要對建設成果及關鍵技術加以總結、提煉、融合,通過提高生產作業體系與智能化生產模式的匹配程度,以數字化轉型的思路完成生產與管理模式的根本性變革[3]。

本研究立足于智能礦山中的安全高效生產問題,基于我國金屬礦山規?；悄荛_采的核心需求,梳理智能化建設的示范性成果,總結提煉具有代表性的智能化應用場景,進一步分析目前智能礦山建設存在的問題并提出相應的措施建議,為金屬礦山擴大建設成果、保證建設實效、規避建設風險提供參考。

1 金屬礦山智能化應用場景

礦山生產經營的目的是為了向社會提供合格的礦石(礦產品),因此,需要以礦石流為主線、緊密圍繞地質測量、設計計劃、生產過程、安全保障、調度指揮、決策優化等生產過程和管控業務,進行智能化規劃與建設[4]。 金屬礦山智能化應用的典型部署框架如圖1 所示。

圖1 金屬礦山智能化應用典型部署框架Fig.1 Typical deployment framework for intelligent metal mine application

首先是生產過程的智能化,即通過AI、5G、自動化技術和智能裝備的研制與應用,實現無人、少人化的現場生產作業,提高勞動生產效率、保障生產安全。生產過程的智能化與礦山的開采工藝、技術條件密切相關,是礦山智能化建設的重點和難點[5],其建設成果是分散在生產過程中的諸多智能裝備與智能系統。

其次是集成化、一體化的管控平臺,通過多應用、多要素集成,實現協同化的生產管控,著力解決地質測量、設計計劃、安全保障、調度指揮、決策優化等業務的智能化問題。 其建設成果是分散運行在各業務節點的軟件系統和集中部署于調度指揮中心的軟件平臺。

最后在選礦方面,過程自動化技術與智能裝備的研發得到了長足發展,特別是選礦過程在線分析檢測技術、選礦過程優化控制技術,其在國內的應用已經非常普及。 限于篇幅,本研究不再贅述。

2 生產過程智能化

礦山生產過程智能化的目標是根據不同的開采工藝,采用智能化的生產裝備和技術,實現關鍵生產工序無人/少人,并最終實現各作業的安全高效[6]。由于與具體的生產工藝工序關聯緊密,露天礦山和地下礦山分別具有各自的關鍵技術和應用場景。

2.1 露天礦山智能開采

按照圖1 所描述的露天開采智能化場景,露天礦山生產過程的智能化圍繞穿爆、鏟裝、運輸和排巖等核心工藝展開。 本研究以智能裝備主導下的作業體系為基礎應用單元,分別總結各應用場景下的智能化要素及典型應用。 由于鏟裝和運輸(包括運礦與排巖)在智能礦山中通常合并建設,因此露天礦山的智能開采主要集中在穿孔爆破和鏟裝運輸兩類生產作業場景。

2.1.1 穿孔爆破

智能引導和精確定位是露天礦鉆孔過程智能化的核心,通過鉆孔設備精準定位、鉆機智能化精確作業,實現穿孔作業的現場無人、遠程遙控操作。 衛星定位和5G 技術被廣泛應用于無人化鉆孔設備的精準定位,鉆機上的三維電子測定儀可實時測量、記錄并校驗鉆孔位置和深度,通過控制系統對鉆桿進行精確引導,確保鉆孔的準確性和效率,并為后續作業提供準確的數據支持。 在爆破環節,爆破工程智能化三維設計技術綜合利用了地理信息系統、虛擬現實、地質統計學等方法,結合巖石爆破理論和爆破技術,可實現爆破參數設計、爆破過程模擬和爆破效果預測分析[7]。

鞍鋼集團齊大山鐵礦針對露天礦牙輪鉆機的定位、尋孔、鉆進3 個主要工作流程,設計了包括導航定位和信息管理與操作兩大模塊在內的數字化穿孔系統。 系統具備平面定位、孔深定位、地質巖層識別、自動布孔四大功能,能夠實現無人化布孔、高精度尋孔、鉆進參數調節,進而減少礦山現場惡劣場所的操作人員數量[8]。

中國黃金烏山銅鉬礦利用三維礦業軟件進行礦巖分穿分爆設計,自動形成鉆孔坐標報告,利用無線傳輸技術將穿孔設計數據發送至鉆機自動布孔終端。鉆機利用GPS 高精度鉆孔終端自動查找穿孔孔位,穿孔后產生的實際數據傳輸到采礦生產管理系統,并利用軟件進行爆破設計[9]。

本鋼南芬鐵礦的智能穿爆系統實現了布孔的自動化和數字化、輔助鉆機司機完成導航尋找孔位、鉆機鉆孔信息的自動采集上傳,以及鉆孔過程數據的采集分析等功能[10]。

隨著礦山全流程集約化管控要求的實現,礦山更加傾向于從采選全局最優角度實現爆破參數智能優化,以減少選礦環節的礦石破碎能耗壓力。 為此,以爆堆塊度監測分析為核心的智能爆破系統開始受到重視。 通過無人機、機器視覺等裝備技術,采集爆堆圖像信息并快速精準的辨識礦石粒度,進一步以采選全流程經濟最優為目標,對爆破參數進行優化[11-12]。

2.1.2 鏟裝運輸

露天礦鏟裝作業的智能化主要表現在車鏟協同中的電鏟精準控制。 綜合運用礦用傳感器和AI 技術,在實現鏟裝裝備遠程操控的基礎上,通過與礦山其他設備的協同,實現電鏟自動定位、鏟斗挖掘方式優化,以及巖石塊度在線識別等功能,為礦石配礦、生產作業優化提供數據基礎。 智能運輸作業主要集中在礦用卡車的自動駕駛與智能調度系統。 卡車定位與無人駕駛、智能調度、作業位置分配、最優運輸線路規劃等功能已在多個露天礦山應用,從根本上提高了露天礦的生產效率和安全性。

洛鉬集團三道莊鉬礦是我國最早嘗試露天礦智能開采的礦山之一。 自2015 年開始,按照生產設備操作遙控化—遙控操作遠程化—無人操作智能化的步驟,逐步建立了露天礦穿孔、鏟裝和運輸生產設備智能化系統,實現了穿孔、鏟裝、運輸的無人化作業。2019 年,三道莊鉬礦將5G 技術應用在無人礦山,實現了云服務器下的精準控制,滿足了復雜供礦條件下的車輛高效運行需求。 目前,15 輛無人駕駛二代車輛已實現多個裝載點編隊運行,一號破碎站實現了全站運輸無人化[13]。

攀鋼集團朱蘭鐵礦采用了“5G 專網+邊緣云計算+車鏟鉆改造聯動+有人/無人混跑”場景的端到端解決方案[14],通過5G 及邊緣計算技術的應用,實現了YZ-35B 牙輪鉆機遠程操控、WK-4B 電鏟遠程操控、TR-60 礦卡無人駕駛及遠程操控,以及電鏟與礦卡鏟運協同作業,支撐了露天采礦核心作業流程裝備智能化、作業流程連續化、設備及生產數據在線可視化。

馬鋼礦業先后在其旗下的和尚橋礦和南山礦完成了基于5G+邊緣計算的露天礦卡車無人駕駛試驗與應用[15-16]。 運輸卡車仿真系統設置有起點和終點,礦車自動按照指定路線行進。 卡車安裝的激光雷達、毫米波雷達和高清攝像頭,可精確識別周邊環境,并能進行自動避障。 無人駕駛卡車與智能調度系統、協同裝載和卸載系統、應急安全接管等系統融合后,可以實現礦用車輛的集群調度與協同作業。

酒鋼集團西溝礦設計了一套集端、網、云于一體的智能化礦山無人露天鏟運系統,綜合自動駕駛、設備急停、高精定位、5G 網絡、邊緣計算、車鏟聯運等關鍵技術,初步實現了遠程遙控鏟裝、卡車自主裝卸、自主尋跡駕駛、智能避障等,實現了以鏟為中心的車鏟聯動運行、遠程“無人化”開采[17]。

此外,烏山銅鉬礦、包鋼集團白云鄂博礦區的露天礦無人駕駛也正在由示范性應用過渡到規?；a階段[18-19]。

在鏟裝運輸自動化中,人員設備的狀態監測也會同步建設,成為智能應用場景的重要組成部分。 如齊大山鐵礦基于深度學習技術研發并應用了鏟齒脫落智能識別系統,解決了鏟齒脫落的智能感知與尋找問題[20]。 基于機器視覺的司機駕駛疲勞程度、操作規范監測等的研究也取得了一定的進展。

2.2 地下礦山智能開采

目前,我國地下金屬礦山在地表及井下固定設施無人化、固定位置或常規性規律化的監控監測等方面取得了顯著進展,研發了相應的裝備、傳感裝置以及軟件系統,并已進入了常規化應用階段。 但制約地下金屬礦山智能開采的瓶頸環節,在于井下開采過程的智能化與自動化。 由于地下金屬礦山作業地點多、空間分布廣、位置動態且具有不確定性,只有通過遙控作業或自主作業實現工作面無人/少人,才能從根本上解決地下開采的本質安全問題。

在地下開采作業智能化發展中,存在著功能性和機動性兩種要求[21]:鑿巖、裝藥、支護、充填、二次破碎等作業,強調其在某一固定場景的功能性,位置相對固定或移動頻次低;對于鏟裝和運輸作業,由于裝備在一定范圍內產生頻繁的位置移動,因此不但需要考慮在作業始末端的功能性,更為重要的是強調其中間過程的機動性要求,即運動路徑及場景切換等。 從目前的應用進展可以得出,對于滿足智能開采功能性要求的主要方式是遠程遙控作業;對于機動性要求,則是自主行走、無人駕駛等所能解決的問題。

在開采過程的智能化方面,新建礦山更具備優勢。 由于在礦山設計時即采用了先進的機械化、規?；椭悄芑砟?形成了智能開采的基礎工業化條件,例如謙比西銅礦、普朗銅礦、李樓鐵礦、司家營鐵礦等。 絕大部分的地下金屬礦山則采用“改造—示范—推廣”的實施路線,即先采用局部的示范性探索,在取得單元化、區域化的建設成果后,再進行全局化的推廣應用,如山東黃金三山島金礦、梅山鐵礦、馬鋼羅河鐵礦、凡口鉛鋅礦等。

2.2.1 鑿巖落礦

地下金屬礦山鑿巖作業智能化的應用主要集中在自動接收爆破設計、生產任務后,通過鑿巖臺車的遠程遙控實現鑿巖作業的現場無人化。

三山島金礦借助5G 網絡高速率、低時延的特點,實現在地表遠程遙控井下-546 m 工作面的鑿巖臺車實時、精準作業[22]。 眼前山鐵礦以無底柱分段崩落法生產區域內的鑿巖作業為基礎,對礦山現有的Simba1354 中深孔鑿巖臺車進行遠程遙控改裝,實現了鑿巖作業的遠程遙控、自動裝卸桿、臺車運行狀態在線采集和預維護管理,有效減少了一線作業人員數量,改善了工人作業環境[23]。

新疆蒙庫鐵礦引入Simba ME7 中深孔智能鑿巖臺車,在富蘊縣城90 km 外遠程控制井下鑿巖設備[24]。 巷道布孔圖遠程下載至終端后,臺車可實現自動定位到布孔圖中的新孔并鉆入所需的深度,同時記錄所有鉆孔數據,智能臺車的應用保證了穿孔作業精度和爆破后的礦石粒度合格率。

鑿巖作業對于安全高效的迫切性要求也推動了新型井巷掘進方式的發展。 2023 年12 月,國內地下鐵礦山建設首次應用的TBM(全斷面隧道掘進機)“基石號”在鞍鋼西鞍山鐵礦項目始發[25]。 TBM 工法可用于掘進膠帶斜井、斜坡道與輔助井,為國內大型地下鐵礦山在建設工藝、技術裝備和成本管控等方面提供了新的思路和方案。

地下礦的智能爆破主要包括爆破優化設計、裝藥作業自動化,以及爆破過程的遠程遙控作業。 目前,裝藥作業還處于機械化提升階段,即裝藥臺車的研制與應用階段,如李樓鐵礦、程潮鐵礦均引進了挪曼爾特中深孔銨油炸藥裝藥臺車 Charmec MC 605DA[26-27];鞍鋼礦業提出了構建基于5G 無線傳輸、物聯網、大數據等前沿技術的爆破一體化智能管控系統[28];凡口鉛鋅礦在-540 m 水平進行了智能裝藥臺車的試驗性應用[29],實現了視距遙控駕駛、遠程遙控駕駛及自主行駛,以及視距遙控尋孔、遠程遙控尋孔、自動尋孔等功能。

2.2.2 鏟裝作業

我國地下金屬礦山的鏟裝作業智能化仍普遍處于局部單元化的試驗性應用階段,著力通過鏟裝設備的遙控或自主運行,解決危險區域的安全出礦問題。

羅河鐵礦針對井下開采存在的采空區問題,為應對開采作業時的塌陷危險,對山特維克LH514E 鏟運機進行了改進,采用遠程遙控的智能鏟運機完成鏟裝作業[30]。

山東黃金焦家金礦采用WiFi6+Mesh 組網環境,通過對通信設備、車載控制程序和遠程操控臺程序進行升級改造,成功完成了井下3 m3鏟運機遠程遙控的場景應用測試,實現了在地表調度中心對井下鏟運機的遠程控制[31]。 為應對深部開采所面臨的新問題,該礦進一步基于5G 技術,開展了鏟運機設備端改造、5G 網絡建設、集控操控技術接連等工作,研發了采場鏟裝、巷道運輸和溜井卸礦的遠程控制系統[32]。

首鋼杏山鐵礦針對鐵礦中占用人員最多、安全風險最高以及最難實現智能化的井下移動單體設備智能化問題,聚焦井下電動鏟運機、中深孔臺車的遠程操控改造,采用“5G+泄露電纜”技術,在鐵礦作業5G信號全覆蓋的基礎上,實現了井下所有電動鏟運機、中深孔臺車的地面遠程集中操控,使36 名操作工的工作地點由井下移至地面[33]。

湖南柿竹園有色金屬有限責任公司以五礦集團專題“智能開采關鍵技術研究與示范項目”為支撐,2019 年開始從事地下礦山關鍵工序“5G+無人駕駛鏟運機技術”的專項研究,并于2021 年12 月建設完成5G+智能化采場出礦系統。 云南普朗銅礦的“5G+鏟運機無人駕駛系統”實現了井下穿脈內鏟礦、運礦、卸礦作業的自動化和智能化,無需人工在穿脈內操作,降低了安全風險[34]。 眼前山鐵礦對現有的EST1030 電動鏟運機進行改造,研發了適用于無底柱崩落法采場的鏟運機自動化出礦系統,并在井下-235 m 分段的3 個出礦進路完成了示范性應用[35]。

隨著礦山開采逐漸邁向深部,規?；?、集群化的無人化鏟裝作業將是地下金屬礦山智能開采的重要應用方向。

2.2.3 井下運輸

井下運輸作業包括無軌裝備和有軌電機車運輸,其智能化建設的主要內容是設備的自主運行。 目前電機車無人駕駛與自主運行的應用已相當廣泛,但井下運礦卡車智能化還沒有出現相對成熟的應用案例,這與我國地下金屬礦山普遍采用的“鏟運—溜井—電機車運輸—豎井提升”運輸系統有關。

金川集團二礦區根據自身的生產工藝特點進行了井下無人礦卡的研究與應用。 針對井下復雜環境會對作業人員健康及作業安全造成影響這一關鍵問題,提出了一種融合SLAM 井下定位、5G 信息傳輸和通信、用戶交互、電子圍欄以及井下交通調度算法的地下無人礦卡智能調度系統整體框架[36]。 通過激光雷達等傳感器實現井下設備數據的收集和初步處理,利用光纖組網及5G 無線網絡完成數據實時傳輸,通過地表調度系統遠程處理數據并下發各種調度決策,無人車輛根據調度決策執行相應指令。

紫金山金銅礦基于礦床的資源賦存條件,結合地下開采的生產工藝、裝備配置及生產組織,以多裝備協同作業思路,在-50 m 中段采區運行了無人化鏟運協同運行模式研究與應用,在245 硐口(地表)實現了遠程操控和井下無人值守的智能鏟裝—無人駕駛運輸—遠程破碎的一體化應用[37]。

杏山鐵礦、普朗銅礦、銅陵有色冬瓜山銅礦、馬鋼張莊礦是國內最早一批探索并實踐電機車無人駕駛的地下金屬礦山,目前均已實現有軌運輸體系的常態化應用,由最初的人員遠程控制,逐步發展成為集智能配礦、自動裝放礦、溜井監測、電機車制導與控制、裝備自主運行于一體的有軌運輸成套體系[38-40]。

凡口鉛鋅礦、金川龍首礦、招金大尹格莊金礦、三山島金礦、酒鋼鏡鐵山礦、紫金山金銅礦、新疆亞克斯黃山銅鎳礦、福建龍巖馬坑礦業、西部礦業錫鐵山礦等,均基于“5G+人工智能”實現了井下有軌運輸的智能化、無人化[41-48]。 隨著示范礦山、示范區域的成熟應用,無人電機車將成為地下礦山智能運輸體系建設的首選內容。

2.2.4 提 升

提升系統自動化在地下礦山已發展成熟,且應用廣泛。 但由于我國礦山大多數是由原有的單一生產系統逐步擴產而來,或新建大型礦山通常設計多個提升井,因此礦山智能化建設的方向是多提升系統的集約化控制,尤其是生產調度指揮中心建設完成后,控制中心在物理上的集中為提升機的遠程集控奠定了基礎。

金川公司二礦區采用綜合自動化技術,對分布于不同區域的4 臺提升機進行了遠程集中控制改造,實現了在地表提升機集控室同時對多臺提升機的性能參數、狀態參數和運行狀態進行實時監測和直接控制,方便了各層級管理和設備維護,崗位操作人員減少了1/3[49]。 三山島金礦實現了7 套提升機的集中操控、招金大尹格莊金礦集中控制了4 臺提升機、內蒙古包頭鑫達黃金礦業有限責任公司實現了1 條明豎井和4 條盲豎井的遠程集中控制[50]。

提升機無人值守遠程集中控制系統提高了設備運轉率、減少了生產成本、降低了工人勞動強度。 更進一步,提升機遠程集中控制可以與礦山智能運輸系統相融合,實現井下礦石運輸的整體高效率、低成本與品位均衡。

2.3 生產輔助系統智能化

露天和地下開采都會涉及一些生產輔助系統。由于這些系統位置相對固定、生產工藝規則明確,其智能化建設著力于引入自動控制手段來滿足輔助工序的功能性需求,如通風、排水、供風、供電等。 現階段,國內大多數礦山均已實現無人值守、遠程遙控,許多礦山將大數據分析與智能算法融入自動控制邏輯,以低成本、高安全為目標導向,實現了輔助系統的自主運行,全面提升了智能化水平。

由于這些場景的物理分布相對固定、監測監控的手段和邏輯具有規則化特征,比較容易形成三維可視化、多系統融合疊加的展示體系,因而產生了大量以這些系統為基礎藍本的“數字孿生”系統和固定路線的巡檢機器人系統。 如眼前山鐵礦應用全自主智能巡檢軌道式機器人,實現了井下-321 m 中央變電所、地表設備的遠程查看。

3 集成化應用平臺

應用系統的集成化、平臺化是我國智能礦山建設中最重要的特色。 相較于國外礦山,我國的應用平臺具有多層次疊加、多業務融合、多系統集成的特征,“一張圖”平臺是目前最為流行的展示模式,通過融合智能化生產、安全保障、經營管理等多功能系統,實現業務協同、決策管控、一體化運營等智能化應用[51]。 針對生產管控的不同階段,主要有技術平臺、安全平臺、集控平臺和決策平臺四大類型。 其中,技術平臺著力解決地質測量、設計計劃方面的智能化問題,安全平臺保障礦山生產安全,集控平臺實現礦山生產的智能調度與控制,決策平臺利用大數據分析、云平臺等技術輔助實現高層決策的智能化。

3.1 面向地測采集成的技術管理平臺

現代礦山地測采集成管理平臺已經廣泛采用了先進技術,包括三維建模技術、GIS 技術、大數據處理技術等。 將這些技術與礦業軟件相結合,可使得平臺能夠實現更高效準確的數據采集、處理、分析和可視化。 地測采集成管理平臺已經實現了多個系統集成,包括地測信息系統、采礦設計系統、生產管理系統等。

紫金山金銅礦搭建了地測采三維協同平臺,系統性實現了地質、測量、采礦專業技術工作按流程化管理和權限管理等功能,專業數據互通共享。 所有作業文件和成果數據存儲于服務器和數據庫中,從平臺上形成各種地質、測量、采礦生產報表[52]。

齊大山鐵礦建設了露天礦數字孿生建模系統,能夠實現采礦一塊屏,從地質、測量、設計,到采礦生產環節的生產、安全、設備能耗、鐵路運輸等,進行了一體化集成,所有采礦生產過程都可以通過露天礦數字孿生模型完成[53]。

南山礦有效融合了地測采系統、綜合配礦的地質預判系統、生產質量管理系統,建立了礦山生產管控系統,實現了數據底層融會貫通,計劃、質量、計量等信息的全局共享,對礦山生產組織、生產保障、生產調度、決策起到了支撐作用[54]。 三山島金礦建立了生產技術集中管理平臺,實現了地質資源、開采設計、作業計劃和生產驗收的集成化管理。

面向地測采集成的技術管理平臺是礦山智能生產中重要的基礎性工作,通過對礦山地測采基礎業務與數據的研究分析,構建礦山地測采信息協同平臺的業務與數據標準,可為業務數據的集中存儲、統一管理和共享使用奠定基礎。

3.2 集成化安全管控與預警平臺

礦山集成化安全綜合管控與預警平臺的技術水平也在不斷提高。 以礦山安全生產六大系統為基礎,許多先進的信息化技術,如物聯網、大數據、云計算、人工智能、虛擬現實/增強現實、GIS 等,相繼被引入平臺建設中,為礦山安全管理提供了更高效、更智能化的手段。 安全管控平臺將眾多的安全監控系統加以集成,“人—機—環—管”多要素的安全管控體系不但可以實時監控井下人員和各設備子系統的運行狀態、對異常情況及時報警、確保井下各作業環節安全運行,還可以在此基礎上嵌入大數據與人工智能算法,通過對井下的生產系統進行智能化的風險評估與隱患辨識,及時發現潛在的安全隱患,便于及時采取措施,避免事故發生,達到安全預警的目的。

冬瓜山銅礦建設了三維預防信息化平臺,依托現有的監測監控系統,充分利用已有的安全管理體系,建立了一套適合企業安全管理的三維預防安全管理信息化平臺,達到企業風險分級管控、“三違”查處有章可循、隱患整治痕跡處理、管理考核事實說話的目標[55]。

三山島金礦的安全雙重預防體系及安全風險分析系統通過將“雙重預防體系”的業務流程系統化,將礦山安全管理全面擴展至以風險管控和隱患治理為核心的人、機、環、管、全要素管控;同時,結合大數據分析技術對安全檢查數據進行深入分析,利用分析結果對礦山安全風險進行智能化分級,構建風險分級管控、隱患排查治理和風險智能分級相互關聯的閉環管理機制[56]。

河鋼礦業中關鐵礦搭建了標準化安全智能管控平臺,將“雙體系”與“標準化”有效融合,突出安全基礎管理、風險分級管控和隱患排查治理雙重預防機制等功能,提升了對安全工作及時、動態的管控能力[57]。

中鋼礦業搭建了安全生產監測智能預警平臺,集日常安全管理、動態信息監控、危險預警和應急救援輔助決策功能于一體,在對安全信息進行采集、統計、分析、處理、傳遞和預警的基礎上,實現了分級管控、事故分析、危險源辨識,提升了對潛在事故的預警預控能力[4]。

紫金山金銅礦引進VR 智能安全體驗設備,實現了安全教育由“說教式”向“體驗式”的全新升級,讓受訓人員從三維沉浸式的體驗中感受事故帶來的巨大傷害,并加入事故預防措施和應急處置方法的考核環節,在全面增強員工安全意識的同時,實現了員工安全技能的同步提升[58]。

集成化安全管控與預警平臺通過多種安全監測數據的集成化、可視化及智能化的分析與應用,實現了從被動處理到主動預防、風險預警、可量化與動態化管理模式的轉變,有效提升了礦山安全管理水平。

3.3 多系統集中管控模式的生產調度集控平臺

礦山生產調度集控平臺通常具備生產調度、安全監控、能源管理等功能,并通過實時采集和分析礦山生產過程中的數據,實現對生產過程的全面監控和優化調度。 在生產調度集控平臺建設上,露天礦和地下礦分別采用了不同的建設思路:露天礦的生產調度集控平臺基本以衛星定位為核心,圍繞鏟裝運輸系統的可視化調度指揮展開建設;地下礦的調度集控平臺則是以三維GIS 為底圖,進行調度指揮要素的分層疊加。

3.3.1 以卡調為核心的露天礦生產調度平臺

以卡調為核心的露天礦生產調度系統始終處于生產組織與執行的“中樞控制”地位。 自從1997 年德興銅礦引入國內第一套Dispatch 系統以來[59],基于衛星定位的露天礦山生產調度系統在我國歷經了“引進—消化—吸收—再創新”過程,逐步形成了成熟穩定的技術體系并迅速推廣,首鋼水廠鐵礦、南芬露天礦、太鋼尖山鐵礦、河鋼司家營鐵礦、紫金山金銅礦等即是國內最早一批建設卡調系統的露天礦山。這一階段的調度系統以電鏟/卡車跟蹤定位與路徑引導為基礎,結合采場配礦、礦巖計量、設備備件、能源燃料管理等功能,可以對生產執行過程實現直觀實時的指揮與應急處理[60-65]。

經過20 多年的發展,以北斗衛星定位、5G、云計算為代表的現代信息技術成為主流的基礎信息支撐平臺,智能鏟裝、無人駕駛等前沿性的生產模式催生出了新的調度管控體系,原有的礦卡調度系統逐步向全流程智能化開采管控方向邁進。

三道莊鉬礦所構建的集群協同卡車智能調度系統引入了群智能優化算法,進行實時最優化的路徑選擇和車流規劃,并對生產過程的突發情況進行動態預警及調整。 智能調度系統以自動派單模式下達鏟裝、運輸、卸礦調度指令,作業人員或無人設備利用移動終端實時接收調度指令,系統對于有人+無人混合作業,乃至未來無人駕駛作業的露天礦生產新模式具有適用性[66]。

南泥湖鉬礦規劃建設智能管控和綜合生產平臺,構建智能采礦管控、綜合生產執行、三維可視化管控三大平臺,形成了以開采環境數字化和采掘裝備自動化為特質的智能管控體系,實現了采礦設計、計劃、生產配礦、調度和決策等過程的智能化[67]。

齊大山鐵礦基于大型金屬露天礦智能安全開采的全工藝流程,形成了“全流程規劃→多工序智能→多場景聯動”的大型金屬露天智能開采模式,打造了智能開采的執行與調度平臺[68]。

露天礦生產調度集控平臺的建設成為露天礦山生產由“人工調度”轉向“智能調度”、由“卡車調度”升級成為“集群管控”的標志性工作,因而成為露天礦山智能化建設的必備內容之一。

3.3.2 以三維GIS 為底圖的地下礦調度指揮平臺

地下金屬礦山的集控平臺通?；贕IS 底圖模式,最為常見的是裝備和設施的附加和集成管控。 平臺對分布在各處的生產設備進行遠程監控,實現對設備的實時狀態掌握、故障診斷、遠程操作等功能,以提高設備的運行效率,減少設備故障,提高生產安全性。大多數礦山在建設生產調度集控平臺時會強調智能化調度模型的封裝與內嵌,可以基于平臺對生產過程進行優化和調度,實現資源合理配置、生產計劃智能安排、生產進度動態調整等功能。

阿爾哈達礦業在實現數據融合的基礎上,將礦山井上建筑物、斜坡道,以及井下采礦、運輸、提升等生產流程進行動態直觀展示,并整合輔助系統,形成了綜合指揮調度中心[69]。

首鋼礦業提出了“一張圖”模式的管控體系,以“現場無人化、操控集約化、管理智慧化”為目標,以“一張圖”理念為主線,推進“智能采礦、智能選礦、智能運輸、智慧管理”四大平臺建設。 在“一張圖”理念指引下,實施了工控一張圖操控系統和管理一張圖實時監控分析系統,并投入了應用[70]。

馬鋼礦業姑山礦、山東黃金新城金礦和玲瓏金礦均上線了生產調度一體化監控平臺,對生產車間內各種生產設備及檢測儀表、視頻等進行集中監控管理,集存儲、監視、控制、報警、聯動、指揮等眾多功能于一體,具有“集中管理、分散控制、全面監控、安全聯動”等特點[71-72]。

隨著數字孿生技術在礦山的成熟應用,面向數字孿生的生產管控將成為新的礦山生產調度指揮模式。

3.4 面向大數據的礦山生產運營智能決策平臺

礦山生產運營智能決策平臺是我國智能礦山建設中最為普遍、應用最為廣泛的平臺,全面體現了智能礦山最終展示的體系化與集成化,其最大特征是綜合性強、表現方式圖形化,涉及數據采集、處理、分析、可視化、決策支持等多個方面,數據以圖表、報表等形式展示,便于用戶直觀理解和分析。 決策平臺對礦山的生產情況進行實時監測、記錄和分析,通過數據挖掘和模型預測等技術發現問題、挖掘潛力,為生產計劃、調度、安全管理等方面提供科學依據。 例如,根據數據分析結果,可以優化生產計劃和調度方案,提高生產效率;通過對安全隱患的分析,可以提前發現并采取措施,降低事故風險。

三山島金礦基于大數據分析技術研發了生產運營綜合管控平臺,采用大數據平臺對資源儲量、采礦、出礦、運輸提升、地表運輸及選礦等各工藝環節數據進行關聯,建立了基于“礦石流”的礦山大數據綜合管控平臺,實現了在統一平臺上對礦山全流程的優化調度與管控分析[73]。

大尹格莊金礦的“黃金智慧礦山大數據分析平臺”運用物聯網、大數據等新技術,建設有排水、提升、選礦、通風、運輸、配電、充填、供風、水平衡、尾礦庫、“六大系統”、系統管理等多個分析模塊,借助大數據分析結果優化完善各安全生產系統。 逐步建立了礦山大數據分析平臺,以期實現礦山生產與安全管理全方位的可視化集中監測或監控、數據挖掘、分析、診斷和決策,用于完成礦山各種感知信息的收集、加工和再利用,實現礦山智能化管理[74]。

鞍鋼礦業公司建設有綜合業務集控平臺,利用大數據分析、預測分析等先進技術,全面梳理了生產、設備、安全環保、質計、物流等業務數據,橫向打通業務數據鏈,縱向感知終端信息流,實現了業務融合、數據交互、輔助分析、預測預警、綜合決策,優化生產過程管控,成為公司一體化、數字化、智慧化運營管控中心[75]。

4 存在問題與措施建議

經過20 多年的數字礦山建設,特別是最近幾年的智能化建設,一些先進適用的數字化、智能化技術逐步得到應用,礦山自動化、智能化水平有了明顯提升,安全狀況得到了改善,出現了一批示范項目、示范礦山。 但是,隨著數字化、智能化技術應用的不斷深入,礦山在建設內容選擇、關鍵技術確定、數字化轉型路徑、管理模式轉變、運維與應用效果等方面也出現了一系列問題。

4.1 重形式輕內容

智能礦山建設是一個將礦山傳統業務與信息化、數字化、人工智能技術相結合進行集成創新的過程,其核心目的是解決礦山生產中的具體問題,提高勞動生產率、保障生產安全。 目前,一些智能礦山建設規劃或體系研究出現了“強規劃、弱實施”的現象,新概念、新名詞層出不窮,系統邏輯和架構大而全、應用層級圖復雜且難以理解,對智能礦山實施缺乏必要的指導作用。 礦山面對該類規劃方案時普遍存在“先進但是不知該建什么”或“前沿但不確定有什么風險”的困惑。

出現這一問題的根本原因是對“智能”形式的重視超出了礦山業務本身。 由于金屬礦山技術條件復雜,不同礦山之間資源稟賦、開采工藝、裝備水平、管理模式差別大,難以用一個框架、一個平臺來解決所有問題,根據礦山自身特點設計建設方案、選擇建設內容,是智能礦山建設能否成功的關鍵一環。

4.2 重技術輕業務

當前,隨著互聯網、大數據、云計算、人工智能等技術快速發展,面對洶涌而至的新技術、新方法,礦山在選擇的過程中容易出現偏差。 20 世紀70 年代,瑞典基律納鐵礦僅靠簡單的繼電器、行程開關就完全實現了有軌運輸的自動化。 因此,礦山在選擇智能化技術時,應該立足于自身的技術條件和管理特點、深入分析業務流程,選擇適合礦山特點、性價比合理、能夠解決具體問題的技術,以降低項目風險、節約建設成本、方便日常運維。 盡管在同等條件下應優先選擇先進技術以保證項目的先進性,但有必要充分考慮技術/裝備的普適性問題(即同一種技術/裝備在某一礦山應用非常成功,但在其余礦山是否同樣適用)。因此,本研究認為礦山應以自身需求為導向,科學合理地選擇智能化技術,而非追求新技術、新裝備在礦山的盲目性應用。

另外,智能化技術作為一個時代的產物應用到傳統的礦山企業,與企業的管理需求往往存在較大差異,很容易與現有管理體制產生沖突。 因此,在智能化技術深入應用的過程中,企業有必要進一步重視數字化轉型,對現有的管理模式、業務流程進行業務重構、流程重構和組織重構,以適應智能化技術應用帶來的業務變革,實現企業高質量發展。

4.3 重展示輕應用

我國智能礦山建設的突出特點是每座礦山都會建設一個高集成度的調度指揮中心,其中配置有豐富展示度的監控大屏,并且在很大程度上呈現出“大屏幕越建越大、指揮中心越建越豪華”的趨勢。 在實際運作中,中心的作用基本是生產管控與展示宣傳并重:一方面,展示大屏以三維模型或數字孿生為基礎,集成了各系統的畫面與數據,對于管理人員隨時了解生產現場實際情況、及時掌握生產進度發揮了積極作用;但另一方面,在仔細研究屏幕顯示的內容后,就會發現這些內容與實時生產關聯度有待提升,指揮中心實際上更側重于直觀、形象地集成展示一些監測數據與視頻畫面,普遍存在“監而不控”“集而不決”的傾向。

智能礦山建設的主要目的是實現作業場所減人/少人、提高勞動生產率和生產安全性。 通過畫面及時了解生產現場的實際情況盡管十分必要,但仍需在此基礎上進一步聚焦于生產運營體系的穩定高效運行,尤其是地質測量、計劃調度、生產過程、安全保障等礦山尤為關注的應用系統。 相對而言,國外一些礦山辦公條件、監測監控終端形象上比較簡陋,但其作業現場的裝備智能化水平非常高,有的完全實現了自動化、智能化。 因此,礦山智能化建設的高質量發展,歸根結底取決于各類技術裝備的應用效果,調度指揮中心的裝備水平并不能完全反映出礦山的智能化水平,礦山應將工作重點放在智能化技術、智能裝備的研發與應用上。

4.4 重采集輕分析

自“十一五”我國開始進行數字礦山建設以來,數字化采集即被認為是礦山信息化與智能化需要解決的基礎性、關鍵性問題,由此催生了大量智能裝備、傳感裝置在礦山的廣泛應用,大部分現場數據已實現了實時/近實時的自動化與數字化采集,同時也帶來了數據量的全維度爆發問題。 但目前許多礦山都存在著“數據很重要但不知如何使用”的困惑,并由此產生了在數據管理上的兩種傾向:一是在充分意識到數據重要性的情況下,采用面向集成平臺的“全掌控”方式,不同產生頻率、細度粒度、加工深度、業務主題的數據全部集中于數據平臺,“事無巨細”的數據體系為數據后利用的主題化、服務化帶來了極大困難;另一種則是數據經采集、加工、處理、展示后,即認為完成了固有的業務處理周期,形成了大量歷史數據沉淀。 在數據分析方法上,仍以對比分析等常規方法為主,數據后利用的需求驅動不清晰、分析決策主題對于數據的依賴性不明確、異構數據的綜合建模能力不足等,造成了數據智能建模分析的技術與應用瓶頸。

智能礦山建設到一定階段后,必然會面臨數據的后綜合利用問題,數據資產的形成與利用對于礦山的生產運營分析決策將產生至關重要的影響,而面向主題、問題導向的生產分析,是保證礦山整體最優化運行的智能化保障。 這一過程并非是采集數據的簡單堆積和集成展示所能解決的,而是需要在進行數據標準化、數據治理的基礎上,引入大數據分析、人工智能、商務智能等多種技術手段,根據特定主題構建智能分析模型,全面解決地質資源的合理利用、礦山計劃的優化指導、生產過程的合理組織、生產效果的精準評價,以及生產運營決策的科學高效等問題。

4.5 重宣傳輕效果

評價礦山智能化建設的效果,最終還是要回到企業的商業本質,即成功的智能礦山建設項目應為礦山產生高效率、帶來高效益。 結合智能化技術的特點,本研究認礦山智能化建設效果的評價標準是提高技術水平、獲得經濟效益和保障礦山安全。 因此,智能系統在生產實際中進行應用,并成為生產業務不可或缺的組成部分是評價建設效果的最低標準。

鑒于行業內對于智能礦山建設均表現出濃厚興趣,各類系統建設全面開花,且都表示采用了領先的技術,成功建設了數字礦山或智能礦山。 本研究認為,如果拋開效益效果、適用性與應用深度,即廣泛宣傳了其高水平的技術、前沿性的系統、完善的展示平臺,但在其持續、常態化應用的體驗與效果方面涉及較少,在很大程度上會對智能礦山建設本質需求的理解造成干擾。 現階段,在智能礦山建設方面業內存在不同程度的“重媒體宣傳輕應用效果”現象,個別礦山甚至是不到現場很難真實了解其智能化水平,對于客觀、全面地分析總結我國礦山智能化的總體技術水平造成了障礙。

礦山智能化建設是一項復雜的系統工程,無法一蹴而就,其效果也并非立竿見影。 隨著礦山企業不斷發展,相關技術/裝備水平逐步提升,礦山需要根據自身的技術條件、生產工藝、裝備水平、管理模式,選擇適宜的智能化內容和建設模式,逐步推進、不斷提高,方可從根本上實現礦山高質量發展。

4.6 重建設輕運維

智能化項目建成投用后,能否穩定運行并發揮效益,持續有效的運維是關鍵,即三分建設、七分運維。目前,不少礦山存在“重建設、輕運維”的現象,由于缺少必要的運維機制和運維力量,有些項目并未按照預期的目標持續、穩定地運行下去,而是處于勉力維持狀態,成為“雞肋”或面子工程。 部分項目則被動廢棄,礦山不得不重新進行投資建設,很大程度上造成了資金浪費。 在回顧項目建設得失時,未能客觀分析運維的短板,而傾向于在技術/裝備、供應商等方面尋找不足,在一定程度上影響了礦山智能化建設的積極性和可持續性。

礦山在進行智能化項目建設時,前期論證階段除了要考慮建設投資外,建成后的運維費用、運維機制也須同步考慮;在項目論證與啟動階段,就應組織業務需求、技術提供、應用人員、系統運維、數據中心等多方力量共同參與,同時明確分工、重視移交、轉移運維,在此過程中礦山企業需注重培養鍛煉本單位的開發、運行、維護隊伍。 分析國內外一些礦山智能化建設的成功經驗可以得出,穩定可靠的技術和及時有效的運維是智能礦山建設成功的關鍵因素。 部分國外礦山也在使用一些我國的技術或裝備,認為我國技術先進適用、性價比高,但在后期運維服務方面有進一步提升的空間,這值得重視。

5 結 論

我國金屬礦山的智能化建設已由最初的探索性研究向常態化應用轉變,這一過程的難度和風險要遠大于前期的科研探索。 本研究立足于金屬礦山智能化建設的科學分析與客觀思考,在對代表性智能化建設成果進行總結的基礎上,探討了目前存在的問題,所得結論如下:

(1)智能礦山建設可以從兩個層次考慮,即功能性的智能和體系上的智能。 前者是為了滿足某一具體業務的安全高效展開,如智能裝備、自動化改造、無人值守系統等,目標是實現礦山業務操作的智能化,其技術基礎是高度的機械化、自動化與人工智能;后者是以礦山整體運行最優化為目標導向,實現礦山各種資源在時空上的最佳部署,其技術基礎是大數據、商務智能以及算法模型。

(2)在智能礦山建設中要正確處理分析集成性與業務分散性的關系。 目前各類集成平臺成為了所有系統最終的匯集地點,但在離散式、分散式的礦山作業方式制約下,各業務的獨立性顯著,且業務間邏輯關聯、業務協同以及數據流轉成為重要的支撐條件。 因此,集成平臺應在畫面集成、系統界面集成、報表集成的基礎上,進一步從需求導向、用戶導向、主題導向出發,深層次地考慮集成平臺的功能規劃問題。

(3)從目前智能礦山建設現狀分析得出,項目成功的關鍵因素是生產系統通過智能化改造,形成了新的作業方式,在經過一段時期的適應性改進、生產組織調整后,必須固化成為生產過程中不可或缺的一部分,才能持續發揮作用,這也是我國智能礦山建設中固定設施及輔助系統無人化應用較為成功的根本原因。 在單體裝備、局部應用智能化向集群化轉變的過程中,應充分考慮這一因素。