我國冶金行業智慧礦山建設路徑探索與實踐

柳小波 張興帆,3 曲福明 潘鵬飛 王懷遠,5 王連成

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;2.北京科技大學礦產研究院,北京 100083;3.中國科學院沈陽自動化研究所,遼寧 沈陽 110017;4.鞍鋼集團礦業有限公司,遼寧 鞍山114001;5.鞍鋼集團北京研究院有限公司,北京 102209)

進入21 世紀以來,科學技術蓬勃發展,促進了社會和各行業的巨大變革。 互聯網、物聯網、5G 通信、大數據、云計算、區塊鏈以及人工智能等數字技術不僅成為當前和未來生產方式、生活方式和治理方式變革的關鍵性驅動力量,更是重組資源要素、重塑經濟結構、重構競爭格局的重要手段。 尤其是2012 年以來,國家高度重視新技術在工業領域的創新與實踐,多次提出“推動信息化和工業化深度融合”,“加快建設制造強國,加快發展先進制造業,推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合”,“推動數字經濟與先進制造業、現代服務業深度融合,促進人工智能安全發展”等要求。 礦產資源行業是工業制造的源頭和基礎,是國家安全與經濟發展的重要保障,更是技術升級的廣闊藍海。 但限于礦山開采的復雜性與艱苦性,礦山技術的發展往往落后于其他制造工業,而人工智能和無人駕駛等新技術的出現將極大地改善礦山的作業條件。 在新時代的背景下,發展新興技術與采礦技術深度融合,構建智慧礦山發展新模式,實現傳統礦山的轉型升級,是我國礦山行業發展的必然趨勢。 本研究立足國內外先進礦山的建設現狀,梳理我國與礦業強國之間的技術差距,總結我國冶金礦山行業發展存在的痛點,并在此基礎上提出智慧礦山的建設路徑。 同時,以齊大山鐵礦為例,將理論與實踐相結合,進行智慧礦山建設的初步探索,并對未來的智慧礦山發展進行展望。

1 礦山開采技術發展現狀

在漫長的人類社會發展過程中,礦山開采技術主要經歷了3 個階段,分別是手工時代、機械時代和數字化時代。 手工時期人們使用斧、鉞、鑿進行礦石挖掘,筐、簍、推車等進行裝載和運輸,效率十分低下;工業革命后,炸藥與機械工具的發明和應用大幅提高了礦山的產能與效率;20 世紀末期開始,新型技術的快速發展進一步推動了采礦行業的巨大變革。 1998年,美國提出了“數字地球”概念[1],迅速引起了全世界的廣泛關注,許多國家結合各自的實際情況,進一步制定了有關數字礦山建設的發展規劃。 例如瑞典的“Grountecknik 2000 計劃”、芬蘭的“國家智能礦山IM、IMI 研發計劃”、加拿大的“UDMN 2.0 計劃”,歐盟的“地平線2020 科研規劃”、澳大利亞的“玻璃地球計劃”等[2]。 經過20 余年的發展,礦山行業的數字化發展取得了豐碩成果,并逐步向智能化礦山邁進。 本研究分別從露天和地下兩個方面對當前國內外的礦山開采技術現狀進行梳理,并通過對比厘清我國礦山與世界先進礦山的差距。

1.1 金屬礦露天開采案例

澳大利亞皮爾巴拉礦區是世界上最大的鐵礦石產出地,年產鐵礦石8 億t 左右,占據該國鐵礦石產量的90%以上,占世界鐵礦石產量的1/2[3]。 該地區的鐵礦主要由力拓、必和必拓和FMG 三家公司運營。由于礦體埋深較淺且礦石品位較高,該地區的鐵礦多數采用露天作業方式進行開采,并且使用了目前最先進的技術。 以力拓的礦山為例,其在穿爆環節首先使用遠程遙控鉆機安全準確地鉆出爆破孔,再利用智能裝藥車自動將炸藥泵入鉆孔,裝藥車使用計算機系統和數據分析來確定每個鉆孔使用的炸藥當量,可以減少資源浪費并提高爆破效果。 在鏟運環節,采用了電鏟和卡車組合,卡車由監控系統和中央控制器自動控制。 系統使用預定義的GPS 路線自動導航運輸道路和交叉路口,同時監測所有車輛的實際位置、速度和方向。 這些技術的運用使得運輸成本比同等的人工駕駛卡車降低了15%,生產率提高了25%,設備利用率提高了40%,同時自動運輸系統還使卡車操作人員免受傷害,從而減少了在重型機械周圍工作的安全風險[4]。 在軟件方面,力拓使用3D 游戲引擎構建了RTVisTM 可視化系統,該系統與數字孿生技術類似,融合了地質、巖土、鉆孔、爆破、生產規劃等礦山開采的全流程信息,集成了人員、裝備和礦體等各種要素,通過可視化技術進行實時展示,以便實現整個礦區的生產監控與科學決策[5]。 除此之外,力拓還使用無人機進行實時3D 測繪、設備巡檢和邊坡安全檢查;研發小型機器人進入狹窄空間進行安全監測或裝備檢查;利用大數據技術進行科學調度與決策,大幅減少停機時間并節省能源,降低運營成本。

受限于礦產資源的稟賦特征,我國的金屬礦產極少存在如同皮爾巴拉礦區的高品位、低埋深、易開發的礦石產品,開發利用面臨著工程技術復雜、綜合利用難度大、開發利用率低等挑戰。 并且我國的礦山機械化和自動化技術起步較晚,因此數字礦山技術的應用深度相對于國外的先進露天礦山仍有一定的差距。經過廣大科研工作者和工程技術人員努力攻關,我國露天礦山開采技術也取得了一定的進展,典型案例之一是洛陽鉬業的三道莊礦區。 在2016 年,洛陽鉬業就開始對礦區的穿孔、鏟裝和運輸裝備進行智能化升級改造,逐步實現無人高效作業。 2019 年洛陽鉬業首次將5G 通信技術應用于礦山遠程遙控,實現了鏟裝作業的遠程精準控制,到2020 年全礦基本實現5G網絡全覆蓋,大幅提升了無人采礦的穩定性和精準性。 “牙輪鉆機遠程智能控制系統”實現了牙輪鉆機穿孔設計自動上傳,鉆機自動找位,孔深自動控制;“多金屬多目標智能配礦系統”實現了爆堆品位的可視化,根據破碎站入礦品位和噸量需求完成智能配礦;“集群協同卡車智能調度系統”根據配礦計劃規劃卡車的最優行進路線,減少裝卸載排隊等待,實現了智能調度;“礦巖運輸無人計量系統”自動識別卡車卸載時的出礦點、出礦品位和噸位,并及時將數據上傳云端;“大數據智能分析與可視化系統”對收集到的數據進行匯總與展示,幫助管理人員進行科學決策[6-7]。

1.2 金屬礦地下開采案例

位于瑞典北部的基律納鐵礦隸屬于高科技礦業集團LKAB 公司,是目前世界上規模最大、技術最為先進的地下礦山之一。 該礦采用豎井+斜坡道聯合開拓、無底柱分段崩落法進行開采,2022 年生產鐵礦石2 500 萬t。 在礦山生產的各個環節,該礦都使用了先進技術以實現礦石的安全高效開采。 在勘探階段,采用了航空磁力調查和彎曲鉆孔技術,大幅減小了鉆探區域,取得了更精準的勘探成果[8];在鑿巖階段,使用Atlas 公司高壓水力潛孔沖擊式鉆機的鑿巖臺車,可以實現布孔計劃傳遞、推進臂精準定位、準確平穩開孔、鑿巖和接卸鉆桿、鉆桿自動歸位[9];在爆破階段,研發了抗水性強、黏度更高的乳化炸藥,減少孔內積水的影響,并且在爆破后使用機器狗進入空區和巷道排查盲炮和危巖,避免人員受傷的危險[10];在鏟裝階段,應用了新型遙控鏟運機Sandvik LHD621,該型鏟運機采用了更先進的視覺導航系統,并配套了AutoMine?Multi-Lite 自動控制系統,操作人員只需在中控硐室便可操作鏟運機進行采場出礦[11];在運輸階段,電機車裝礦、運輸、卸礦和提升全過程實現了自動化和無人化[12];在通風系統中,采用壓入—抽出混合式通風方式,風機站安裝有調頻控制的軸流式風機,由中央控制室監測風機工況,工作過程實現了全自動化[13]。

作為我國地下礦山建設標桿的三山島金礦隸屬于山東黃金集團有限公司,是目前國內數字化程度和整體裝備水平最高的現代化礦山之一。 從2009 年開始,該礦就制定了《三山島金礦數字化礦山建設總體規劃》并逐步實施,建成了GPS 車輛定位、排水自動控制、變配電自動化、綜合調度顯示、污水處理自動化、地磅自動稱重等系統[14]。 2018 年,該礦開始打造“國際一流示范礦山”,并于2020 年底全面建成。在工藝流程上,采用了連續規?；悄荛_采工藝,即采用連續分段空場嗣后充填采礦法對礦石進行回采,實現了礦山開采模式的革新[15];在生產管控方面,將所有地下控制系統集成于地表管控平臺,實現綜合調度生產;在危險監測方面,建成了井下安全隱患智能預警系統和智能安全監測系統,降低事故發生率;在井下作業環節,使用遠程遙控的操作方式代替高強度、高危險、環境差的人工作業,實現安全高效生產。具體而言,提升控制和溜破控制實現了無人值守,固定式破碎錘和有軌運輸采用地表遙控作業,排水和通風系統均實現自動控制,降低了工人數量和維護成本[16]。 除此以外,三山島金礦還采用華為大數據平臺對礦山生產過程中的數據進行關聯,建成了礦山大數據平臺,為礦山安全管控、精準決策提供了數據支撐[17]。

2 智慧礦山內涵與演化歷程

從上述國內外礦山建設案例可以看出,澳大利亞和瑞典等礦業發達國家的部分先進礦山目前已經基本實現遙控采礦、工作面無人采礦,正逐步朝全面的無人開采方向邁進,而我國礦山正處于穩步追趕狀態。 綜合文獻調查結果顯示,我國礦山建設分別經歷了機械化、自動化、信息化、數字化、智能化等階段,目前正處于數字化向智能化的過渡階段。 各階段的特點如圖1 所示。

圖1 我國礦山建設經歷的不同階段Fig.1 Different stages of mining construction in China

圖1 展示的是礦山實際建設過程經歷的不同階段,而相關理論/概念的提出與研究通常會提前許多,其中比較知名的概念包括“數字礦山”“智能礦山”“智慧礦山”。 對于這些概念的定義和內涵,不同的學者均有獨到的理解,也因此形成了多種不同的解釋。 例如,對于數字礦山,吳立新教授參照數字地球的概念將其定義為“數字礦山是對真實礦山整體及相關現象的統一認識與數字化再現,是一個‘硅質礦山’,是數字礦區和數字中國的一個重要組成部分”[18],并設計了數字礦山的基本框架,闡明了數字礦山的內涵[19],探討了數字礦山、感知礦山和智能礦山的關系[20]。 孫豁然教授認為“數字礦山是以計算機及其網絡為手段,把礦山的所有空間和有用屬性數據實現數字化存儲、傳輸、表述和深加工,應用于各個生產環節與管理和決策之中,以達到生產方案優化、管理高效和決策科學化的目的”[21]。

對于智能礦山的內涵,有學者將其總結為“智能礦山是采用人工智能、工業互聯網、新一代通信技術、大數據、區塊鏈、邊緣計算、精確定位與導航、虛擬現實等智能技術和信息化技術,深化改造并重塑礦山采、選、冶等核心生產環節,實現礦山全鏈條的智能化與協同化,從而達到礦山經營處于高效、安全、綠色、和諧及經濟效益最優的目標”[22]。 自然資源部編撰的《智能礦山建設規范》將智能礦山定義為“在地質測量、資源管理、采礦生產、選礦加工、運輸倉儲等方面實現數字化、信息化、智能化管控的現代化礦山”,指出智能礦山建設應包括基礎設施、資源管理、采礦、選礦、生態環境保護、礦山大數據應用與智能決策,具有系統性、全面性和技術指導性[2,23]。

對于智慧礦山的概念,引用數量較多的是王國法院士在2018 年發表的論文中提出的定義,即“智慧礦山是基于現代智慧理念,將物聯網、云計算、大數據、人工智能、自動控制、移動互聯網、機器人化裝備等與現代礦山開發技術融合,形成礦山感知、互聯、分析、自學習、預測、決策、控制的完整智能系統,實現礦井開拓、采掘、運通、洗選、安全保障、生態保護、生產管理等全過程智能化運行”[24]。 此外,《智慧礦山信息系統通用技術規范》(GB/T 34679—2017)將智慧礦山的概念描述為“基于空間和時間的四維地理信息、泛在網、云計算、大數據、虛擬化、計算機軟件及各種網絡,集成應用各類傳感感知、數據通信、自動控制、智能決策等技術,對礦山信息化、工業自動化深度融合,能夠完成礦山企業所有信息的精準實時采集、高可靠網絡化傳輸、規范化信息集成、實時可視化展現、生產環節自動化運行,能為各類決策提供智能化服務的數字化智慧體,并對“人—機—環”的隱患、故障和危險源提前預知和防治,使整個礦山具有自我學習、分析和決策能力”[25]。

從上述關于數字礦山、智能礦山和智慧礦山的描述中可以看出,數字礦山是建設智能礦山和智慧礦山的基礎,但目前業內關于智能礦山和智慧礦山概念的理解可謂見仁見智,對于二者的區別和聯系缺少深入分析。 并且,對于煤礦或金屬礦等不同領域,由于生產工藝和安全監管存在較大差別,需要針對不同行業的具體特征進行歸納總結。 在冶金礦山領域,該問題可以結合礦山的發展歷程進行分析。 礦山的自動化和信息化,側重于單機或局部信息管理;礦山的數字化,側重于資源整合與數據共享;礦山的智能化,側重于生產裝備和流程的智能應用;礦山的智慧化,是智能化的更高維度,表現為全要素和全流程的自反饋、自適應、自決策,最終實現無人礦山。 因此,現階段智能礦山和智慧礦山的范疇并不沖突,且目標都是實現礦山的本質安全、高效生產和綠色低碳,但二者側重點有所不同,對裝備、流程、工序實現智能化,可歸屬為智能礦山范疇,而對工藝、技術、體制、機制、管理等全面創新,則屬于智慧礦山范疇。

邵安林院士在多個場合對智慧礦山的內涵進行了闡述[26],他認為,智慧礦山不能簡單地把它理解為信息化或智能化,而是遵循系統工程理論,利用現代信息技術和已知知識應對未知變化,實現對礦山生產經營主動感知,統籌優化各種資源,在符合礦山安全生產、環境保護要求的前提下,實現礦山資源利用效率與社會經濟效益自主動態平衡的先進礦山發展模式。 最終是以實現礦山數字化開采、無人化操作、云數據共享、大數據分析、智能化調度和智慧化決策為主要目標,通過智能化關鍵技術實現全流程的優化,進行有效的礦山資源配置,進而達到礦山安全開采、智慧開采、降耗增效、環境保護、生態和諧的目的。 與傳統礦山相比,智慧礦山具有更長遠的戰略考量、更系統的管理思維、更快捷的反應能力、更深入的智能化特點。 因此,必須將企業發展戰略和管理方式與新一代信息技術緊密結合,整體謀劃、統籌推進。

3 冶金行業智慧礦山建設思考

3.1 我國冶金礦山智慧化建設痛點

雖然我國金屬礦山的數字化和智能化取得了一定進展,甚至在某些方面達到了世界領先水平,但總體上仍處于探索階段,仍面臨許多行業痛點和難題,主要包括以下幾個方面:

(1)缺乏行業統一的智慧礦山頂層設計規劃。礦山行業具有復雜性、系統性等特點,其流程長、工藝環節多,包括勘探、穿孔、爆破、鏟裝、運輸、破碎等多項子工程,涵蓋了地質、采礦、測繪、選礦等多個領域,是一個多專業相互滲透、多學科共同支撐、多系統協同優化的復雜工程。 多個單一環節的智能化改造并不能真正意義地建成智慧礦山,必須從局部智能轉變為全流程智慧系統,這需要做好頂層設計,形成基于核心指標聯動優化的智慧生產管理模式。 目前只有少數大型礦山企業基于自身現狀開展了智慧化建設的探索性嘗試,大部分中小企業仍處于落后狀態,因此需要重視并加快智慧礦山的頂層設計,引導礦山企業的轉型升級。

(2)數據標準不一,礦山系統建設存在信息孤島。 從信息化和數字化建設時期開始,眾多礦山企業與相關科技公司合作,共同打造礦山的各種信息管理系統。 但由于礦山開采環節復雜,對應的設計系統和管控系統眾多,而不同的系統通常又由不同的軟件公司進行研發,這些系統軟件標準不一、數據不通、兼容性和可移植性較差,很容易造成信息孤島,難以實現不同系統之間的有效聯合和綜合管控。 海量多源異構的礦山信息無法有效收集融合,難以為智慧決策提供全面的數據基礎。

(3)多個生產環節的智能化技術存在短板,亟需攻關突破。 通過調研發現,國外露天礦山已廣泛采用各種自動化和遙控設備,生產能力大、機械化和智能化水平高,而我國僅在半連續工藝中的連續環節實現了自動化,整體而言仍處于半自動化狀態,正處于向自動化和智能化的進化階段。 在地下礦山領域,采礦機械化、自動化和智能化水平對比國際一流的基律納礦仍有一定差距。

(4)管理模式落后,管理體制與發展需求不協調。 目前大部分礦山的管理模式依然呈現分割優化、各自為政的特點,即勘察、采礦、配礦、選礦、燒結、球團等環節獨立管理,相互之間關聯較少。 這種分治管理模式存在諸多弊端,例如在技術層面未能注重對分散技術的系統評價、優選與集成,在工程管理層面沒有系統研究各部分之間的相互作用和整體發展變化,缺乏整體聯動,最終導致單系統指標雖然最優,但全系統效益往往不是最大。

以上問題的存在導致短期內難以建立規范化的智能化體系,在這樣復雜的條件下,實現礦山智慧化轉型任重道遠。

3.2 我國冶金礦山智慧化建設路徑

為了提升我國冶金礦山行業的整體智能化水平,助力礦山企業由數字化、信息化向智慧化逐步邁進,需要做好以下幾點。

(1)注重頂層設計。 傳統的數字化礦山規劃方式往往是自下而上,由生產過程的數字化,逐漸歸納整理完善滿足管理需求。 而智慧礦山的規劃應是自上而下,由頂層設計出發,連通數據采集、數據傳輸、云端分析、智能控制等各個環節,形成系統的設計鏈,進而形成完整的解決方案。

(2)貫徹標準先行。 礦山行業的子系統眾多,不同開發者建立的系統往往互不兼容,極大阻礙了信息的有效融合。 將標準化應用于智慧礦山信息化建設中,能夠有效解決“數字鴻溝”“信息孤島”等問題,提升智慧礦山信息化水平。 目前,雖然有關部門出臺了一些智能礦山建設規范[23,25],但相關技術標準和政策仍不完善。 小到礦山內部,大到行業和國家,都需要制定統一的標準。

(3)做好技術創新。 相比國外的先進礦山,我國的礦山整體智能化基礎仍然比較薄弱,并且部分設備廠商對礦山實際情況缺乏深入了解,產品設計理念與實際需要存在偏差。 因此,需要整合礦山、信息技術等行業領域的產、學、研、用技術力量,開展全面深入的智慧礦山關鍵技術研究和應用示范推廣,力爭形成動態、協調、優化的智慧化礦山整體環境。

(4)實現管理升級。 智慧礦山的管理需要注重系統思維,樹立系統觀和整體觀,從“大礦業”整體角度出發,將礦山的各個環節視為一個有機整體,按照大系統的處理方法進行優化,實現整體價值最大化。同時依托工業互聯網平臺和智能技術,從智慧感知、智慧生產、智慧決策、智慧服務4 個關鍵環節入手,形成完整的智慧化高效運營管理體系。

4 智慧礦山建設探索實踐案例

2023 年中共中央、國務院印發了《數字中國建設整體布局規劃》,標志著國有企業數字化轉型不僅是構筑競爭優勢的內在要求,更是實現全面建成社會主義現代化國家的重要支撐。 作為冶金礦山數字化應用的先行者,鞍鋼集團礦業有限公司(以下簡稱“鞍鋼礦業”)在2007 年發布了《數字礦山建設規劃》,率先建成了以ERP 為核心的礦業管理信息化AMS 系統,推動基于自動化和信息化的五級管理體系,在2015 年,入選國家《鋼鐵工業調整升級規劃》,先后被評為“首批國家智能制造試點示范”和“智能制造標桿企業”。 如今,在智慧礦山建設方興未艾的趨勢下,鞍鋼礦業選擇部分典型工藝產線作為試點進行了智慧礦山建設探索,齊大山鐵礦正是其中之一。

齊大山鐵礦成立于2004 年11 月,是我國著名的大型鐵礦采選聯合企業,是亞洲最大的露天鐵礦,年產1 700 萬t 鐵礦石,是集采礦、選礦于一體的現代化、大型化冶金礦山企業,是鞍鋼集團重要的鐵礦石和鐵精礦生產原料基地之一。 該礦基于傳統的露天作業方式進行開采,采礦過程主要包括穿孔、爆破、鏟裝、運輸和排巖五大環節,其中生產成本占比較大的運輸環節采用了電鏟+卡車+破碎機+膠帶運輸的半連續工藝,極大程度上降低了礦巖轉運費用。 近年來,該礦在設備大型化、自動化運行等方面得到了較大提升,先后引進了斗容16.8 ～20.0 m3的大型電鏟和載重154～190 t 的電動輪卡車。 但是面對新發展戰略所提出的新要求,在諸多方面還存在著較大的提升空間。 例如,缺少系統性的整體智慧化建設方案,目標不夠明確;安全生產管控信息技術相對落后,存在大量數據孤島現象,不能整體化管控;采場新技術應用滯后,缺少人工智能、智能控制等新技術應用;生產工序缺乏協同聯動,沒有實現礦業核心指標動態優化,未能通過體制、機制變革提升管理水平。

針對上述存在的問題,齊大山鐵礦從頂層架構設計、標準體系建設、智能技術創新和智慧管理升級4個方面進行了智慧礦山建設的初步探索。

4.1 頂層架構設計

頂層架構設計是建設智慧礦山的根本。 面向我國冶金礦山的建設痛點與重點,立足現場實際生產現狀和升級需求,齊大山鐵礦設計了適合露天生產與管理的智慧礦山建設頂層業務架構,如圖2 所示。

圖2 齊大山礦智慧礦山建設頂層業務架構Fig.2 Top level business architecture of the smart mine construction of Qidashan Mine

由圖2 可知:齊大山鐵礦的智慧礦山建設頂層架構主要包含工業互聯網、智慧采場、智慧工廠、智慧生產、智慧管理、智慧安全和智慧運維等7 大板塊。 其中,工業互聯網作為智慧礦山建設的整體支撐平臺,在打通各環節、各系統,形成統一智慧管控的過程中發揮著至關重要的作用。 為此,基于工業互聯網平臺的“端邊網云”模式,構建了齊大山智慧礦山建設的頂層技術架構,如圖3 所示。

圖3 齊大山智慧礦山建設頂層技術架構Fig.3 Top level technical architecture for the construction of Qidashan Smart Mine

“端層”主要包括單體設備、生產設施、傳感器、定位裝置和視頻監控等模塊,用于實時獲取實體設備的運行數據,并將其發送至邊層和云層,實現生產要素的全面感知和精準控制。 “邊層”包括邊緣計算裝置、數據緩存裝置、數據匯集裝置、人工交互裝置,用于獲取端層中實體設備的運行數據,應用人工智能技術(包括聲音分析、圖像分析、采集分析、地圖分析等技術),構建快速響應、離線響應的邊緣計算體系,實現邊緣側的數據分析和實時決策。 “網層”包括工控網、辦公網、公共網和數傳電臺。 用于構建現場的工控、生產、公網融合的網絡體系,以實現層之間的數據傳輸以及與公共網絡的數據傳輸。 “云層”指構建礦業的IaaS、PaaS、SaaS 云體系。 IaaS 層提供基礎的設備虛擬化、容災、負載等硬支撐服務;PaaS 層提供數據交互、礦業應用建模、大數據計算、礦業數據標準等軟支撐服務;SaaS 層從工藝、安全、能源、設備、決策等維度建立一體化的礦業應用,通過統一平臺門戶、三維仿真、移動應用等形式,實現礦業生產的遠控作業方式,實現統合化、精細化管理的新模式[27]。

4.2 標準體系建設

標準體系建設是建設智慧礦山的基礎。 “工程未動、標準先行”,標準體系建設是保障智慧礦山順利建設、有效解決“數字鴻溝”及“信息孤島”等問題的有效手段。 數據標準的制定應根據國家標準化管理委員會聯合發布的信息系統研究規范,結合礦山實際情況,包含礦山基礎信息、生產信息、運營管理信息等多維度全方位的數據,打造符合智慧礦山業務的數據規范。 基于以上基本原則,本研究構建了智慧礦山標準體系。 由于標準內容篇幅過大,因此僅展示標準體系的基本框架,如圖4 所示。

圖4 智慧礦山標準體系構建Fig.4 Construction of the standard system of smart mine

4.3 智能技術創新

智能技術創新是建設智慧礦山的核心。 總體而言,齊大山鐵礦的智慧采場建設的創新點主要表現在:① 創立了大型金屬露天礦全流程智能安全開采體系,基于數字孿生、5G、物聯網等技術建立并打通數字地質、智能穿孔、智能爆破、智能鏟裝等環節,實現了金屬露天礦智能安全開采從局部割裂化到整體統一化的重要突破。 ② 破解了大型金屬露天礦多工序智能化瓶頸技術,研發了露天礦多環節智能開采感知—決策—控制一體化技術,制定了復雜環境系統化感知策略,形成了全流程開采智能規劃方法,開發了典型裝備智能控制技術;③ 攻克了多場景協同聯動智能化開采實踐難題,集成構建了穿孔、爆破、鏟裝、運排全流程系統,研發了露天礦智能開采系列技術,開發了多場景協同聯動智能化開采應用,實現了露天礦多環節、多場景的智能安全生產(圖5)。

圖5 齊大山露天礦全流程智能開采框架Fig.5 Intelligent mining framework for the entire process of Qidashan Open-pit Mine

為了更清晰地展示上述創新成果在生產環節的具體應用成效,分別結合幾個典型智能開采實踐場景進行分析。 在穿孔環節,基于智能感知—智能決策—智能控制一體化技術,研發了遠程一鍵自主作業智能控制系統,并實現了鉆機遠程一拖二智能控制,降低了工人勞動強度,使其遠離惡劣環境,如圖6(a)所示。 在鏟裝環節,基于深度學習技術開發了鏟齒脫落智能識別系統,解決了鏟齒脫落帶來的尋找鏟齒困難、勞動強度大、設備過鐵問題,保障了后續生產穩定運行,如圖6(b)所示。 在卡車運輸環節,研發了毫米波雷達與極目攝像頭相融合的感知方法、基于場景與運行速度相結合的近距離防碰撞預警方法和自動剎車控制系統,全面保障了卡車行駛安全。 在有軌運輸環節,設計了基于電子圍欄的機車信號智能識別算法和針對機車的工業短距無線通信技術,研發了機車安全輔助駕駛系統,取代了安全觀察員,實現了運輸無人值守。

圖6 生產環節智能化建設部分成果Fig.6 Partial achievements of intelligent construction in production processes

4.4 智慧管理升級

智慧管理升級是建設智慧礦山的保障。 基于上述建設基礎,構建了智慧生產、智慧安全、智慧保障與智慧運營等中心,重塑現有的礦山生產管理流程。 智慧生產中心是生產經營的核心引擎,驅動著齊大山鐵礦智慧化礦山轉型穩步推進。 面向采場“礦石流”,從地質管理、資源計劃、穿孔爆破、鏟裝運輸到采場驗收逐個業務流程開展智慧化建設,實現了礦產資源數字化、指揮平臺可視化、調度指揮智能化的建設效果,如圖7(a)所示。 智慧安全中心是生產經營的命脈底線,圍繞安全生產全要素,以安全管理系統為載體建立了危險源巡檢、礦山邊坡在線監測、鷹眼安全監控、卡車防碰撞報警、人員安全定位及健康監測五大模塊,運用信息技術實現了采場本質安全,取得了安全管理透明化的建設效果,如圖7(b)所示。 智慧保障中心是生產經營的護航使者,設備保障能力是實現安全生產穩定運行的必要前提。 針對設備保障、運行保障、人本保障3 個維度開展智慧化建設,引入AI 技術提升智慧保障水平,取得了設備管理高效化、3D 崗位人文化的建設效果。 智慧運營中心是生產經營的指揮中樞和大腦,ROC 集遠程控制、遠程調度、遠程協同指揮功能于一體,融合生產、設備、安全、成本多元化信息,形成綜合決策指揮能力,實現礦山協同一體化運營管控,達到了人力資源集約化、運營管理協同化的建設目標。

圖7 管控環節智能化建設部分成果Fig.7 Partial achievements of intelligent construction in control links

齊大山鐵礦在智慧礦山建設過程中的探索性實踐不僅為鞍鋼礦業優化了人力資源,還大幅提升了設備的運行效率。 其中,鉆機效率提升了13.2%,電鏟效率提升了14.2%,運輸效率提升了7.12%,破碎效率提升了13.68%。 總體而言,齊大山鐵礦已基本實現了大型露天鐵礦全方位的安全智能開采,極大地提高了礦山本質安全水平和勞動生產效率。

5 智慧礦山建設展望

在當今第四次工業革命時代,物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代技術為礦山行業注入了新的生命力。 近年來,國內外許多礦山企業相繼進行了數字礦山、智慧礦山建設,在不同層面都取得了一些成績和效果,然而與其他先進的流程工業相比,依然存在著不足。

未來,新思想與新技術將逐漸從局部走向整體、從單一發展到系統性進步,對新技術的應用無論在深度還是廣度上,都將進一步地挖掘和開拓。 下一步,冶金行業智慧礦山建設重點可以從高度智能的無人生產、高度智慧的運營管控、生態和諧的綠色礦山3個維度開展工作。 此外,隨著技術不斷升級,礦山發展也必將突破企業間、行業間的限定,逐步形成標準統一、資源集中、服務共享、產業協同的智慧礦業生態圈。 智慧礦業生態圈是指以優勢產業為核心,通過大數據支撐、網絡化共享和智能化協作,將產業鏈上下游的多個環節聚合在一起,集中人才、技術、資本等多種要素,形成具備信息流循環和產業孵化能力的新型生態系統。

6 結 論

(1)我國智慧礦山建設進展顯著,但較發達國家仍存在差距。 近年來,我國冶金礦山在智能化和智慧化建設方面取得了較大進展,但相比礦業發達國家的先進礦山,在地質資料數字化、生產裝備自動化、管控環節智能化和經營決策智慧化等方面仍然存在一定的差距。

(2)我國智慧礦山建設存在短板,需要開展系統化創新和實踐。 智慧礦山建設是一項復雜的系統工程,目前我國智慧礦山建設存在頂層設計規劃不足、數據標準不統一、智能生產有瓶頸、管理模式存弊端等痛點,可以從加強頂層設計、貫徹標準先行、做好技術創新和實現管理升級等方面推進建設。

(3)近年來的國內智慧礦山建設經驗,值得行業同仁思考和借鑒。 以鞍鋼礦業齊大山鐵礦為例,該礦設計了智慧礦山頂層業務架構和技術架構,提出了標準體系建設的基本框架,概述了該礦各生產環節的智能化技術創新成果,展示了智慧生產、智慧安全、智慧保障與智慧運營等中心的建設成果。

(4)未來需要發展智慧礦山生態圈,推進智慧礦山全面發展。 建設智慧礦山并逐步形成智慧礦業生態圈,是冶金礦山行業未來發展的主要方向,要抓住新一代信息技術變革的機遇,整合產業資源,聚合行業發展新動能,走出一條具有中國礦業特色的智能制造發展新路徑,助力中國式現代化早日實現。