梁 宵，袁艷斌，張 帆，夏文釗

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著計算機(jī)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與深入研究，信息化在采礦工程及礦山生產(chǎn)技術(shù)管理中，也發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。信息技術(shù)的快速發(fā)展和浪潮般的推廣應(yīng)用，為礦山企業(yè)帶來了機(jī)遇，也帶來了壓力，“數(shù)字礦山”應(yīng)運(yùn)而生[2]。數(shù)字礦山是以計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)為核心手段，實(shí)現(xiàn)礦山信息的獲取、存儲、傳輸、表述、深加工及其在各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和管理與決策中的應(yīng)用。它是一個由多個相互關(guān)聯(lián)的軟、硬件分(子)系統(tǒng)組成的龐大系統(tǒng)。

數(shù)字礦山的建設(shè)開發(fā)過程，稱為礦山數(shù)字化。礦山數(shù)字化過程是綜合運(yùn)用GIS(地理信息系統(tǒng))、遙感、遙測、網(wǎng)絡(luò)、多媒體及虛擬仿真等技術(shù)，建設(shè)礦山資源開發(fā)利用、信息采集、動態(tài)監(jiān)測管理和輔助決策服務(wù)系統(tǒng)的過程。它是地理、資源、生態(tài)環(huán)境等復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬仿真，具有優(yōu)化決策支持和可視化表現(xiàn)等強(qiáng)大功能[3]。

礦山數(shù)字化的最終目標(biāo)，是應(yīng)用礦產(chǎn)經(jīng)濟(jì)、數(shù)學(xué)地質(zhì)、信息技術(shù)的原理與方法，通過計算機(jī)及軟件，把礦床地質(zhì)、礦產(chǎn)開發(fā)等有關(guān)信息，以地理坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)集成起來。并通過數(shù)學(xué)分析研究，建立這些數(shù)據(jù)的三維空間聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)礦山實(shí)體的數(shù)字化、可視化，從而解決礦山生產(chǎn)動態(tài)管理、生產(chǎn)方案優(yōu)化決策、礦山生產(chǎn)規(guī)劃、礦床邊深部找礦增儲、資源的合理開發(fā)利用等技術(shù)問題，以便減少資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染，提高礦業(yè)開發(fā)的社會經(jīng)濟(jì)效益[4]。

1 礦山數(shù)字化的必要性及其應(yīng)用

從20世紀(jì)80年代中期起，計算機(jī)在我國礦山開始得到應(yīng)用，經(jīng)過學(xué)術(shù)界與工業(yè)界近20年的努力，取得了不小進(jìn)展[2]。1998年，美國副總統(tǒng)戈?duì)栐陬}為《數(shù)字地球：展望21世紀(jì)我們這顆行星》的演講中，首先提出了“數(shù)字地球”，進(jìn)而出現(xiàn)了“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”等概念。數(shù)字礦山則是數(shù)字地球和數(shù)字中國理念及技術(shù)，在礦山勘探、開發(fā)及礦山管理中的具體應(yīng)用，是一種未來礦山的嶄新體系，是對真實(shí)礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一認(rèn)識與數(shù)字化再現(xiàn)[5]。礦山數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)對礦山企業(yè)的發(fā)展具有極其重要的意義。

1.1 降低礦山勞動強(qiáng)度，提高工作效率

通過礦山數(shù)字化信息系統(tǒng)，可以了解整個礦山所涉及的信息過程，特別是礦山系統(tǒng)多體之間信息的聯(lián)系和相互作用的規(guī)律。以計算機(jī)為工具建立的原始資料數(shù)據(jù)庫和礦床模型，可隨時在計算機(jī)上高效、便捷查尋。利用這些數(shù)據(jù)建立地質(zhì)模型；進(jìn)行不同礦種不同品位的資源管理和資源評估，也可以利用地質(zhì)模型進(jìn)行礦山設(shè)計、井下測量、安排生產(chǎn)進(jìn)度、優(yōu)化參數(shù)等功能。

數(shù)字化礦山以開采生產(chǎn)計劃編制為基礎(chǔ)，依據(jù)實(shí)際的礦石開采量和礦石品質(zhì)數(shù)據(jù)，調(diào)整計劃目標(biāo)和重新編制生產(chǎn)計劃[6]。針對實(shí)際生產(chǎn)過程中設(shè)備生產(chǎn)能力改變、突發(fā)故障等不確定情況，研究采礦設(shè)備調(diào)度優(yōu)化方法，在無線網(wǎng)絡(luò)的支持下，對現(xiàn)場開采生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控并提出動態(tài)調(diào)整建議和措施，使得采礦生產(chǎn)滿足計劃要求以及采礦生產(chǎn)成本最小化，提高生產(chǎn)效益和社會效益。

1.2 化解礦山風(fēng)險隱患，增強(qiáng)安全系數(shù)

數(shù)字礦山建設(shè)的目的，就是要通過將礦山各種信息系統(tǒng)、計算技術(shù)和工業(yè)控制的有機(jī)整合，最大限度合理調(diào)配各種資源，最優(yōu)化地控制與調(diào)度各種裝備與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)礦山管理的科學(xué)性和生產(chǎn)的安全、高效、經(jīng)濟(jì)和礦產(chǎn)資源利用的最優(yōu)化[7]。

數(shù)字礦山是對真實(shí)礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一性認(rèn)識與數(shù)字化再現(xiàn)，可以有效利用數(shù)字化的方式，對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和監(jiān)視。對生產(chǎn)空間的各種信息進(jìn)行采集，建立各種分析模型。對采集的信息進(jìn)行加工處理，化解開采過程中的高危險、高危害因素，預(yù)防可能發(fā)生的各種災(zāi)害事故，做到重大事故的提前處理，把事故消滅在隱患之中。降低開采風(fēng)險，降低工人勞動強(qiáng)度和保障生產(chǎn)人員的安全[6]。通過礦山數(shù)字化，提高礦山安全生產(chǎn)管理能力，進(jìn)一步提升礦山技術(shù)管理水平，為安全生產(chǎn)決策提供技術(shù)保障，最終實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字化、信息化和管理現(xiàn)代化的本質(zhì)安全型礦井。

1.3 合理開發(fā)資源，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染

隨著現(xiàn)在高品位的礦山、易采礦石越來越少，低品位礦石和埋藏深度大的礦石越來越多，越來越難采、難選。數(shù)字化礦山，一方面可以重新圈定礦體和計算儲量，另一方面也可以為降低采礦成本提供有效的途徑[6]。礦山數(shù)字化后，可優(yōu)化工業(yè)指標(biāo)，根據(jù)不同產(chǎn)品的廠家對原料的要求，通過有目的、有計劃地采礦，富礦石與中低品位礦石按一定比例配礦成為商品礦石，也增加了中貧礦石的利用率[4]。數(shù)字礦山有利于合理開發(fā)資源，充分利用中低品位礦石，綜合利用多組分礦物資源，優(yōu)化品位指標(biāo)。同時，通過建立礦物模型，查明三維空間各礦物定量分布規(guī)律，通過定點(diǎn)采礦和按比例配礦，保持人選礦石中礦物含量有利配比，提高選礦回收率，降低選礦藥劑的用量，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

2 礦山數(shù)字化系統(tǒng)構(gòu)架

數(shù)字礦山建設(shè)的目的，是以信息的無縫鏈接來融合礦山生產(chǎn)過程中的各個生產(chǎn)單元，無論是組成、結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求等各個方面，數(shù)字礦山都是一個非常龐大的信息系統(tǒng)。它采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、組件技術(shù)及GIS技術(shù)等，建設(shè)礦山統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)采集、存儲、輸出、查詢與分析平臺，構(gòu)建服務(wù)于生產(chǎn)技術(shù)人員的地測、通風(fēng)、安全、生產(chǎn)技術(shù)、調(diào)度、機(jī)電、運(yùn)輸、設(shè)備及辦公自動化等專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)平臺[8]。

2.1 數(shù)字礦山的基本結(jié)構(gòu)[2]

數(shù)字礦山以3S技術(shù)為基礎(chǔ)，通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)接入測繪系統(tǒng)、地質(zhì)勘探單元，融合遙感航拍等數(shù)據(jù)，建立豐富詳盡的基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并對這些基礎(chǔ)信息通過三維地學(xué)建模系統(tǒng)進(jìn)行處理和可視化表達(dá)，進(jìn)一步分析、提取相關(guān)背景知識，為采礦設(shè)計與決策支持系統(tǒng)提供依據(jù)。通過決策與支持系統(tǒng)的進(jìn)一步知識升華，將直接能夠提供給采礦指揮系統(tǒng)參考信息，來生成生產(chǎn)的指導(dǎo)計劃。

2.2 數(shù)字礦山的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次

從數(shù)字礦山的技術(shù)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以將復(fù)雜的數(shù)字礦山系統(tǒng)分為了7個層次，每個層包含了對應(yīng)的應(yīng)用功能，各個層次和功能之間相對獨(dú)立又能保持良好的相關(guān)性，很好的處理了內(nèi)聚與耦合的辯證要求。

數(shù)據(jù)層，即數(shù)據(jù)獲取與存儲層，為后續(xù)各層提供部分或全部輸入數(shù)據(jù)；模型層，即表述層，它不僅將數(shù)據(jù)加工為直觀、形象的表述形式，而且為優(yōu)化、模擬與設(shè)計提供輸入；模擬與優(yōu)化層，實(shí)現(xiàn)工藝流程模擬、參數(shù)優(yōu)化、設(shè)計與計劃方案優(yōu)化等；設(shè)計層，即計算機(jī)輔助設(shè)計層，為把優(yōu)化解轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行方案，或直接為進(jìn)行方案設(shè)計提供手段；執(zhí)行與控制層是生產(chǎn)方案的執(zhí)行者，如自動調(diào)度、流程參數(shù)自動監(jiān)測與控制、遠(yuǎn)程操作等；管理層，包括MIS與辦公自動化；決策支持層，依據(jù)各種信息和以上各層提供的數(shù)據(jù)加工成果，進(jìn)行相關(guān)分析與預(yù)測，為決策者提供各個層次的決策支持。

2.3 數(shù)字礦山的系統(tǒng)組成

按照功能劃分，數(shù)字礦山包括六大類系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)獲取與管理系統(tǒng)、數(shù)字開采系統(tǒng)、礦區(qū)地理信息系統(tǒng)、選礦數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)，每個系統(tǒng)分別定義了具體的功能要求。其中，數(shù)字開采系統(tǒng)是核心系統(tǒng)，也是效率和效益的主要創(chuàng)造者。數(shù)字開采系統(tǒng)完成與開采各工序直接相關(guān)的所有工作，它有礦床模型系統(tǒng)、地質(zhì)模型系統(tǒng)、優(yōu)化與模擬系統(tǒng)、輔助設(shè)計系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成。國際上有名的礦山專業(yè)軟件公司，都把開發(fā)重點(diǎn)放在數(shù)字開采系統(tǒng)上[2]。

3 礦山數(shù)字化現(xiàn)狀及存在的問題

3.1 我國礦山數(shù)字化現(xiàn)狀

長期以來，我國的礦山一直處于勞動密集型的機(jī)械化初級水平，管理粗放，技術(shù)和裝備水平落后，決策、設(shè)計、生產(chǎn)等許多環(huán)節(jié)中都是依賴于經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)性程度不高。主要表現(xiàn)為：礦山地質(zhì)、測量、采礦技術(shù)工作手段落后，設(shè)計編制人為因素較大，施工、生產(chǎn)過程自動化控制程度低，作業(yè)安全保障程度低，生產(chǎn)可視化程度低、通信手段落后，生產(chǎn)設(shè)備落后、工人缺乏安全生產(chǎn)與合理操作培訓(xùn)，管理理念陳舊，系統(tǒng)不健全，信息傳遞速度慢等。

這些問題，主要是由于礦山的管理水平較低，管理創(chuàng)新能力不足，經(jīng)營觀念陳舊、管理基礎(chǔ)薄弱、管理手段和方式落后，導(dǎo)致先進(jìn)技術(shù)、系統(tǒng)和手段上的引進(jìn)、建設(shè)力度不夠。由此造成了生產(chǎn)科學(xué)性不高、安全程度低、開采合理性不夠、生產(chǎn)效率低、上傳下達(dá)滯后、缺乏有效的安全預(yù)警手段和機(jī)制等問題。為保障礦山生產(chǎn)的安全、合理、高效，加強(qiáng)礦山的數(shù)字化建設(shè)就顯得尤為重要[9]。

3.2 礦山數(shù)字化存在的問題

在我國，數(shù)字礦山的研究已掀起一股熱潮，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，我國數(shù)字礦山也已經(jīng)開始從理論分析階段逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用[3]。數(shù)字礦山技術(shù)復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，是一個涉及領(lǐng)域很廣的新興學(xué)科，數(shù)字礦山的建設(shè)也是一個龐大的系統(tǒng)工程。雖然我國數(shù)字礦山技術(shù)研究取得了一定的成績，但是礦山數(shù)字化總體水平還很低，在礦山數(shù)字化進(jìn)程上還是存在著不少問題，與國際先進(jìn)水平有很大差距[8]。

3.2.1 礦山開采的復(fù)雜性和分散性

礦山是以自然資源開發(fā)利用為對象的生產(chǎn)企業(yè)。賦存于地殼淺層中的礦產(chǎn)資源，不僅其所賦存的地質(zhì)環(huán)境非常復(fù)雜，而且，對礦體本身而言，其空間位置、形態(tài)、元素品位分布等均極富變化，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。而且，其主要作業(yè)場所都會隨著時間的推移而不斷發(fā)生變化，正常的生產(chǎn)過程一般都要經(jīng)歷采切、鑿巖、崩礦、出礦、充填等環(huán)節(jié)，與其他加工企業(yè)工藝流程相比，具有離散(即工藝不連續(xù))、分散(即作業(yè)場所多)等特征。

3.2.2 礦山數(shù)據(jù)豐富但知識貧乏

隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的迅速發(fā)展以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在礦山廣泛應(yīng)用，礦山積累的數(shù)據(jù)越來越多。激增的數(shù)據(jù)背后，隱藏著許多重要的礦山生產(chǎn)經(jīng)營信息，人們希望能夠?qū)ζ溥M(jìn)行更高層次的分析，以便更好的利用這些數(shù)據(jù)。目前的信息系統(tǒng)，可以高效的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入、查詢、統(tǒng)計等功能。卻由于缺乏有效的數(shù)據(jù)分析和挖掘工具，無法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的關(guān)系和規(guī)則，無法根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)預(yù)測礦山的發(fā)展趨勢，從而導(dǎo)致“數(shù)據(jù)爆炸但知識貧乏”的現(xiàn)象

3.2.3 礦山信息標(biāo)準(zhǔn)化工作滯后

大部分大中型礦山企業(yè)已經(jīng)建立了企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)和Internet網(wǎng)站，但是絕大多數(shù)企業(yè)起到的作用僅僅是停留在媒體的簡單擴(kuò)充上，沒有充分利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)深層的信息資源挖掘，缺乏共享的、網(wǎng)絡(luò)化的信息資源。企業(yè)的產(chǎn)品編碼、管理編碼和統(tǒng)計指標(biāo)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不一，不能使企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)與客戶、供應(yīng)商、業(yè)務(wù)伙伴的信息流暢通，更談不上電子商務(wù)的運(yùn)用。

4 數(shù)字礦山發(fā)展建議

基于礦山數(shù)字化的一些問題，應(yīng)建立礦山數(shù)據(jù)倉庫、礦產(chǎn)資源管理數(shù)字化、采、供、銷管理數(shù)字化、礦山安全管理數(shù)字化、礦山地、測、采專業(yè)的數(shù)字化的應(yīng)對策略[9]。

4.1 建立礦山數(shù)據(jù)倉庫

數(shù)據(jù)是礦山生產(chǎn)、管理的重要依據(jù),而礦山現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分散到企業(yè)的不同層次、不同部門,無法進(jìn)行深入、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析,更不能滿足管理者的決策分析需求,建立一套全面的礦山數(shù)據(jù)顯得非常重要。礦山數(shù)據(jù)倉庫，是實(shí)現(xiàn)礦山價值鏈從勘探、采礦、選礦、銷售到礦山復(fù)墾全礦范圍的信息倉庫。

4.2 礦山地、測、采專業(yè)的數(shù)字化

地質(zhì)、采礦、測量是礦山的主體專業(yè),是直接為礦山生產(chǎn)服務(wù)的,是礦山的核心技術(shù)。這部分工作技術(shù)含量大,實(shí)施難度也大,對人才的要求也高,建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是很必要的。在該數(shù)據(jù)庫中，存儲礦山地形、地質(zhì)資料,巖層和礦體的產(chǎn)狀,礦石儲量資料,開采設(shè)計資料等礦山一系列的原始、動態(tài)資料。該數(shù)據(jù)庫可以方便地質(zhì)、測量、采礦設(shè)計人員和管理人員隨時查詢,了解礦山的整體開采狀況和局部工作面的工作進(jìn)度,為地質(zhì)、測量、采礦設(shè)計人員極大的減輕了工作負(fù)擔(dān),也方便了管理人員進(jìn)行資料管理。

4.3 數(shù)字礦山的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)[3]

加強(qiáng)數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)，掌握信息化核心技術(shù)開發(fā)的自主知識產(chǎn)權(quán)，對數(shù)字礦山建設(shè)至關(guān)重要。要建立企業(yè)級共享礦業(yè)地理管理信息系統(tǒng)，開發(fā)礦山專用軟件與模型，改進(jìn)井下多媒體通訊與無線傳輸技術(shù)，加大智能采礦技術(shù)研發(fā)力度，提高虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化技術(shù)等。

5 結(jié) 語

數(shù)字地球的概念在美國提出之后，采礦業(yè)發(fā)達(dá)國家就已開始利用數(shù)字信息技術(shù)來改造和提升采礦業(yè)，不僅變革了傳統(tǒng)礦業(yè)沿襲百年的生產(chǎn)工藝和組織管理模式，且極大地提高了礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全水平。建設(shè)我國礦山數(shù)字化，也將是社會經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

數(shù)字礦山是未來礦山的發(fā)展方向。礦山應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，整體規(guī)劃礦山的數(shù)字化建設(shè)，有重點(diǎn)、分步驟地實(shí)施。建立礦山信息管理系統(tǒng)，為礦山數(shù)字化搭建好軟硬件網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)礦山管理數(shù)字化。

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