付恩三， 劉光偉， 趙浩， 曲業(yè)明， 邸帥， 姜琳

(1.應(yīng)急管理部 信息研究院，北京 100029；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.應(yīng)急管理部 研究中心，北京 100713；4.內(nèi)蒙古吉林郭勒二號露天煤礦有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026200)

0 引言

露天開采是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的系統(tǒng)繁多、工藝復(fù)雜、各環(huán)節(jié)作業(yè)場所關(guān)聯(lián)度高。隨著我國工業(yè)化和信息化融合不斷加深，露天礦山企業(yè)建設(shè)了相應(yīng)的信息化系統(tǒng)和業(yè)務(wù)平臺，使得露天礦山各生產(chǎn)業(yè)務(wù)部門的信息有效共享，實現(xiàn)了生產(chǎn)、管理、安全、銷售等各環(huán)節(jié)融為一體的新局面。隨著云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)快速發(fā)展，出現(xiàn)了智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧物流、智慧林業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等新興發(fā)展模式[1]。充分利用云計算、大數(shù)據(jù)、三維云平臺等手段，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)深度分析和學(xué)習(xí)，以最小生態(tài)擾動為目標(biāo)，建設(shè)融安全、綠色、環(huán)保、高效、智能、可視化于一體的新型智慧礦山具有重要意義[2]。

目前對智慧露天礦山總體建設(shè)框架的研究較少。王國法等[3]對我國智慧礦山建設(shè)進(jìn)行了規(guī)劃，但主要側(cè)重于井工煤礦；王忠鑫等[4]提出了基于建筑信息模型的智慧露天礦協(xié)同工作平臺架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)。王祥生[5]提出了智慧露天礦安全系統(tǒng)平臺建設(shè)。張瑞新等[6]提出了智慧露天礦山建設(shè)基本框架及體系設(shè)計。付恩三等[7]提出了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧露天煤礦建設(shè)發(fā)展新構(gòu)想。趙國瑞[8]針對煤礦智能開采初級階段問題與5G應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文以構(gòu)建具有深度學(xué)習(xí)能力的智慧露天礦山為目標(biāo)，研究了智慧露天礦山的總體框架和關(guān)鍵技術(shù)，以期形成具有感知、互聯(lián)、分析、自學(xué)習(xí)、預(yù)測、決策、控制等功能的完整智慧礦山系統(tǒng)[9-10]。

1 智慧露天礦山定義

近年來，國內(nèi)專家學(xué)者相繼提出感知礦山、智能礦山、智慧礦山等概念，但從整個礦山行業(yè)來看，目前并未形成明確統(tǒng)一的智慧礦山的概念，也未形成統(tǒng)一的評價指標(biāo)體系、建設(shè)思路和規(guī)范體系[11-12]。許多礦山企業(yè)宣稱已建成智慧礦山，但建成的智慧礦山水平差異較大[13]。目前，整個露天礦山迫切需要對現(xiàn)有自動化設(shè)備進(jìn)行智能化改造，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘分析，將不同維度的數(shù)據(jù)信息進(jìn)一步關(guān)聯(lián)，從而使整個礦山具有自我分析和決策的能力[14-18]。

智慧露天礦山的建設(shè)需要構(gòu)建快速感知、實時監(jiān)測、超前預(yù)警、聯(lián)動處置、系統(tǒng)評估、應(yīng)急聯(lián)動等新型能力體系，提升數(shù)字化管理、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、智能化管控水平，形成完善的露天礦山支撐和服務(wù)體系，實現(xiàn)更高質(zhì)量、更有效率、更可持續(xù)、更為安全的發(fā)展模式[19-23]，最終實現(xiàn)開采無人化、監(jiān)測感知實時化、風(fēng)險預(yù)警智能化、應(yīng)急處置快速化、綠色開采一體化的智慧露天礦山新生態(tài)。

結(jié)合我國露天礦山的特點(diǎn)，給出智慧露天礦山的定義：智慧露天礦山是一種全新的礦山生態(tài)，通過關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新應(yīng)用新技術(shù)，在礦山優(yōu)化開采工藝的基礎(chǔ)上，融合礦山地理信息、人員信息、設(shè)備信息、環(huán)境信息、管理信息等多維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)露天礦山全面互聯(lián)、協(xié)同開采、災(zāi)害預(yù)警及上下游產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈的全面融合，不斷創(chuàng)新傳統(tǒng)礦山生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)，推動礦山企業(yè)加速產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型，最終提升露天礦山的自學(xué)習(xí)、分析和決策能力。

2 智慧露天礦山架構(gòu)

2.1 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智慧露天礦山采用云、邊、端的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。端：指接入的生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的設(shè)備，主要實現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)感知數(shù)據(jù)接入。邊：主要是指邊緣計算服務(wù)。云：主要提供相應(yīng)的云端服務(wù)，包括模型、算法、數(shù)據(jù)協(xié)議、大數(shù)據(jù)平臺等。通過接入露天礦山多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計算等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)地質(zhì)儲量分析、開采方案優(yōu)化、邊坡安全預(yù)警、設(shè)備實時調(diào)度及經(jīng)營指標(biāo)多維分析，從而實現(xiàn)露天礦山各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的協(xié)同關(guān)聯(lián)。

圖1 智慧露天礦山總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

智慧露天礦山業(yè)務(wù)架構(gòu)采用“5層+3體系”的模式，如圖2所示?！?層”自下而上分別為基礎(chǔ)設(shè)備層、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層、分析服務(wù)層、分析業(yè)務(wù)層和分析展現(xiàn)層，“3體系”分別為數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)體系、安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系、元數(shù)據(jù)及代碼規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系?；A(chǔ)設(shè)施層主要包括服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、存儲設(shè)備和計算平臺等內(nèi)容，為智慧露天礦山提供硬件基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層主要涵蓋智慧露天礦山生產(chǎn)過程中的多維數(shù)據(jù)，包括地質(zhì)模型數(shù)據(jù)及邊坡、車輛實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等。分析服務(wù)層主要為露天礦山三維系統(tǒng)提供地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)服務(wù)、數(shù)據(jù)清洗服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢服務(wù)等。分析業(yè)務(wù)層實現(xiàn)露天礦山業(yè)務(wù)分析，涵蓋邊坡數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、車輛工況數(shù)據(jù)監(jiān)測、成本分析、決策支持等。分析展現(xiàn)層主要實現(xiàn)露天礦山分析結(jié)果的可視化展示、多維數(shù)據(jù)綜合查詢和展示、GIS“一張圖”綜合展示等功能。

圖2 智慧露天礦山業(yè)務(wù)架構(gòu)

2.3 智慧露天礦山協(xié)同流程

智慧露天礦山協(xié)同自下而上要實現(xiàn)“基礎(chǔ)+數(shù)據(jù)”支撐、礦山生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同、災(zāi)害風(fēng)險分析協(xié)同及經(jīng)營決策協(xié)同，如圖3所示。

圖3 智慧露天礦山協(xié)同流程

(1)“基礎(chǔ)+數(shù)據(jù)”支撐。智慧露天礦山“基礎(chǔ)+數(shù)據(jù)”支撐主要包括地質(zhì)云、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、大數(shù)據(jù)支撐、模型算法及移動互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)等內(nèi)容，如圖4所示。地質(zhì)云實現(xiàn)對智慧露天礦山地質(zhì)資源數(shù)據(jù)的三維化，展示露天礦山的資源儲量及分布。數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括時序庫、關(guān)系庫及非關(guān)系數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。大數(shù)據(jù)支撐實現(xiàn)對多維數(shù)據(jù)的實時采集，將露天礦山的各類結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲，同時，將各類數(shù)據(jù)按照使用頻率分成熱數(shù)據(jù)、溫數(shù)據(jù)、冷數(shù)據(jù)，用于海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合分析。模型算法主要實現(xiàn)算法更新、模型選擇應(yīng)用，如故障診斷算法、邊坡風(fēng)險分析模型等。移動互聯(lián)網(wǎng)主要是指5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。“基礎(chǔ)+數(shù)據(jù)”支撐將為露天礦山協(xié)同生產(chǎn)提供基礎(chǔ)保障，具有重要意義。

圖4 “基礎(chǔ)+數(shù)據(jù)”支撐

(2)礦山生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同。智慧露天礦山生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同主要提供協(xié)同生產(chǎn)的能力，實現(xiàn)露天礦山各系統(tǒng)環(huán)節(jié)的協(xié)同目標(biāo)。生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同主要體現(xiàn)在露天礦山各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如穿孔、爆破、測量、剝離、采煤、排土、復(fù)墾等。涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括路徑優(yōu)化、物料流規(guī)劃、邊坡監(jiān)測設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃等。以露天礦山穿爆剝采排為例，地質(zhì)部門、測量部門、采礦部門之間的協(xié)同關(guān)系如圖5所示。

圖5 礦山生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同關(guān)系

(3)災(zāi)害風(fēng)險分析協(xié)同。露天礦山災(zāi)害風(fēng)險分析協(xié)同主要涵蓋實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、算法模型構(gòu)建及災(zāi)害風(fēng)險評估流程建設(shè)，如圖6所示。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)包括邊坡實時數(shù)據(jù)、設(shè)備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、礦山環(huán)境數(shù)據(jù)及礦山道路實時數(shù)據(jù)。算法模型包括設(shè)備故障模型、滑坡預(yù)警模型、運(yùn)輸能力模型、系統(tǒng)可靠性模型、尾礦庫預(yù)警模型等。災(zāi)害風(fēng)險評估包括災(zāi)害風(fēng)險研判、災(zāi)害風(fēng)險處置、災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警等。

圖6 災(zāi)害風(fēng)險分析協(xié)同流程

(4)經(jīng)營決策協(xié)同。經(jīng)營決策協(xié)同主要實現(xiàn)對露天礦山總體戰(zhàn)略規(guī)劃的決策支持，主要涵蓋生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)化、生產(chǎn)成本控制、生產(chǎn)效率分析、礦產(chǎn)售價預(yù)測、利潤分析、企業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈資源調(diào)配及露天礦山整體行業(yè)的市場需求預(yù)測，如圖7所示。

圖7 經(jīng)營決策協(xié)同流程

3 智慧露天礦山關(guān)鍵技術(shù)

3.1 露天礦山無人駕駛技術(shù)

隨著導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛技術(shù)也在不斷地突破革新。無人駕駛系統(tǒng)能幫助礦山企業(yè)優(yōu)化業(yè)務(wù)管理流程，提升整體生產(chǎn)經(jīng)營管理和決策水平；形成集中管控，對汽車運(yùn)輸、協(xié)同生產(chǎn)、應(yīng)急處理等過程進(jìn)行全面監(jiān)測和集中控制；優(yōu)化剝離、采裝、運(yùn)輸和地面生產(chǎn)過程，提高資源利用率，實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色開采。無人駕駛技術(shù)在露天礦山的應(yīng)用將解決設(shè)備作業(yè)效率低、運(yùn)輸成本高、安全事故頻發(fā)等難題。

為實現(xiàn)露天礦山特定作業(yè)場景下的無人駕駛系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，需要實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)如下：① 路徑優(yōu)化技術(shù)，可提高無人駕駛卡車的運(yùn)輸效率，降低運(yùn)距和成本。② 露天礦山車鏟智能調(diào)度技術(shù)，可提高車鏟的匹配效率，減少欠車、欠鏟事件，提高車鏟協(xié)同作業(yè)效率。③ 精準(zhǔn)定位技術(shù)，可確定無人駕駛車與車、車與鏟之間的精確位置，防止發(fā)生碰撞和裝載事故。④ 露天礦山特定場景下的跟馳、避障模型，可提高車輛運(yùn)行效率，減少車與車之間的安全事故。⑤ 車輛控制決策等技術(shù)，可提高車輛的安全性能，保證無人駕駛卡車的穩(wěn)定性。

3.2 露天礦山數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺嶓w對象的數(shù)字模型，通過實測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實時感知、診斷、預(yù)測物理實體對象的狀態(tài)，通過指令來調(diào)控物理實體對象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，同時改進(jìn)物理實體對象生命周期內(nèi)的決策[24]。通過露天礦山數(shù)字孿生技術(shù)，可將現(xiàn)有地質(zhì)模型、礦山設(shè)備、供電系統(tǒng)、礦山生產(chǎn)環(huán)境、運(yùn)輸?shù)缆返葏?shù)輸入模型，模擬出一個與現(xiàn)實生產(chǎn)狀況一致的數(shù)字虛擬環(huán)境，以最快的速度進(jìn)行模擬推演，找出最佳生產(chǎn)方式，優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)調(diào)度，提早規(guī)避可能遇到的問題及風(fēng)險。

露天礦山數(shù)字孿生涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下：① 虛擬開采技術(shù)，可為露天礦山提供有效的導(dǎo)航開采路徑，實現(xiàn)精準(zhǔn)的時空反演，為露天礦山精準(zhǔn)開采提供技術(shù)支撐。② 設(shè)備故障診斷技術(shù)，露天礦山有大量的大型設(shè)備，將設(shè)備孿生模型與感知數(shù)據(jù)實時融合分析，可實現(xiàn)對關(guān)鍵采運(yùn)排設(shè)備的故障診斷和預(yù)測，提升設(shè)備效率。③ 生產(chǎn)綜合決策技術(shù)，依托虛擬開采技術(shù)，給出不同開采方案下的關(guān)鍵指標(biāo)，如剝采比變化、運(yùn)距、經(jīng)濟(jì)成本等，可輔助礦山生產(chǎn)決策。

3.3 大數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)

露天礦山各系統(tǒng)建設(shè)時間不同，使用的協(xié)議不統(tǒng)一，因此，需要在露天礦山部署邊緣數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集。大數(shù)據(jù)采集分析涉及到的關(guān)鍵技術(shù)如下：① 數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)使用頻率，將數(shù)據(jù)分成熱數(shù)據(jù)、溫數(shù)據(jù)、冷數(shù)據(jù)，將不同類型的數(shù)據(jù)存儲到不同的數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)各類分析場景，建立原始庫、資源庫、主題庫和時序庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范化存儲和高效查詢調(diào)用。② 大數(shù)據(jù)指標(biāo)模型組件，根據(jù)露天礦山的業(yè)務(wù)場景，提供相應(yīng)的指標(biāo)模型算法組件，為露天礦山故障診斷、災(zāi)害分析提供算法支撐。③ 前置邊緣數(shù)據(jù)采集器，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的端部采集和實時轉(zhuǎn)發(fā)，保證數(shù)據(jù)上傳的可靠性。④ 數(shù)據(jù)采集智能轉(zhuǎn)換協(xié)議，可保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，為大數(shù)據(jù)綜合分析提供基礎(chǔ)保障。

3.4 風(fēng)險監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)

露天礦山安全風(fēng)險主要包括邊坡及尾礦庫風(fēng)險、礦山采運(yùn)排設(shè)備故障風(fēng)險、各生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性風(fēng)險等。以露天礦山大數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)為依托，通過接入露天礦山各生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)露天礦山生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全保障。

露天礦山風(fēng)險監(jiān)測及預(yù)警涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下：① 數(shù)據(jù)挖掘算法，可為風(fēng)險監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)提供相應(yīng)場景下的多維關(guān)聯(lián)分析，為露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析及各生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析提供算法支撐。② 生產(chǎn)故障事件知識圖譜，通過知識圖譜的構(gòu)建，實現(xiàn)對故障事件的關(guān)聯(lián)和展現(xiàn)，給出事故與各類因素之間的耦合關(guān)系，為礦山事故預(yù)防提供必要支撐。

4 結(jié)語

介紹了智慧露天礦山的定義、架構(gòu)，探討了智慧露天礦山無人駕駛技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、大數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)、風(fēng)險監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。隨著智慧露天礦山的建設(shè)，其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下方面：① 大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)將成為整個露天礦山智能化的核心驅(qū)動。依托態(tài)勢感知的數(shù)據(jù)，逐步推動露天礦山的精準(zhǔn)開采和智能決策，最終形成具備自學(xué)習(xí)、自決策、自優(yōu)化能力的新型智能化生產(chǎn)方式。② 平臺化架構(gòu)成為未來智慧礦山系統(tǒng)的共性選擇?；诮y(tǒng)一平臺架構(gòu)化部署，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和智能分析，加速露天礦山各類數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，解決數(shù)據(jù)孤島問題。