王忠鑫，辛鳳陽，宋 波，曾祥玉，劉英璐，王金金，田鳳亮，趙 明，李 杰，李申巖

（1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000）

0 引 言

露天開采除了具有生產(chǎn)規(guī)模大、勞動生產(chǎn)率高、資源采出率高、生產(chǎn)安全和職業(yè)健康安全條件好等優(yōu)點之外［1］，還具有產(chǎn)量柔性好，易于實現(xiàn)個性化生產(chǎn)等特點，幾乎所有采煤國家都把露天開采作為優(yōu)先選擇的資源開采方式。 近年來我國露天采煤量呈逐年上升的趨勢，由2003 年的0.8 億t 增加到2020 年的近7.0 億t，占全國煤炭產(chǎn)量的比例由4.65%提高到17%左右［2］。 隨著我國煤炭開采重心加速向新疆等西部地區(qū)轉移，露天開采的比重還將進一步增大。 但是，我國露天煤礦單斗-卡車間斷開采工藝的采剝總量占比達到了85%以上，連續(xù)和半連續(xù)開采工藝應用較少，礦山的自動化和信息化水平相對較低，智能化建設基礎薄弱。 因此，通過科技創(chuàng)新驅動我國露天煤礦開采技術、工藝裝備和智能化水平的整體提升，實現(xiàn)綠色、安全、少人、高效發(fā)展，是落實國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措，也是推動我國煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的重點任務之一。

隨著“云大物移智鏈”等新技術與礦業(yè)交叉融合，露天煤礦進行的智能化建設的需求日益強烈，但大部分礦山面臨建設目標不清晰、路徑不明確、內容不系統(tǒng)、重點不突出、效果不明顯、項目推進緩慢等問題，究其原因主要是未能將露天礦山的智能化建設作為一項系統(tǒng)工程來整體規(guī)劃和有序推進，多數(shù)礦山在“摸著石頭過河”。 主要存在重“軟”系統(tǒng)建設，輕“硬”工藝裝備變革；重業(yè)務系統(tǒng)建設，輕數(shù)據(jù)價值挖掘；偏離需求片面追求無人化，忽視智能化建設的經(jīng)濟屬性等誤區(qū)。

因此，研究露天煤礦智能化建設規(guī)劃設計策略，厘清規(guī)劃設計的總體目標，凝練核心設計策略，統(tǒng)一規(guī)劃設計的內容要求和通用技術架構，明確建設技術路徑，建立科學的設計建設范式，對于保障和提升我國露天煤礦智能化建設工作效果具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 露天煤礦智能化建設的總體目標

我國露天煤礦地區(qū)分布區(qū)域廣、開采條件各異、工藝設備種類繁多、信息化建設水平參差不齊、市場區(qū)域性差異大、運營管理模式多樣，智能化建設必然要堅持“因礦施策”的原則［3］，根據(jù)企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和實際生產(chǎn)經(jīng)營情況統(tǒng)籌規(guī)劃，分級分步實施。 特別要結合企業(yè)需求的緊迫程度、礦山基礎條件和資金承受能力等因素制定露天煤礦智能化建設總體方案。

露天煤礦智能化建設的內容可以圍繞“人”“設備”和“系統(tǒng)”這3 條主線來厘定。 “人”是指圍繞智能化建設前后減人目標的建設內容；“設備”是指圍繞提升露天開采工藝的先進性和設備運行管理的智能化程度有必要實施的建設內容；“系統(tǒng)”是指完成露天礦生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等配備的必要的信息系統(tǒng)。智能化露天煤礦的總體建設目標是將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)技術、智能化裝備系統(tǒng)與現(xiàn)代露天開采技術深度融合，構建露天煤礦泛在連接、數(shù)據(jù)融合、云化服務、智能決策、自主運行、安全高效的網(wǎng)絡化協(xié)同管控系統(tǒng)，賦能礦山實現(xiàn)生產(chǎn)、安全、經(jīng)營、綜合管理等全要素、全過程、全生命周期的個性化安全穩(wěn)定運行。 受礦山基礎條件的限制，宜將總體建設目標按智能化程度可分初級、中級、高級3 個階段來分步實現(xiàn)，3 條主線各分級的典型特征和階段目標情況如圖1所示。

圖1 各分級的典型特征和階段目標Fig.1 Typical characteristics and stage objectives of each level

2 露天煤礦智能化建設的特點

2.1 露天煤礦的生產(chǎn)特征

露天煤礦的生產(chǎn)特征決定著其智能化建設的特點，露天煤礦的生產(chǎn)特征主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）作業(yè)空間廣、場所分散。 露天煤礦與井工煤礦的顯著差異是其生產(chǎn)作業(yè)空間范圍廣，包括采掘場，排土場、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、工業(yè)場地等分區(qū)，占地面積從幾平方公里至十幾平方公里不等，在平面上具有空間范圍廣的特征。 在豎向空間上，我國露天煤礦絕大多數(shù)已經(jīng)進入規(guī)劃設計的二采區(qū)開采，甚至有些礦山已經(jīng)進入三采區(qū)（或最后一個采區(qū)），即已轉入了深部區(qū)，平均開采深度已達200 m。 綜上，我國各露天煤礦的開采現(xiàn)狀可比喻為一個“開挖占地范圍大、空間開采深度大”的“敞露型空間實體”，這一特征是井工煤礦所不具有的，也正是這一特征，對露天煤礦智能化建設過程中的通信網(wǎng)絡、設備人員定位、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞砹穗y題。

2）工藝系統(tǒng)呈非線性、工序多且離散。 露天煤礦開采工藝按作業(yè)的連續(xù)性，可分為間斷開采工藝、連續(xù)開采工藝、半連續(xù)開采工藝及無運輸?shù)苟验_采工藝等，每種工藝系統(tǒng)又有多種設備組合方式。 與井工礦開采工藝系統(tǒng)自工作面至井口呈“線性”分布的特征不同，露天煤礦的工藝系統(tǒng)并非“線性系統(tǒng)”，而是數(shù)量較多的各類移動設備、在相對開放的空間、在數(shù)量眾多的工作面同時進行穿孔、爆破、采裝、運輸、排棄等多種離散作業(yè)活動，這是露天煤礦區(qū)別于井工煤礦的又一顯著特征。

3）設備規(guī)格大、類型多樣。 露天煤礦的生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要包括穿孔、爆破、采掘、運輸、排土等，各環(huán)節(jié)已全面實現(xiàn)機械化。 生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、輔助作業(yè)量大等特點使得露天煤礦設備種類及數(shù)量繁多；而開采規(guī)模大、作業(yè)空間廣等特點又決定了露天煤礦設備規(guī)格的大型化。 目前，露天煤礦輪斗挖掘機、自移式破碎機、排土機等大型設備主要依靠進口，設備購買成本高且運行數(shù)據(jù)無法獲取，嚴重制約了設備所在工藝系統(tǒng)的智能化建設。 露天煤礦智能化升級的目標不僅體現(xiàn)在單臺設備、單個環(huán)節(jié)上，更主要的是體現(xiàn)在跨設備、跨工藝環(huán)節(jié)、跨工藝系統(tǒng)、甚至跨業(yè)務范疇的信息共通共享、高效利用上。 因此，露天煤礦設備規(guī)格大、類型多的特點給礦山設備及工藝系統(tǒng)智能化建設提出了更高的要求。

4）設備實時移動、軌跡多變。 露天煤礦設備主要有輪斗挖掘機、電鏟、液壓鏟、吊斗鏟等采掘設備，帶式輸送機、自卸卡車、礦用寬體車等運輸設備，前裝機、壓路機、推土機、灑水車等輔助設備，還有轉載機、破碎機、排土機、鉆機及炸藥車等其他環(huán)節(jié)各種設備。 其中，除輪斗挖掘機、帶式輸送機、排土機等連續(xù)作業(yè)設備以外，其他露天煤礦常用設備都是移動設備。 移動設備機動靈活的特點，除了適應性強、受自然氣候影響小等優(yōu)勢之外，也給露天煤礦智能化建設過程中的移動設備無人駕駛、多機協(xié)同、安全保障、設備全生命周期管理等提出了挑戰(zhàn)。

2.2 露天煤礦智能化建設的特點

根據(jù)露天煤礦的生產(chǎn)特征和智能化建設的根本的目標分析，露天煤礦的智能化建設有著以下3 方面顯著特征。

1）以信息化為基本手段。 露天礦山是開放的空間，是由人員、設備、環(huán)境、管理組成的復雜巨系統(tǒng)。 傳統(tǒng)露天煤礦生產(chǎn)運行過程中，各子系統(tǒng)的運行管理由“人”主導，主要憑經(jīng)驗指揮；而智能化露天礦山要求轉變思路，把以人的經(jīng)驗和有限知識為主導轉變?yōu)橐曰谥R積累的智能化自主決策為主導，對礦山生產(chǎn)運行全過程、全環(huán)節(jié)、全要素的智能管控，進而實現(xiàn)露天煤礦的安全、高效、綠色開采，這對礦山的信息基礎設施建設水平提出了要求。

我國露天煤礦當前普遍存在“信息煙囪”的問題，即現(xiàn)有的各系統(tǒng)處于獨立運行狀態(tài)，通過MIS系統(tǒng)在一定程度上可實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，但多限于主要信息的集中顯示，各系統(tǒng)的綜合聯(lián)動尚未能實現(xiàn)。 因此，露天礦的智能化建設內容必須以礦山管理及安全生產(chǎn)的信息化建設為基本手段和前提，側重于對多源設備、異構系統(tǒng)、運行環(huán)境、人等要素信息進行實時高效采集、網(wǎng)絡化傳輸、可視化展示和規(guī)范化集成等。

2）以設備和工藝系統(tǒng)智能化為核心。 露天礦的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)主要依賴于設備的穩(wěn)定可靠運行，因此露天礦智能化的核心就是首先實現(xiàn)露天礦穿-爆-采-運-排設備的智能化，進而實現(xiàn)工藝系統(tǒng)的智能化。 國內眾多大型露天煤礦在核心裝備的智能化改造或智能裝備研制方面做了大量工作。 例如，神華準能公司所屬露天礦［4］、華能伊敏露天礦［5］、國家電投內蒙古能源公司所屬露天礦等均聯(lián)合設備供應商、科研設計單位及高校研發(fā)了露天礦用自卸卡車無人駕駛系統(tǒng)、露天礦電鏟遠程智能控制系統(tǒng)、礦山設備預測性大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、露天礦無人機智能航測及驗收系統(tǒng)等。 此外，很多露天礦還圍繞裝備（設備）的智能化需求，建立了卡車防碰撞、超速報警等相對獨立的系統(tǒng)模塊，但目前僅實現(xiàn)了部分環(huán)節(jié)的自動化，整體尚處于較為初級的數(shù)字化建設階段。 未來重點研究方向將集中在關鍵核心設備的研發(fā)、狀態(tài)感知、自主決策、自動運行及智能診斷等方面，關鍵核心設備主要包括鉆機、裝藥車、電鏟、卡車、輪斗挖掘機、推土機、排土機、破碎站、堆取料機、帶式輸送機和各類機器人等。

3）以“設計-施工”一體化管控為目標。 礦山生產(chǎn)設計智能化的主要特征為地質數(shù)據(jù)精確化、設計方法精細化、設計表達方式三維全息化等［6］。在地質測繪方面，當前激光掃描儀、無人機傾斜攝影等地表建模手段已經(jīng)在國內大型露天礦山及科研設計單位得到了應用。 在設計軟件及方法方面，礦床地質模型及輔助優(yōu)化設計系統(tǒng)已經(jīng)基本普及，例如Minex、Surpac、Vulcan、3Dmine 等軟件，已經(jīng)在國內大多數(shù)露天煤礦有所應用［7］，但本質上仍是基于礦床模型的土石方算量，對于生產(chǎn)計劃的優(yōu)化、智能設計決策、設備實際作業(yè)特性模擬、生產(chǎn)中存在的隨機事件等考慮相對較少，與國外的開采設計方案預演仿真方法相比差距較大。中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司研發(fā)了“露天礦工程BIM 協(xié)同設計及三維數(shù)字化交付技術及平臺”［6］，實現(xiàn)了對露天礦工程全生命周期信息的集中有效管理、傳遞、共享、三維可視化展示、虛擬仿真等，可實現(xiàn)礦山工程“設計-施工”的一體化綜合管控，設計交付的三維全息模型亦是構建智能化露天礦數(shù)字孿生體的通用數(shù)字底座。 露天礦工程BIM 協(xié)同工作平臺功能架構如圖2 所示。

圖2 露天礦工程BIM 協(xié)同工作平臺功能架構Fig.2 BIM collaborative work platform functional architecture of open?pit mine project

3 智能化露天煤礦總體設計策略

3.1 工藝為本策略

露天煤礦智能化建設的根本目標是實現(xiàn)安全、高效、綠色開采，而并非單純追求少人或無人。 其發(fā)展路徑應首先從開采工藝的優(yōu)化和改造開始，以連續(xù)或半連續(xù)開采工藝部分替代優(yōu)于單斗-卡車間斷開采工藝，以帶式輸送機連續(xù)運輸替代卡車運輸，以相對成熟可靠的連續(xù)系統(tǒng)智能控制技術彌補尚不成熟的單斗挖掘機和卡車無人駕駛技術，以連續(xù)系統(tǒng)的輔助機器人作業(yè)替代單斗-卡車工藝的人工操作或遠程駕駛。 露天煤礦的智能化建設以工藝作為基本的出發(fā)點和落腳點，攻克連續(xù)和半連續(xù)開采工藝核心裝備的系列卡脖子難題，早日實現(xiàn)裝備的國產(chǎn)化替代，根據(jù)露天礦的具體情況和各工藝系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)建立工藝機理模型，應用泛在連接技術全面連接設備群和采集設備運行數(shù)據(jù)，再進行大數(shù)據(jù)分析和智能決策，是我國露天煤礦智能化建設的核心任務和關鍵目標。

3.2 分級建設策略

露天煤礦智能化建設以實現(xiàn)開采環(huán)境數(shù)字化、采掘裝備智能化、生產(chǎn)過程自主化、信息傳輸網(wǎng)絡化和經(jīng)營管理信息化為主要目標。 受技術和煤礦條件約束限制，智能化建設必然是一個逐步發(fā)展的過程，總體建設目標按智能化程度可分初級、中級、高級3個階段，在總體設計過程中要分別對3 個階段的智能化運行場景進行刻畫，并確定相應的建設內容，提出各項內容的主要技術要求等，在實施過程中分級建設和管理。 結合我國露天煤礦的實際技術條件，以人、設備和系統(tǒng)3 大主線確定的各階段智能化作業(yè)場景如下：初級智能化以單機、單應用系統(tǒng)為主要應用場景，作業(yè)模式以“無人值守+遠程集控”為主。 中級智能化以網(wǎng)絡條件下的系統(tǒng)集成為主要應用場景，作業(yè)模式以“遠程操控+全息映射”為主。 高級智能化以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)條件下的露天煤礦綜合集成應用為主要應用場景，作業(yè)模式以“自主運行+數(shù)字孿生”為主。 智能化露天煤礦分級建設數(shù)據(jù)治理利用策略如圖3 所示。

圖3 分級建設應用策略Fig.3 Hierarchical construction application strategy diagram

3.3 價值導向策略

礦山開采屬于一種經(jīng)濟行為，對于礦山企業(yè)而言，任何新技術、新工藝、新設備的投資均有很強的經(jīng)濟屬性，投入產(chǎn)出的經(jīng)濟性是必須考慮的現(xiàn)實問題，礦山的智能化建設也不例外。 露天礦山向智能化轉型發(fā)展的目的是在高效、安全、綠色與可持續(xù)發(fā)展的前提下，盡可能提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)盈利能力，改善人的工作環(huán)境和職業(yè)健康水平。 然而各礦山的自身條件千差萬別，對智能化的需求各不相同，盲目的高投入反而會阻礙企業(yè)的智能化發(fā)展道路。 因此，露天礦智能化方案規(guī)劃設計工作的重點是結合礦山資源賦存條件、地理位置、煤質條件、剩余服務年限、現(xiàn)有信息化水平等，以智能化建設的價值創(chuàng)造為評價準則，確定相關建設內容及合理的投入規(guī)模，進而確定露天礦合理的智能化程度。

3.4 有序推進策略

露天礦山的智能化建設工作是一項復雜的系統(tǒng)工程，整個過程投入大、周期長、對現(xiàn)有業(yè)務的管理模式和既有系統(tǒng)都有較大影響。 露天礦山智能化建設是從底層到上層的逐步建設過程，同一業(yè)務單元會在不同的智能化建設項目中被涉及，會以不同的智能化場景為目標被改造；另外，也會出現(xiàn)不同的智能化系統(tǒng)或平臺間數(shù)據(jù)邊界交織、層級邏輯不清、功能各自獨立的情況。 因此，露天礦智能化方案規(guī)劃設計的另一項重要內容是科學確定各項規(guī)劃建設內容的實施時序，避免出現(xiàn)重復建設、重復投入、超前投入、滯后產(chǎn)出等不合理的情況。 如各項內容的建設時序不合理，某一系統(tǒng)的建設可能非但沒有達到智能化建設的目標，反而可能影響礦山的綜合效益水平，顯然是不合理的。 因此在開展智能化露天礦山建設工作前，一方面必須依據(jù)實際應用需求在宏觀上設定合理的階段建設目標；另一方面還需要確定階段內各項智能化建設內容的先后次序，有序推進智能化礦山建設規(guī)劃的各項工作。

3.5 虛實共生策略

數(shù)字孿生礦山是智能化礦山發(fā)展到高級階段的必然結果，露天礦智能化方案規(guī)劃設計要以礦山實現(xiàn)虛實共生、全息映射為主要目標。 數(shù)字孿生體主要是由端側各子系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)通過5G 技術進行實時傳輸，運用數(shù)字孿生技術構建礦山物理實體的數(shù)字孿生模型，精確表征數(shù)字孿生模型的時空演化特性與映射重構性能，了解露天礦各要素的狀態(tài)和響應變化，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程遠程智能監(jiān)測、設備性能實時監(jiān)控和生產(chǎn)場景三維可視化。 主要包括：開采工藝數(shù)字孿生、開采過程數(shù)字孿生、設備性能數(shù)字孿生、生產(chǎn)管理數(shù)字孿生和安全監(jiān)管數(shù)字孿生等。通過數(shù)字孿生場景對生產(chǎn)現(xiàn)場進行實時監(jiān)控和反饋，提前發(fā)現(xiàn)邊坡滑坡、設備沖突、人員違章及行為異常等事故征兆，自動執(zhí)行預警和相關安全措施預案，從而提前避免事故發(fā)生，保證露天礦的生產(chǎn)安全性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。 礦山數(shù)字孿生的分層架構如圖4 所示。

圖4 礦山數(shù)字孿生分層架構Fig.4 Mine digital twin layered structure diagram

4 智能化露天煤礦平臺架構

傳統(tǒng)的IT 架構已經(jīng)難以支撐海量多源異構數(shù)據(jù)的采集、管理和有序流動，制約了露天煤礦的智能化發(fā)展［8-9］，而基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術架構，能夠實現(xiàn)海量異構數(shù)據(jù)匯聚與建模分析、經(jīng)驗知識軟件化與模塊化、各類創(chuàng)新應用開發(fā)與運行，從而支撐生產(chǎn)智能決策、業(yè)務模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置、產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育。 智能化露天煤礦的技術架構應采用基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的“云、邊、端”架構，采用一套標準體系、構建一張全面感知網(wǎng)絡、建設一條高速數(shù)據(jù)傳輸通道、形成一個大數(shù)據(jù)應用中心，面向不同業(yè)務部門實現(xiàn)按需服務。 目前，煤礦企業(yè)已建成大量基于傳統(tǒng)IT 架構的信息系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可作為平臺的基礎數(shù)據(jù)源（端側），繼續(xù)發(fā)揮系統(tǒng)剩余價值，并逐步推進傳統(tǒng)信息化業(yè)務的云化部署，解決企業(yè)傳統(tǒng)系統(tǒng)向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)遷移、單個企業(yè)與行業(yè)平臺對接等難題。 張建中等［10］提出了智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構，主要面向井工煤礦的需求。 智能化露天煤礦的平臺架構如圖5 所示。

圖5 智能化露天煤礦平臺架構Fig.5 Platform structure of intelligent open-pit coal mine

智能化露天煤礦平臺架構主要由5 層組成，分別為：感知層、接入層、邊緣層、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺層和綜合管控平臺層。

感知層布設不同類型的傳感器和執(zhí)行感知系統(tǒng)，采集露天礦生產(chǎn)環(huán)境、作業(yè)設備、人員和管理等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對露天煤礦“人-機-環(huán)-管”信息的全面感知。

接入層利用智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關模塊技術實現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的實時傳輸，主要包括OPC、MODBUS、MQTT、WIFI、4G／5G、ZigBee 等。 感知設備的無源、無線傳輸方法將是智能化露天煤礦的關鍵核心技術之一。

邊緣層通過各類通信手段接入不同設備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，進行大范圍、深層次的海量數(shù)據(jù)采集。 依托協(xié)議轉換技術實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)的協(xié)議轉換、歸一化和邊緣集成。 利用邊緣計算設備實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的邊緣處理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)向云端平臺的集成，構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎。 邊緣計算采用網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供端側服務，滿足礦山在實時業(yè)務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。

智能化煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺層基于通用PaaS疊加大數(shù)據(jù)處理、工業(yè)數(shù)據(jù)分析、工業(yè)微服務等創(chuàng)新功能，構建可擴展的開放式云操作系統(tǒng)。 平臺層由物聯(lián)網(wǎng)管理平臺、云計算平臺和技術中臺、業(yè)務中臺和數(shù)據(jù)中臺等3 大中臺組成。 物聯(lián)網(wǎng)管理平臺是將邊緣層設備信息數(shù)據(jù)接入與管理，為云計算平臺提供數(shù)據(jù)傳輸方法；云計算平臺是利用礦山大數(shù)據(jù)進行模型構建、分析和優(yōu)化，為邊緣層提供可靠的計算模型；3 大中臺包括技術、業(yè)務和數(shù)據(jù)中臺，其中：技術中臺提供移動應用、視頻接入、GIS、區(qū)塊鏈、微服務、人工智能等平臺底層的技術資源和能力的支持；業(yè)務中臺將礦山穿爆、采剝、運輸、排土、災害預警和輔助生產(chǎn)等全周期的業(yè)務沉淀到業(yè)務中臺，減輕前臺壓力，形成“大中臺，小前臺”，減少礦山類似業(yè)務的重新開發(fā)；數(shù)據(jù)中臺是依據(jù)礦山既有的業(yè)務模式和組織架構形成的數(shù)據(jù)綜合管理平臺，通過數(shù)據(jù)匯聚、開發(fā)、體系、服務、安全和運營層，構建一套持續(xù)不斷把數(shù)據(jù)變成資產(chǎn)并服務于業(yè)務的機制。

綜合管控平臺即為應用層，形成滿足露天煤礦行業(yè)、不同場景的工業(yè)SaaS 和工業(yè)APP，形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的最終價值。 該層提供了設計、生產(chǎn)、管理、服務等一系列創(chuàng)新性業(yè)務應用。 各類業(yè)務應用既可以共用數(shù)據(jù)信息，又可利用數(shù)據(jù)驅動模型進行獨立決策與控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、單一系統(tǒng)的獨立決策及系統(tǒng)間的智能聯(lián)動，還可以提供數(shù)據(jù)的對外商業(yè)服務。

5 露天煤礦智能開采技術應用場景

近年來，大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、邊緣計算等前沿技術在露天煤礦取得了初步應用［11-22］，但與露天開采基礎理論及工藝機理結合的深度和廣度尚遠且不夠。 由上述可得智能化技術驅動的露天煤礦智能開采技術主要應用場景如下：①采礦智能設計系統(tǒng)，實現(xiàn)穿爆智能設計、短期及中長期智能排產(chǎn)；②基于間斷工藝生產(chǎn)運行特點，建立智能卡車調度管理系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛基礎信息管理、車輛監(jiān)控、自動計量、集中優(yōu)化調度、單斗挖掘機的遠程操控、無人駕駛、油耗監(jiān)測等的研究，建成智能化間斷工藝系統(tǒng)；③圍繞半連續(xù)工藝系統(tǒng)的集成設計與開發(fā)、智能控制與監(jiān)測技術、帶式輸送機的智能調速、隱患識別、故障診斷及預測等方面開展研究，建成無人值守、機器人巡檢的智能化半連續(xù)工藝系統(tǒng)；④突破連續(xù)開采工藝系統(tǒng)的輪斗挖掘機切削機理、高壽命斗齒等關鍵元部件、整機結構設計、大跨度重型設備姿態(tài)自適應調整、大跨度設備多履帶移動路徑規(guī)劃、自移式大傾角帶式輸送機成套裝備研制等重大科學技術難題，建成露天煤礦智能無人化連續(xù)開采工藝系統(tǒng)；⑤研發(fā)高精度北斗定位模塊、防碰撞安全預警系統(tǒng)、設備數(shù)據(jù)采集、數(shù)字孿生、自動駕駛等技術，使各類露天開采工藝系統(tǒng)具有智能感知和自主決策功能，實現(xiàn)露天礦坑下少人或無人化開采，系統(tǒng)安全高效協(xié)同自主運行；⑥面向露天礦實現(xiàn)少人和無人化智能開采后的實際需求，加強露天礦智能化綜合保障技術與裝備研發(fā)，基于視頻監(jiān)測、數(shù)字孿生等技術，開發(fā)露天礦大型裝備故障自診斷與健康管理系統(tǒng)，實現(xiàn)露天礦主要設備的在線診斷與遠程運維，建成露天煤礦主要設備的智能維修管理系統(tǒng)。

6 露天煤礦智能化建設內容

露天煤礦智能化建設在不斷發(fā)展過程中，但是各大中小型露天煤礦均沒有形成統(tǒng)一的建設內容，目前形成共識的是“根據(jù)每個露天礦的實際情況分級建設是必要的”，由此筆者根據(jù)國內主要露天煤礦目前的工藝和開采現(xiàn)狀情況，結合各礦山的自動化和信息化基礎條件，嘗試提出了智能化露天煤礦按照初、中、高三級的建設內容，以期為我國露天煤礦的智能化建設工作提供一定的參考。

初級智能化建設內容如下：①智能穿爆方面，研發(fā)爆破設計系統(tǒng)對爆區(qū)的地測信息進行三維地質建模、鉆孔設計、火工品計算；結合高精度定位技術實現(xiàn)鉆機的自主導航，并能通過指令引導鉆機鉆頭定位、對孔及鉆進，滿足高效、精確要求；鉆機具備行走速度、鉆進速度、回轉壓力等數(shù)據(jù)精確感知功能。②間斷開采工藝方面，采用車規(guī)級北斗差分定位系統(tǒng)和車身定位技術裝備，進行多傳感器融合，實現(xiàn)采剝及輔助設備精準定位；建立卡車調度系統(tǒng)，實現(xiàn)卡車基礎信息管理、車輛監(jiān)控、自動計量、集中調度等功能。 ③半連續(xù)開采工藝方面，破碎站和帶式輸送機硬件設置保護裝置，給料機配置變頻電機，控制信號引入集控PLC 中，實現(xiàn)遠程控制、監(jiān)控和保護功能。 ④連續(xù)開采工藝方面，輪斗控制系統(tǒng)具有控制器分布式IO、總線與傳感器數(shù)據(jù)采集等技術，通過布設視頻監(jiān)控、定位傳感器等，實現(xiàn)輪斗自動控制、監(jiān)控、防碰撞等功能。 ⑤災害預警方面，實時在線監(jiān)測邊坡地表位移。 ⑥輔助工藝方面，應用具有三維可視化等功能的地質建模軟件，構建露天礦三維地質模型；基于無人機和傾斜攝影測量技術，進行露天礦三維數(shù)據(jù)采集、場景三維模型構建和動態(tài)更新。

在初級智能化的基礎上，中級智能化建設內容如下：①智能穿爆方面，開發(fā)具備智能分析、設計、模擬、預測功能的軟件，實現(xiàn)爆破設計中的炸藥品種自動選擇，藥量自動計算，裝藥結構、組網(wǎng)、延期時間自動設計、文檔輸出等功能；裝藥車控制系統(tǒng)進行智能化升級，從尋、測、裝3 個環(huán)節(jié)實現(xiàn)裝藥車自動裝藥控制。 ②間斷開采工藝方面，改造采剝及輔助設備的線控系統(tǒng)，采集駕駛室座椅手柄操作信號、駕駛臺控制按鈕等人工操作信號，打通通訊控制協(xié)議；建立設備故障預測模型，實現(xiàn)預測性維護。 ③半連續(xù)開采工藝方面，破碎站料斗安裝雙視目攝像頭及雷達料位計，可實時準確顯示料位狀態(tài)，帶式輸送機實現(xiàn)驅動、張緊單元的智能自適應調控、主動低能耗、低損耗輸送。 ④連續(xù)開采工藝方面，構建“遠程操控-采運排協(xié)同”的作業(yè)模式，連續(xù)工藝實現(xiàn)多機智能協(xié)同作業(yè)的開采模式。 ⑤災害預警方面，建立地表位移和深層位移綜合監(jiān)測系統(tǒng)，具備漸變過程有效分析的能力，實現(xiàn)自動報警等功能。 ⑥輔助方面，在地、測、采三維模型基礎上，增加地面生產(chǎn)系統(tǒng)的全息模型，兼顧時間維度實時存儲，實現(xiàn)露天礦工程的五維（時間+空間+屬性）一體化表達及動態(tài)展示。

在中級智能化的基礎上，高級智能化建設內容如下：①智能穿爆方面，建立礦山地質信息與火工品智能匹配數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)鉆孔的優(yōu)化布置、火工品的逐孔精確計算、優(yōu)化設計結果、三維可視等功能；②間斷開采工藝方面，建立自動感知、傳輸、決策、執(zhí)行全過程控制系統(tǒng)，卡車等移動設備實現(xiàn)無人駕駛；③半連續(xù)開采工藝方面，破碎站建立噪聲、粉塵等監(jiān)測預警聯(lián)動控制系統(tǒng)，帶式輸送機系統(tǒng)實現(xiàn)機器人自主巡檢；④連續(xù)開采工藝方面，構建“自主開采-智能決策”的無人化開采模式；⑤災害預警方面，建立邊坡地質災害天-地一體化在線智能監(jiān)測預警平臺，完成邊坡監(jiān)測多源數(shù)據(jù)的融合解算，形成智能監(jiān)測預警平臺；⑥輔助生產(chǎn)方面，重點解決露天礦數(shù)字孿生體的構建、設備智能維修、坑下道路維護、工作面及道路粉塵治理、無人測繪等方面的智能化和少人化問題。

7 結 論

1）露天煤礦智能化建設的總體目標是實現(xiàn)全要素、全過程、全生命周期的個性化智能運行，核心是解決個性化生產(chǎn)和資源高效配置的難題，本質是實現(xiàn)科學采礦。

2）露天煤礦生產(chǎn)的特點主要表現(xiàn)在：①作業(yè)空間廣、場所分散；②工藝系統(tǒng)呈非線性、工序多且離散；③設備規(guī)格大、類型多樣；④設備實時移動、軌跡多變等。 生產(chǎn)的特殊性決定了其智能化建設的特征主要是：①以信息化為基本手段；②以設備和工藝系統(tǒng)智能化為核心；③以“設計-施工”一體化管控為目標。

3）智能化露天煤礦總體方案設計要以工藝為本，分級建設，價值導向、有序推進、虛實共生為基本策略和指導原則，以人、設備和系統(tǒng)3 大主線確定的各階段智能化作業(yè)場景，以投入產(chǎn)出的經(jīng)濟性作為合理性的評判標準，合理確定各項智能化建設內容的先后次序，終極目標是全面建成數(shù)字孿生礦山。

4）智能化露天煤礦總體方案設計要基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構思想，文章提出了智能化露天煤礦的5 層平臺架構，并對5 層架構的功能設計思想進行了闡述。

5）智能化露天煤礦總體方案設計要聚焦露天煤礦智能開采關鍵核心技術和裝備的研發(fā)，并根據(jù)各露天煤礦的具體條件構建智能應用場景，提供設計、生產(chǎn)、管理、服務等一系列創(chuàng)新性業(yè)務應用，形成智能化礦山建設的最終價值。