柳小波 張興帆,3 曲福明 潘鵬飛 王懷遠(yuǎn),5 王連成

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

進(jìn)入21 世紀(jì)以來,科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展,促進(jìn)了社會和各行業(yè)的巨大變革。 互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈以及人工智能等數(shù)字技術(shù)不僅成為當(dāng)前和未來生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革的關(guān)鍵性驅(qū)動力量,更是重組資源要素、重塑經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、重構(gòu)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(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新與實踐,多次提出“推動信息化和工業(yè)化深度融合”,“加快建設(shè)制造強(qiáng)國,加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè),推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟(jì)深度融合”,“推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)與先進(jìn)制造業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)深度融合,促進(jìn)人工智能安全發(fā)展”等要求。 礦產(chǎn)資源行業(yè)是工業(yè)制造的源頭和基礎(chǔ),是國家安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障,更是技術(shù)升級的廣闊藍(lán)海。 但限于礦山開采的復(fù)雜性與艱苦性,礦山技術(shù)的發(fā)展往往落后于其他制造工業(yè),而人工智能和無人駕駛等新技術(shù)的出現(xiàn)將極大地改善礦山的作業(yè)條件。 在新時代的背景下,發(fā)展新興技術(shù)與采礦技術(shù)深度融合,構(gòu)建智慧礦山發(fā)展新模式,實現(xiàn)傳統(tǒng)礦山的轉(zhuǎn)型升級,是我國礦山行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 本研究立足國內(nèi)外先進(jìn)礦山的建設(shè)現(xiàn)狀,梳理我國與礦業(yè)強(qiáng)國之間的技術(shù)差距,總結(jié)我國冶金礦山行業(yè)發(fā)展存在的痛點,并在此基礎(chǔ)上提出智慧礦山的建設(shè)路徑。 同時,以齊大山鐵礦為例,將理論與實踐相結(jié)合,進(jìn)行智慧礦山建設(shè)的初步探索,并對未來的智慧礦山發(fā)展進(jìn)行展望。

1 礦山開采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在漫長的人類社會發(fā)展過程中,礦山開采技術(shù)主要經(jīng)歷了3 個階段,分別是手工時代、機(jī)械時代和數(shù)字化時代。 手工時期人們使用斧、鉞、鑿進(jìn)行礦石挖掘,筐、簍、推車等進(jìn)行裝載和運(yùn)輸,效率十分低下;工業(yè)革命后,炸藥與機(jī)械工具的發(fā)明和應(yīng)用大幅提高了礦山的產(chǎn)能與效率;20 世紀(jì)末期開始,新型技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)一步推動了采礦行業(yè)的巨大變革。 1998年,美國提出了“數(shù)字地球”概念[1],迅速引起了全世界的廣泛關(guān)注,許多國家結(jié)合各自的實際情況,進(jìn)一步制定了有關(guān)數(shù)字礦山建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃。 例如瑞典的“Grountecknik 2000 計劃”、芬蘭的“國家智能礦山IM、IMI 研發(fā)計劃”、加拿大的“UDMN 2.0 計劃”,歐盟的“地平線2020 科研規(guī)劃”、澳大利亞的“玻璃地球計劃”等[2]。 經(jīng)過20 余年的發(fā)展,礦山行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展取得了豐碩成果,并逐步向智能化礦山邁進(jìn)。 本研究分別從露天和地下兩個方面對當(dāng)前國內(nèi)外的礦山開采技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行梳理,并通過對比厘清我國礦山與世界先進(jìn)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(qū)是世界上最大的鐵礦石產(chǎn)出地,年產(chǎn)鐵礦石8 億t 左右,占據(jù)該國鐵礦石產(chǎn)量的90%以上,占世界鐵礦石產(chǎn)量的1/2[3]。 該地區(qū)的鐵礦主要由力拓、必和必拓和FMG 三家公司運(yùn)營。由于礦體埋深較淺且礦石品位較高,該地區(qū)的鐵礦多數(shù)采用露天作業(yè)方式進(jìn)行開采,并且使用了目前最先進(jìn)的技術(shù)。 以力拓的礦山為例,其在穿爆環(huán)節(jié)首先使用遠(yuǎn)程遙控鉆機(jī)安全準(zhǔn)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(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析來確定每個鉆孔使用的炸藥當(dāng)量,可以減少資源浪費并提高爆破效果。 在鏟運(yùn)環(huán)節(jié),采用了電鏟和卡車組合,卡車由監(jiān)控系統(tǒng)和中央控制器自動控制。 系統(tǒng)使用預(yù)定義的GPS 路線自動導(dǎo)航運(yùn)輸?shù)缆泛徒徊媛房?同時監(jiān)測所有車輛的實際位置、速度和方向。 這些技術(shù)的運(yùn)用使得運(yùn)輸成本比同等的人工駕駛卡車降低了15%,生產(chǎn)率提高了25%,設(shè)備利用率提高了40%,同時自動運(yùn)輸系統(tǒng)還使卡車操作人員免受傷害,從而減少了在重型機(jī)械周圍工作的安全風(fēng)險[4]。 在軟件方面,力拓使用3D 游戲引擎構(gòu)建了RTVisTM 可視化系統(tǒng),該系統(tǒng)與數(shù)字孿生技術(shù)類似,融合了地質(zhì)、巖土、鉆孔、爆破、生產(chǎn)規(guī)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(shù)進(jìn)行實時展示,以便實現(xiàn)整個礦區(qū)的生產(chǎn)監(jiān)控與科學(xué)決策[5]。 除此之外,力拓還使用無人機(jī)進(jìn)行實時3D 測繪、設(shè)備巡檢和邊坡安全檢查;研發(fā)小型機(jī)器人進(jìn)入狹窄空間進(jìn)行安全監(jiān)測或裝備檢查;利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)度與決策,大幅減少停機(jī)時間并節(jié)省能源,降低運(yùn)營成本。

受限于礦產(chǎn)資源的稟賦特征,我國的金屬礦產(chǎn)極少存在如同皮爾巴拉礦區(qū)的高品位、低埋深、易開發(fā)的礦石產(chǎn)品,開發(fā)利用面臨著工程技術(shù)復(fù)雜、綜合利用難度大、開發(fā)利用率低等挑戰(zhàn)。 并且我國的礦山機(jī)械化和自動化技術(shù)起步較晚,因此數(shù)字礦山技術(shù)的應(yīng)用深度相對于國外的先進(jìn)露天礦山仍有一定的差距。經(jīng)過廣大科研工作者和工程技術(shù)人員努力攻關(guān),我國露天礦山開采技術(shù)也取得了一定的進(jìn)展,典型案例之一是洛陽鉬業(yè)的三道莊礦區(qū)。 在2016 年,洛陽鉬業(yè)就開始對礦區(qū)的穿孔、鏟裝和運(yùn)輸裝備進(jìn)行智能化升級改造,逐步實現(xiàn)無人高效作業(yè)。 2019 年洛陽鉬業(yè)首次將5G 通信技術(shù)應(yīng)用于礦山遠(yuǎn)程遙控,實現(xiàn)了鏟裝作業(yè)的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制,到2020 年全礦基本實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋,大幅提升了無人采礦的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性。 “牙輪鉆機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)”實現(xiàn)了牙輪鉆機(jī)穿孔設(shè)計自動上傳,鉆機(jī)自動找位,孔深自動控制;“多金屬多目標(biāo)智能配礦系統(tǒng)”實現(xiàn)了爆堆品位的可視化,根據(jù)破碎站入礦品位和噸量需求完成智能配礦;“集群協(xié)同卡車智能調(diào)度系統(tǒng)”根據(jù)配礦計劃規(guī)劃卡車的最優(yōu)行進(jìn)路線,減少裝卸載排隊等待,實現(xiàn)了智能調(diào)度;“礦巖運(yùn)輸無人計量系統(tǒng)”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(shù)據(jù)上傳云端;“大數(shù)據(jù)智能分析與可視化系統(tǒng)”對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與展示,幫助管理人員進(jìn)行科學(xué)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(yè)集團(tuán)LKAB 公司,是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)最為先進(jìn)的地下礦山之一。 該礦采用豎井+斜坡道聯(lián)合開拓、無底柱分段崩落法進(jìn)行開采,2022 年生產(chǎn)鐵礦石2 500 萬t。 在礦山生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié),該礦都使用了先進(jìn)技術(shù)以實現(xiàn)礦石的安全高效開采。 在勘探階段,采用了航空磁力調(diào)查和彎曲鉆孔技術(shù),大幅減小了鉆探區(qū)域,取得了更精準(zhǔn)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(jī)的鑿巖臺車,可以實現(xiàn)布孔計劃傳遞、推進(jìn)臂精準(zhǔn)定位、準(zhǔn)確平穩(wěn)開孔、鑿巖和接卸鉆桿、鉆桿自動歸位[9];在爆破階段,研發(fā)了抗水性強(qiáng)、黏度更高的乳化炸藥,減少孔內(nèi)積水的影響,并且在爆破后使用機(jī)器狗進(jìn)入空區(qū)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(yīng)用了新型遙控鏟運(yùn)機(jī)Sandvik LHD621,該型鏟運(yùn)機(jī)采用了更先進(jìn)的視覺導(dǎo)航系統(tǒng),并配套了AutoMine?Multi-Lite 自動控制系統(tǒng),操作人員只需在中控硐室便可操作鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行采場出礦[11];在運(yùn)輸階段,電機(jī)車裝礦、運(yùn)輸、卸礦和提升全過程實現(xiàn)了自動化和無人化[12];在通風(fēng)系統(tǒng)中,采用壓入—抽出混合式通風(fēng)方式,風(fēng)機(jī)站安裝有調(diào)頻控制的軸流式風(fēng)機(jī),由中央控制室監(jiān)測風(fēng)機(jī)工況,工作過程實現(xiàn)了全自動化[13]。

作為我國地下礦山建設(shè)標(biāo)桿的三山島金礦隸屬于山東黃金集團(tuán)有限公司,是目前國內(nèi)數(shù)字化程度和整體裝備水平最高的現(xiàn)代化礦山之一。 從2009 年開始,該礦就制定了《三山島金礦數(shù)字化礦山建設(shè)總體規(guī)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(diào)度顯示、污水處理自動化、地磅自動稱重等系統(tǒng)[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(xù)規(guī)模化智能開采工藝,即采用連續(xù)分段空場嗣后充填采礦法對礦石進(jìn)行回采,實現(xiàn)了礦山開采模式的革新[15];在生產(chǎn)管控方面,將所有地下控制系統(tǒng)集成于地表管控平臺,實現(xiàn)綜合調(diào)度生產(chǎn);在危險監(jiān)測方面,建成了井下安全隱患智能預(yù)警系統(tǒng)和智能安全監(jiān)測系統(tǒng),降低事故發(fā)生率;在井下作業(yè)環(huán)節(jié),使用遠(yuǎn)程遙控的操作方式代替高強(qiáng)度、高危險、環(huán)境差的人工作業(yè),實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。具體而言,提升控制和溜破控制實現(xiàn)了無人值守,固定式破碎錘和有軌運(yùn)輸采用地表遙控作業(yè),排水和通風(fēng)系統(tǒng)均實現(xiàn)自動控制,降低了工人數(shù)量和維護(hù)成本[16]。 除此以外,三山島金礦還采用華為大數(shù)據(jù)平臺對礦山生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),建成了礦山大數(shù)據(jù)平臺,為礦山安全管控、精準(zhǔn)決策提供了數(shù)據(jù)支撐[17]。

2 智慧礦山內(nèi)涵與演化歷程

從上述國內(nèi)外礦山建設(shè)案例可以看出,澳大利亞和瑞典等礦業(yè)發(fā)達(dá)國家的部分先進(jìn)礦山目前已經(jīng)基本實現(xiàn)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(jìn),而我國礦山正處于穩(wěn)步追趕狀態(tài)。 綜合文獻(xiàn)調(diào)查結(jié)果顯示,我國礦山建設(shè)分別經(jīng)歷了機(jī)械化、自動化、信息化、數(shù)字化、智能化等階段,目前正處于數(shù)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(shè)經(jīng)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(shè)過程經(jīng)歷的不同階段,而相關(guān)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(shù)字礦山”“智能礦山”“智慧礦山”。 對于這些概念的定義和內(nèi)涵,不同的學(xué)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(shù)字礦山,吳立新教授參照數(shù)字地球的概念將其定義為“數(shù)字礦山是對真實礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一認(rèn)識與數(shù)字化再現(xiàn),是一個‘硅質(zhì)礦山’,是數(shù)字礦區(qū)和數(shù)字中國的一個重要組成部分”[18],并設(shè)計了數(shù)字礦山的基本框架,闡明了數(shù)字礦山的內(nèi)涵[19],探討了數(shù)字礦山、感知礦山和智能礦山的關(guān)系[20]。 孫豁然教授認(rèn)為“數(shù)字礦山是以計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)為手段,把礦山的所有空間和有用屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化存儲、傳輸、表述和深加工,應(yīng)用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策之中,以達(dá)到生產(chǎn)方案優(yōu)化、管理高效和決策科學(xué)化的目的”[21]。

對于智能礦山的內(nèi)涵,有學(xué)者將其總結(jié)為“智能礦山是采用人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新一代通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、邊緣計算、精確定位與導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實等智能技術(shù)和信息化技術(shù),深化改造并重塑礦山采、選、冶等核心生產(chǎn)環(huán)節(jié),實現(xiàn)礦山全鏈條的智能化與協(xié)同化,從而達(dá)到礦山經(jīng)營處于高效、安全、綠色、和諧及經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的目標(biāo)”[22]。 自然資源部編撰的《智能礦山建設(shè)規(guī)范》將智能礦山定義為“在地質(zhì)測量、資源管理、采礦生產(chǎn)、選礦加工、運(yùn)輸倉儲等方面實現(xiàn)數(shù)字化、信息化、智能化管控的現(xiàn)代化礦山”,指出智能礦山建設(shè)應(yīng)包括基礎(chǔ)設(shè)施、資源管理、采礦、選礦、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、礦山大數(shù)據(jù)應(yīng)用與智能決策,具有系統(tǒng)性、全面性和技術(shù)指導(dǎo)性[2,23]。

對于智慧礦山的概念,引用數(shù)量較多的是王國法院士在2018 年發(fā)表的論文中提出的定義,即“智慧礦山是基于現(xiàn)代智慧理念,將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、移動互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人化裝備等與現(xiàn)代礦山開發(fā)技術(shù)融合,形成礦山感知、互聯(lián)、分析、自學(xué)習(xí)、預(yù)測、決策、控制的完整智能系統(tǒng),實現(xiàn)礦井開拓、采掘、運(yùn)通、洗選、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管理等全過程智能化運(yùn)行”[24]。 此外,《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)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(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬化、計算機(jī)軟件及各種網(wǎng)絡(luò),集成應(yīng)用各類傳感感知、數(shù)據(jù)通信、自動控制、智能決策等技術(shù),對礦山信息化、工業(yè)自動化深度融合,能夠完成礦山企業(yè)所有信息的精準(zhǔn)實時采集、高可靠網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化信息集成、實時可視化展現(xiàn)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動化運(yùn)行,能為各類決策提供智能化服務(wù)的數(shù)字化智慧體,并對“人—機(jī)—環(huán)”的隱患、故障和危險源提前預(yù)知和防治,使整個礦山具有自我學(xué)習(xí)、分析和決策能力”[25]。

從上述關(guān)于數(shù)字礦山、智能礦山和智慧礦山的描述中可以看出,數(shù)字礦山是建設(shè)智能礦山和智慧礦山的基礎(chǔ),但目前業(yè)內(nèi)關(guān)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(qū)別和聯(lián)系缺少深入分析。 并且,對于煤礦或金屬礦等不同領(lǐng)域,由于生產(chǎn)工藝和安全監(jiān)管存在較大差別,需要針對不同行業(yè)的具體特征進(jìn)行歸納總結(jié)。 在冶金礦山領(lǐng)域,該問題可以結(jié)合礦山的發(fā)展歷程進(jìn)行分析。 礦山的自動化和信息化,側(cè)重于單機(jī)或局部信息管理;礦山的數(shù)字化,側(cè)重于資源整合與數(shù)據(jù)共享;礦山的智能化,側(cè)重于生產(chǎn)裝備和流程的智能應(yīng)用;礦山的智慧化,是智能化的更高維度,表現(xiàn)為全要素和全流程的自反饋、自適應(yīng)、自決策,最終實現(xiàn)無人礦山。 因此,現(xiàn)階段智能礦山和智慧礦山的范疇并不沖突,且目標(biāo)都是實現(xiàn)礦山的本質(zhì)安全、高效生產(chǎn)和綠色低碳,但二者側(cè)重點有所不同,對裝備、流程、工序?qū)崿F(xiàn)智能化,可歸屬為智能礦山范疇,而對工藝、技術(shù)、體制、機(jī)制、管理等全面創(chuàng)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(nèi)涵進(jìn)行了闡述[26],他認(rèn)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(tǒng)工程理論,利用現(xiàn)代信息技術(shù)和已知知識應(yīng)對未知變化,實現(xiàn)對礦山生產(chǎn)經(jīng)營主動感知,統(tǒng)籌優(yōu)化各種資源,在符合礦山安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)要求的前提下,實現(xiàn)礦山資源利用效率與社會經(jīng)濟(jì)效益自主動態(tài)平衡的先進(jìn)礦山發(fā)展模式。 最終是以實現(xiàn)礦山數(shù)字化開采、無人化操作、云數(shù)據(jù)共享、大數(shù)據(jù)分析、智能化調(diào)度和智慧化決策為主要目標(biāo),通過智能化關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)全流程的優(yōu)化,進(jìn)行有效的礦山資源配置,進(jìn)而達(dá)到礦山安全開采、智慧開采、降耗增效、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)和諧的目的。 與傳統(tǒng)礦山相比,智慧礦山具有更長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略考量、更系統(tǒng)的管理思維、更快捷的反應(yīng)能力、更深入的智能化特點。 因此,必須將企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和管理方式與新一代信息技術(shù)緊密結(jié)合,整體謀劃、統(tǒng)籌推進(jìn)。

3 冶金行業(yè)智慧礦山建設(shè)思考

3.1 我國冶金礦山智慧化建設(shè)痛點

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

(1)缺乏行業(yè)統(tǒng)一的智慧礦山頂層設(shè)計規(guī)劃。礦山行業(yè)具有復(fù)雜性、系統(tǒng)性等特點,其流程長、工藝環(huán)節(jié)多,包括勘探、穿孔、爆破、鏟裝、運(yùn)輸、破碎等多項子工程,涵蓋了地質(zhì)、采礦、測繪、選礦等多個領(lǐng)域,是一個多專業(yè)相互滲透、多學(xué)科共同支撐、多系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的復(fù)雜工程。 多個單一環(huán)節(jié)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(zhuǎn)變?yōu)槿鞒讨腔巯到y(tǒng),這需要做好頂層設(shè)計,形成基于核心指標(biāo)聯(lián)動優(yōu)化的智慧生產(chǎn)管理模式。 目前只有少數(shù)大型礦山企業(yè)基于自身現(xiàn)狀開展了智慧化建設(shè)的探索性嘗試,大部分中小企業(yè)仍處于落后狀態(tài),因此需要重視并加快智慧礦山的頂層設(shè)計,引導(dǎo)礦山企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

(2)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一,礦山系統(tǒng)建設(shè)存在信息孤島。 從信息化和數(shù)字化建設(shè)時期開始,眾多礦山企業(yè)與相關(guān)科技公司合作,共同打造礦山的各種信息管理系統(tǒng)。 但由于礦山開采環(huán)節(jié)復(fù)雜,對應(yīng)的設(shè)計系統(tǒng)和管控系統(tǒng)眾多,而不同的系統(tǒng)通常又由不同的軟件公司進(jìn)行研發(fā),這些系統(tǒng)軟件標(biāo)準(zhǔn)不一、數(shù)據(jù)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(xiàn)不同系統(tǒng)之間的有效聯(lián)合和綜合管控。 海量多源異構(gòu)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3)多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化技術(shù)存在短板,亟需攻關(guān)突破。 通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),國外露天礦山已廣泛采用各種自動化和遙控設(shè)備,生產(chǎn)能力大、機(jī)械化和智能化水平高,而我國僅在半連續(xù)工藝中的連續(xù)環(huán)節(jié)實現(xiàn)了自動化,整體而言仍處于半自動化狀態(tài),正處于向自動化和智能化的進(jìn)化階段。 在地下礦山領(lǐng)域,采礦機(jī)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(fā)展需求不協(xié)調(diào)。 目前大部分礦山的管理模式依然呈現(xiàn)分割優(yōu)化、各自為政的特點,即勘察、采礦、配礦、選礦、燒結(jié)、球團(tuán)等環(huán)節(jié)獨立管理,相互之間關(guān)聯(lián)較少。 這種分治管理模式存在諸多弊端,例如在技術(shù)層面未能注重對分散技術(shù)的系統(tǒng)評價、優(yōu)選與集成,在工程管理層面沒有系統(tǒng)研究各部分之間的相互作用和整體發(fā)展變化,缺乏整體聯(lián)動,最終導(dǎo)致單系統(tǒng)指標(biāo)雖然最優(yōu),但全系統(tǒng)效益往往不是最大。

以上問題的存在導(dǎo)致短期內(nèi)難以建立規(guī)范化的智能化體系,在這樣復(fù)雜的條件下,實現(xiàn)礦山智慧化轉(zhuǎn)型任重道遠(yuǎn)。

3.2 我國冶金礦山智慧化建設(shè)路徑

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

(1)注重頂層設(shè)計。 傳統(tǒng)的數(shù)字化礦山規(guī)劃方式往往是自下而上,由生產(chǎn)過程的數(shù)字化,逐漸歸納整理完善滿足管理需求。 而智慧礦山的規(guī)劃應(yīng)是自上而下,由頂層設(shè)計出發(fā),連通數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、云端分析、智能控制等各個環(huán)節(jié),形成系統(tǒng)的設(shè)計鏈,進(jìn)而形成完整的解決方案。

(2)貫徹標(biāo)準(zhǔn)先行。 礦山行業(yè)的子系統(tǒng)眾多,不同開發(fā)者建立的系統(tǒng)往往互不兼容,極大阻礙了信息的有效融合。 將標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用于智慧礦山信息化建設(shè)中,能夠有效解決“數(shù)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(guān)部門出臺了一些智能礦山建設(shè)規(guī)范[23,25],但相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策仍不完善。 小到礦山內(nèi)部,大到行業(yè)和國家,都需要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)做好技術(shù)創(chuàng)新。 相比國外的先進(jìn)礦山,我國的礦山整體智能化基礎(chǔ)仍然比較薄弱,并且部分設(shè)備廠商對礦山實際情況缺乏深入了解,產(chǎn)品設(shè)計理念與實際需要存在偏差。 因此,需要整合礦山、信息技術(shù)等行業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)、學(xué)、研、用技術(shù)力量,開展全面深入的智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用示范推廣,力爭形成動態(tài)、協(xié)調(diào)、優(yōu)化的智慧化礦山整體環(huán)境。

(4)實現(xiàn)管理升級。 智慧礦山的管理需要注重系統(tǒng)思維,樹立系統(tǒng)觀和整體觀,從“大礦業(yè)”整體角度出發(fā),將礦山的各個環(huán)節(jié)視為一個有機(jī)整體,按照大系統(tǒng)的處理方法進(jìn)行優(yōu)化,實現(xiàn)整體價值最大化。同時依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和智能技術(shù),從智慧感知、智慧生產(chǎn)、智慧決策、智慧服務(wù)4 個關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手,形成完整的智慧化高效運(yùn)營管理體系。

4 智慧礦山建設(shè)探索實踐案例

2023 年中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》,標(biāo)志著國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不僅是構(gòu)筑競爭優(yōu)勢的內(nèi)在要求,更是實現(xiàn)全面建成社會主義現(xiàn)代化國家的重要支撐。 作為冶金礦山數(shù)字化應(yīng)用的先行者,鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司(以下簡稱“鞍鋼礦業(yè)”)在2007 年發(fā)布了《數(shù)字礦山建設(shè)規(guī)劃》,率先建成了以ERP 為核心的礦業(yè)管理信息化AMS 系統(tǒng),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(yè)調(diào)整升級規(guī)劃》,先后被評為“首批國家智能制造試點示范”和“智能制造標(biāo)桿企業(yè)”。 如今,在智慧礦山建設(shè)方興未艾的趨勢下,鞍鋼礦業(yè)選擇部分典型工藝產(chǎn)線作為試點進(jìn)行了智慧礦山建設(shè)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(lián)合企業(yè),是亞洲最大的露天鐵礦,年產(chǎn)1 700 萬t 鐵礦石,是集采礦、選礦于一體的現(xiàn)代化、大型化冶金礦山企業(yè),是鞍鋼集團(tuán)重要的鐵礦石和鐵精礦生產(chǎn)原料基地之一。 該礦基于傳統(tǒng)的露天作業(yè)方式進(jìn)行開采,采礦過程主要包括穿孔、爆破、鏟裝、運(yùn)輸和排巖五大環(huán)節(jié),其中生產(chǎn)成本占比較大的運(yùn)輸環(huán)節(jié)采用了電鏟+卡車+破碎機(jī)+膠帶運(yùn)輸?shù)陌脒B續(xù)工藝,極大程度上降低了礦巖轉(zhuǎn)運(yùn)費用。 近年來,該礦在設(shè)備大型化、自動化運(yùn)行等方面得到了較大提升,先后引進(jìn)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(fā)展戰(zhàn)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(tǒng)性的整體智慧化建設(shè)方案,目標(biāo)不夠明確;安全生產(chǎn)管控信息技術(shù)相對落后,存在大量數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象,不能整體化管控;采場新技術(shù)應(yīng)用滯后,缺少人工智能、智能控制等新技術(shù)應(yīng)用;生產(chǎn)工序缺乏協(xié)同聯(lián)動,沒有實現(xiàn)礦業(yè)核心指標(biāo)動態(tài)優(yōu)化,未能通過體制、機(jī)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(gòu)設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、智能技術(shù)創(chuàng)新和智慧管理升級4個方面進(jìn)行了智慧礦山建設(shè)的初步探索。

4.1 頂層架構(gòu)設(shè)計

頂層架構(gòu)設(shè)計是建設(shè)智慧礦山的根本。 面向我國冶金礦山的建設(shè)痛點與重點,立足現(xiàn)場實際生產(chǎn)現(xiàn)狀和升級需求,齊大山鐵礦設(shè)計了適合露天生產(chǎn)與管理的智慧礦山建設(shè)頂層業(yè)務(wù)架構(gòu),如圖2 所示。

圖2 齊大山礦智慧礦山建設(shè)頂層業(yè)務(wù)架構(gòu)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(shè)頂層架構(gòu)主要包含工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧采場、智慧工廠、智慧生產(chǎn)、智慧管理、智慧安全和智慧運(yùn)維等7 大板塊。 其中,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為智慧礦山建設(shè)的整體支撐平臺,在打通各環(huán)節(jié)、各系統(tǒng),形成統(tǒng)一智慧管控的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 為此,基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的“端邊網(wǎng)云”模式,構(gòu)建了齊大山智慧礦山建設(shè)的頂層技術(shù)架構(gòu),如圖3 所示。

圖3 齊大山智慧礦山建設(shè)頂層技術(shù)架構(gòu)Fig.3 Top level technical architecture for the construction of Qidashan Smart Mine

“端層”主要包括單體設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)施、傳感器、定位裝置和視頻監(jiān)控等模塊,用于實時獲取實體設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),并將其發(fā)送至邊層和云層,實現(xiàn)生產(chǎn)要素的全面感知和精準(zhǔn)控制。 “邊層”包括邊緣計算裝置、數(shù)據(jù)緩存裝置、數(shù)據(jù)匯集裝置、人工交互裝置,用于獲取端層中實體設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),應(yīng)用人工智能技術(shù)(包括聲音分析、圖像分析、采集分析、地圖分析等技術(shù)),構(gòu)建快速響應(yīng)、離線響應(yīng)的邊緣計算體系,實現(xiàn)邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)分析和實時決策。 “網(wǎng)層”包括工控網(wǎng)、辦公網(wǎng)、公共網(wǎng)和數(shù)傳電臺。 用于構(gòu)建現(xiàn)場的工控、生產(chǎn)、公網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)體系,以實現(xiàn)層之間的數(shù)據(jù)傳輸以及與公共網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。 “云層”指構(gòu)建礦業(yè)的IaaS、PaaS、SaaS 云體系。 IaaS 層提供基礎(chǔ)的設(shè)備虛擬化、容災(zāi)、負(fù)載等硬支撐服務(wù);PaaS 層提供數(shù)據(jù)交互、礦業(yè)應(yīng)用建模、大數(shù)據(jù)計算、礦業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等軟支撐服務(wù);SaaS 層從工藝、安全、能源、設(shè)備、決策等維度建立一體化的礦業(yè)應(yīng)用,通過統(tǒng)一平臺門戶、三維仿真、移動應(yīng)用等形式,實現(xiàn)礦業(yè)生產(chǎn)的遠(yuǎn)控作業(yè)方式,實現(xiàn)統(tǒng)合化、精細(xì)化管理的新模式[27]。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)是建設(shè)智慧礦山的基礎(chǔ)。 “工程未動、標(biāo)準(zhǔn)先行”,標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)是保障智慧礦山順利建設(shè)、有效解決“數(shù)字鴻溝”及“信息孤島”等問題的有效手段。 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布的信息系統(tǒng)研究規(guī)范,結(jié)合礦山實際情況,包含礦山基礎(chǔ)信息、生產(chǎn)信息、運(yùn)營管理信息等多維度全方位的數(shù)據(jù),打造符合智慧礦山業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)規(guī)范。 基于以上基本原則,本研究構(gòu)建了智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)體系。 由于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容篇幅過大,因此僅展示標(biāo)準(zhǔn)體系的基本框架,如圖4 所示。

圖4 智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建Fig.4 Construction of the standard system of smart mine

4.3 智能技術(shù)創(chuàng)新

智能技術(shù)創(chuàng)新是建設(shè)智慧礦山的核心。 總體而言,齊大山鐵礦的智慧采場建設(shè)的創(chuàng)新點主要表現(xiàn)在:① 創(chuàng)立了大型金屬露天礦全流程智能安全開采體系,基于數(shù)字孿生、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立并打通數(shù)字地質(zhì)、智能穿孔、智能爆破、智能鏟裝等環(huán)節(jié),實現(xiàn)了金屬露天礦智能安全開采從局部割裂化到整體統(tǒng)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(shù),研發(fā)了露天礦多環(huán)節(jié)智能開采感知—決策—控制一體化技術(shù),制定了復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)化感知策略,形成了全流程開采智能規(guī)劃方法,開發(fā)了典型裝備智能控制技術(shù);③ 攻克了多場景協(xié)同聯(lián)動智能化開采實踐難題,集成構(gòu)建了穿孔、爆破、鏟裝、運(yùn)排全流程系統(tǒng),研發(fā)了露天礦智能開采系列技術(shù),開發(fā)了多場景協(xié)同聯(lián)動智能化開采應(yīng)用,實現(xiàn)了露天礦多環(huán)節(jié)、多場景的智能安全生產(chǎn)(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(chuàng)新成果在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的具體應(yīng)用成效,分別結(jié)合幾個典型智能開采實踐場景進(jìn)行分析。 在穿孔環(huán)節(jié),基于智能感知—智能決策—智能控制一體化技術(shù),研發(fā)了遠(yuǎn)程一鍵自主作業(yè)智能控制系統(tǒng),并實現(xiàn)了鉆機(jī)遠(yuǎn)程一拖二智能控制,降低了工人勞動強(qiáng)度,使其遠(yuǎn)離惡劣環(huán)境,如圖6(a)所示。 在鏟裝環(huán)節(jié),基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)了鏟齒脫落智能識別系統(tǒng),解決了鏟齒脫落帶來的尋找鏟齒困難、勞動強(qiáng)度大、設(shè)備過鐵問題,保障了后續(xù)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行,如圖6(b)所示。 在卡車運(yùn)輸環(huán)節(jié),研發(fā)了毫米波雷達(dá)與極目攝像頭相融合的感知方法、基于場景與運(yùn)行速度相結(jié)合的近距離防碰撞預(yù)警方法和自動剎車控制系統(tǒng),全面保障了卡車行駛安全。 在有軌運(yùn)輸環(huán)節(jié),設(shè)計了基于電子圍欄的機(jī)車信號智能識別算法和針對機(jī)車的工業(yè)短距無線通信技術(shù),研發(fā)了機(jī)車安全輔助駕駛系統(tǒng),取代了安全觀察員,實現(xiàn)了運(yùn)輸無人值守。

圖6 生產(chǎn)環(huán)節(jié)智能化建設(shè)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(shè)智慧礦山的保障。 基于上述建設(shè)基礎(chǔ),構(gòu)建了智慧生產(chǎn)、智慧安全、智慧保障與智慧運(yùn)營等中心,重塑現(xiàn)有的礦山生產(chǎn)管理流程。 智慧生產(chǎn)中心是生產(chǎn)經(jīng)營的核心引擎,驅(qū)動著齊大山鐵礦智慧化礦山轉(zhuǎn)型穩(wěn)步推進(jìn)。 面向采場“礦石流”,從地質(zhì)管理、資源計劃、穿孔爆破、鏟裝運(yùn)輸?shù)讲蓤鲵炇罩饌€業(yè)務(wù)流程開展智慧化建設(shè),實現(xiàn)了礦產(chǎn)資源數(shù)字化、指揮平臺可視化、調(diào)度指揮智能化的建設(shè)效果,如圖7(a)所示。 智慧安全中心是生產(chǎn)經(jīng)營的命脈底線,圍繞安全生產(chǎn)全要素,以安全管理系統(tǒng)為載體建立了危險源巡檢、礦山邊坡在線監(jiān)測、鷹眼安全監(jiān)控、卡車防碰撞報警、人員安全定位及健康監(jiān)測五大模塊,運(yùn)用信息技術(shù)實現(xiàn)了采場本質(zhì)安全,取得了安全管理透明化的建設(shè)效果,如圖7(b)所示。 智慧保障中心是生產(chǎn)經(jīng)營的護(hù)航使者,設(shè)備保障能力是實現(xiàn)安全生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的必要前提。 針對設(shè)備保障、運(yùn)行保障、人本保障3 個維度開展智慧化建設(shè),引入AI 技術(shù)提升智慧保障水平,取得了設(shè)備管理高效化、3D 崗位人文化的建設(shè)效果。 智慧運(yùn)營中心是生產(chǎn)經(jīng)營的指揮中樞和大腦,ROC 集遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程調(diào)度、遠(yuǎn)程協(xié)同指揮功能于一體,融合生產(chǎn)、設(shè)備、安全、成本多元化信息,形成綜合決策指揮能力,實現(xiàn)礦山協(xié)同一體化運(yùn)營管控,達(dá)到了人力資源集約化、運(yùn)營管理協(xié)同化的建設(shè)目標(biāo)。

圖7 管控環(huán)節(jié)智能化建設(shè)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(shè)過程中的探索性實踐不僅為鞍鋼礦業(yè)優(yōu)化了人力資源,還大幅提升了設(shè)備的運(yùn)行效率。 其中,鉆機(jī)效率提升了13.2%,電鏟效率提升了14.2%,運(yùn)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(xiàn)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(zhì)安全水平和勞動生產(chǎn)效率。

5 智慧礦山建設(shè)展望

在當(dāng)今第四次工業(yè)革命時代,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代技術(shù)為礦山行業(yè)注入了新的生命力。 近年來,國內(nèi)外許多礦山企業(yè)相繼進(jìn)行了數(shù)字礦山、智慧礦山建設(shè),在不同層面都取得了一些成績和效果,然而與其他先進(jìn)的流程工業(yè)相比,依然存在著不足。

未來,新思想與新技術(shù)將逐漸從局部走向整體、從單一發(fā)展到系統(tǒng)性進(jìn)步,對新技術(shù)的應(yīng)用無論在深度還是廣度上,都將進(jìn)一步地挖掘和開拓。 下一步,冶金行業(yè)智慧礦山建設(shè)重點可以從高度智能的無人生產(chǎn)、高度智慧的運(yùn)營管控、生態(tài)和諧的綠色礦山3個維度開展工作。 此外,隨著技術(shù)不斷升級,礦山發(fā)展也必將突破企業(yè)間、行業(yè)間的限定,逐步形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、資源集中、服務(wù)共享、產(chǎn)業(yè)協(xié)同的智慧礦業(yè)生態(tài)圈。 智慧礦業(yè)生態(tài)圈是指以優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)為核心,通過大數(shù)據(jù)支撐、網(wǎng)絡(luò)化共享和智能化協(xié)作,將產(chǎn)業(yè)鏈上下游的多個環(huán)節(jié)聚合在一起,集中人才、技術(shù)、資本等多種要素,形成具備信息流循環(huán)和產(chǎn)業(yè)孵化能力的新型生態(tài)系統(tǒng)。

6 結(jié) 論

(1)我國智慧礦山建設(shè)進(jìn)展顯著,但較發(fā)達(dá)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(shè)方面取得了較大進(jìn)展,但相比礦業(yè)發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)礦山,在地質(zhì)資料數(shù)字化、生產(chǎn)裝備自動化、管控環(huán)節(jié)智能化和經(jīng)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(shè)存在短板,需要開展系統(tǒng)化創(chuàng)新和實踐。 智慧礦山建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,目前我國智慧礦山建設(shè)存在頂層設(shè)計規(guī)劃不足、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、智能生產(chǎn)有瓶頸、管理模式存弊端等痛點,可以從加強(qiáng)頂層設(shè)計、貫徹標(biāo)準(zhǔn)先行、做好技術(shù)創(chuàng)新和實現(xiàn)管理升級等方面推進(jìn)建設(shè)。

(3)近年來的國內(nèi)智慧礦山建設(shè)經(jīng)驗,值得行業(yè)同仁思考和借鑒。 以鞍鋼礦業(yè)齊大山鐵礦為例,該礦設(shè)計了智慧礦山頂層業(yè)務(wù)架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu),提出了標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的基本框架,概述了該礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化技術(shù)創(chuàng)新成果,展示了智慧生產(chǎn)、智慧安全、智慧保障與智慧運(yùn)營等中心的建設(shè)成果。

(4)未來需要發(fā)展智慧礦山生態(tài)圈,推進(jìn)智慧礦山全面發(fā)展。 建設(shè)智慧礦山并逐步形成智慧礦業(yè)生態(tài)圈,是冶金礦山行業(yè)未來發(fā)展的主要方向,要抓住新一代信息技術(shù)變革的機(jī)遇,整合產(chǎn)業(yè)資源,聚合行業(yè)發(fā)展新動能,走出一條具有中國礦業(yè)特色的智能制造發(fā)展新路徑,助力中國式現(xiàn)代化早日實現(xiàn)。