基于“互聯網+”智慧露天煤礦建設發展新構想

付恩三 劉光偉 王新會 姜 琳 邸 帥

(1.應急管理部信息研究院，北京市朝陽區，100029；2.遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧省阜新市，123000)

隨著我國露天煤礦事業的不斷發展，露天煤炭產量逐漸增加。2018年，我國露天煤炭產量約占全國煤炭產量的20%左右，露天礦山開采也從粗放型向機械化方向發展，間斷工藝、半連續工藝、連續工藝以及綜合工藝相繼投入使用，豐富了我國露天礦山開采技術。近年來，露天礦山開采從單一的開采模式轉變為注重企業發展戰略、充分利用資源、不斷延伸產業鏈條、構建循環經濟的發展模式，建設新型的現代化露天礦山企業成為現階段露天礦建設的主導思想。隨著“兩化融合”的逐步推進，物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術的快速發展，將高新科技與傳統的露天礦山開采相融合，實現露天煤礦產業升級，在新型現代化露天礦山的基礎上構建智慧露天礦山成為趨勢[1-5]。

我國露天煤礦發展先后經歷了機械化、自動化、數字化等階段，當前正逐步由數字化走向智慧化。由于露天煤礦開采與井工煤礦開采的差異性，使得智能化露天煤礦建設具有獨特性。露天煤礦受自然氣候影響明顯，季節性剝采排工程交替進行，主要涉及采掘、運輸、排土、爆破、疏干、復墾等多個復雜的系統工程，每一個系統都猶如人體器官，相互協調運轉，支撐著露天礦山安全平穩發展。近年來，我國露天礦山世界先進設備逐漸投入使用，但受限于礦山安全管理、科技創新和人才儲備等因素的制約，以及對當前露天礦山信息化、自動化、智能化投入力度不夠，造成我國露天礦山信息化建設工作相對滯后，露天煤礦總體信息化程度還需進一步提高。如何將生產過程中的各種數據和信息有效關聯，實現對生產過程監控、安全風險防控、生態環保管控，構建智慧露天礦山的“智慧大腦”，全方位動態支配露天礦山各個生產環節，成為構建智慧露天礦山的主要核心。

圖1 “互聯網+”露天煤礦總體架構

國內學者對我國智慧礦山(煤炭行業、金屬礦山、非金屬礦山領域)的建設開展了一系列研究工作，中國工程院院士王國法[6]對我國井工煤礦構建智慧礦山的目標進行了研究，給出了構建智慧礦山的建設內容；陳曉晶、何敏等人對智慧礦山的構建體系和架構進行了研究；國內涌現出一批構建了智慧礦山系統的企業，但并沒有形成統一的智慧礦山建設思路和統一的規范體系[7-10]。智慧礦山建設是采礦發展的高級階段，是推動煤炭安全、高效、環保開發的新手段，其最終目標是實現煤炭綠色開采、災害風險預警評判、多維數據綜合分析，打造智慧無人礦山生產模式[11-15]。

本文主要從基于“互聯網+”的智慧露天煤礦為出發點，構建具有深度學習能力的數字化智能體的露天煤礦，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，實現露天礦山開采無人化、風險管控智能化、綠色開采一體化的智慧露天礦山。

1 “互聯網+”智慧露天礦山總體架構

“互聯網+”露天煤礦總體架構采用“5+4”模式，即5個層級4個體系，如圖1所示。5個層級分別為應用層、支撐層、算法層、數據治理層和數據層；4個體系分別為標準規范體系、安全保障體系、決策支持體系和運維保障體系。

其中，系統應用層主要包括：違章行為智能識別系統、多源數據融合的風險預警與防控系統、無人機測量系統、智能調度及物料流規劃系統。

“互聯網+”露天煤礦云可實現各系統平臺之間的信息互聯互通，實時動態對云平臺下屬露天煤礦整體風險進行綜合評估，指揮調度露天礦山開采。“互聯網+”露天煤礦云情景邏輯如圖2所示。

圖2 “互聯網+”露天煤礦云情景邏輯

2 “互聯網+”智慧露天礦山系統建設

2.1 無人機測量系統

隨著測繪技術的進步，礦山測量的方法也在逐步優化，方法越來越多，精度也越來越高，如今礦山測繪采用最多的是全站儀以及GPS-RTK動態測量技術，這種技術具有集成、自動化程度高的特點，在一定程度上提高了礦山測繪的精度和效率，但由于傳統測繪均是采用單點接觸式測量，數據采集需人工徒步進行，導致測量作業效率低；對于復雜地帶的關鍵特征點，采集難度大、采集人員安全隱患大；成圖誤差大，進度慢，增大勞動強度的同時，降低了工作效率，無法真實準確反映露天礦山開采狀態，無法滿足礦山精細化開采的目標。

隨著無人機技術的發展，將無人機應用在露天礦山測量中來，成為新的露天礦山測量模式。無人機航測通常低空飛行，空域申請便利，對起降場地的要求限制較小，具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短、可在惡劣條件下工作等特點，利用簡單條件就可以低空飛行，獲取影像數據。目前無人機已經具備影像獲取、影像處理、影像生成等一套完整的航飛體系，能夠在很短時間達到多個地點，滿足各類應急測繪和精準測繪需求。無人機系統成像整體流程如圖3所示。

圖3 無人機成圖流程

露天礦山無人機利用技術的應用，將大幅度減少測量作業人員數量和工作量，提高礦山測量精度，實現礦山減人增效，為實現無人化礦山開采提供基礎。無人機測量技術已在國內某露天礦進行測量應用。成像效果如圖4所示。

圖4 無人機成像效果

2.2 智能調度及物料流規劃系統

由于露天煤礦開采工藝的特殊性，露天礦山智能調度及物料流規劃系統，需考慮礦山開采條件和采運排生產系統作業環節，從時空上準確高效定位設備，充分發揮露天礦山自動化、智能化、信息化水平，實現露天礦山開采由勞動密集型向具有高科技特點的技術密集型轉變。

露天礦山智能調度及物料流開采系統充分利用智能感知、智能控制、物聯網、大數據云計算等技術作為支撐，優化配礦算法、GPS衛星定位、無線通信、智能調度算法、三維激光雷達卡車裝載方量監測，主要從穿孔、爆破、采掘、運輸、排土入手，通過對礦山巖性識別，實時調度定位采運排系統設備，對設備單位工程作業實時把控，抽取設備傳感信息數據，結合優化礦山開采運輸線路、三維地質模型信息，實時優化礦山開采進度計劃，精準調度設備，優化運輸路徑，智能配礦配采，實現礦山開采成本控制、能耗控制、系統風險控制。露天礦山精準開采系統將各開采工藝環節有機結合，相互關聯，綜合分析調配，實現礦山精準開采。露天礦智能調度及物料流規劃開采系統各環節邏輯架構如圖5所示。

圖5 智能調度及物料流規劃邏輯架構

2.3 違章行為智能視頻識別系統

露天礦山開采是一個復雜的系統工程，涉及的系統繁多、工藝復雜，人機交互作業，且各環節作業場所關聯度高。我國露天煤礦基本實現在露天礦場、機修車間、調度室部署了高清攝像頭，采集記錄人員和設備的作業行為，但沒有實現對違章行為視頻圖像的智能識別和結構化處理功能；造成視頻監視系統需要存儲空間大、違章行為的識別完全依靠管理人員事后人工識別，調閱視頻信息量大，過程繁瑣，識別周期長，違章行為識別準確率低；同時，違章行為不能實時識別，報警處置信息聯動不及時。針對上述問題，應用當前大數據、邊緣計算等手段，構建露天礦違章視頻智能識別系統，實現對露天礦山違章行為智能識別管控。露天煤礦智能視頻識別系統流程如圖6所示。露天煤礦違章行為視頻智能識別技術，采用對圖片流、視頻流的計算機視覺算法，實現對露天礦山人員違章行為的自動抓拍以及違章信息的自動提取。主要可實現對露天礦山駕駛人員接打電話、抽煙、駕駛室超員、未帶安全帽、調度室人員脫崗、區域入侵等行為的智能識別。

為實現對全國露天煤礦各類違章視頻行為的分析與研究，通過搭建露天礦山違章視頻分析云平臺，實現對煤礦各類違章視頻信息云上分析、云上存儲、云上調閱，為煤礦提供云上智能視頻識別服務，如圖7所示。通過“互聯網+VPN”的方式，實現煤礦視頻傳輸，逐步優化云上識別數據算法，為露天煤礦提供高效可用的視頻數據行為識別功能。

圖6 違章視頻識別流程

圖7 露天煤礦云上違章行為平臺

2.4 多源數據融合預警防控系統

目前我國露天煤礦數據僅僅停留在統計和查詢層面，缺乏深層次挖掘，安全生產數據資源開發利用不足，通過接入露天煤礦多源數據(傳感器數據、歷史事故數據、視頻數據、管理數據、氣象數據)，建立煤礦安全風險預警防控體系，構建一種數據驅動的煤礦綜合風險預警分析模型，對煤礦海量安全生產數據進行分析研判，找出事故發生的區域性、季節性、周期性、關聯性等規律特征，實現對露天煤礦精準管控、精準生產、精準施策提供科學決策的需要。

多源數據融合的風險預警與防控系統，包括數據融合平臺，可提供數據處理分析模型中所需的企業相關數據平臺，能夠根據標準規范進行抽取、清洗、轉換，最后形成數據處理分析模型數據庫，形成一套數據清洗整理體系，前期數據通過采集、清洗、反饋、修改、再次采集數據循環，逐步提升數據質量。

將煤礦安全生產數據進行云平臺接收、選擇、存儲，不斷優化露天煤礦風險預警指標，應用貝葉斯、主成分分析法、基于博弈—可拓理論、BP神經網絡等數據算法，進行預警分析模型的構建。利用深度學習不斷優化預警分析模型，利用知識圖譜，分析各類指標關聯性，實現對煤礦整體風險綜合研判。同時，根據風險信息情況，構建預警專家處置庫以及預警物資管理庫，實現露天煤礦實時動態風險預警研判，預警處置信息綜合調度。多源數據融合的風險預警與防控系統流程如圖8所示。

圖8 風險預警與防控系統流程

3 結論

(1)人工智能、大數據、云存儲等技術的發展，為智慧露天礦山建設提供了專業的技術支撐。基于“互聯網+”智慧露天煤礦建設發展目標是實現礦山安全生產、高效開采、風險管控、排查隱患。通過構建多源數據融合平臺，根據標準規范進行各類數據抽取、清洗、轉換，融合礦山設備、生產、視頻等信息，可實現礦山數據云平臺匯總及信息共享。

(2)通過構建無人機測量系統、智能調度及物料流規劃系統、違章行為智能識別系統以及多源數據融合預警防控系統，從人、機、環、管4個方面利用大數據、云計算等手段，對露天煤礦各開采環節進行協同，實時對露天礦山風險進行動態評估。可實現對露天礦山各生產環節數據統一存儲、數據共享、風險知悉，并且能打破現有露天礦山傳輸壁壘，提高露天礦山業務系統融合度，實現露天礦山安全、高效生產。

(3)基于“互聯網+”智慧露天煤礦的建設，為我國金屬礦山、非金屬礦山構建智慧礦山提供了重要借鑒。