有色金屬數(shù)字化礦山建設(shè)淺析

丁福志

( 中國有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司 科技和信息管理部，北京 100000)

1 現(xiàn)狀及面臨的問題

成本居高不下。有色金屬礦山礦體屬于深井開采，無斜坡道通達(dá)地表，提升、運輸及排水等作業(yè)成本高。加之能源、電力價格及人工成本逐年上漲，成本居高不下。

經(jīng)過多年開采礦石品質(zhì)較低。部分已建礦山，經(jīng)過多年的開采，資源較好區(qū)域已經(jīng)開采完畢，剩余資源多數(shù)面臨貧、深、難等問題。因此要求采礦盡可能實現(xiàn)較低的損失率及貧化率，多回收礦石來延長生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域大，管理困難。有色金屬礦山采礦方法多為進(jìn)路式采礦法，井下生產(chǎn)點多面廣，作業(yè)區(qū)大，人員分散，管理困難。

人才不足且員工素質(zhì)偏低。有色金屬礦山多數(shù)位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，工作環(huán)境艱苦，同時待遇不高，導(dǎo)致招收的人員教育水平偏低，人員素質(zhì)較差，高技能人才極度缺乏。

安全生產(chǎn)問題。礦業(yè)開發(fā)歷來屬于高危行業(yè)，尤其老礦山多數(shù)處于多線作戰(zhàn)、時間緊任務(wù)重，井下設(shè)備、人員、車輛等，安全生產(chǎn)管理難度大。

2 建設(shè)方案

通過對國內(nèi)外有色礦山及國內(nèi)鋼鐵冶金行業(yè)的調(diào)研，我們總結(jié)為數(shù)字化礦山建設(shè)一般分為五層：

L1 層：Iass 基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括智能化設(shè)備及數(shù)字化儀表，可以將設(shè)備和系統(tǒng)運行的各類數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；

L2 層：工藝過程自動化，包括各類生產(chǎn)過程的自動化或遠(yuǎn)程操控。以地下礦山為例，可以分為：礦廢石提供自動化（自坑下破碎系統(tǒng)開始），排水自動化、供配電系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，按需通風(fēng)，礦廢石運輸自動化（包括無軌系統(tǒng)和機(jī)車運行自動化系統(tǒng)）、高壓風(fēng)供風(fēng)系統(tǒng)、充填系統(tǒng)自動化、選礦系統(tǒng)自動化等。在互聯(lián)網(wǎng)的支持下，上述自動化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)與有線無線通訊、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊亩嗑W(wǎng)合一，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的可視化、數(shù)據(jù)化和自動化；

L3 層：生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES 系統(tǒng)），通過對各生產(chǎn)過程和環(huán)節(jié)的過程和數(shù)據(jù)的整合，實現(xiàn)對礦山整個生產(chǎn)過程的統(tǒng)一控制，包括生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)統(tǒng)計、物資管理、安全監(jiān)管等；

L4 層：企業(yè)資源計劃，即ERP 系統(tǒng)，對礦山采購、生產(chǎn)、銷售、成本控制等的管理；

L5 層：BI 決策系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)優(yōu)化和經(jīng)營數(shù)據(jù)的分析，制訂重大生產(chǎn)和經(jīng)營決策。

立足于解礦山生產(chǎn)經(jīng)營存在的問題，著力打造本質(zhì)安全、高效低成本現(xiàn)代化的礦山。

首先是總體報告，分步實施。數(shù)字礦山建設(shè)是個大型的系統(tǒng)工程，無論礦山企業(yè)處于哪個階段設(shè)，一定要先做總體報告，再分步實施，并在建設(shè)過程中逐步調(diào)整完善，才能獲得預(yù)期的目標(biāo)。建設(shè)數(shù)字礦山，需要將這一個個“信息孤島”連綴起來，打通生產(chǎn)全過程的數(shù)字化鏈條，實現(xiàn)全方位的數(shù)字化鏈接。整體聯(lián)通后，開采設(shè)計智能、礦山生產(chǎn)自動、礦山管理科學(xué)，隨之而來的必然是生產(chǎn)效率更高、生產(chǎn)成本更低、現(xiàn)場人員更少。其次是整體性原則，模塊化設(shè)計。整個數(shù)字化礦山就是一個完整系統(tǒng)的整體，其子系統(tǒng)就是構(gòu)成它的各個部分。整體是部分的有機(jī)統(tǒng)一、 集合。集合中的各個部分不是單純地疊加或機(jī)械地堆積在一起的，而是以一定的結(jié)構(gòu)形式互相聯(lián)系、相互作用著的，從而使事物的整體具有某種新的屬性和規(guī)律。事物作為整體所呈現(xiàn)的特有屬性和特有規(guī)律，與它的各個部分在孤立狀態(tài)下所具有的屬性和規(guī)律有質(zhì)的區(qū)別，它不是各個部分屬性和規(guī)律的簡單相加。每個礦山的子系統(tǒng)必須按照整體性原則，進(jìn)行模塊化設(shè)計。最后是重點先行、先進(jìn)適用。數(shù)字礦山建設(shè)需要制定一個合理的建設(shè)報告，要借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗，又不能脫離現(xiàn)階段的礦山實際，要根據(jù)礦山的人、財、物以及智慧礦山建設(shè)的實際發(fā)展情況來制定報告；要根據(jù)實際情況先易后難，要突出重點、實用先行，不能面面俱到，不切實際地推行。

圖1 數(shù)字化礦山的架構(gòu)圖

3 意義及成效

數(shù)字礦山建設(shè)能夠促進(jìn)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用，提高礦山企業(yè)市場競爭力。研究并建設(shè)智慧礦山能夠推進(jìn)傳感器、空間信息技術(shù)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、智能采礦設(shè)備、高速通信網(wǎng)絡(luò)、計算科學(xué)及虛擬現(xiàn)實、海量存儲及信息處理技術(shù)在礦產(chǎn)資源開發(fā)利用領(lǐng)域的集成應(yīng)用，并能提高企業(yè)市場競爭力。

數(shù)字礦山建設(shè)有助于提高礦產(chǎn)資源開發(fā)潛力，降低礦山開采風(fēng)險。智慧礦山能夠系統(tǒng)地將礦山生產(chǎn)過程中的勘察、開采、礦物加工等環(huán)節(jié)以及礦井、采場、巷道狀態(tài)實時展現(xiàn)在工作人員面前，使之有效應(yīng)對礦產(chǎn)資源開發(fā)利用中的問題，提升開發(fā)潛力；實時監(jiān)測礦山生產(chǎn)環(huán)境并進(jìn)行安全評價，有助于降低和避免礦山災(zāi)害風(fēng)險，保障礦山高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)。

數(shù)字礦山建設(shè)便于改善礦產(chǎn)資源管理模式，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。研究和建設(shè)智慧礦山可以為全面、動態(tài)、實時、準(zhǔn)確地掌握礦產(chǎn)資源的儲量和變化，合理科學(xué)地開發(fā)利用和保護(hù)礦產(chǎn)資源，保障礦產(chǎn)資源可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)手段，有助于實現(xiàn)礦山企業(yè)管理信息化，提高礦山企業(yè)科研創(chuàng)新能力，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

案例重點的數(shù)字礦山建設(shè)實現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備均實現(xiàn)了數(shù)字化，利用先進(jìn)的信息技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程實時監(jiān)控和生產(chǎn)調(diào)度的快速響應(yīng)。極大地提高了出礦率，減少了人員投入，實現(xiàn)了礦山的本質(zhì)安全。

4 總結(jié)

數(shù)字化礦山建設(shè)，以“礦石流”為主線，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、3G 等信息技術(shù)為基礎(chǔ)，按照“云、邊、端”的技術(shù)路線，通過各種傳感器實現(xiàn)對真實礦山數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、模型化、可視化和智能化管理，即將礦山工程地質(zhì)、礦山開采、礦山安全預(yù)警、產(chǎn)品運輸與銷售、礦山生態(tài)等綜合信息全面實現(xiàn)智能化管理，將現(xiàn)代智能采礦技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、空間信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等緊密結(jié)合，構(gòu)成人與人、人與礦山、礦山與礦山相聯(lián)的礦山網(wǎng)絡(luò)，管理者能實時動態(tài)地控制礦山安全生產(chǎn)與運營的全過程，保證礦山的生態(tài)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長。同時要建立一個真正的數(shù)字化礦山必須有一套完整、綜合、全面的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，使其對礦山有一個統(tǒng)一的度量。目前的礦山面臨空間基準(zhǔn)不一致、空間數(shù)據(jù)時態(tài)不一致、數(shù)據(jù)存儲格式不一致、通信接口技術(shù)不統(tǒng)一、安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范不統(tǒng)一、語義描述不一致、數(shù)據(jù)分類編碼不一致、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致、生產(chǎn)管理技術(shù)規(guī)范不統(tǒng)一、礦山信息集成方式不統(tǒng)一等問題，因此，礦山技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字化礦山建設(shè)和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，也是本案例中開展數(shù)字礦山的一項基礎(chǔ)工作，在此基礎(chǔ)上，開展了相應(yīng)的建設(shè)工作，并取得了實效。