智慧露天礦山規劃發展路徑研究

趙紅澤，劉元旭，王群，王欣艷

(1.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院，北京市海淀區，100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區，100083；3.應急管理部通信信息中心，北京市東城區，100013)

當前，新一輪科技革命衍生出的云計算、人工智能等高新技術與傳統產業不斷發生融合，礦山的信息化建設也隨之來到智慧時代，針對當前露天礦生產過程中存在的污染、安全和設備效率問題，與其他行業智能化推動技術的變革一樣，露天礦的信息化進程亟需依托云計算、物聯網和大數據等新技術手段來提升露天礦設計規劃、生產技術和管理等全環節、全過程的智能化水平[1-3]。

國外的露天智能采礦技術發展至今，各方面都已取得較大進展，如瑞典山特維克礦山工程機械集團研制的EDC系統，包括穿透率、生產效率、孔底距離和鉆桿的防護系統，當鉆機司機的作業超出設定范圍時，系統會向操作者報警；美國卡特彼勒公司應用現代計算機技術更新了原已實現的自動化，推出了MineStarTM系統(礦山之星系統)和鉆孔可編程控制系統(Hole Pro系統)，通過制導技術，MineStarTM系統的鉆機地形套件能夠適時并精確地管理礦山作業系統中的鉆孔作業，讓管理信息應用于整個采礦生產中。

相比于世界發達國家，我國數字化礦山建設工作尚處于起步階段，但隨著人工智能、大數據等技術的高速發展，國內礦山在智能化方面也取得了長足進展。中煤平朔集團結合安太堡露天礦生產特點，建設GPS智能卡車調度系統，實現了設備的定位、智能調度及車輛狀態監測，做到了露天礦作業機械設備全程跟蹤監測記錄，充分發揮了設備能力，實現了優化生產[4]；神華準能集團建設的車輛防碰撞預警系統通過采集車輛的GPS坐標、速度、方向等位置信息，與礦區路網結合，實現會車預警、超速預警，并把數據實時傳送至調度中心進行匯總，形成最新的礦區地圖，利用電子地圖進行道路擬合，識別車輛所在的路段及行進方向，實現全區域內防碰撞預警[5]；白音華蒙東露天煤業公司以白音華三號露天煤礦的開采工藝和信息化建設現狀為基礎，結合國內外先進露天礦的建設經驗和相關政策要求，提出了初級階段、中級階段和遠期目標的3個階段建設思路以及1個智慧管控平臺與生產、安全、機電、管理4個業務子系統相融合的建設構架，從源頭解決了智慧礦山建設速度慢、建設質量不高和個別系統重復建設的弊病[6]；神華寶日希勒露天礦2020年實現了世界首個極寒工況下5G+220 t 無人卡車編組試運行，并將空載最高車速提高到38 km/h。

筆者在智能化露天礦山發展的時代背景下，以國內典型露天礦為案例研究智慧露天礦山規劃發展路徑，以期其基礎理論、總體規劃及重點建設內容等對其他露天礦智能化建設和露天開采信息化規劃研究提供一定的參考。

1 智慧露天礦山的目標及內涵

智慧露天礦山涵蓋了礦山的各個環節，也是綠色礦山建設的更高層級，其最主要的目標就是針對開采過程中“人、機、環、管”構成的復雜系統，利用先進的傳感、通訊、控制技術，使系統具備相對獨立的“狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行”功能。

從建設的階段性來看，智慧露天礦山的發展是將“無人”的程度不斷提升的過程，由單項技術、單個系統的智慧化，達到“點上的無人”，再將上述系統進行集成，達到“面上的無人”，最終實現“礦山系統的無人”，即礦山生產、安全、運輸等一級系統的全面無人作業，整個礦山都在智慧機器人和智慧設備下操作完成[7-8]。

所謂智慧露天礦山，就是基于物聯網、云計算、大數據等技術，集成各類傳感器、自動控制器、組件式軟件等，形成一套智慧體系，能夠對礦山生產、技術支持及后勤保障等進行主動感知、自動分析、快速處理，依據深度學習的知識庫，形成最優決策模型并對各環節實施自動調控，最終實現安全礦山、無人礦山、高效礦山、綠色礦山的建設[9-10]。

2 智慧露天礦山系統規劃

2.1 露天礦基礎支撐平臺智慧化系統

基礎支撐智慧化系統是建設智慧露天礦山的重要基礎，該系統主要圍繞各生產作業系統實現高速、可視化的目標，為實現對各種系統裝備及設備及時、無誤的指令指揮提供支撐，為最終決策提供自動化、智能化的依據，需要建設網絡環境、硬件環境和軟件環境3部分，其中網絡環境主要為數據通信及安全網絡的建設；硬件環境主要為調度中心、數據中心和工作環境建設；軟件環境主要為大數據和可視化支撐平臺建設。

此系統建設的核心是為達到智慧化決策所需要數據的全面采集、數據采集后的處理方式、數據處理后對形成決策指令的技術路徑，最終達到生產高效、處理速度及時、可視化，從而為其他系統提供強有力的支持。露天礦基礎支撐智慧化系統示意圖見圖1。

圖1 露天礦基礎支撐智慧化系統示意

2.2 露天礦透明地質智慧化系統

透明地質智慧系統是運用時空演化模型展示露天礦全時段資源開發和環境的三維空間形態、設備和工藝系統運行狀態、生產計劃、施工及管理等經濟技術狀況，形成露天礦的真實鏡像及檔案館。

露天礦的所有信息都可通過時空演化模型進行查詢并得到直觀體現，還可以作為可視化分析、智慧應用的基礎，例如進行露天礦歷史生產狀況回溯以及模擬開采、檢驗生產計劃方案的優劣、核驗工程實施與生產計劃的出入、智慧管控各生產環節等，以此指揮露天礦的生產。該系統示意圖見圖2。

2.3 露天礦設備及工藝智慧化系統

開采設備及工藝的智慧化是運用先進的計算機管理技術，結合大型智能化操作系統，利用先進的數據通信技術，實現系統的無人值守化和智能化操作。將生產、管理、自診斷、設備維護和安全等因素結合在一起，形成閉環控制系統，保護各大型設備的安全，有利于形成煤礦企業的綜合自動化，可大幅度提高企業生產的綜合效率。露天礦設備及工藝智慧化系統示意圖見圖3，其包含以下主要特點。

(1)高精度、高效率。傳感系統精確定位、工作軌跡規劃、行走路徑規劃、執行精確控制。

(2)智能操控。基于大數據在線分析與決策、遠程遙控、狀態監測、自主作業。

(3)大數據與集群控制。人工智能技術、故障診斷、在線評估、遠程群控、云通訊、云計算。

2.4 露天礦生產計劃與工程管理智慧化系統

露天礦生產計劃與工程管理智慧化系統是以上述所建立的3個智慧化系統為基礎，結合工程成本數據庫和作業設備參數庫，構建基礎數據庫，建立方案評估指標體系及評估模型，實現對設計方案的推演、分析與評估和工程組織信息的自動推送。

其重點為結合現場施工情況，按照現有的生產計劃及工藝設備，確定各生產環節最佳施工設計、最優技術參數、設備系統布局及調度等，實現生產設計與現場施工的緊密結合，達到露天礦整體的經濟效益最優，提高工作效率；通過物聯網等技術實現設備作業位置、運行狀態等信息共享，作業內容的識別、分析及作業過程管理的智能化。

圖2 露天礦透明地質智慧化系統示意

圖3 露天礦設備及工藝智慧化系統示意

2.5 露天礦綜合管理智慧化系統

綜合管理智慧系統是以生產經營環節所采集到的數據為基礎，運用大數據分析、綜合管理、科學評價等先進技術手段，構建綜合管控平臺，其主要功能是安全監視、生產監控、調度指揮及運營管理，從而提高礦山管理水平及經濟效益，最終建設安全、高效、可持續發展的智慧露天礦山。

3 露天礦設備及工藝系統智慧化建設

智慧化露天礦建設核心是裝備和工藝的智慧化，目前國內露天礦的設備及工藝智慧化建設剛剛起步，還處在信息化向自動化發展階段，自動化、智能化、智慧化應用相對滯后。生產管理主要沿用傳統的人工現場指揮的方式；安全環保管理主要采用人員現場排查、抽查的方式，存在管理手段相對落后、管理效率較低、安全環保風險較大等問題，需對各生產環節進行智慧化建設。

3.1 穿孔作業智慧化

智慧穿孔設備可以提高鉆機的生產率、穿孔精度及生產效率，優化爆破后礦巖顆粒的均勻程度，減少或杜絕大塊的產生，改善電鏟挖裝狀況，增強對臺階平整度和傾斜度控制。露天礦穿孔作業智慧化與其他環節間的關系如圖4所示。

(1)炮孔導航智能化建設。利用北斗定位和無線網絡對鉆機的鉆孔作業提供通訊和精確導航，免去人工測量放樣、檢測炮孔參數和重復鉆孔等工作，減輕一線人員工作強度，提高鉆孔效率和鉆孔準確度，防止欠鉆、過鉆的情況發生。

(2)鉆機監測智能化建設。采用北斗導航、傳感器等技術，全天候自動采集設備工況、作業信息，并在鉆機終端實時顯示，同時可遠程傳輸至調度中心，自動統計生產數據并生成報表，實時在線監測鉆進作業進度；利用采集模塊采集傳感器信號，依據現場分布式CAN總線將各采集模塊數據進行匯總，最后通過對外接口采集數據并對外展示[11]。

(3)地層巖性識別智能化建設。基于巖性知識庫，根據鉆進速度、回轉力矩和轉速以及軸壓力等參數，采用模式識別技術實時在線分析穿孔數據并顯示巖石的性質，并根據巖性以不同顏色繪制巖性分布圖，輔助計算每個孔的裝藥量，有助于改進爆破設計和提高挖掘作業效率，同時也可基于不同巖性特征，選擇更換不同種類的鉆頭[12]。

圖4 穿孔作業智慧化邏輯關聯

3.2 爆破作業智慧化

露天礦爆破作業智慧化與其他環節間的關系如圖5所示。

(1)混裝炸藥車智慧作業系統。利用機器視覺辨識炮孔得到炮孔的參數位置，多自由度裝藥工作臂根據指令及炮孔坐標完成自動尋孔；依據炮孔位置及設計裝藥參數實現自動對孔、自動計算裝藥量、自動裝藥和自動退管；借助調度平臺和電子地圖的指引，完成自主路線規劃的無人化行走、車輛精確定位及避障行走。通過以上裝藥車炮孔自主定位、智慧裝藥、自主行駛等功能，形成裝藥車智慧作業系統[13-14]。

圖5 爆破作業智慧化邏輯關聯

(2)爆破安全作業智慧化管控系統。利用人員精準定位、設備智能監測等技術，實時獲取爆破及爆區相關的人員和設備位置、狀態等參數，通過虹膜識別技術和三人連鎖卡射頻技術，實現爆破作業的三人安全聯鎖保護，實現爆破網絡狀態合格的自動判別、炮區人員的自動預警、警戒人員的跟蹤報警等功能，達到爆破作業的智慧化管控，從而保證爆破作業的安全。

3.3 采裝、運輸作業智慧化

露天礦山最常用的是單斗卡車間斷工藝，鏟車匹配與組合是生產計劃、生產組織、生產調度的重要工作內容，優化調度是提高電鏟與卡車設備效率的有效手段，因此采裝與運輸環節設備及其工藝系統聯系緊密。露天礦采裝、運輸作業智慧化與其他環節間的關系如圖6、7所示。

圖6 采裝作業智慧化邏輯關聯

圖7 運輸作業智慧化邏輯關聯

(1)電鏟智慧化作業系統。利用傳感器、無線網絡等技術，實時監測電鏟的電氣參數、作業環境、用電量等數據，并在電鏟終端實時顯示監測信息，通過無線網絡傳輸至調度中心，實現電鏟的遠程監控功能[15]；借助傳感器采集提升鋼絲繩拉力、鏟桿的長度及角度3個參數，量化每一鏟斗挖掘重量及位置，實現電鏟的動態稱重及配煤[16-17]。

(2)爆堆質量評價系統。爆堆的塊度組成無疑是爆破質量的重要標志，也是爆堆唯一能量化的參數，它對鏟裝、運輸及選礦破碎設備的生產效率都有著重要影響，利用電鏟監測及圖像識別技術，識別裝載性能與挖掘環境關系，進行精確的爆破參數設計和優化[18]。

(3)卡車智慧作業系統。采用控制裝置、無線通信技術等代替司機實現無人駕駛[19]；采用傳感器、北斗定位等技術實時檢測運行車輛工況，統計輪胎磨損及破壞規律，精確監測卡車的油耗；利用地理信息系統技術(GIS)、電子技術等采集并及時更新裝載區、卸料區及行駛路線上的各種信息，并根據車輛自身狀況下達任務，實現卡車的自動調度。通過以上卡車智慧系統的建設，可以大大提高生產組織管理水平和整體作業效率。

3.4 排土作業智慧化

智慧排土設備通過系統級單機集成化操作并配合自動化控制技術實現自動找平、自動換擋控制、故障診斷等業務功能。最終憑借信息采集與自動化功能集成大系統實現推土機遠程遙控等智能化功能。露天礦排土作業智慧化與其他環節間的關系如圖8所示。

(1)推土機智慧化作業系統。利用先進的傳感及定位技術，使推土機的工作裝置自動找平，并通過無線終端接受露天礦生產計劃所分配的任務安排，分階段制定作業計劃；利用北斗導航確定推土機當前位置及刀板標高，實時獲取當前作業的進度與軌跡，推土機的鏟斗按預先給定的基準線(面)運行完成作業動作和目標；司機通過車載終端能實時了解機器的工作狀態及位置，并準確地判斷所需挖掘、回填或裝載的土方量[20]。

(2)推土機-卡車協同智能作業系統。采用車載傳感器來感知卡車周圍環境，并根據感知獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，避免與在礦山內工作的其他卡車、平地機、推土機等相撞，當卡車行駛過后，推土機自動感知并進行后續工作，從而實現二者的協同智能作業。

圖8 排土作業智慧化邏輯關聯

4 智慧露天礦山建設路徑

智慧露天礦山的建設是一個復雜長期的系統工程。首先要確定智慧露天礦山建設的關鍵點，了解露天礦信息化現狀與基礎，明確現有不足，解讀礦山規劃與國家政策要求，了解各專業部門的需求；然后制定總體的建設思路，如建設方針原則、建設目標、建設任務等；最后進行智慧露天礦山的總體規劃、建設的分步實施以及綜合保障工作，達到礦山安全高效生產的目的。智慧露天礦山的建設應遵循“基礎支撐平臺及標準體系建設—智能工藝裝備體系建設(包含無人礦卡、無人挖掘等)—智能化設計體系—智慧化管控體系”技術路徑和“先基礎平臺后管控體系、先環節智能化再系統智能化，先智能化后智慧化”建設原則。

5 結論

(1)根據露天礦山發展目標和政策要求，結合國內外智能礦山研究現狀，對智慧化露天礦的建設目標、內涵以及發展路徑進行歸納總結。

(2)在智能化礦山技術動態進展的基礎上，研究提出了智慧露天礦山系統規劃，完成了礦山基礎支撐、透明地質、設備及工藝、生產計劃與工程管理、綜合管理智慧化系統的基本架構設計，為智慧化礦山建設提供參考。

(3)針對露天礦建設的核心——設備與工藝智慧化，提出了露天礦山各生產環節設備及工藝智能化子系統設計，并對各個環節之間以及各智慧化系統之間邏輯關系進行了梳理和研究。明確了智慧露天礦山建設的技術路徑以及系統智慧化的最高目標。