新型智能化礦山體系構建
——以河北省易縣益陽花崗巖礦山為例

許方寧, 楊 霄, 武力聰, 朱澤斌

(1.易縣益陽花崗巖開采有限公司,河北 保定 074200； 2.中煤地質集團有限公司,北京 100040)

數字露天礦山建設不是各種信息化系統的簡單堆砌，而是通過將物聯網、云計算、大數據、移動互聯網、人工智能、無人機、三維激光掃描等技術和裝備與露天礦山開采有機結合，形成露天礦山互聯、分析、感知、預測、深度學習、決策、控制的具有符合露天礦智慧開采的“智慧大腦”系統。露天礦山“智慧大腦”的構建，從無人機測量、違章行為智能識別、智能調度、物料流規劃以及多源數據融合等角度出發，最終實現露天礦采掘、運輸、排土、處理、物流、風險預警、生態保護、安全管理等各個生產環節的智能化、開采資源利用的最大化、生態開采擾動的最小化、生態恢復的最優化、職業衛生危害的降低和礦山生產的無人化。實現“互聯網+”的露天礦山智慧化生產、精細化開采，對我國金屬、非金屬露天礦山智能化建設同樣具有重要意義[1]。

目前，大多數學者將三維建模、計算機系統、電子通信系統、監控系統和無人機監測等技術應用到智能化礦山建設中，但礦山經濟評價系統尚未能引入礦山建設的集成云系統。因此，本研究在前人的基礎之上將礦山開發的經濟評價系統與智慧礦山建設系統結合，形成礦山體系建設綜合性云平臺，為企業生產決策提供支撐。

1 三維建模軟件在礦山中的應用

三維建模軟件在礦山建模、儲量計算方面發揮著重要的作用，為企業的礦山建設提供了技術支持。國內目前常用的三維建模軟件有MREIS、Lungren GIS、3DMine、DIMINE等。這些功能多樣的軟件為礦山建設提供了一套數字化建設的方案，DIMINE軟件可以用于地質資料的解析、地質模型的建立、資源儲量預算與評價、礦山局部開采、地下采礦優化設計、計劃編制與整體的快速模型構建等工作。Space和3DMine軟件應用于固體礦產的地質勘探數據監控、地質模型構建、傳統和現代地質儲量計算與評估、地下礦山及露天采礦設計、露天礦山短期進度計劃以及生產數據、目標數據的應用三維可視化基礎平臺建設，包括模塊化軟件結構和三維軟件界面設計，實現了測量、地質、生產管理和采礦的信息共享，具有良好的與國內外圖形軟件的數據兼容性[2]，是國內較為領先的三維礦業建模軟件。另外還有Surpac、Vulcan等建模軟件在礦山建設中也發揮重要作用，如山東某金礦使用Vulcan進行數字化管理。

2 物聯網技術在礦山建設中的應用

物聯網技術是融合先進的互聯網+、人工智能和大數據等為一體的高新技術，應用于礦山的開發過程中，提高了礦山的生產效率，大大減少開采成本，提升了礦山現代化程度，推動傳統礦業向安全、經濟、高效、綠色與可持續的目標發展[3]。這個龐大的物聯網系統是包括無人機測量系統、智能調度及物料流規劃系統、智能調度及物料流規劃系統、多源數據融合預警防控系統、違章和行為智能視頻識別系統為一體的現代化露天開采系統集合體，再將5G技術并入其中，實現快速傳輸信息，指導現場生產，經濟綜合評價，為公司決策層提供服務，以提高經濟效益。

2.1 無人機測量系統的應用

現代電子技術、通信技術和計算機技術的不斷發展，為測繪技術的進步提供了支撐。無人機技術、衛星技術、遙感技術等在礦山的測量中發揮重要作用，彌補了傳統測量技術精度不高、效率低下、成本較高的缺陷。無人機測量系統，優勢在于低空飛行、空域申請便利、起降場地限制較小，具有高效快速、機動靈活、精細準確、適用范圍廣、作業成本低、可在惡劣條件下工作、工作周期短等特點，利用簡單條件就能夠低空飛行，獲取高分辨率的影像數據。當前無人機已有影像獲取、影像處理、影像生成等一套完整的航飛體系功能，能在短時間達到多個目標地點，滿足各類精準測繪和應急測繪需求。露天礦山無人機監測技術的廣泛應用，大幅度減少了測量作業人員工作量和數量，同時也提高了測量精度，實現了礦山的減人增效，為實現無人化礦山開采提供了技術保障[4]。

2.2 智能調度及物料流規劃系統

露天礦山智能物料流規劃及調度系統，需要考慮礦山開采和采運排產等系統環節，從時空上高效定位，發揮露天礦山自動化、信息化水平，實現露天礦山開采由勞動密集型向技術密集型轉化。露天礦山智能調度及物料流開采系統是利用智能感知、控制、大數據云計算、物聯網等作為技術支撐，優化配礦算法、無線通信、GPS衛星定位、三維激光雷達卡車裝載方量監測、智能調度算法等，主要從爆破或者鋸切、采掘、運輸、排產入手，智能識別礦山巖性，選擇合適的開采設備，并對設備單位工程作業實時監控，提取設備傳感信息數據，結合優化礦山開采方案、三維地質模型信息，實現礦山開采的進度優化，及時調度設備，優化運輸途徑，實現智能配礦配采，為礦山的開采成本控制、系統風險控制、能耗控制提供方案，將各開采工藝環節有機結合，互聯互動，綜合調配分析，實現礦山的精準開采[5-7]。

2.3 違章行為智能視頻識別系統

露天礦山的開采是一個復雜的系統工程，涉及的工藝復雜、系統繁多，人機交換作業且各環節作業場所關聯集中。目前，我國露天礦山基本在露天礦場、機修車間和調度室部署高清攝像頭，采集記錄人員和設備的作業的行為，但是不具有對違章行為的智能識別及結構化處理功能。視頻監視系統要求存儲空間大，違章行為識別完全依賴工作人員事后識別，查閱視頻信息過程工作量大，易于出現漏洞，違章識別準確率低下，報警處置信息聯動滯后。應用計算機和大數據等建立的露天礦違章視頻智能識別系統，應用對圖片流、視頻流的計算機視覺算法，能夠實現對露天礦山人員違章行為的實時監控、自動抓拍以及違章信息的抽取[8-10]，對露天礦山駕駛人員接打電話、抽煙、駕駛室超員、區域入侵、未戴安全帽、調度員脫崗等行為進行智能管控，并直接傳送到調度中心的云平臺上，加強現場違規作業的監管，保證礦山生產安全。

3 財務管理與經濟評價

礦山開發的目的是獲取礦產資源并實現經濟效益，而在礦山開采中往往成本無法快速地計算，需要大量財務人員進行核算，才能為企業領導層提供投入、產出、盈虧等情況。目前，大多數礦山的開發僅僅著眼于管理和生產技術的智能化，而未將財務管理與經濟評價體系納入到智能化礦山建設系統中，無法利用高效的現代智能技術與財務管理系統的融合為企業領導提供快速、有效的決策，也不能進行市場預測、提供具體發展規劃等。現代化礦山建設，現有的生產設備和技術大多都能夠產生效益，既節約成本，又降低環境污染，實現了綠水青山既是金山銀山的理念，綠色開發，環保先行。而對于企業的發展起到關鍵的作用財務管理系統而言，目前仍是相對獨立的管理體系，系統復雜，專業性強，需要對生產的設備投入成本、勞動力成本、國家稅收成本、管理成本等一系列的投入進行計算，預測輸出成本。礦山生產的材料市場銷售后得到的總收入與總成本是什么樣的關系，對企業的后續發展起到重要的作用，這就需要在智慧化礦山建設中將財務管理系統與之關聯，既可以大大減少財務人員的工作量，同時也提高了經營情況核算效率，企業領導層能快速地了解企業在市場中的生產經營情況，并隨時調整生產策略，避免產生較大損失，提高企業在市場中的抗風險能力。

4 益陽花崗巖石材礦山建設構想

河北省易縣長嶺村建筑用花崗巖礦位于易縣縣城328°方向34 km，距南城司鄉265°方向8.8 km，距長嶺村北西方向1.0 km，距省道241正西方向1.6 km，行政區隸屬南城司鄉長嶺村管轄。礦區中心地理坐標(1980西安坐標系)：115°07′59″E，39°31′28″N，位于易縣集中開采區南城司區CQ501、502區塊中，不在“三區兩線”范圍內。礦區有簡易公路與村村通公路相通，交通便利。礦區屬于中朝準地臺(Ⅰ)、燕山臺褶帶(Ⅱ)、軍都山巖漿巖帶(Ⅲ)，馬頭穹褶皺(Ⅳ)，王安鎮巖體東北部，紫荊關—靈山深大斷裂構造帶的西側。礦區內出露的地層主要為第四系，少量分布于溝谷中，成分為腐殖土、殘坡積。礦區內最高海拔標高1 126 m，最低海拔標高930 m，相對高差196 m，總體地勢北高南低，地形坡度較大，陰坡植被發育，第四系坡積物分布較少。礦體以王安鎮巖體石英二長閃長巖為主，分為3個礦體，標為1號礦體、2號礦體和3號礦體。

為了更好地開發利用石材礦山，加強了該礦山的數字化智能化建設。在此前數字化礦山建設中的集三維建模系統、智能調度及物料流規劃系統、無人機測量系統、違章行為智能視頻識別系統和多源數據融合預警防控系統的基礎之上，加入財務管理系統和市場經營管理系統，使礦山智能化建設更加完善，及時為企業領導提供決策依據，實現科學管理、智能化管理，節能、增效、綠色發展，增強企業在市場中的抗風險能力。圖1是設計的數字化建設框架圖。

圖1 益陽花崗巖石材礦數字化建設框架圖

5 結束語

礦山建設與現代物聯網系統等融合，大大提高了礦山的生產效率，可實現礦山管理的實時監測，動態調控，為企業提供很大便利，但美中不足的是沒有將財務管理系統納入礦山智能化建設中，實現生產-經營-財務管理-經濟評價一體化。益陽縣花崗巖石材礦山擬將財務管理和經濟評價納入到智能化礦山建設體系，實現生產銷售各個環節及成本利潤的動態監測，科學決策，增強抗風險能力。