江西宜春鉭鈮礦數字化智能礦山建設與成果

李金鋒，于騫翔

(1.江西鎢業控股集團宜春鉭鈮礦有限公司，江西 宜春 336000；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

礦山企業的建設和發展模式是與時俱進的，數字化的轉型符合當前的時代要求，尤其是在目前的計算機信息技術為手段的數字化發展是礦山生產方式和管理方式轉變的必經之路。本文結合江西鎢業控股集團宜春鉭鈮礦有限公司的數字化發展的經歷以及國內外礦山的數字化轉型取得的成果，分析礦山數字化的發展現狀和建設經驗，并對未來的智能化礦山進行展望。

1 礦山數字化轉型背景

近年來隨著“智能制造”、“兩化融合”概念的興起，國家實施了制造強國戰略第一個十年的行動綱領“中國制造2025”宏大計劃[1]。習總書記在2021年領導人氣候峰會上提出“力爭2030年實現碳達峰，2060年力爭實現碳中和”后，中華人民共和國工業和信息化部、國家發展改革委、自然資源部聯合發布《有色金屬行業智能工廠(礦山)建設指南》，中國有色金屬協會隨即下達了力爭2025年有色金屬行業達到碳達峰，2040年力爭實現碳中和的工作目標。當前，我國采礦企業資源面臨品位下降、資源枯竭、安全環保壓力大、招工難等一系列難題，這些發展中不可避免的問題促使企業朝向綠色智能礦山之路轉型。以5G、大數據、人工智能、物聯網、云計算等為代表的新一代技術在采礦領域不斷深化應用，引發了礦山生產運營模式的變革。在此背景下，采礦工藝開始向規模化、集約化、協同化方向發展，采礦過程全面邁入自動化、智能化乃至無人化階段[2]。選冶礦過程全面實現自動化，并逐步走向智能化階段。生產管理以“數據驅動”為新的發展理念，形成了從勘探數據到儲量數據，從產量數據到運營數據的礦山大數據集成系統，數據化轉型之路逐步展露出強大的生產力[3]。

2 國內外礦山數字化轉型現狀

國外許多礦業公司，如力拓、波里登礦業、北帕克斯礦等的礦山數字化轉型走在世界前列，在綜合的采礦技術，例如三維采礦規劃及設計、自動化采礦、集中化生產管控等方面，國外大型礦山都達到了很高的水平。

全球礦業巨頭力拓公司實施的“未來礦山”計劃，是通過先進的采礦機器人和遠程遙控系統等數據的采集和處理作為驅動，指導礦山生產。在珀斯遠程調度中心，可以同時完成遠在一千多千米外皮爾巴拉礦區的15座礦山的遠程控制。同時，設備的大數據預測分析平臺可以自主地判斷設備運行狀態，對設備故障提前預知，大幅降低了非計劃設備故障導致的停工時間，使設備生產效率提升了5%～25%。

瑞典波里登礦業公司通過智能化采礦裝備與調度室集中控制的生產模式，在采礦數據實時采集和分析的支持下，生產效率提升了50%以上[4]。在波里登礦業公司的加爾彭貝里礦山，視頻監控系統、井下人員定位管理系統、充填自動化控制系統、選礦自動化控制系統、礦山調度軟件平臺、礦山工業場景三維展示軟件等生產和安全信息化平臺等一系列以數據驅動、計算機分析為主要運行方式的智能化建設和應用取得了極大的成果，保障了礦山的高效安全生產。

澳大利亞北帕克斯銅金礦，其生產能力達到600萬t/a，而全礦山僅有360余名員工，完全得益于大規模的無人化、自動化采掘、運輸設備。在礦山的智能化方面，北帕克斯銅金礦代表著采礦行業較高的自動化水平。該礦山應用的鏟運機地面遠程遙控系統，只需1人就可以同時控制3臺鏟運機，降低人員使用量的同時，高效完成了出礦作業[5]。

澳大利亞諾頓金田礦山提出并應用的完整現代化礦山管理解決方案，主要應用于地質勘查、三維設計、安全管控、智能作業、精細化管理和大型裝備等方面。該方案包括通過采礦設計與排產三維礦業軟件建立精細化與自動化的采礦技術體系，以計算機模擬采礦方法和采礦流程。在設備智能化方面，諾頓金田在通風、排水、運輸和提升環節實現了遠程計算機自主控制的無人化值守，使用智能化雙臂支護一體化臺車，完成操作站的遠距離視頻遙控操作，滿足了高效連續采礦作業的需求。整個礦山形成完備的開采可持續發展、信息交互、人員安全、環境質量等礦山管理理念及管理體系。

在我國，一系列智能化礦山建設的相關技術的研究和政策頒布，促使國內的洛鉬集團、紫金、中金、江銅等礦業集團也在紛紛布局智能化礦山建設。例如，洛鉬集團以新一代物聯網、大數據、人工智能、5G通訊等系列前沿技術為依托，將無人機動態建模、多金屬多目標配礦、裝運卸智能調度以及生產數據智能分析與管理集成一體[6]，構建出一套全方位新型露天礦山智能化生產管控決策系統，實現了生產組織數字化、配礦管理動態化、礦巖計量自動化、現場管理可視化、調度指令信息化、設備運行自動化、信息傳遞網絡化的目標。在設備智能化方面，基于5G網絡的鉆、鏟、裝超遠程精準控制和純電動礦用卡車智能編隊運行，礦用新能源電動無人駕駛卡車、5G無人采礦管控等技術已達到國際先進水平。利用3DGIS技術構建爆堆品位數據庫和高精度組合定位技術對爆堆數據可視化管理，并實時動態獲取鏟裝位置出礦品位。在數字化智能分析方面，運用采礦數據采集分析的相關技術，根據當前作業區礦石品位、巖性，結合碎礦站入礦量和品位數據，利用多金屬多目標智能配礦模型自動生成當班最優配礦計劃，確保了入選品位均衡穩定。

江銅集團城門山銅礦以礦山智能化轉型升級為契機，打造由智能采礦、智能管控、智能生態組成的智慧礦山樣板，完成了智能化調度、濃密脫水控制、自動藥劑添加等四十多個智能化升級改造項目，使智能化成為了礦山“強、降、促”的倍增器，順利確保了全年任務目標的實現。

在我國，采礦環境決定了企業數字化轉型之路是礦山建設的必由之路，宜春鉭鈮礦有限公司數字化礦山建設實踐為國內有色金屬露天礦山數字化轉型提供了借鑒，本文在分析了宜春鉭鈮礦有限公司數字化建設的成功經驗的基礎上，提出數字化建設的關鍵點和建設思路。

3 宜春鉭鈮礦數字化礦山建設思路及內容

宜春鉭鈮礦山數字化轉型按照總體規劃、分步實施，效益優先、注重實效的原則，建設思路借鑒了多地數字化礦山的調研建設經驗，以《有色金屬行業智能工廠(礦山)建設指南》作為總體規劃布局的大方向，積極與科研院所展開合作，引進先進的采礦技術和設備。根據企業實際情況，從“網”、“端”、“邊”、“云”四個層面入手對礦山進行整體數字化建設，“網”：主要對全礦辦公網、工業以太網進行升級優化，新建5G、4G無線專網基站，提高數據傳輸能力；“端”：從現場增設各類傳感器、儀器儀表及裝備智能升級改造幾個方面同步實施，完善設備、生產流程關鍵數據采集；“邊”：通過5G CPE、4G專網CPE等網絡接入設備，定制開發的手持終端和車載終端，路由器、工業網關、工業級交換機等網絡連接設備，搭建完整的“由下及上”的工業互聯網網絡，實現工業協議解析、數據的采集、傳輸和處理；“云”：利用5G(破碎機遠程遙控、全景監控)，4G(礦車調度系統、電機車無人駕駛)，人工智能(優化及智能控制系統)，邊緣計算(磨礦專家系統、搖床智能控制系統等關鍵計算資源本地部署)，大數據和物聯網等新一代信息技術，建立數據中心，開發信息化生產管理系統，實現海量異構數據匯聚與建模分析，各類創新應用系統的開發與運行，設備和系統上“云”，實現遠程監測和運維服務。從“網”、“端”、“邊”、“云”四個層面入手，對生產設備進行智能化升級改造，構建了破碎機遠程控制系統、電機車無人駕駛系統、搖床精礦托盤電動執行機構等的設備智能化作業系統，實現全面感知和精準控制。通過充分利用礦山控制系統數據，匯聚區域數據資源，實現邊緣側的數據分析和實時決策。

數字化礦山建設則是基于5G/4G專網無線通訊網絡，圍繞數據中心建設、數字化采礦單元、智能選礦單元、信息化管理系統、安全環保在線監測系統五大方面展開實施。具體建設內容如下：

1)數據中心建設。采用超融合一體機和虛擬化技術，搭建本地私有云，按照“一組數據、一個標準、一套系統”的原則，集中存儲企業生產經營數據。通過5G無線通信技術，消除采礦設備的信息孤島，實現PC端、服務器端、移動端以及各種數據采集設備的互聯互通，對企業內部各個信息化系統和智能裝備進行數據采集、有機整合，生產與經營管理數據信息的共享，并進一步進行數據分析、挖掘，實現了企業生產管理信息化、信息資源化、傳輸網絡化、管理科學化的數字礦山建設目標。引進生產大數據展示平臺，實現全礦數據的跨平臺采集、統一存儲、聚類分析和統計匯總，使全礦生產、經營、安全數據能夠實時動態更新和展示，為管理人員的調度管理提供實時指導。

2)數字化采礦單元?；?G/4G礦山通信網絡，應用破碎機遠程遙控技術、電機車無人駕駛技術，在4個裝礦點、2個卸礦點的作業模式下，實現了采礦、配礦作業的自動優化匹配?；?G的采礦作業面全景監控系統，大大強化了調度人員對整個采礦作業的實時監控能力，將駕駛員從惡劣工況環境下解放出來，實現現場操作無人化，降低安全風險，保障安全生產。

3)智能化選礦建設。針對以鉭鈮礦、鋰云母為主的選礦流程處理量小、設備規模小而多和工藝復雜的特點，結合5G/4G專網、人工智能技術，建設選礦自動化系統，實現選礦智能化。建立基于5G/4G專網移動終端和定制化APP的移動巡檢管理系統，通過數字化方式實現對設備巡檢、設備檢修工作的管理，擺脫傳統人工巡檢方式和紙質填寫記錄方式，實現文字、影像的自動記錄及保存上傳。研究選礦的工藝流程特點，開發了棒磨機+球磨機磨礦流程的優化控制系統、鉭鈮礦重選過程搖床智能控制系統、鋰云母浮選流程優化控制系統，通過智能化技術代替人工操作經驗，實現工藝關鍵參數的精細化自動調整，穩定了生產流程，提高了產品質量，多項技術在國內行業尚屬首次應用。

4)信息化管理系統。建立全面的信息化管理系統(MES及ERP系統)，并因地制宜地定制信息管理系統，融合跨部門、跨平臺的業務，大大縮短了申報決策流程，強化了經營管理。特別是設備管理和物流運輸上，建立設備的數據管理系統，與江鎢集團采購管理系統、設備二維碼標簽結合，從設備采購、檢修維護、備品備件管理到設備報廢的設備全生命周期進行管理。建立物流管理系統，實現地磅無人值守系統、質量管理系統、銷售信用風險控制系統、ERP系統、手持PDA終端等的互聯互通，打通礦山生產—運輸—銷售整個鏈條上的各個節點，訂單的自動生成、傳遞、驗證及返回的閉環管理模式，規避傳統模式下效率低、漏洞大的問題。

5)安全環保在線監測系統。尾礦庫安全在線監測系統、外排水水質在線監測系統遠程回傳有關參數集成至工業大數據平臺，實時掌握變化情況，提前預防和避免安全環保事件發生，增強企業安全生產保障能力。

4 宜春鉭鈮礦數字化礦山建設成效

通過數字化建設，宜春鉭鈮礦有限公司主要達到的經濟技術指標如下：

1)在鉭鈮及鋰云母資源急劇下降的不利因素影響下，全礦原礦配礦品位波動率仍然下降8%～12%，實現均勻配礦，穩定產品質量，有效地降低了客戶對產品質量的投訴率。

2)采、運、選設備完好率達98.65%；采、運、選設備運轉率達到93%、95%、91.51%。產品增量實現月增收達300萬元，采運選生產成本下降3%，含鉭鈮精礦(實物量)產量提高10.8%，鋰云母精礦(5%)產量提高8%，粗細長石粉產量提高10.4%。

3)改變原有部分流程從“操作+維修”向“巡檢+維護”模式轉變，優化人員崗位約20人，全員勞動成產率由3.9萬/(人·月)提高到4.54萬/(人·月)，提高16%。

4)物聯網連接數達1 000+，主要含采裝設備、鉆孔設備、運輸設備、圓錐破碎設備、計量設備、尾礦庫在線監測設備等。

企業通過數字化轉型有效地提高生產設備可靠性，穩定優化了工藝流程，實現了關鍵設備及固定設施少人化無人化，職工作業環境得到了有效改善，職工作業強度得到大幅度降低，資源綜合利用率得到有效提高，企業核心競爭力有效提升。此外，通過轉型取得了一系列的知識產權，目前已取得軟件著作權12項，發明專利成功受理4項，實用新型專利2項，成功入選江西省工信廳首批“5G+工業互聯網”示范企業、江西省“03專項”示范。

5 數字化礦山建設過程中存在的問題及建議

1)數字化建設場景選擇的通信方式影響到通信成本，應綜合考慮成本、穩定性、帶寬冗余等因素，選擇適用的通信網絡方式。露天礦作業面的移動基站和固定基站選擇，如建固定基站應充分考慮露天爆破的警戒范圍，避免爆破損壞基站設備。在5G運營商電信、移動、聯通的選擇上，應考慮各運營商使用不同的頻段引起網絡覆蓋范圍有所差異。

2)數字化建設過程中需要安裝大量的傳感設備、電子儀器儀表等硬件設備，而礦山企業大多為多發雷區，為避免相關硬件因雷擊損壞，應做好穩定可靠的防雷避雷設施。

3)數字化轉型后企業各類生產報表、技術檔案、流程控制、財務報表等重要環節資料都暴露在網上“透明化”，這就要求在轉型規劃時把網絡信息安全防護一起設計，避免后期遭受病毒、木馬、黑客攻擊等造成損失。

4)數字化轉型伴隨著企業管理模式的改變、工藝流程的改變、生產與改造的時間沖突、大量人力物力的投入等。企業業務必當成“一把手工程”來抓，堅定數字化轉型信念，避免基本方向出現偏差。充分調動人力、財力、物力等資源，促進轉型工作高效開展，在轉型的關鍵節點及關鍵方案等方面做出重要決策，提升決策效率，縮短建設周期。

5)數字化轉型需要徹底打通企業從需求到設計、到制造、再到物流的全產業鏈，打破原來職能管理的組織邊界，強化跨組織、跨部門、跨業務、跨層級的各級協作模式。同時，數字化轉型需要優秀智能制造供應商提供先進的技術支持，若缺乏合適的外部合作伙伴，企業將陷入閉門造車的窘境。因此，企業應成立相關組織機構，組織一批懂管理、懂工藝、懂技術、懂業務的復合型數字化人才全程跟蹤與合作伙伴密切配合來實施數字化改造。

6)企業在實施數字化轉型過程中，一定要轉變認識，確定“以我為主”的責任意識。數字化轉型是為企業戰略服務的，企業要想達到預期效果，需要結合自身生產裝備特點、工藝流程、管理模式及自身自動化基礎，制定量身定制解決方案。此外，數字化轉型不同于傳統的“交鑰匙”工程，涉及到企業業務流程優化及管理模式改進，這就要求企業不能過度依賴外部解決方案供應商，要以我為主，深度參與。

6 總結與展望

礦山的數字化轉型不僅僅是生產模式和采礦技術上的轉變，更不能離開經營理念的轉變和傳統生產思想的革新。采礦設備從人員的人力操作到計算機的數據決策，不僅僅是設備的智能化改造升級，對人員操作能力和技術水平也提出了更高的要求。礦山數字化建設既非一朝一夕又非遙不可及，需要從上層的管理開始進行變革，管理層對礦山數字化建設現狀有著清晰明了的認識后，做出正確的發展決策。技術人員以提高自身技術知識為基礎，對設備進行數字化改造，并能夠自主完成采礦流程設備的維護，為礦山生產提供堅實的保障。

智能化礦山建設是我國采礦行業發展的必由之路，產業中成功案例告訴我們，礦山數字化轉型既要只爭朝夕，又必須腳踏實地，既不能建設出“樣板”礦山，又不能只按照傳統的安全穩定的生產作業方式。只有穩中求變，以國家大政方針作為發展方向，才能建設出一批世界一流的數字化智能礦山。