智能臺階爆破的基本框架及未來發展

李萍豐，謝守冬，張兵兵，趙建宇

(1.宏大爆破工程集團有限責任公司，廣州 510623；2.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051)

智能爆破是國家發展戰略及爆破行業發展的最新目標，采用5G、人工智能、大數據、云計算等新一代信息技術，將爆破的設計、施工、管理、服務等各環節生產活動相聯結與融合，建立具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能特性的綜合集成爆破技術，解決人類專家才能處理的爆破問題，達到安全、環保、優質、高效的工程目的[1-4]。智能爆破發展需求體現在以下幾個方面。

1)黨和國家發展戰略要求：黨的十九屆五中全會[5]提出：“2021年起，我國進入新發展階段，新一輪科技革命和產業變革深入發展，國際力量對比深刻調整；國際形勢不穩定不確定性明顯增加，世界百年未有之大變局進入加速演變期；堅定不移建設制造強國、質量強國、網絡強國、數字中國，推進能源革命，加快數字化發展”。將能源革命與數字化智能化發展掛鉤，表明智能化發展已上升至國家戰略層面。

2)智能礦山高質量發展要求：近年來，智能礦山建設如火如荼，許多礦山企業形成了具有特色的智能礦山建設模式，引領行業的高質量發展。但礦山爆破作為智能化礦山建設的重要環節，在爆破設計、自動穿孔裝藥、爆破效果評價、現場監控、安全管理等智能化方面仍有進步空間。

3)安全生產和用工壓力大：礦山建設在一定程度上屬于高危行業，安全生產壓力一直考驗著技術及管理人員。而爆破環節涉及到炸藥、雷管等火工品，危險性相對更大，安全和反恐一直是高懸在涉爆企業頭頂的利劍；“十四五”期間，中國勞動力結構將出現數量和質量的雙重變動趨勢，勞動力出現負增長，人工老齡化持續加劇[6]，如圖1所示。中國正處于經濟結構轉型、產業升級的關鍵時期，勞動力數量的萎縮使得原有的經濟發展模式受阻，勞動密集型產業因為勞動力價格的上升而失去競爭力。智能化設備的升級替代了大量人工崗位，使得勞動密集型產業轉化為資本密集型和技術密集型產業，爆破行業用工緊缺性不斷加劇。只有實現少人化或無人化才能實現本質安全和可持續發展。

圖1 2019～2050 年全國勞動年齡人口規模和比例變動

4)爆破行業發展要求：在當前世界經濟危機不斷加重、全力應對危機、調整經濟結構的形勢下，推動爆破技術的智能化，尤為重要。它是數字爆破和精細爆破等概念的集成與升華，爆破行業在露天礦山智能臺階爆破研究方面，開展了一系列科技攻關工作，智能爆破內涵不斷完善，短板方面有所改善，涌現了一批先進爆破信息管理系統及智能化裝備，將為我國爆破行業確定長期的戰略目標；可為爆破技術研發單位指明發展方向；為爆破企業提供創新、轉型升級和可持續發展提供主要源泉和動力；為涉及爆破行業的設備制造廠商指明技術進步和產品轉型的方向和時機，能快速實現技術的跨越，引領世界采礦技術。

隨著新興信息科學技術及多學科融合發展不斷加快，礦業開采也從其他領域引入了越來越多的新概念，智能礦山發展理念逐漸深入人心，涌現眾多應用于礦山的智能化技術。2012年汪旭光院士提出了智能爆破理念[4]，2020年11月國內第一家“智能爆破研究中心”正式成立。在受全球疫情影響的情況下，智能化礦山場景的應用能夠有效節省人力資源，體現了一定的優勢[3]。目前我國露天臺階爆破信息化建設，初步完成部分業務領域的數據采集、分析等功能，但從發展進程上來看仍處于較為初級的建設階段。因此，加速智能化礦山發展，致力于實現礦山少人甚至無人化的安全生產與高效管理，并逐步推廣到礦山全生命周期中，應當引起廣大從業者的重視。

智能爆破的發展成為了爆破工程領域又一項重大革新，筆者結合臺階爆破特點給定智能臺階爆破的定義，深入剖析智能臺階爆破技術在工程爆破全生命周期中的重要性，分析了智能臺階爆破技術現狀和瓶頸問題，提出了解決思路，旨在緊跟智能爆破時代發展步伐，應用于爆破全生命周期中，不斷豐富智能爆破生態鏈內涵，實現全流程的降本增效，為爆破行業的本質安全可持續發展注入新的活力。

1 智能臺階爆破的定義

從臺階爆破生產要素角度來看，智能臺階爆破的本質是將跨越二次工業革命的信息化技術與爆破施工設備與技術深度融合，通過爆破設計、布孔、鑿巖、裝藥、連線、填塞、起爆、監測等環節的信息化和礦山機械的智能化，進而實現臺階爆破勞動生產率的大幅度提高，整體生產成本的大幅度降低。

從系統論、控制論、信息論角度來看，智能臺階爆破是致力于將物聯網技術、云計算技術、系統工程技術和智能應用技術等與現代工程爆破技術緊密相結合，構成人與人、人與物、物與物相聯的網絡，動態詳盡地描述并控制工程爆破全生命周期，以高效、安全、綠色爆破為目標，實現工程爆破的可持續發展。

智能臺階爆破是采用計算機、無人機、互聯網等高新技術手段，引入系統工程、深度學習等研究思想，在臺階爆破施工的設計、施工、監管、匯報、反饋等傳統工序中實現數字化、智能化，形成以人員為核心、以信息為紐帶、以智能為目標的臺階爆破新概念。

2 智能臺階爆破發展現狀

智能臺階爆破應遵循“數字化—自動化—智能化”的發展過程，在數字化、自動化逐步實施的基礎上，采用5G、人工智能、大數據、云計算等新一代信息技術，推動爆破行業現有系統的優化升級，構建智能臺階爆破的基本理論、支撐平臺、關鍵技術、基本框架及體系設計，實現爆破施工過程中狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環控制系統，解決設計、生產、管理、經營過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現資源優化。

智能臺階爆破是現代爆破不可或缺的組成部分，但爆破技術的一些問題仍未解決，例如，爆破理論仍未有根本性突破、爆破過程的多元異質信息難以獲取、缺乏有效的爆破環境感知技術、爆破施工精度需要進一步提高、缺乏統一的數據交互與信息處理機制。

當前，我國智能臺階爆破研究正處于初級階段[7]，正在進行單個系統、單項技術的智能化(一個系統、一個崗位的“點上的少人”)技術研究，多個系統的智能化集成(部分系統的集成，“面上的少人”)研究仍沒有實現，如何實現爆破全生命周期的智能化集成建設，如何構建智能臺階爆破總體建設框架，打造“國際一流、國內領先”的“安全、高效、綠色、可持續發展”的現代露天采礦智能臺階爆破，是擺在所有爆破從業者面前的主要任務。

2.1 臺階爆破設計

在新興信息時代，隨著數字化技術的發展，爆破對象的描述將發生根本的變化。通過計算機輔助設計技術，進行設計斷面的精細剖分，可精確地設計炮孔的間排距和炮孔的裝藥結構。在爆破設計系統研發方面，北京礦冶研究總院、中國礦業大學、武漢科技大學、中南大學等高校、科研院所與企業強強聯合開發了一大批爆破設計系統[8]，例如，臺階爆破優化系統、臺階爆破設計專家系統、基于三維激光掃描技術的臺階爆破設計軟件、Dimine軟件、3Dmine軟件等。現場實際應用效果良好，省時省力，簡單地形環境下的爆破設計準確度大幅提升。

2.2 填塞系統

在露天礦山爆破中炮孔填塞是影響爆破效果的重要因素之一，炮孔填塞物成分、性質、填塞質量、填塞長度和填塞物運動規律等對藥柱爆轟波的傳播、炮孔中爆生氣體壓力的變化、巖體中的應力波強度、爆破效果和爆破安全等都有重要的影響。從目前檢索發現，研究炮孔填塞機理、填塞長度、填塞物運動規律、填塞材料性質、填塞作用對爆破效果影響學者非常多，但對填塞的自動化、數字化和智能化的研究非常少。

智能填塞系統是實現良好爆破效果的重要方面，是實現爆破智能化的必經之路。主要是由北斗自動定位系統、填塞車通訊系統、智能行走系統及智能填塞計量系統共同組成。基于北斗通訊定位技術及控制系統軟件的日趨成熟，填塞車定位、通訊及行走已經實現，將逐步取代露天礦山耗時耗力的人工填塞模式。但在智能填塞計量系統方面，如何實現填塞長度的精準控制及動態調整，確保填塞合理可靠，而不是均一化填塞，仍需進一步研究。

2.3 爆區三維建模技術

爆破臺階的爆區地形及時更新與數字化處理，對爆破效果起著決定性的作用，是實現智能化的首要前提，傳統的臺階爆破設計、施工是基于CAD二維地形圖，過多依賴于人工處理[9]。隨著無人機測繪技術、三維激光掃描、雷達探測等技術引入露天礦山領域[10]，爆區三維建模成為現實，點面體結合快速重建，地形更新速度顯著加快，為智能臺階爆破系統設計奠定了基礎[11]。

2.4 臺階爆破仿真技術

智能臺階爆破仿真技術是實現智能臺階爆破的必要條件。現階段以VR(虛擬現實技術)為代表的仿真技術發展迅速，在露天礦山建模、渲染、漫游、系統開發等方面取得了一定的成績。智能臺階爆破仿真的目的是要構建有效的全流程化的仿真系統，減少人為干預，分析不同工況條件下破碎巖石塊度級配曲線、炮孔不同部位的巖塊在爆堆的具體位置；優化爆破設計整體方案，得出不同工況下的最優方案。從巖石性質、炸藥特性、爆破參數等不同工況條件入手，借助云計算、大數據分析技術，智能還原特定條件露天礦山臺階爆破的全過程。

2.5 鉆機技術

智能鉆機技術是實現智能爆破的基礎，組成部分如圖2所示。目前，許多鉆機廠商推出了多款適用性良好的露天礦山智能化鉆機設備，如山河智能SWDB系列鉆機、長沙礦山研究院CS165E型潛孔鉆機、阿特拉斯ROCL830型潛孔鉆機等。在北斗通訊技術及控制系統的雙重作用下，尤其是在5G通訊技術引入至礦山領域[12]，自動定位系統、鉆機通訊系統、智能行走系統、智能推進和沖擊系統、自動控制和更換鉆桿系統、自動測量鉆孔參數系統、自動尋孔系統等均取得了較大的突破[13-14]，智能鉆機作業水平和施工效率大幅提高，礦山少人化作業模式得以實現。

圖2 智能鉆機成套設備技術的構成

3 智能臺階爆破建設基本框架

3.1 爆破網路系統

①按照露天采礦計劃和生產調度指令，智能臺階爆破指揮中心的爆破設計終端篩選數據庫中類似的地質情況進行爆破參數設計；②經過計算機爆破仿真系統計算調整，確定爆破設計參數；③鉆機將通過5G無線網絡接收到的穿孔數據讀入鉆機工控機內，鉆機根據相關傳感器數據自動完成設計孔深的鉆孔工作，并將實際穿孔情況、巖石性質和巖石的能量情況傳送給指揮中心；④爆破設計終端修改炸藥參數設計，將炸藥參數數據傳送給裝藥車；⑤根據北斗定位模塊和裝藥車自動化設備，逐孔定量化裝藥，并將裝藥情況反饋至指揮中心；⑥指揮中心將數據傳給填塞車進行填塞；⑦在裝藥過程時，無人機始終在制高點進行實時安全管理；⑧填塞完畢后無人機起飛爆破警戒，警戒完畢通知指揮中心可以實施爆破；⑨指揮中心下達起爆指令后，無人機激活無線起爆網絡，遙控起爆；⑩爆破完成后，無人機進行爆破效果檢查，并將所有數據保存在智能爆破實例管理數據庫中，如圖3所示。

圖3 智能爆破網絡拓撲結構

3.2 裝藥系統

智能裝藥成套技術在爆破中可謂是重中之重[15]，炸藥性能、炸藥數量決定著爆破能否成功，效果是否理想，是實現智能爆破的核心，組成部分如圖4所示。

圖4 智能裝藥成套設備技術的構成

現階段，在自動定位系統、裝藥車通訊系統、智能行走系統等方面研究較少。少人化甚至無人化裝藥還要在以下幾方面突破。

1)在智能計量系統研究方面，需要大力研究采集銨油炸藥重量變化的專用管道質量波動計量儀器、專用管道質量波動計量儀器的抗干擾和自平衡技術、銨油炸藥混裝車精確計量的數學模型和計算平臺的研發工作，提高智能裝藥計量的準確性。

2)在炸藥性質與巖石特性自動匹配系統方面，需要做到不同工況下的炸藥參數與巖性參數定量化匹配，實現炸藥能量的合理分配，取代以經驗法為主的炸藥與巖性匹配方式，確保礦山臺階爆破效果[16]。

3)在爆破網路連接無線化技術研究方面，爆破網路連接是制約智能臺階爆破的場景建設的重要因素，若臺階面敷設大量的導爆管或電線，會給機器人的行走帶來不便，故需要革新現有的有線式爆破網路。礦山爆破不再采用現場手動聯網，極大地降低爆破網路連接存在的安全隱患，將所有起爆網路放入至遠程互聯網中，檢查更為方便快捷，安全性得以提高[17-18]。

4)在無線網路的遠程遙控起爆技術研發方面，取代現有的接觸式、短距離起爆方式，可在陸地較遠處甚至空中實現無線網路的遠程遙控起爆，如圖5所示，降低爆破危害效應的影響，保證作業人員的安全。

圖5 無線網路的遠程遙控起爆場景構想

3.3 安全管理與爆破警戒系統

礦山爆破安全是實現安全管理的重要方面，電子圍欄、人臉識別等安全管理技術在其他領域應用是非常成熟的，爆破現場安全管理可以引進成套系統，在炸藥流通管理、炸藥庫管理、臨時堆放場所管理等方面，搭建并不斷完善安全管理系統[19]。

傳統的安全警戒主要依賴人工現場巡查，但受制于露天礦山工作面分散、作業人員多，耗時耗力，可能存在監控和管理死角，因此構建智能爆破安全警戒輔助系統尤為重要，確保人員及時撤離爆破影響區域。融合無人機飛行控制技術、計算機視覺、5G通信、人工智能等技術，實現自動巡航、可視化巡檢、可靠預警、驅離記錄四位一體的爆破安全智慧警戒模式，主要是通過以下技術手段來實現：①使用電子圍欄技術實現對外界闖進人員設備報警及外出人員設備告知；②實現無人機自動巡航辨識人員，可視化遠程遙控巡航警戒；③利用無人機紅外熱成像儀攝像技術，開發嵌入式綜合計算機系統，實現對爆破警戒范圍內人員實時辨識、視頻判讀和廣播驅離。

3.4 爆破效果評價系統

爆破效果分析主要對有無盲炮、后沖情況、爆破飛石、爆破振動、爆堆形狀、爆堆塊度等進行分析[20-21]，智能爆破效果評價技術是實現智能爆破的保證。

3.4.1 盲炮識別

受地質條件和炸藥器材性能等因素影響，爆破后可能出現盲炮現象[22]，需要及時排查處理，而現階段盲炮識別主要依賴于人工依靠經驗現場識別，可能出現判斷失誤或者難以識別等問題，且人工排查安全風險大。

將有保護殼的專用盲炮檢測無源RFID標簽附著在炸藥表面，價格低廉且操作簡單方便，不會對炸藥性能造成不良影響，也不會被爆破沖擊波破壞，爆破后可通過發射低頻脈沖波進行有效識別RFID標簽，自動獲取盲炮的數量及位置信息，進而解決礦山爆破后盲炮識別困難的問題。

盲炮識別系統主要解決：①有保護殼的專用盲炮檢測無源RFID標簽；②脈沖大功率遠距離無線供能技術；③高靈敏度無源RFID標簽的信號讀取技術；④無人機智能掃描及重建模技術等。

3.4.2 爆堆分析

露天礦山臺階爆破后形成的爆堆，其形狀、塊度分布、松散性等是分析爆破效果重要方面，它不僅反映了爆破參數、裝藥結構的合理性，而且直接影響鏟裝、運輸效率和經濟效益[23]。現階段在識別精度、快速識別等方面研究仍不能滿足智能爆破的設想。為了實現快速真實還原爆堆信息、快速診斷和評價，建議從以下幾方面不斷深入研究：①研制爆堆巖塊多角度二維圖像數據和三維數據采集的專用塊度測試儀；②無人機采集爆堆圖像拼接技術和全景圖像中巖塊的分割提取技術；③整體爆堆塊度分布的二維全景圖像數據；④三維結構數據算法技術。

3.4.3 爆破飛石預報

露天臺階爆破需要嚴格控制飛石，防止產生飛石傷人、砸壞設備建(構)筑物等，大量專家學者在利用神經網絡模型、事故樹、量綱分析法、層次分析法、未確知測度理論等做了大量的研究工作，確定了影響爆破飛石事故的各項因素，并對飛石距離和危害給出了預測[24-27]。但是也同樣存在實時和精度的問題。

3.4.4 爆破振動評價

露天臺階爆破中，由于單次爆破量較大，導致很強的振動效應，振動波對爆破近區的邊坡產生危害效應，并對周圍建筑物、人員也將產生很大損害，根據爆破現場施工情況，可以從以下方面入手：①研究爆破振動信號分解方法，結合環境振動標準及工程爆破振動標準建立振動智能評價模型；②研發爆破振動智能監測設備，提高爆破振動監測精確度；③建立爆破振動危害預警系統，準確預報因爆破振動產生的事故發生。

4 智能臺階爆破未來發展

智能爆破作為我國爆破行業新時代發展的主流方向，已得到廣大爆破專家學者及從業人員的高度認可，智能臺階爆破科研攻關項目布局正在進行，爆破行業信息化、數字化、智能化發展的趨勢不斷延伸，逐步將在爆破不同場景下開展實踐。現階段礦山領域，控制爆破及精細爆破發展較為成熟，數字爆破處在研究中期階段，而智能爆破發展仍處于探索階段，也面臨著一些技術瓶頸需要克服，需要爆破界同仁的長期不懈努力。為了加快智能爆破的發展速度，建議可從以下幾個方面開展相關工作。

1)加大宣傳力度，使智能爆破理念深入礦山行業、爆破行業管理人員和專業技術人員內心。2021—2022年，在中國爆破行業協會旗下組建全國智能爆破技術研究中心，匯聚高校、企業、科研機構各方資源，踐行產學研用一體化模式；確立智能爆破研究框架，組織人力、聚集財力，梳理編制重點科研攻關項目名錄并組織技術攻關。

2)2023～2025年，建立智能爆破技術標準體系和驗收標準體系。實現爆破施工的各工序數字化，為最終實現智能爆破奠定基礎。

3)2026～2028年，建成2個智能化示范爆破場景，初步形成爆破器材、爆破設計、穿孔裝藥、爆破警戒、爆破效果分析等主要環節的數字化傳輸、智能化決策、自動化運行，實現部分系統、部分崗位的無人值守及遠程監控。

4)2029～2030年，全面建成以智能爆破為支撐的爆破工業體系，構建爆破及上下游多產業鏈、多系統集成的智能化系統，全面突破爆破智能化核心關鍵技術，實現爆破全過程的智能決策和自動化運行，主要作業崗位基本實現機器人智能運轉。

5 結語

1)提出了智能臺階爆破定義，即智能臺階爆破是采用計算機、無人機、互聯網等高新技術手段，引入系統工程、深度學習等研究思想，在臺階爆破施工的設計、施工、監管、匯報、反饋等傳統工序中實現數字化、智能化，形成以人員為核心、以信息為紐帶、以智能為目標的臺階爆破新概念。

2)智能臺階爆破應遵循“數字化—自動化—智能化”的發展過程，在數字化、自動化逐步實施的基礎上，分析了智能臺階爆破層次間關系、建設原則和分期建設的智能臺階爆破系統。

3)組建全國智能爆破技術研究組織、確立智能臺階爆破框架、建立智能臺階爆破技術標準體系和驗收標準體系、建設智能化示范臺階爆破場景等是突破技術瓶頸的主要方法，為智能臺階爆破發展提供了建議，對促進爆破行業的本質安全、高質量和可持續發展具有借鑒意義。