砂石骨料礦山智能化建設現狀與建議

彭 芬，楊 樺，張曉楠，丁 磊

(建筑材料工業信息中心，北京 100831)

0 引 言

智能制造是新一輪工業革命的核心技術[1]。從20世紀60年代開始，芬蘭、加拿大、澳大利亞等礦業發達國家不斷推動自動化采礦、智能采礦、全區域無人化采礦技術的發展[2-7]。瑞典基律納鐵礦、分什鉆石礦、澳大利亞北帕克斯銅礦、諾頓金田等礦山是智能化研發與應用的典型。隨著工業化和信息化融合程度的不斷加深，智能制造技術的不斷發展，我國采礦業也向自動化、數字化、智能化方向轉型。其中，煤礦、金屬礦山智能化建設起步較早，發展較快，水泥、砂石骨料、硅灰石等非金屬礦山的智能化建設則是近幾年開始起步[8-10]。

智能礦山實現資源的數字化管理、生產的自動化管控、全流程的少人無人化作業、基于工業大數據的智能化決策，具有本質安全、資源集約、綠色高效的特點，是促成礦山企業轉型升級、提高其核心競爭力的重要手段[11-13]。為推動砂石骨料礦山智能化發展，引導企業科學規范有序開展智能化建設，本文對砂石骨料礦山智能化建設的現狀進行了研究，并通過對砂石骨料礦山智能化建設需求及智能礦山技術發展現狀的調研，提出了砂石骨料智能礦山建設的整體架構、主要模塊及保障智能礦山建設順利開展的措施。

1 我國砂石骨料智能礦山發展現狀

近年來，廣州市順興石場有限公司、浙江交投礦業有限公司、甘肅建投綠色建材產業發展集團有限公司、中電建安徽長九新材料股份有限公司等砂石企業率先起步，建設了較高水平的智能礦山。廣州市順興石場的智能化建設在資源環境方面實現了三維虛擬仿真；在生產作業方面建立了采區卡調、生產線自動控制、智能稱重、智慧定量裝車、自動化輸送及生產智能管控等系統；在安全環保方面主要建設了工業電視監控系統、室內外一體化定位安全監管及安全監測系統；在經營決策方面建設了銷售系統、財務系統、生產輔助決策系統等；在統一管控方面建設了統一的智能管控平臺。浙江交投大皇山礦區智能礦山建立了資源環境三維模型；建設了車輛調度、生產自動化控制、母料計量、骨料質量在線監測、碼頭裝船等生產作業系統；建設了人員車輛實時定位跟蹤、全方位視頻監控、越界開采預警、粉塵在線實時監測、邊坡在線監測等安全環保系統；建設了資源儲量管理、綠色礦山管理等經營管理系統；建設了統一的智能管控平臺。甘肅建投綠色建材產業發展集團永靖綠色建材生態產業園礦山智能化實現了資源環境數字化；建設了遠程無人采礦、生產調度、制砂系統、智能物流運輸等生產作業自動化系統；建設了安防監控、生態監測、無人機巡檢等安全環保系統；建設了決策支持等管理決策系統；建設了三維可視化智能管控平臺，可實現各類應用數據的集成。中電建長九(神山)灰巖礦項目目前智能化建設內容主要包括：采礦管理、車輛調度管理、過程控制、生產管理、碼頭調度、訂單管理、庫存管理等生產作業系統；視頻監控、地質監測、環境監測、電子圍欄等安全環保系統；三維儲量管理、決策支持、綠色礦山等經營決策系統；礦山、長距離皮帶運輸和碼頭三個集中管控平臺，該礦山智能化建設還將進一步完善。

上述智能礦山的建設為砂石骨料礦山智能化發展拉開了帷幕，但是從整體來看，砂石行業智能化建設起步晚，基礎薄弱，大多數礦山的升級改造還停留在以自動化設備升級，基礎網絡及通訊設施升級以及建設財務管理、OA等基本管理信息系統為主要內容的初級階段。從已建設的智能礦山來看，也存在一些問題：頂層規劃設計不到位，信息化項目之間業務關系不清晰、項目建設順序邏輯錯誤；信息化項目內涵單薄、外延模糊，系統功能未能覆蓋業務或建設重復、一業多地；安環運輸類外圍信息化項目多，資源環境數字化、智能配礦、智能調度等采選核心業務場景信息化項目少；數據煙囪、信息孤島普遍存在；數據價值缺乏有效挖掘；智能協同和全局優化難等。

2 砂石骨料礦山智能化需求

砂石骨料母巖的開采方式一般為露天開采，主要工藝包括開拓、穿孔爆破、鏟裝、運輸等環節，所用裝備包括潛孔鉆機、挖掘機、鏟車、礦用卡車等。機制砂石骨料制備工藝一般包括破碎、篩分、制砂等環節，所用裝備包括給料、破碎、篩分、制砂及輸送等設備。砂石骨料礦山主要生產活動有礦床勘查、資源分析、采礦設計、生產計劃、開采作業、破碎作業、制砂作業、銷售發貨等。根據生產組織方式、標準作業流程，砂石骨料智能礦山建設的具體需求主要包括以下方面。

1) 礦產資源是礦山開采、加工的對象，礦山地理環境是生產活動展開的場所，對資源與環境的全面準確了解，是礦山生產活動高效開展的基礎。智能礦山需要建立資源環境三維模型，實現資源環境的數字化。

2) 境界優化是露天礦山設計的重要環節，需要統籌考慮資源的賦存條件、開采的技術條件、礦物產品的實時售價、礦石開采及處理的成本等多方面因素對設計方案的總體效果的影響，而傳統的計算方式過程復雜，耗時較長，結果不夠準確。同樣，傳統的礦山設計、規劃排產也是耗時耗力。智能礦山需要借助專業軟件解決境界優化、設計、規劃、排產的問題。

3) 礦山生產勞動作業強度大，作業環境惡劣(高溫、多粉塵、噪音大等)，鑿巖、裝藥、鏟裝、運輸等崗位人員安全風險大。智能礦山通過爆破、采裝、運輸、破碎、制砂、發貨等環節的自動化、數字化、智能化改造，實現生產自動化、關鍵生產過程的可視化、檢測的實時化、設備運維的智能化，降低員工勞動強度，提高勞動效率，提高產品質量穩定性，實現本質安全。傳統的卡車調度模式依靠固定配車、人工跑現場、人工收集錄入數據，調度實時性不高，是鏟裝和運輸效率提升不上去的關鍵痛點。智能礦山尤其需要實現實時的、動態的、優化的卡車調度。

4) 礦山作為高危行業其安全問題不可忽視，另外，社會發展也對砂石企業的綠色發展提出了更高的要求。智能礦山需要實現對人員安全、環境安全、環境保護的全面一體化掌控。

5) 傳統的經營管理方式，信息傳遞較慢，決策過程基本依靠主觀判斷，智能礦山需要實現礦山生產經管理信息化、實時化、決策科學化。

6) 智能礦山需要實現礦山一體化管控，實現數據集成、系統協同、智能優化。

7) 智能礦山需要建設信息基礎設施，包括傳輸網絡、大數據中心等，保障網絡安全，滿足數據傳輸實時性、可靠性、安全性要求。

3 智能礦山建設的系統架構

根據砂石骨料礦山智能化具體需求，智能礦山可采用的基本體系架構分為基礎層、執行層和決策層，如圖1所示。基礎層包括智能化生產所必須的基礎設施，如資源環境數字化、信息基礎設施、數字生產設備、數字輔助設備等。執行層包括支撐生產過程的各類管理功能模塊，如安全管理、計劃調度、生產組織、質量管理、發貨管理、能源管理、物流管理等。決策層包括生產規劃與決策的應用，如資源規劃、決策管理等。內部系統集成包括企業內部的基礎層、執行層和決策層之間的數據共享、應用集成，實現集中控制、統一管理。外部系統集成包括相關集團關聯企業或部門等之間的數據共享、應用集成。

圖1 智能礦山系統架構示意圖Fig.1 Diagram of system architecture in intelligent mine

4 砂石骨料礦山智能化建設主要模塊

根據砂石骨料礦山智能化需求，智能化建設內容應該包含資源環境數字化、設計計劃三維化、生產作業自動化、安全環保集成化、經營決策智能化、信息網絡化、管控一體化等七大主要模塊，如圖2所示。

圖2 礦山智能化建設七大主要模塊Fig.2 Seven main modules of the intelligentconstruction in mine

4.1 資源環境數字化

地質資源三維建模基于地質認識，通過三維建模技術及三維可視化技術，構建三維地質體。三維數字化礦床模型可以形象地表示出礦床外部形態及內部成分、結構等空間變化，通過空間數據管理、空間分析以及圖形可視化表達工具，可以研究地質資源的空間關系及其地質、物理和化學等屬性信息，進行地質分析和資源評價。資源三維模型的建立，使得儲量估算更加真實客觀，品位分析更為詳細，礦廢方量估算更為容易，為礦物資源的合理利用、生產活動的動態管理提供了依據[14-17]。

通過激光掃描儀、無人機傾斜攝影等地表勘察手段可以對地理環境進行表征，進一步通過定位、融合、建模等技術處理，可以大范圍、高精度、全方位地數字化再現砂石骨料礦山的真實場景，實現地理環境數字化[18-19]。地理環境數字化為砂石生產現場管理、智能調度及智能礦用卡車實現高精度定位奠定基礎。

4.2 設計計劃三維化

礦山境界優化軟件以資源模型為基礎，運用專業三維軟件，構建資源價值模型，通過最優化方法，進行科學詳盡的經濟分析，編制合理可行進度計劃，實現企業經濟效益最大化和可持續發展[20-21]。礦業設計軟件還可進行開拓運輸系統、排土場等布置，設計高效快捷、三維可視、科學合理。采礦計劃軟件可進行露天礦長期采剝進度計劃、中期采剝進度計劃、短期采剝進度計劃的編制工作，計劃可驗證、規劃可優化、過程可三維動態模擬展示，以直觀的方式為決策和計劃提供參考，有利于礦山開采順序的優化，形成動態可視的地質資源儲量消耗規劃，為礦山的生產管理提供指導[22]。

4.3 生產作業自動化

隨著技術發展，礦山的爆破、采裝、運輸、發貨等環節逐步朝遠程化、遙控化、自動化、無人化發展。遙控及無人駕駛技術涉及的應用設備包括鉆機、裝載機、礦車等[23]。系統借助車載傳感器及環境傳感器感知附近環境變化，通過遠程遙控或系統決策方案，操控礦用設備進行相應的鉆孔、爆破、鏟、裝、運工作。

露天卡車調度系統實時采集露天生產以及輔助設備的狀態信息，自動計量統計生產信息，及時準確地掌握生產進度，實時跟蹤與顯示設備運行狀態，實時優化調度、優化車流、自動調度。卡車調度系統提高調度指揮的精準性與實時性，提高生產作業效率，降低設備投資和生產成本，提高經濟效益[24]。

質量管理是礦山生產的核心，貫穿于規劃、設計、計劃、開采、破碎、制砂等全過程。在線檢測技術能夠解決定時離線分析檢測方法的滯后性問題,提高品質管控的實時性。推動在線粒度分析在砂石骨料礦山的應用。在線粒度分析儀通過連續采集運動中(如皮帶輸送機、振動給料機等)砂石骨料的圖像，利用大數據分析技術，給出物料粒度大小分布情況，避免超粒徑混入，可以及時調節相關生產設備的控制參數，如振動給料機的下料量、破碎機的振幅、頻率等參數，保障產品質量及其穩定性。

無人值守自動裝載計量系統能自動完成發貨作業。系統能自動感應車輛位置，進行發貨信息人機交互，自動裝料，自動計量，實時顯示裝車進度，實現發貨作業全程無人值守。該系統可以節省人力，提高發貨效率，防止作弊與商業賄賂。

設備管理是現代生產管理的重點，可以延長設備使用壽命，降低設備故障發生幾率，提高維修作業效率，降低備品配件消耗，降低維修保養費用。設備管理系統包含檔案管理、資產管理、運行管理、備品配件管理、維修管理、維修人員管理等內容。其中，設備預測性維護通過大數據分析、機器學習和AI技術，可以在設備發生故障前報警并進行原因分析，提出科學處置建議，有效預防非計劃停機。

4.4 安全環保集成化

砂石骨料礦山安環集成平臺主要包括安全監測系統、邊坡在線監測系統、安全生產視頻監控系統、環境監測系統等。通過安環集成平臺，全面提升人員行為安全、作業環境安全，從而大幅提升礦山的安全水平。

安全監測系統自動監測采石場表面位移、降雨量和爆破振動等數據，實現快速數據采集、數據自動存儲、自動跟蹤監測、分析歷史數據，并及時發出預警。

雷達智能監測系統通過對監測指標數據實時、自動、連續的采集、傳輸、管理及分析，實現對地質滑坡、高陡邊坡、排土場的全天候、亞毫米級精度、自動監測預警[25-26]。

無人機自動安全巡檢系統通過高精度影像及信息采集及智能分析，可進行爆破安全監測、越界巡檢、設備點巡檢、邊坡/尾礦庫監測等安全巡檢工作，驗證雷達監測等系統的安全警報[27]。 無人機還可以協助完成數字化地理環境的更新、輔助應急救援等[28]。

環境監測系統建立環境監測網，對礦區粉塵、廢水、噪聲等污染源和污染物實行動態監測，對降塵設備、廢水處理系統運行狀態實時監測，確保排放合格。

4.5 經營決策智能化

OA系統、財務管理、客戶資源管理、人力資源管理及決策支持、商業智能等信息系統是企業管理的重要工具。這些系統能提高業務運行效率，提供全面企業信息，快速響應客戶需求，幫助管理者做出更好的決策，實現企業最優運營。

4.6 管控一體化

通過系統集成、統一數據平臺及可視化技術，搭建協同管控平臺，可以實現各系統集成，實現不同類型數據的集成與交互，可通過可拓展系統接口為未來發展留足空間，實現礦山生產經營實時管控、資源動態管理、各生產經營環節協同創新及數據資產綜合利用，提高礦山生產管理效率。在高精度真實礦區三維模型的基礎上集成各系統，可建立以數字孿生技術為基礎的三維管控平臺。

4.7 信息網絡化

整體規劃設計礦山網絡通信系統，建設信息網絡基礎設施，滿足關鍵業務對數據連續性的要求，提升數據接入能力和傳輸效率。建立網絡安全管理中心，構建包括物理環境安全、應用系統安全、網絡安全、數據安全等在內的多重安全防護保障體系，健全相應的信息安全管理制度。

5 砂石骨料礦山智能化建設保障措施

5.1 成立組織

加強智能礦山建設的組織領導，建立起合理的組織架構，鼓勵企業一把手擔任智能化建設負責人，并設置專職管理崗位與技術崗位。發揮組織機構在智能礦山建設中的組織、協調、督促指導作用，積極推進智能礦山建設。

5.2 制定規劃

正確理解智能礦山的內涵與要素，根據砂石礦山實際業務特點和支撐條件，結合礦山智能化現狀、實際需求、基礎條件等因素制定礦山智能化建設規劃，明確任務目標、技術體系、實施路徑、進度安排和預期成果，指導智能礦山建設穩步推進，達到整體投入最少、產出最優的目的，避免重復建設與漏洞，實現降本提質增效。

5.3 標準先行

在遵循智能制造領域及砂石行業已經發布的相關標準規范的基礎上，建立統一標準規范的數據體系規范，規范主數據、數據索引格式、元數據格式、數據表結構等。建立統一的能夠支持生產實時數據、歷史數據等各類數據的服務、通訊協議和接口標準。

5.4 保障資金

根據企業經營狀況及礦山智能化建設的實際需求，確定投資規模，明確資金來源，保障資金投入。及時掌握政府相關扶持政策，關注金融機構對智能礦山的資金支持，發起設立相關市場化基金，擴大資金來源，形成支持智能礦山建設的投入長效機制。制定智能化資金使用管理制度，明確崗位職責及使用流程與方法，確保資金規范使用與及時投入。