礦山一體化智能管控數字化平臺的建設

張學禎，馬春鋒，余洋，顏青

1 前言

近年來，隨著數字化、信息化技術的快速發展，國內外均提出了建設數字化、智能化礦山的理念。目前，我國露天礦山數字化、智能化建設已取得了一定成果，但由于缺乏整體規劃，普遍存在數字化、智能化基礎設施建設不到位，管理信息化程度不高，管理體系缺乏協同性、系統性，數據自動化分析能力不足等問題。針對這些問題，我公司開發了一套具有自主知識產權、適應礦山企業需要的集礦山資源數字化、生產過程信息化、環境安全信息化和生產經營精細化等于一體的智能管控數字化、信息化平臺系統，并在陜西頻山水泥公司石灰巖礦進行了實際應用，取得了較好的效果。

2 智能管控數字化平臺系統的建設目標及內容

2.1 建設目標

以生產計劃為指導，跟蹤礦山生產過程數據，通過數據分析，優化生產過程管理，實現各項生產指標考核數字化管理；基于可視化平臺與虛擬現實、數據管理系統與空間分析系統，開發具有自主知識產權、適應礦山企業需要的一體化智能管控數字化平臺，促進數字化礦山的建設。

2.2 建設內容

本平臺系統以礦山開采過程管理為主線，貫穿露天開采的各個作業環節，旨在實現各個業務環節的數據流轉和信息流通，實現全員全流程協同與智能化操作，對全流程的生產作業任務進行跟蹤與管理，實現對礦山生產、設備、安全環保、化驗質量、生產日報、產量計量及數據采集等方面的實時管控和數據集成管理，實現生產數據同步更新、動態查詢顯示、瀏覽、統計分析與數據共享，以及以圖表形式直觀顯示生產數據等。

3 智能管控數字化平臺系統的結構設計

3.1 設計理念

（1）礦山一體化智能管控數字化平臺系統的設計模式主要有兩種，分別為基于組織架構的部門模式和基于業務流程的業務模式。部門模式主要是按照行政框架進行結構設計；業務模式主要是根據礦山的業務內容和工作范圍進行結構設計。隨著礦山數字化建設進程的逐步加快，礦山的業務范圍也在不斷擴充，設計的平臺系統應具有業務可拓展性。基于業務模式下的平臺系統設計，可以隨著礦山業務范圍的擴大，同步擴展平臺系統功能，更具有優越性。因此，經綜合考慮礦山的實際情況，本系統的結構設計基于業務模式開展。

基于業務模式的礦山一體化智能管控數字化平臺系統的結構設計采用Browser/Server（B/S）標準的三層體系結構，將基于Web的應用系統在邏輯上分為應用表現層、業務層及數據存儲層。三層體系結構模式的平臺系統見圖1。如圖1所示，這三個層次的體系結構實現了服務與應用的相對獨立，從而使得基于B/S的應用具有很好的擴展性和移植性。同時，各層次體系結構的開發可以并行，加之采用了組件技術，許多模塊可以被重復引用，大大縮短了平臺系統的開發周期，提高了運行效率。

圖1 三層體系結構模式的平臺系統

（2）在進行平臺系統設計時需明確系統數據的可使用范圍，對其機密性和完整性加以控制，確保工作流程順利進行。使用身份認證、實時監控等一系列安全監控機制，保證系統的機密性。同時，采取二次驗證身份的措施，輔助“用戶名+口令”的驗證模式，保證用戶的合法使用權限。

（3）在平臺系統與其他軟件的對接方面，本平臺系統設計采用了開放性的標準接口，以保證產量計量系統和能耗物資系統等與信息平臺的結合。平臺系統與其他軟件的對接關系如圖2所示。

圖2 系統與其他軟件的對接關系

3.2 設計原則

本平臺系統設計采用定制開發的方式實現，遵循先進性和便捷性、標準化和規范化、實用性和拓展性、安全性和開放性等原則，最大程度拓寬平臺系統功能，同時便于管理使用及維護操作。

4 智能管控數字化平臺系統功能設計

4.1 智能配礦

首先，根據礦山開采生產規劃、礦石品位變化情況及未來作業計劃，利用礦山建模軟件3D Mine進行塊體建模，獲取精準數據；然后根據礦山的生產規劃和技術條件設立配礦模型，使用目標函數和約束條件進行數學建模，目標函數可綜合考慮各種條件的限制，根據礦山實際需求建立。

4.2 礦山基本信息智能管理

主要包括建礦、投產時間、生產能力、服務年限等礦山企業基本信息的智能管理，可實現按不同權限錄入、修改、刪除數據等功能。礦山企業基本信息智能管理界面如圖3所示。

圖3 礦山企業基本信息智能管理界面

4.3 探礦權基本信息智能管理

主要包括礦權名稱、位置、礦權人、權證號、權證保存單位、礦權范圍、礦權有效日期、獲取方式及時間等信息的智能管理，可實現對所需證書的辦證周期進行預警等功能。

4.4 生產計劃智能管理

主要包括礦山中長期計劃、年度計劃、季度計劃、月計劃的智能管理，可實現對數字化采礦系統提交的生產計劃進行審核、駁回、通過等功能，生產計劃智能管理界面如圖4所示。

圖4 生產計劃智能管理界面

4.5 生產數據智能管理

主要包括對班組、班次等日常業務范圍內的管理及爆破、運輸等作業工序中的臺賬數據管理；可對各種臺賬數據進行逐級審批，并將審批后的數據與生產計劃進行對比分析，計算計劃執行率；可根據礦山實際需求，定制各類型的生產統計報表。系統定制的采切掘進進尺累計曲線如圖5所示。

圖5 系統定制的采切掘進進尺累計曲線（2017年9月21日~2017年10月20日）

4.6 質量化驗智能管理

采樣記錄二維碼，將送樣單通過移動APP直接上傳至數據中心，化驗室接到送樣單后，通過移動端APP在線確認。完成化驗后，化驗室按照工程項目名稱、時間、批次及化驗室編號等信息，將化驗結果直接上傳至數據中心，實現化驗單批次的自動對接，將化驗結果與巖粉數據庫結合，可直接為地質工作人員使用。本功能支持化驗分析設備數據自動采集和人工錄入兩種方式，質量化驗智能管理界面如圖6所示。

圖6 質量化驗智能管理界面

4.7 設備智能管理

建立采礦生產設備數據庫，通過移動APP對設備的信息臺賬、運行狀態、檢修及耗材等信息進行實時采集和管理。具體功能包括：采礦生產設備（鉆機、鏟裝、運輸、破碎機、輔助）信息臺賬管理，設備保養、運行情況管理，設備點檢、維修管理，設備消耗、隱患管理等，設備智能管理界面如圖7所示。

圖7 設備智能管理界面

4.8 安全環保智能管理

將安全環保法規制度文件通過移動APP置于管理平臺中，同時實時記錄與安全環保相關聯的事件地點、時間、氣候、事項、可能發生安全事件的預警、有關人員的信息，既可隨時查看安全環保信息，也可用于安全事件的管控與隱患排查。按照安全環保相關法律法規、企業規章制度（安全手冊）、操作規程、規范標準等類別文件進行歸檔、分類管理，可實現安全環保文件資料的上傳、下載、查看等功能，實現安全環保檢查管理、安全環保隱患排查、安全環保會議管理、權證管理與預警等功能，安全環保智能管理界面如圖8所示。

圖8 安全環保智能管理界面

4.9 爆破智能設計

露天臺階爆破爆堆主要是由爆生氣體的膨脹做功所致，假爆后的爆堆形態（爆堆輪廓）是臺階內部巖石爆破位移的一種表現形式。基于位置的動力學（PBD）物理引擎，模擬塊體的拋擲運動、碰撞檢測和塌落堆積，計算礦巖體爆破的最終位移，找到不同時間露天臺階礦巖移動規律及最后爆堆形態。針對地質地形情況，爆破智能設計系統通過輸入相關參數，即可進行自動布孔、炮孔定位、裝藥設計、連線延遲設置，可預先分析爆破效果，導出爆破設計書與穿孔指導書，交付現場施工使用。爆破智能設計界面如圖9所示。

圖9 爆破智能設計界面

4.10 系統運行智能管理

主要包括部門管理、用戶管理、角色管理、權限管理、數據字典管理、日志管理等功能。其中，部門管理主要包括對企業的現有部門進行增加、刪除等功能。用戶管理主要針對使用者的注冊情況，對用戶進行增加、刪除、修改、查詢等，并且可對管理者進行管理授權。角色管理是根據業務流程及部門劃分，用戶根據自身需求，定義和劃分角色，將權限集中授予用戶。權限管理是整個系統安全性的保障，根據權限授予方式不同，用戶與角色互相制衡，規范運作。數據字典管理是將系統中的各類參數，按照一定規范分類管理，實現對系統常用的系統級數據字典、業務級數據字典的管理，支持對數據字典的查詢、增加、刪除、修改等操作。日志管理主要用于實現用戶登錄日志、操作日志管理等功能。

4.11 移動APP智能操作系統

智能APP端應用支持安卓版，可實現如下功能：（1）移動辦公待辦事務、通知公告、報警警示等短信息推送，生產業務請求、批復、查詢；（2）實時監控地測管理品位檢測結果及異常品位數據信息；現場通過RTK測量炮孔坐標后，通過APP將炮孔坐標信息提交至服務器，并在手機APP中進行炮孔分組，實現爆破分組、取樣、化驗數據互通，便于炮孔分組樣品與化驗結果的管理，取代紙質填報；（3）生產管理，生產人員個人工作量查詢、生產周（日）計劃、班計劃（工作任務）查詢；生產臺賬（穿孔、爆破、運輸、破碎等環節）數據填報和生產統計查詢；（4）設備管理，設備維修記錄、保養記錄查詢；現場設備當前狀態查詢；設備點檢，點檢人員掃描二維碼，通過手機APP查看項目明細，添加備注說明和上傳附件。移動APP智能操作系統界面如圖10所示。

圖10 移動APP智能操作系統界面

5 智能管控平臺在頻山石灰石礦山的工程應用

5.1 陜西頻山水泥公司石灰石礦開采現狀

頻山石灰石礦位于陜西省富平縣正北方向頻山一帶，礦區內主山脈呈近東西向，南北方向的山梁呈“雞爪”狀展布，地形切割強烈，山高坡陡。最高處為北段山頂處，海拔1 325m；最低處在中部何家溝，海拔850m，相對高差475m。礦山的生產設計規模為550.0×104t/年，其中，北礦段設計規模為250.0×104t/年，南礦段設計規模為300.0×104t/年。礦山開采按照自上而下的順序，逐臺階依次回采，共有16個臺階。工作面臺階高度14m，臺階坡面角65°。地表模型三維空間圖如圖11所示。

圖11 地表模型三維空間圖

5.2 頻山智能管控平臺系統運行情況

頻山石灰石礦山智能管控平臺以生產計劃為指導，跟蹤礦山生產過程數據，通過數據分析優化生產過程，實現了各項生產指標的數字化考核。本平臺以采礦過程管理為主線，貫穿露天開采的各個作業環節，打通了各個業務環節的數據流和信息流，實現了全員全流程協同與智能化操作及全流程生產作業任務的跟蹤與管理，有效促進了礦山企業管理體制、管理模式的現代化。

自頻山石灰石礦山智能管控平臺上線以來，整體運行平穩。地磅系統與業務系統交互良好，礦山信息、生產數據、設備管理、統計分析、樣品化驗、生產計劃、材料出入庫、地磅數據、安全管理、移動APP和系統管理等模塊均運行穩定，系統界面交互良好，操作簡便。

本平臺以數據庫為基礎，建立起了統一、集成、實時共享的數據中心，實現了礦山資源與生產數據的精確匯總與綜合分析，解決了數據不全、數據源繁雜、標準不統一等問題。同時，對礦山生產、設備、安全環保、質量化驗、生產日報、產量計量等方面進行實時管控和數據集成，實現了生產數據的實時更新，生產過程和生產狀態的動態顯示、查詢、瀏覽和統計分析，各項運行指標情況如圖12所示。

圖12 各項運行指標情況

5.3 頻山智能管控平臺系統的優化改進

頻山石灰石礦山智能管控平臺系統自2021年7月上線以來，我公司根據現場生產需求進行了多處局部調整和改進，增加了以下功能:（1）修改了工序單耗分析中工程量的取值，直接關聯地磅數據；（2）開啟了全年月計劃編輯；（3）優化了地磅數據導入功能，解決了局域網斷網后，地磅數據無法導入的問題；（4）手機APP解決了穿孔人員無法查看炮孔設計數據及破碎設備不分主次的問題；（5）通過手機APP將安全隱患臺賬及設備點檢記錄修改為按日期顯示；（6）添加了非礦石（細分為高鎂廢石、廢石粉末、粘土）分類功能；添加了爆破設計“單孔裝藥量”信息，統計分析功能控制權限，歷史生產數據查找功能；添加了排查安全隱患功能，統計爆堆剩余礦量功能，設備數據權限控制功能（各工序工作人員只能查看自己的設備信息，管理崗能查看全部設備信息），材料出庫批量導入程序；（7）在設備運行情況中，添加了“取前一天數據”功能；（8）在手機APP中，添加了地磅數據統計功能等。

6 結語

頻山石灰石礦一體化智能管控平臺實現了礦山生產各業務環節的數據互聯互通與共享，提供了一套全方位、一體化的系統協同礦山生產安全保障體系，提高了礦山生產的數字化、智能化管理水平。