智能爆破的產生背景及新思維

汪旭光 吳春平

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;2.礦冶科技集團有限公司,北京 100160;3.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083)

工程爆破就是利用炸藥爆炸所產生的巨大能量對介質做功，達到預定工程目標的作業，如采礦爆破、巖土開挖爆破、清淤炸礁爆破、建(構)筑物拆除爆破、爆炸加工(含金屬破碎切割)、聚能爆破、地震勘探爆破、滅火爆破、圍堰拆除爆破及堰塞壩搶險爆破等。

回顧發展歷程，工程爆破已經逐步發展成為獨立、系統的研究領域。因炸藥爆炸發生的時間極其短促，要使炸藥爆炸過程的能量轉化得到“精密控制”仍然是較為困難的。因為爆破實踐往往超前于爆破理論的發展，爆破作業仍然過多地依賴于爆破從業人員的經驗，爆破設計仍然以經驗公式為主，取值范圍過寬，不確定性較大[1]。

2009年以來，作者在研究各種相關理論、技術的基礎上，全面、系統地思考了爆破行業的長遠規劃與發展愿景，提出變革爆破技術的設想與思路，并廣泛征求了業內知名專家的意見和建議。大家一致認為:信息化是爆破行業發展的必然趨勢，應當進行系統、深入地研究。正是在這種共識的引領下，作者提出了“智能爆破”發展方向，試圖通過“爆破智能化”解決爆破技術面臨的一些問題。隨后，作者又先后與數十位專家、學者探討，逐步形成了較為清晰的“智能爆破”理論架構。在此期間，作者先后主持或參與了與智能爆破、智慧城市等內容相關的研究、開發及推廣工作，取得了大量研究成果，大大豐富了“智能爆破”的理論體系和應用場景[2]。

2018年，中國工程院將“智能爆破發展戰略研究”設立為學部咨詢研究項目。同年，中國工程院化工、冶金與材料工程學部和中國爆破行業協會在北京共同主辦了“中國爆破智能化發展論壇”，與會專家、學者分享了“智能爆破”的實踐經驗和進展情況，促進了“智能爆破”理論體系的發展。

基于多年的研究，并汲收國內外最新的研究成果，作者認為:隨著以5G、人工智能、大數據、云計算為代表的新一代信息技術以及其他新理論和新技術的不斷涌現[3]，原來認為不可解的問題有了新的解決途徑，因此有必要審視這些新技術在工程爆破領域應用的可能性。這也是作者提出“智能爆破”概念和理論的出發點。

1 爆破理論與技術的瓶頸

毋庸置疑，工程爆破領域的發展取得了令人矚目的成就，但是爆破技術的一些問題仍然未能很好地解決，這也阻礙了爆破技術向“精密控制”方向發展的步伐。

1.1 爆破理論仍未有根本性突破

理論來源于實踐，又指導實踐;沒有理論指導的實踐，則是盲目的實踐。半個多世紀以來，我國的爆破技術已進行了大量的工程實踐，但目前的爆破理論研究工作尚落后于工程實踐。現有的一些爆破設計方法和安全評估分析大都是用經驗和半經驗法，沒有足夠的理論依據。例如硐室爆破炸藥量的計算，基本上是以保利斯科夫公式為依據，松動爆破也套用這一公式是沒有依據的。又如爆破地震安全判據，目前我國和許多國家多用爆破產生的地面質點振動速度作為地面建筑物的安全判據，而忽略了爆源至觀測物之間的地貌特征、相對高差以及地震波傳播途徑的介質條件的差異，甚至在拆除爆破中也按這一振速計算公式計算確定控制標準。這種單一參數評定法是不全面的，計算出的結果相差甚大。

1.2 爆破過程的多元異質信息難以獲取

炸藥爆炸是一種短至10-6～10-5s，十分復雜的瞬態物理、化學反應，需要使用具有極高采樣率的儀器進行信息采集，一般的儀器無法滿足要求。例如:通過高速攝影機拍攝爆炸過程，分析爆炸產生的物體飛散現象;通過動光彈、動焦散等技術研究模擬爆破試驗的應力、應變情況。但是總體來說，爆炸過程的基礎數據獲取手段目前仍然十分有限。另外，爆破是炸藥在巖石、土壤、金屬等天然或人造介質中的瞬態作用，這些介質本身千差萬別，巖石等介質還具有非均一性，使得工程爆破的信息更加多元、異質，加深了爆破信息的獲取難度。

1.3 缺乏有效的爆破環境感知技術

根據爆破的對象，爆破作業施工所處的環境各不相同。如:礦山爆破需要了解爆破作業面、鄰近巷道的三維信息、礦體地質品位與圍巖邊界信息。只有充分掌握了爆破環境信息，才能有目的地進行爆破設計，控制礦石的損失和貧化。以往是通過人工測量巷道的二維邊界，結合地質勘探獲取的地質數據庫，粗略感知爆破環境。

總體來說，爆破環境是十分復雜的，而我們目前所了解的爆破環境信息仍然十分有限，要真正感知爆破環境的所有信息，并對這些信息進行可視化呈現，不僅需要研發大量智能化傳感設備，還要對海量信息運用大數據技術進行處理，目前還有不少的技術障礙。

1.4 爆破施工精度需要進一步提高

事實已經證明，爆破施工的精度決定了爆破能否達到設計的預期效果，決定了能否減少超爆、欠爆現象發生。這涉及鉆孔定位的精度、裝藥的精度、起爆網路延時的精度等內容。

在露天爆破中，鉆機可以利用全球衛星導航系統進行定位，提高鉆孔的精度。在地下爆破時，全球衛星導航系統無法覆蓋，就需要從基準點引導，對鉆機的地下相對空間坐標進行定位。無論是露天爆破還是地下爆破，目前的裝藥方式主要是人工裝藥、裝藥器裝藥、炸藥混裝車裝藥。前兩種裝藥方式存在返粉、統計不方便等現象。大多數情況下，爆破施工時裝藥量也無法做到精確控制，爆破效果往往大打折扣。

1.5 缺乏統一的數據交互與信息處理機制

炸藥從生產、運輸、貯存、爆破的全生命周期，以及爆破施工過程的測量、鉆孔、裝藥、起爆、監測等環節涉及鑿巖、裝藥、爆破監測等設備，這些環節使用的數據采集系統種類繁多，功能千差萬別，接口形式多種多樣，裝備之間不能進行有效地通信，造成爆破作業裝備形成“信息孤島”，無法實現數據共享和智能化處理，嚴重阻礙了爆破的設計、施工、管理與決策的效率。因此，為了提高爆破過程中裝備的聯動作業效率和遠程操控能力，制定具有廣泛兼容能力的泛在信息采集傳輸控制協議，建立統一的數據交互與信息處理機制十分必要。

綜上所述，炸藥爆炸是一種瞬態且復雜的物理、化學變化過程，爆破過程的多元異質信息難以獲取，爆破理論研究仍然未有根本性突破，加上缺乏有效的爆破環境感知技術和統一的數據交互與信息處理機制，爆破施工精度較低，導致爆破目前仍然是一種經驗主導的非確定性技術，距離“精密控制”還有很大的技術障礙。因此有必要探索一種可以指導炸藥全生命周期的新的爆破理論和技術，以擺脫目前爆破面臨的技術困境。

2 智能爆破的新思維

爆破科技工作者在爆破理論與技術上的執著追求，使爆破理論與技術得到了長足發展。但是，要實現炸藥爆炸過程能量轉化“精密控制”的目標仍然是較為困難的。

近年來，信息化已成為時代潮流，以5G、人工智能、大數據、云計算等為代表的新一代信息技術，正加速與經濟、社會各領域深入滲透融合。我國已將推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合作為國家戰略，在中高端消費、創新引領、綠色低碳、共享經濟、現代供應鏈、人力資本服務等領域培育新增長點，形成新動能。各地相關行業正在立足現有基礎，深入加強謀劃，進一步搶占發展先機，為建設現代化經濟體系厚植新優勢，激發新動能。

正向思維[4]是爆破理論與解算的傳統分析方法。正向思維從事物的必然性出發，根據試驗建立模型及其本構關系，在特定有限的條件下求解。正向思維反映在參數的研究上就是取樣、試驗、測定、分析;反映在模型的研究上就是根據已有的公理、定理和理論，加上特定條件下的假設，通過推演得到結果。正向思維需要爆破數據充分、準確。

爆破是一種瞬態過程，非確定性因素較多，爆破數據并不是很充分、準確的。因此，正向思維在爆破求解過程中遇到了諸多困難。在研究各種相關技術的基礎上，我們提出“智能爆破”發展方向，試圖從爆破的“智能化”上解決爆破面臨的一些問題。

2.1 人工智能技術是爆破理論突破的新希望

由于爆破理論是建立在各種假說以及經驗與半經驗公式基礎上的，爆破的求解變得異常困難，爆破過程存在諸多不確定性。為彌補這些不足，往往需要求助專家的經驗。但是專家的認知水平、知識層次均存在著差異，導致爆破理論計算結果千差萬別。

近年來，基于深度學習等新技術的人工智能的進步，使得AlphaGo得以通過學習人類圍棋知識，并自我學習，左右互搏，最終打敗世界頂尖圍棋高手，給人類的認知帶來巨大突破。人工智能在圖像、語音、行為三大領域，正在形成重大創新。新的人工智能技術的出現，使計算機可以通過學習人類的更多神經系統，更好地解決了譬如圖形識別等問題。我國已將人臉識別技術大規模應用于機場、火車站等公共場所的閘機系統以及金融行業的支付系統等方面。語音識別技術已經可以將大部分的語言識別出來并轉換成文字，能夠代替速記員的一部分工作。基于人工智能的機器翻譯技術也已發展到應用水平，形成了翻譯機等商品。隨著準確率進一步的提高，語音識別將會推動物聯網的革命，從汽車到家用設備再到可穿戴設備將會發生很多改變，人類將能夠和更多的家電通話[5]。在行為方面，人們已經開發了類人機器人，不僅可以學習人類的行走、跳躍等動作，甚至可以輕松完成后空翻、避開障礙物、開門讓路等行為。機器人學習已經在向不需要編程，直接看著人類的動作即可模仿的方向發展。

人工智能(Artificial Intelligence，AI)[6]是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的科學。人工智能是計算機科學的一個分支，它試圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，該領域的研究包括機器人、語音識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。

爆破是復雜的過程。爆破理論建立在各種假說基礎上，通過有限的爆破試驗和數據分析，采用相似模擬原理、量綱分析方法推導出一些經驗公式或半經驗公式。這些公式取值范圍較寬，而且都有一定的適用范圍，一旦離開假設的條件，公式就不成立。所以，為提高爆破的準確性，專家的作用十分重要。在爆破設計時，專家可以憑借經驗給出特定條件下較為合理的爆破方案。

人工智能是模擬、延伸和擴展人類大腦活動的科學，采用人工智能技術分析爆破，將有可能解決爆破系統數據不足以及不確定性問題。在這方面，國內外學者已做了有益的探索，如:采用神經網絡、專家系統等人工智能方法對爆破振動、飛石以及爆破參數等進行分析。隨著人工智能技術、深度學習方法的快速進步，開發適用于爆破的人工智能分析技術，通過挖掘爆破過程中采集的大數據，將有可能在爆破理論方面有重大突破。基于新理論的指導，重新變革爆破設計與模擬仿真方法，在可預期的將來，將會有意想不到的成果。

2.2 物聯網是采集與處理爆破多元異質信息的利器

炸藥爆炸引起各種變化，不僅有炸藥本身的變化，還有周邊介質的變化。獲取并處理這些信息的有力工具是物聯網技術。

物聯網(the Internet of Things，IoT)[7]是新一代信息技術的重要組成部分，被視為互聯網的應用擴展。2010年、2018年國務院政府工作報告兩次將物聯網寫入其中。2010年國務院政府工作報告對物聯網的定義是:通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。它是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡。這個概念不特意指明國際互聯網，明確提出是需要聯網的物體，同時強調物聯網是網絡的延伸和擴展應用。

2.3 新型傳感技術是爆破環境感知的基礎

近年來，隨著三維激光掃描等技術的日漸成熟，工程技術領域獲取環境信息的能力大為增強。通過三維激光掃描技術，工程技術人員可以快速獲取礦山巷道的點陣云圖，構建三維模型;結合點陣云的位置信息，可以與三維礦體模型進行復合，立體感知爆破環境，提高爆破設計的精確度，有效控制礦石的損失和貧化。對于地面建(構)筑物，已經有學者利用車載三維激光掃描儀構建三維模型，實現了建(構)筑物的精準爆破。對于露天土巖爆破，使用大型無人機結合三維激光掃描儀，可以快速構建爆破環境的三維信息。

炸藥與巖石有一定的匹配關系，匹配合適則炸藥能量利用率較高，匹配不當則會導致能量損失。但是在巖土爆破時，同一片區域的巖石性質被默認為是相同的，因此炸藥的能量往往不恰當地散失，關鍵在于巖石的性質無法被準確感知。已有專家學者通過提取鉆機的信息分析巖石的特性，及時獲得巖性的變化信息，形成三維巖性數據庫，取得了良好的效果。隨鉆巖性識別技術結合可即時改變炸藥性能的炸藥混裝技術，就能實現炸藥與巖石的良好匹配。

利用高速攝影機對高層建筑物拆除爆破倒塌過程進行全方位觀測，再通過計算機分析可以繪制成時間—位移、時間—速度圖，進而計算結構的勢能、動能、總能量、建筑物爆破高度上部作用力和塌落荷載。

微地震監測技術號稱“礦山CT”。全數字型微地震監測技術的出現，使得大規模的信號存儲、計算機自動監測、數據的遠傳輸送、監測定位的實時分析和信號分析處理的可視化成為可能。微地震監測技術已被廣泛應用于隧道、邊坡、大型地下油氣庫、地下注漿工程、石油工程、地下礦山等領域。地下工程開挖爆破時，可以利用微地震監測技術掌握爆破對非開挖區圍巖的影響程度。如南非深部金礦開采微震監測研究表明，在爆破后的2 h之內，微震事件發生頻繁，之后則迅速減少。由此可見，通過對爆破及其余震的監測，可以對爆破后工作面的圍巖穩定性和安全性進行評價。

我國研制成功的炸藥示蹤技術也是獲取爆破多元信息的一種方法。安檢示蹤標識物系指自身攜帶特定的化學信號和編碼的一類特征物質，將之添加于爆炸危險物品之后，通過探測其特定的化學信號揭示爆炸危險物品的存在，實現爆炸危險物品的安檢目的。通過檢測編碼確定爆炸危險物品的“身份”，即生產單位、生產地點、生產線、生產時期、品種型號以及流通軌跡等。在爆炸危險物品的流向管控、來源追溯、安檢探測、打非治違等多個方面都可以發揮重要作用。

總體來說，爆破環境是十分復雜的，而我們所了解的爆破環境信息仍然十分有限，要真正感知爆破環境的所有信息，并對這些信息進行可視化呈現，不僅需要研發大量智能化傳感設備，還要對海量信息運用大數據等技術進行處理。

2.4 爆破施工精度的技術支撐條件

爆破施工精度的提高主要依賴鑿巖設備的定位精度、裝藥計量的精度，以及起爆網路的延時精度。

在露天爆破時，可采用全球衛星導航系統對鑿巖設備進行精確定位。目前全球衛星導航系統包括:我國的北斗衛星導航系統BDS、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO，其中可用的主要是BDS、GPS和GLONASS。

國內銷售的智能手機大部分支持北斗定位導航系統。BDS在港珠澳大橋、武漢“火神山”“雷神山”醫院等大型工程中，均發揮了巨大作用。以往露天爆破設備的定位主要使用GPS，今后應加大鉆機等設備使用BDS定位的系統研究。

地下爆破因為沒有全球衛星導航系統的輔助，定位和導航難度較大。隨著5G網絡、可見光通信(Visible Light Communication，VLC)、Wi-Fi、Zigbee等新通信手段的興起，結合物聯網、GIS等技術，可以對鑿巖、測量等爆破相關設備進行精確定位與導航。

新型智能化炸藥裝填設備和新型爆破器材是提高爆破施工精度的有力支撐。炸藥混裝車在配置炸藥過程中通常有各組分的計量統計，同時也有裝藥量統計，因此可以方便地記錄各炮孔的精確藥量。借助于數碼電子雷管的廣泛應用，起爆網路延時的精度和可靠性大大提高，使人們精確控制爆破時序成為現實。

3 結 論

(1)爆破是一門技術科學，不僅需要從爆破工程實踐經驗中不斷總結、提高技術水平，也需要從相關學科領域汲取先進的科學技術，并升華為新的爆破理論，唯有如此才能使爆破學科始終保持活力，成為歷久彌新的學科。

(2)現階段，爆破技術面臨著理論未有根本性突破、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等瓶頸問題。這些問題阻礙了爆破技術向“精密控制”方向發展的步伐。

(3)“智能爆破”是基于新一代信息技術提出的新理論。“智能爆破”試圖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，解決以往需要人類專家才能處理的爆破問題。“智能爆破”是行業的發展趨勢，期待爆破行業學者不斷完善其理論與技術體系。