我國金屬礦山智能化現(xiàn)狀與問題探討

胡乃聯(lián) 李國清

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

進(jìn)入21 世紀(jì)以來,與兩化融合/深度融合和傳統(tǒng)工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型等國家發(fā)展戰(zhàn)略相匹配,我國金屬礦山的工業(yè)化與機(jī)械化進(jìn)程顯著加快,智能化建設(shè)取得了長足的進(jìn)展,實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械化到自動(dòng)化、從數(shù)字化到智能化的跨越式轉(zhuǎn)變。 尤其是一批起步早、技術(shù)裝備水平高的金屬礦山,在近20 a 的探索性應(yīng)用后,已形成了適用于礦山自身?xiàng)l件的智能化建設(shè)模式、推進(jìn)方式以及建設(shè)內(nèi)容,積累了豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),取得了一批具備推廣應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)成果[1-2]。

隨著礦山企業(yè)進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)、集約化管控、精細(xì)化核算與全球化布局的新階段,我國金屬礦山除了需要應(yīng)對資源稟賦條件差、生產(chǎn)過程復(fù)雜等問題外,還必須面對沉重的安全、生態(tài)與成本壓力,“深部、綠色、智能”已陸續(xù)成為礦山的現(xiàn)實(shí)性生產(chǎn)運(yùn)營環(huán)境。在這種內(nèi)外部環(huán)境條件以及發(fā)展趨勢下,越來越多的金屬礦山加大了對智能化建設(shè)的投入,礦山智能化已逐步由示范性的探索研究轉(zhuǎn)向?yàn)橐?guī)模化的常態(tài)應(yīng)用。顯然,這一過程并不是簡單的擴(kuò)大范圍、購置裝備、建設(shè)系統(tǒng),而是需要對建設(shè)成果及關(guān)鍵技術(shù)加以總結(jié)、提煉、融合,通過提高生產(chǎn)作業(yè)體系與智能化生產(chǎn)模式的匹配程度,以數(shù)字化轉(zhuǎn)型的思路完成生產(chǎn)與管理模式的根本性變革[3]。

本研究立足于智能礦山中的安全高效生產(chǎn)問題,基于我國金屬礦山規(guī)模化智能開采的核心需求,梳理智能化建設(shè)的示范性成果,總結(jié)提煉具有代表性的智能化應(yīng)用場景,進(jìn)一步分析目前智能礦山建設(shè)存在的問題并提出相應(yīng)的措施建議,為金屬礦山擴(kuò)大建設(shè)成果、保證建設(shè)實(shí)效、規(guī)避建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 金屬礦山智能化應(yīng)用場景

礦山生產(chǎn)經(jīng)營的目的是為了向社會(huì)提供合格的礦石(礦產(chǎn)品),因此,需要以礦石流為主線、緊密圍繞地質(zhì)測量、設(shè)計(jì)計(jì)劃、生產(chǎn)過程、安全保障、調(diào)度指揮、決策優(yōu)化等生產(chǎn)過程和管控業(yè)務(wù),進(jìn)行智能化規(guī)劃與建設(shè)[4]。 金屬礦山智能化應(yīng)用的典型部署框架如圖1 所示。

圖1 金屬礦山智能化應(yīng)用典型部署框架Fig.1 Typical deployment framework for intelligent metal mine application

首先是生產(chǎn)過程的智能化,即通過AI、5G、自動(dòng)化技術(shù)和智能裝備的研制與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)無人、少人化的現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè),提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全。生產(chǎn)過程的智能化與礦山的開采工藝、技術(shù)條件密切相關(guān),是礦山智能化建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[5],其建設(shè)成果是分散在生產(chǎn)過程中的諸多智能裝備與智能系統(tǒng)。

其次是集成化、一體化的管控平臺,通過多應(yīng)用、多要素集成,實(shí)現(xiàn)協(xié)同化的生產(chǎn)管控,著力解決地質(zhì)測量、設(shè)計(jì)計(jì)劃、安全保障、調(diào)度指揮、決策優(yōu)化等業(yè)務(wù)的智能化問題。 其建設(shè)成果是分散運(yùn)行在各業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)和集中部署于調(diào)度指揮中心的軟件平臺。

最后在選礦方面,過程自動(dòng)化技術(shù)與智能裝備的研發(fā)得到了長足發(fā)展,特別是選礦過程在線分析檢測技術(shù)、選礦過程優(yōu)化控制技術(shù),其在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)非常普及。 限于篇幅,本研究不再贅述。

2 生產(chǎn)過程智能化

礦山生產(chǎn)過程智能化的目標(biāo)是根據(jù)不同的開采工藝,采用智能化的生產(chǎn)裝備和技術(shù),實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵生產(chǎn)工序無人/少人,并最終實(shí)現(xiàn)各作業(yè)的安全高效[6]。由于與具體的生產(chǎn)工藝工序關(guān)聯(lián)緊密,露天礦山和地下礦山分別具有各自的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場景。

2.1 露天礦山智能開采

按照圖1 所描述的露天開采智能化場景,露天礦山生產(chǎn)過程的智能化圍繞穿爆、鏟裝、運(yùn)輸和排巖等核心工藝展開。 本研究以智能裝備主導(dǎo)下的作業(yè)體系為基礎(chǔ)應(yīng)用單元,分別總結(jié)各應(yīng)用場景下的智能化要素及典型應(yīng)用。 由于鏟裝和運(yùn)輸(包括運(yùn)礦與排巖)在智能礦山中通常合并建設(shè),因此露天礦山的智能開采主要集中在穿孔爆破和鏟裝運(yùn)輸兩類生產(chǎn)作業(yè)場景。

2.1.1 穿孔爆破

智能引導(dǎo)和精確定位是露天礦鉆孔過程智能化的核心,通過鉆孔設(shè)備精準(zhǔn)定位、鉆機(jī)智能化精確作業(yè),實(shí)現(xiàn)穿孔作業(yè)的現(xiàn)場無人、遠(yuǎn)程遙控操作。 衛(wèi)星定位和5G 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無人化鉆孔設(shè)備的精準(zhǔn)定位,鉆機(jī)上的三維電子測定儀可實(shí)時(shí)測量、記錄并校驗(yàn)鉆孔位置和深度,通過控制系統(tǒng)對鉆桿進(jìn)行精確引導(dǎo),確保鉆孔的準(zhǔn)確性和效率,并為后續(xù)作業(yè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。 在爆破環(huán)節(jié),爆破工程智能化三維設(shè)計(jì)技術(shù)綜合利用了地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法,結(jié)合巖石爆破理論和爆破技術(shù),可實(shí)現(xiàn)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、爆破過程模擬和爆破效果預(yù)測分析[7]。

鞍鋼集團(tuán)齊大山鐵礦針對露天礦牙輪鉆機(jī)的定位、尋孔、鉆進(jìn)3 個(gè)主要工作流程,設(shè)計(jì)了包括導(dǎo)航定位和信息管理與操作兩大模塊在內(nèi)的數(shù)字化穿孔系統(tǒng)。 系統(tǒng)具備平面定位、孔深定位、地質(zhì)巖層識別、自動(dòng)布孔四大功能,能夠?qū)崿F(xiàn)無人化布孔、高精度尋孔、鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)節(jié),進(jìn)而減少礦山現(xiàn)場惡劣場所的操作人員數(shù)量[8]。

中國黃金烏山銅鉬礦利用三維礦業(yè)軟件進(jìn)行礦巖分穿分爆設(shè)計(jì),自動(dòng)形成鉆孔坐標(biāo)報(bào)告,利用無線傳輸技術(shù)將穿孔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送至鉆機(jī)自動(dòng)布孔終端。鉆機(jī)利用GPS 高精度鉆孔終端自動(dòng)查找穿孔孔位,穿孔后產(chǎn)生的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲傻V生產(chǎn)管理系統(tǒng),并利用軟件進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)[9]。

本鋼南芬鐵礦的智能穿爆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了布孔的自動(dòng)化和數(shù)字化、輔助鉆機(jī)司機(jī)完成導(dǎo)航尋找孔位、鉆機(jī)鉆孔信息的自動(dòng)采集上傳,以及鉆孔過程數(shù)據(jù)的采集分析等功能[10]。

隨著礦山全流程集約化管控要求的實(shí)現(xiàn),礦山更加傾向于從采選全局最優(yōu)角度實(shí)現(xiàn)爆破參數(shù)智能優(yōu)化,以減少選礦環(huán)節(jié)的礦石破碎能耗壓力。 為此,以爆堆塊度監(jiān)測分析為核心的智能爆破系統(tǒng)開始受到重視。 通過無人機(jī)、機(jī)器視覺等裝備技術(shù),采集爆堆圖像信息并快速精準(zhǔn)的辨識礦石粒度,進(jìn)一步以采選全流程經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo),對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[11-12]。

2.1.2 鏟裝運(yùn)輸

露天礦鏟裝作業(yè)的智能化主要表現(xiàn)在車鏟協(xié)同中的電鏟精準(zhǔn)控制。 綜合運(yùn)用礦用傳感器和AI 技術(shù),在實(shí)現(xiàn)鏟裝裝備遠(yuǎn)程操控的基礎(chǔ)上,通過與礦山其他設(shè)備的協(xié)同,實(shí)現(xiàn)電鏟自動(dòng)定位、鏟斗挖掘方式優(yōu)化,以及巖石塊度在線識別等功能,為礦石配礦、生產(chǎn)作業(yè)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 智能運(yùn)輸作業(yè)主要集中在礦用卡車的自動(dòng)駕駛與智能調(diào)度系統(tǒng)。 卡車定位與無人駕駛、智能調(diào)度、作業(yè)位置分配、最優(yōu)運(yùn)輸線路規(guī)劃等功能已在多個(gè)露天礦山應(yīng)用,從根本上提高了露天礦的生產(chǎn)效率和安全性。

洛鉬集團(tuán)三道莊鉬礦是我國最早嘗試露天礦智能開采的礦山之一。 自2015 年開始,按照生產(chǎn)設(shè)備操作遙控化—遙控操作遠(yuǎn)程化—無人操作智能化的步驟,逐步建立了露天礦穿孔、鏟裝和運(yùn)輸生產(chǎn)設(shè)備智能化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了穿孔、鏟裝、運(yùn)輸?shù)臒o人化作業(yè)。2019 年,三道莊鉬礦將5G 技術(shù)應(yīng)用在無人礦山,實(shí)現(xiàn)了云服務(wù)器下的精準(zhǔn)控制,滿足了復(fù)雜供礦條件下的車輛高效運(yùn)行需求。 目前,15 輛無人駕駛二代車輛已實(shí)現(xiàn)多個(gè)裝載點(diǎn)編隊(duì)運(yùn)行,一號破碎站實(shí)現(xiàn)了全站運(yùn)輸無人化[13]。

攀鋼集團(tuán)朱蘭鐵礦采用了“5G 專網(wǎng)+邊緣云計(jì)算+車鏟鉆改造聯(lián)動(dòng)+有人/無人混跑”場景的端到端解決方案[14],通過5G 及邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了YZ-35B 牙輪鉆機(jī)遠(yuǎn)程操控、WK-4B 電鏟遠(yuǎn)程操控、TR-60 礦卡無人駕駛及遠(yuǎn)程操控,以及電鏟與礦卡鏟運(yùn)協(xié)同作業(yè),支撐了露天采礦核心作業(yè)流程裝備智能化、作業(yè)流程連續(xù)化、設(shè)備及生產(chǎn)數(shù)據(jù)在線可視化。

馬鋼礦業(yè)先后在其旗下的和尚橋礦和南山礦完成了基于5G+邊緣計(jì)算的露天礦卡車無人駕駛試驗(yàn)與應(yīng)用[15-16]。 運(yùn)輸卡車仿真系統(tǒng)設(shè)置有起點(diǎn)和終點(diǎn),礦車自動(dòng)按照指定路線行進(jìn)。 卡車安裝的激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和高清攝像頭,可精確識別周邊環(huán)境,并能進(jìn)行自動(dòng)避障。 無人駕駛卡車與智能調(diào)度系統(tǒng)、協(xié)同裝載和卸載系統(tǒng)、應(yīng)急安全接管等系統(tǒng)融合后,可以實(shí)現(xiàn)礦用車輛的集群調(diào)度與協(xié)同作業(yè)。

酒鋼集團(tuán)西溝礦設(shè)計(jì)了一套集端、網(wǎng)、云于一體的智能化礦山無人露天鏟運(yùn)系統(tǒng),綜合自動(dòng)駕駛、設(shè)備急停、高精定位、5G 網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算、車鏟聯(lián)運(yùn)等關(guān)鍵技術(shù),初步實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控鏟裝、卡車自主裝卸、自主尋跡駕駛、智能避障等,實(shí)現(xiàn)了以鏟為中心的車鏟聯(lián)動(dòng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程“無人化”開采[17]。

此外,烏山銅鉬礦、包鋼集團(tuán)白云鄂博礦區(qū)的露天礦無人駕駛也正在由示范性應(yīng)用過渡到規(guī)模化生產(chǎn)階段[18-19]。

在鏟裝運(yùn)輸自動(dòng)化中,人員設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測也會(huì)同步建設(shè),成為智能應(yīng)用場景的重要組成部分。 如齊大山鐵礦基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)研發(fā)并應(yīng)用了鏟齒脫落智能識別系統(tǒng),解決了鏟齒脫落的智能感知與尋找問題[20]。 基于機(jī)器視覺的司機(jī)駕駛疲勞程度、操作規(guī)范監(jiān)測等的研究也取得了一定的進(jìn)展。

2.2 地下礦山智能開采

目前,我國地下金屬礦山在地表及井下固定設(shè)施無人化、固定位置或常規(guī)性規(guī)律化的監(jiān)控監(jiān)測等方面取得了顯著進(jìn)展,研發(fā)了相應(yīng)的裝備、傳感裝置以及軟件系統(tǒng),并已進(jìn)入了常規(guī)化應(yīng)用階段。 但制約地下金屬礦山智能開采的瓶頸環(huán)節(jié),在于井下開采過程的智能化與自動(dòng)化。 由于地下金屬礦山作業(yè)地點(diǎn)多、空間分布廣、位置動(dòng)態(tài)且具有不確定性,只有通過遙控作業(yè)或自主作業(yè)實(shí)現(xiàn)工作面無人/少人,才能從根本上解決地下開采的本質(zhì)安全問題。

在地下開采作業(yè)智能化發(fā)展中,存在著功能性和機(jī)動(dòng)性兩種要求[21]:鑿巖、裝藥、支護(hù)、充填、二次破碎等作業(yè),強(qiáng)調(diào)其在某一固定場景的功能性,位置相對固定或移動(dòng)頻次低;對于鏟裝和運(yùn)輸作業(yè),由于裝備在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生頻繁的位置移動(dòng),因此不但需要考慮在作業(yè)始末端的功能性,更為重要的是強(qiáng)調(diào)其中間過程的機(jī)動(dòng)性要求,即運(yùn)動(dòng)路徑及場景切換等。 從目前的應(yīng)用進(jìn)展可以得出,對于滿足智能開采功能性要求的主要方式是遠(yuǎn)程遙控作業(yè);對于機(jī)動(dòng)性要求,則是自主行走、無人駕駛等所能解決的問題。

在開采過程的智能化方面,新建礦山更具備優(yōu)勢。 由于在礦山設(shè)計(jì)時(shí)即采用了先進(jìn)的機(jī)械化、規(guī)模化和智能化理念,形成了智能開采的基礎(chǔ)工業(yè)化條件,例如謙比西銅礦、普朗銅礦、李樓鐵礦、司家營鐵礦等。 絕大部分的地下金屬礦山則采用“改造—示范—推廣”的實(shí)施路線,即先采用局部的示范性探索,在取得單元化、區(qū)域化的建設(shè)成果后,再進(jìn)行全局化的推廣應(yīng)用,如山東黃金三山島金礦、梅山鐵礦、馬鋼羅河鐵礦、凡口鉛鋅礦等。

2.2.1 鑿巖落礦

地下金屬礦山鑿巖作業(yè)智能化的應(yīng)用主要集中在自動(dòng)接收爆破設(shè)計(jì)、生產(chǎn)任務(wù)后,通過鑿巖臺車的遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)鑿巖作業(yè)的現(xiàn)場無人化。

三山島金礦借助5G 網(wǎng)絡(luò)高速率、低時(shí)延的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)在地表遠(yuǎn)程遙控井下-546 m 工作面的鑿巖臺車實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)作業(yè)[22]。 眼前山鐵礦以無底柱分段崩落法生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的鑿巖作業(yè)為基礎(chǔ),對礦山現(xiàn)有的Simba1354 中深孔鑿巖臺車進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控改裝,實(shí)現(xiàn)了鑿巖作業(yè)的遠(yuǎn)程遙控、自動(dòng)裝卸桿、臺車運(yùn)行狀態(tài)在線采集和預(yù)維護(hù)管理,有效減少了一線作業(yè)人員數(shù)量,改善了工人作業(yè)環(huán)境[23]。

新疆蒙庫鐵礦引入Simba ME7 中深孔智能鑿巖臺車,在富蘊(yùn)縣城90 km 外遠(yuǎn)程控制井下鑿巖設(shè)備[24]。 巷道布孔圖遠(yuǎn)程下載至終端后,臺車可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位到布孔圖中的新孔并鉆入所需的深度,同時(shí)記錄所有鉆孔數(shù)據(jù),智能臺車的應(yīng)用保證了穿孔作業(yè)精度和爆破后的礦石粒度合格率。

鑿巖作業(yè)對于安全高效的迫切性要求也推動(dòng)了新型井巷掘進(jìn)方式的發(fā)展。 2023 年12 月,國內(nèi)地下鐵礦山建設(shè)首次應(yīng)用的TBM(全斷面隧道掘進(jìn)機(jī))“基石號”在鞍鋼西鞍山鐵礦項(xiàng)目始發(fā)[25]。 TBM 工法可用于掘進(jìn)膠帶斜井、斜坡道與輔助井,為國內(nèi)大型地下鐵礦山在建設(shè)工藝、技術(shù)裝備和成本管控等方面提供了新的思路和方案。

地下礦的智能爆破主要包括爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)、裝藥作業(yè)自動(dòng)化,以及爆破過程的遠(yuǎn)程遙控作業(yè)。 目前,裝藥作業(yè)還處于機(jī)械化提升階段,即裝藥臺車的研制與應(yīng)用階段,如李樓鐵礦、程潮鐵礦均引進(jìn)了挪曼爾特中深孔銨油炸藥裝藥臺車 Charmec MC 605DA[26-27];鞍鋼礦業(yè)提出了構(gòu)建基于5G 無線傳輸、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)的爆破一體化智能管控系統(tǒng)[28];凡口鉛鋅礦在-540 m 水平進(jìn)行了智能裝藥臺車的試驗(yàn)性應(yīng)用[29],實(shí)現(xiàn)了視距遙控駕駛、遠(yuǎn)程遙控駕駛及自主行駛,以及視距遙控尋孔、遠(yuǎn)程遙控尋孔、自動(dòng)尋孔等功能。

2.2.2 鏟裝作業(yè)

我國地下金屬礦山的鏟裝作業(yè)智能化仍普遍處于局部單元化的試驗(yàn)性應(yīng)用階段,著力通過鏟裝設(shè)備的遙控或自主運(yùn)行,解決危險(xiǎn)區(qū)域的安全出礦問題。

羅河鐵礦針對井下開采存在的采空區(qū)問題,為應(yīng)對開采作業(yè)時(shí)的塌陷危險(xiǎn),對山特維克LH514E 鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn),采用遠(yuǎn)程遙控的智能鏟運(yùn)機(jī)完成鏟裝作業(yè)[30]。

山東黃金焦家金礦采用WiFi6+Mesh 組網(wǎng)環(huán)境,通過對通信設(shè)備、車載控制程序和遠(yuǎn)程操控臺程序進(jìn)行升級改造,成功完成了井下3 m3鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程遙控的場景應(yīng)用測試,實(shí)現(xiàn)了在地表調(diào)度中心對井下鏟運(yùn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制[31]。 為應(yīng)對深部開采所面臨的新問題,該礦進(jìn)一步基于5G 技術(shù),開展了鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備端改造、5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、集控操控技術(shù)接連等工作,研發(fā)了采場鏟裝、巷道運(yùn)輸和溜井卸礦的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[32]。

首鋼杏山鐵礦針對鐵礦中占用人員最多、安全風(fēng)險(xiǎn)最高以及最難實(shí)現(xiàn)智能化的井下移動(dòng)單體設(shè)備智能化問題,聚焦井下電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)、中深孔臺車的遠(yuǎn)程操控改造,采用“5G+泄露電纜”技術(shù),在鐵礦作業(yè)5G信號全覆蓋的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了井下所有電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)、中深孔臺車的地面遠(yuǎn)程集中操控,使36 名操作工的工作地點(diǎn)由井下移至地面[33]。

湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司以五礦集團(tuán)專題“智能開采關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項(xiàng)目”為支撐,2019 年開始從事地下礦山關(guān)鍵工序“5G+無人駕駛鏟運(yùn)機(jī)技術(shù)”的專項(xiàng)研究,并于2021 年12 月建設(shè)完成5G+智能化采場出礦系統(tǒng)。 云南普朗銅礦的“5G+鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了井下穿脈內(nèi)鏟礦、運(yùn)礦、卸礦作業(yè)的自動(dòng)化和智能化,無需人工在穿脈內(nèi)操作,降低了安全風(fēng)險(xiǎn)[34]。 眼前山鐵礦對現(xiàn)有的EST1030 電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行改造,研發(fā)了適用于無底柱崩落法采場的鏟運(yùn)機(jī)自動(dòng)化出礦系統(tǒng),并在井下-235 m 分段的3 個(gè)出礦進(jìn)路完成了示范性應(yīng)用[35]。

隨著礦山開采逐漸邁向深部,規(guī)模化、集群化的無人化鏟裝作業(yè)將是地下金屬礦山智能開采的重要應(yīng)用方向。

2.2.3 井下運(yùn)輸

井下運(yùn)輸作業(yè)包括無軌裝備和有軌電機(jī)車運(yùn)輸,其智能化建設(shè)的主要內(nèi)容是設(shè)備的自主運(yùn)行。 目前電機(jī)車無人駕駛與自主運(yùn)行的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛,但井下運(yùn)礦卡車智能化還沒有出現(xiàn)相對成熟的應(yīng)用案例,這與我國地下金屬礦山普遍采用的“鏟運(yùn)—溜井—電機(jī)車運(yùn)輸—豎井提升”運(yùn)輸系統(tǒng)有關(guān)。

金川集團(tuán)二礦區(qū)根據(jù)自身的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)進(jìn)行了井下無人礦卡的研究與應(yīng)用。 針對井下復(fù)雜環(huán)境會(huì)對作業(yè)人員健康及作業(yè)安全造成影響這一關(guān)鍵問題,提出了一種融合SLAM 井下定位、5G 信息傳輸和通信、用戶交互、電子圍欄以及井下交通調(diào)度算法的地下無人礦卡智能調(diào)度系統(tǒng)整體框架[36]。 通過激光雷達(dá)等傳感器實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備數(shù)據(jù)的收集和初步處理,利用光纖組網(wǎng)及5G 無線網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸,通過地表調(diào)度系統(tǒng)遠(yuǎn)程處理數(shù)據(jù)并下發(fā)各種調(diào)度決策,無人車輛根據(jù)調(diào)度決策執(zhí)行相應(yīng)指令。

紫金山金銅礦基于礦床的資源賦存條件,結(jié)合地下開采的生產(chǎn)工藝、裝備配置及生產(chǎn)組織,以多裝備協(xié)同作業(yè)思路,在-50 m 中段采區(qū)運(yùn)行了無人化鏟運(yùn)協(xié)同運(yùn)行模式研究與應(yīng)用,在245 硐口(地表)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控和井下無人值守的智能鏟裝—無人駕駛運(yùn)輸—遠(yuǎn)程破碎的一體化應(yīng)用[37]。

杏山鐵礦、普朗銅礦、銅陵有色冬瓜山銅礦、馬鋼張莊礦是國內(nèi)最早一批探索并實(shí)踐電機(jī)車無人駕駛的地下金屬礦山,目前均已實(shí)現(xiàn)有軌運(yùn)輸體系的常態(tài)化應(yīng)用,由最初的人員遠(yuǎn)程控制,逐步發(fā)展成為集智能配礦、自動(dòng)裝放礦、溜井監(jiān)測、電機(jī)車制導(dǎo)與控制、裝備自主運(yùn)行于一體的有軌運(yùn)輸成套體系[38-40]。

凡口鉛鋅礦、金川龍首礦、招金大尹格莊金礦、三山島金礦、酒鋼鏡鐵山礦、紫金山金銅礦、新疆亞克斯黃山銅鎳礦、福建龍巖馬坑礦業(yè)、西部礦業(yè)錫鐵山礦等,均基于“5G+人工智能”實(shí)現(xiàn)了井下有軌運(yùn)輸?shù)闹悄芑o人化[41-48]。 隨著示范礦山、示范區(qū)域的成熟應(yīng)用,無人電機(jī)車將成為地下礦山智能運(yùn)輸體系建設(shè)的首選內(nèi)容。

2.2.4 提 升

提升系統(tǒng)自動(dòng)化在地下礦山已發(fā)展成熟,且應(yīng)用廣泛。 但由于我國礦山大多數(shù)是由原有的單一生產(chǎn)系統(tǒng)逐步擴(kuò)產(chǎn)而來,或新建大型礦山通常設(shè)計(jì)多個(gè)提升井,因此礦山智能化建設(shè)的方向是多提升系統(tǒng)的集約化控制,尤其是生產(chǎn)調(diào)度指揮中心建設(shè)完成后,控制中心在物理上的集中為提升機(jī)的遠(yuǎn)程集控奠定了基礎(chǔ)。

金川公司二礦區(qū)采用綜合自動(dòng)化技術(shù),對分布于不同區(qū)域的4 臺提升機(jī)進(jìn)行了遠(yuǎn)程集中控制改造,實(shí)現(xiàn)了在地表提升機(jī)集控室同時(shí)對多臺提升機(jī)的性能參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和直接控制,方便了各層級管理和設(shè)備維護(hù),崗位操作人員減少了1/3[49]。 三山島金礦實(shí)現(xiàn)了7 套提升機(jī)的集中操控、招金大尹格莊金礦集中控制了4 臺提升機(jī)、內(nèi)蒙古包頭鑫達(dá)黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司實(shí)現(xiàn)了1 條明豎井和4 條盲豎井的遠(yuǎn)程集中控制[50]。

提升機(jī)無人值守遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率、減少了生產(chǎn)成本、降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。 更進(jìn)一步,提升機(jī)遠(yuǎn)程集中控制可以與礦山智能運(yùn)輸系統(tǒng)相融合,實(shí)現(xiàn)井下礦石運(yùn)輸?shù)恼w高效率、低成本與品位均衡。

2.3 生產(chǎn)輔助系統(tǒng)智能化

露天和地下開采都會(huì)涉及一些生產(chǎn)輔助系統(tǒng)。由于這些系統(tǒng)位置相對固定、生產(chǎn)工藝規(guī)則明確,其智能化建設(shè)著力于引入自動(dòng)控制手段來滿足輔助工序的功能性需求,如通風(fēng)、排水、供風(fēng)、供電等。 現(xiàn)階段,國內(nèi)大多數(shù)礦山均已實(shí)現(xiàn)無人值守、遠(yuǎn)程遙控,許多礦山將大數(shù)據(jù)分析與智能算法融入自動(dòng)控制邏輯,以低成本、高安全為目標(biāo)導(dǎo)向,實(shí)現(xiàn)了輔助系統(tǒng)的自主運(yùn)行,全面提升了智能化水平。

由于這些場景的物理分布相對固定、監(jiān)測監(jiān)控的手段和邏輯具有規(guī)則化特征,比較容易形成三維可視化、多系統(tǒng)融合疊加的展示體系,因而產(chǎn)生了大量以這些系統(tǒng)為基礎(chǔ)藍(lán)本的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)和固定路線的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。 如眼前山鐵礦應(yīng)用全自主智能巡檢軌道式機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了井下-321 m 中央變電所、地表設(shè)備的遠(yuǎn)程查看。

3 集成化應(yīng)用平臺

應(yīng)用系統(tǒng)的集成化、平臺化是我國智能礦山建設(shè)中最重要的特色。 相較于國外礦山,我國的應(yīng)用平臺具有多層次疊加、多業(yè)務(wù)融合、多系統(tǒng)集成的特征,“一張圖”平臺是目前最為流行的展示模式,通過融合智能化生產(chǎn)、安全保障、經(jīng)營管理等多功能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同、決策管控、一體化運(yùn)營等智能化應(yīng)用[51]。 針對生產(chǎn)管控的不同階段,主要有技術(shù)平臺、安全平臺、集控平臺和決策平臺四大類型。 其中,技術(shù)平臺著力解決地質(zhì)測量、設(shè)計(jì)計(jì)劃方面的智能化問題,安全平臺保障礦山生產(chǎn)安全,集控平臺實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的智能調(diào)度與控制,決策平臺利用大數(shù)據(jù)分析、云平臺等技術(shù)輔助實(shí)現(xiàn)高層決策的智能化。

3.1 面向地測采集成的技術(shù)管理平臺

現(xiàn)代礦山地測采集成管理平臺已經(jīng)廣泛采用了先進(jìn)技術(shù),包括三維建模技術(shù)、GIS 技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。 將這些技術(shù)與礦業(yè)軟件相結(jié)合,可使得平臺能夠?qū)崿F(xiàn)更高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、處理、分析和可視化。 地測采集成管理平臺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)系統(tǒng)集成,包括地測信息系統(tǒng)、采礦設(shè)計(jì)系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等。

紫金山金銅礦搭建了地測采三維協(xié)同平臺,系統(tǒng)性實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)、測量、采礦專業(yè)技術(shù)工作按流程化管理和權(quán)限管理等功能,專業(yè)數(shù)據(jù)互通共享。 所有作業(yè)文件和成果數(shù)據(jù)存儲于服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫中,從平臺上形成各種地質(zhì)、測量、采礦生產(chǎn)報(bào)表[52]。

齊大山鐵礦建設(shè)了露天礦數(shù)字孿生建模系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)采礦一塊屏,從地質(zhì)、測量、設(shè)計(jì),到采礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)、安全、設(shè)備能耗、鐵路運(yùn)輸?shù)?進(jìn)行了一體化集成,所有采礦生產(chǎn)過程都可以通過露天礦數(shù)字孿生模型完成[53]。

南山礦有效融合了地測采系統(tǒng)、綜合配礦的地質(zhì)預(yù)判系統(tǒng)、生產(chǎn)質(zhì)量管理系統(tǒng),建立了礦山生產(chǎn)管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)底層融會(huì)貫通,計(jì)劃、質(zhì)量、計(jì)量等信息的全局共享,對礦山生產(chǎn)組織、生產(chǎn)保障、生產(chǎn)調(diào)度、決策起到了支撐作用[54]。 三山島金礦建立了生產(chǎn)技術(shù)集中管理平臺,實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)資源、開采設(shè)計(jì)、作業(yè)計(jì)劃和生產(chǎn)驗(yàn)收的集成化管理。

面向地測采集成的技術(shù)管理平臺是礦山智能生產(chǎn)中重要的基礎(chǔ)性工作,通過對礦山地測采基礎(chǔ)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)的研究分析,構(gòu)建礦山地測采信息協(xié)同平臺的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),可為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集中存儲、統(tǒng)一管理和共享使用奠定基礎(chǔ)。

3.2 集成化安全管控與預(yù)警平臺

礦山集成化安全綜合管控與預(yù)警平臺的技術(shù)水平也在不斷提高。 以礦山安全生產(chǎn)六大系統(tǒng)為基礎(chǔ),許多先進(jìn)的信息化技術(shù),如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、GIS 等,相繼被引入平臺建設(shè)中,為礦山安全管理提供了更高效、更智能化的手段。 安全管控平臺將眾多的安全監(jiān)控系統(tǒng)加以集成,“人—機(jī)—環(huán)—管”多要素的安全管控體系不但可以實(shí)時(shí)監(jiān)控井下人員和各設(shè)備子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、對異常情況及時(shí)報(bào)警、確保井下各作業(yè)環(huán)節(jié)安全運(yùn)行,還可以在此基礎(chǔ)上嵌入大數(shù)據(jù)與人工智能算法,通過對井下的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行智能化的風(fēng)險(xiǎn)評估與隱患辨識,及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患,便于及時(shí)采取措施,避免事故發(fā)生,達(dá)到安全預(yù)警的目的。

冬瓜山銅礦建設(shè)了三維預(yù)防信息化平臺,依托現(xiàn)有的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng),充分利用已有的安全管理體系,建立了一套適合企業(yè)安全管理的三維預(yù)防安全管理信息化平臺,達(dá)到企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分級管控、“三違”查處有章可循、隱患整治痕跡處理、管理考核事實(shí)說話的目標(biāo)[55]。

三山島金礦的安全雙重預(yù)防體系及安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)通過將“雙重預(yù)防體系”的業(yè)務(wù)流程系統(tǒng)化,將礦山安全管理全面擴(kuò)展至以風(fēng)險(xiǎn)管控和隱患治理為核心的人、機(jī)、環(huán)、管、全要素管控;同時(shí),結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對安全檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,利用分析結(jié)果對礦山安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行智能化分級,構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)分級管控、隱患排查治理和風(fēng)險(xiǎn)智能分級相互關(guān)聯(lián)的閉環(huán)管理機(jī)制[56]。

河鋼礦業(yè)中關(guān)鐵礦搭建了標(biāo)準(zhǔn)化安全智能管控平臺,將“雙體系”與“標(biāo)準(zhǔn)化”有效融合,突出安全基礎(chǔ)管理、風(fēng)險(xiǎn)分級管控和隱患排查治理雙重預(yù)防機(jī)制等功能,提升了對安全工作及時(shí)、動(dòng)態(tài)的管控能力[57]。

中鋼礦業(yè)搭建了安全生產(chǎn)監(jiān)測智能預(yù)警平臺,集日常安全管理、動(dòng)態(tài)信息監(jiān)控、危險(xiǎn)預(yù)警和應(yīng)急救援輔助決策功能于一體,在對安全信息進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、分析、處理、傳遞和預(yù)警的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了分級管控、事故分析、危險(xiǎn)源辨識,提升了對潛在事故的預(yù)警預(yù)控能力[4]。

紫金山金銅礦引進(jìn)VR 智能安全體驗(yàn)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了安全教育由“說教式”向“體驗(yàn)式”的全新升級,讓受訓(xùn)人員從三維沉浸式的體驗(yàn)中感受事故帶來的巨大傷害,并加入事故預(yù)防措施和應(yīng)急處置方法的考核環(huán)節(jié),在全面增強(qiáng)員工安全意識的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了員工安全技能的同步提升[58]。

集成化安全管控與預(yù)警平臺通過多種安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成化、可視化及智能化的分析與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)處理到主動(dòng)預(yù)防、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、可量化與動(dòng)態(tài)化管理模式的轉(zhuǎn)變,有效提升了礦山安全管理水平。

3.3 多系統(tǒng)集中管控模式的生產(chǎn)調(diào)度集控平臺

礦山生產(chǎn)調(diào)度集控平臺通常具備生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)控、能源管理等功能,并通過實(shí)時(shí)采集和分析礦山生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度。 在生產(chǎn)調(diào)度集控平臺建設(shè)上,露天礦和地下礦分別采用了不同的建設(shè)思路:露天礦的生產(chǎn)調(diào)度集控平臺基本以衛(wèi)星定位為核心,圍繞鏟裝運(yùn)輸系統(tǒng)的可視化調(diào)度指揮展開建設(shè);地下礦的調(diào)度集控平臺則是以三維GIS 為底圖,進(jìn)行調(diào)度指揮要素的分層疊加。

3.3.1 以卡調(diào)為核心的露天礦生產(chǎn)調(diào)度平臺

以卡調(diào)為核心的露天礦生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)始終處于生產(chǎn)組織與執(zhí)行的“中樞控制”地位。 自從1997 年德興銅礦引入國內(nèi)第一套Dispatch 系統(tǒng)以來[59],基于衛(wèi)星定位的露天礦山生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)在我國歷經(jīng)了“引進(jìn)—消化—吸收—再創(chuàng)新”過程,逐步形成了成熟穩(wěn)定的技術(shù)體系并迅速推廣,首鋼水廠鐵礦、南芬露天礦、太鋼尖山鐵礦、河鋼司家營鐵礦、紫金山金銅礦等即是國內(nèi)最早一批建設(shè)卡調(diào)系統(tǒng)的露天礦山。這一階段的調(diào)度系統(tǒng)以電鏟/卡車跟蹤定位與路徑引導(dǎo)為基礎(chǔ),結(jié)合采場配礦、礦巖計(jì)量、設(shè)備備件、能源燃料管理等功能,可以對生產(chǎn)執(zhí)行過程實(shí)現(xiàn)直觀實(shí)時(shí)的指揮與應(yīng)急處理[60-65]。

經(jīng)過20 多年的發(fā)展,以北斗衛(wèi)星定位、5G、云計(jì)算為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)成為主流的基礎(chǔ)信息支撐平臺,智能鏟裝、無人駕駛等前沿性的生產(chǎn)模式催生出了新的調(diào)度管控體系,原有的礦卡調(diào)度系統(tǒng)逐步向全流程智能化開采管控方向邁進(jìn)。

三道莊鉬礦所構(gòu)建的集群協(xié)同卡車智能調(diào)度系統(tǒng)引入了群智能優(yōu)化算法,進(jìn)行實(shí)時(shí)最優(yōu)化的路徑選擇和車流規(guī)劃,并對生產(chǎn)過程的突發(fā)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警及調(diào)整。 智能調(diào)度系統(tǒng)以自動(dòng)派單模式下達(dá)鏟裝、運(yùn)輸、卸礦調(diào)度指令,作業(yè)人員或無人設(shè)備利用移動(dòng)終端實(shí)時(shí)接收調(diào)度指令,系統(tǒng)對于有人+無人混合作業(yè),乃至未來無人駕駛作業(yè)的露天礦生產(chǎn)新模式具有適用性[66]。

南泥湖鉬礦規(guī)劃建設(shè)智能管控和綜合生產(chǎn)平臺,構(gòu)建智能采礦管控、綜合生產(chǎn)執(zhí)行、三維可視化管控三大平臺,形成了以開采環(huán)境數(shù)字化和采掘裝備自動(dòng)化為特質(zhì)的智能管控體系,實(shí)現(xiàn)了采礦設(shè)計(jì)、計(jì)劃、生產(chǎn)配礦、調(diào)度和決策等過程的智能化[67]。

齊大山鐵礦基于大型金屬露天礦智能安全開采的全工藝流程,形成了“全流程規(guī)劃→多工序智能→多場景聯(lián)動(dòng)”的大型金屬露天智能開采模式,打造了智能開采的執(zhí)行與調(diào)度平臺[68]。

露天礦生產(chǎn)調(diào)度集控平臺的建設(shè)成為露天礦山生產(chǎn)由“人工調(diào)度”轉(zhuǎn)向“智能調(diào)度”、由“卡車調(diào)度”升級成為“集群管控”的標(biāo)志性工作,因而成為露天礦山智能化建設(shè)的必備內(nèi)容之一。

3.3.2 以三維GIS 為底圖的地下礦調(diào)度指揮平臺

地下金屬礦山的集控平臺通常基于GIS 底圖模式,最為常見的是裝備和設(shè)施的附加和集成管控。 平臺對分布在各處的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)掌握、故障診斷、遠(yuǎn)程操作等功能,以提高設(shè)備的運(yùn)行效率,減少設(shè)備故障,提高生產(chǎn)安全性。大多數(shù)礦山在建設(shè)生產(chǎn)調(diào)度集控平臺時(shí)會(huì)強(qiáng)調(diào)智能化調(diào)度模型的封裝與內(nèi)嵌,可以基于平臺對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)度,實(shí)現(xiàn)資源合理配置、生產(chǎn)計(jì)劃智能安排、生產(chǎn)進(jìn)度動(dòng)態(tài)調(diào)整等功能。

阿爾哈達(dá)礦業(yè)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上,將礦山井上建筑物、斜坡道,以及井下采礦、運(yùn)輸、提升等生產(chǎn)流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)直觀展示,并整合輔助系統(tǒng),形成了綜合指揮調(diào)度中心[69]。

首鋼礦業(yè)提出了“一張圖”模式的管控體系,以“現(xiàn)場無人化、操控集約化、管理智慧化”為目標(biāo),以“一張圖”理念為主線,推進(jìn)“智能采礦、智能選礦、智能運(yùn)輸、智慧管理”四大平臺建設(shè)。 在“一張圖”理念指引下,實(shí)施了工控一張圖操控系統(tǒng)和管理一張圖實(shí)時(shí)監(jiān)控分析系統(tǒng),并投入了應(yīng)用[70]。

馬鋼礦業(yè)姑山礦、山東黃金新城金礦和玲瓏金礦均上線了生產(chǎn)調(diào)度一體化監(jiān)控平臺,對生產(chǎn)車間內(nèi)各種生產(chǎn)設(shè)備及檢測儀表、視頻等進(jìn)行集中監(jiān)控管理,集存儲、監(jiān)視、控制、報(bào)警、聯(lián)動(dòng)、指揮等眾多功能于一體,具有“集中管理、分散控制、全面監(jiān)控、安全聯(lián)動(dòng)”等特點(diǎn)[71-72]。

隨著數(shù)字孿生技術(shù)在礦山的成熟應(yīng)用,面向數(shù)字孿生的生產(chǎn)管控將成為新的礦山生產(chǎn)調(diào)度指揮模式。

3.4 面向大數(shù)據(jù)的礦山生產(chǎn)運(yùn)營智能決策平臺

礦山生產(chǎn)運(yùn)營智能決策平臺是我國智能礦山建設(shè)中最為普遍、應(yīng)用最為廣泛的平臺,全面體現(xiàn)了智能礦山最終展示的體系化與集成化,其最大特征是綜合性強(qiáng)、表現(xiàn)方式圖形化,涉及數(shù)據(jù)采集、處理、分析、可視化、決策支持等多個(gè)方面,數(shù)據(jù)以圖表、報(bào)表等形式展示,便于用戶直觀理解和分析。 決策平臺對礦山的生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄和分析,通過數(shù)據(jù)挖掘和模型預(yù)測等技術(shù)發(fā)現(xiàn)問題、挖掘潛力,為生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、安全管理等方面提供科學(xué)依據(jù)。 例如,根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,可以優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度方案,提高生產(chǎn)效率;通過對安全隱患的分析,可以提前發(fā)現(xiàn)并采取措施,降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

三山島金礦基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)研發(fā)了生產(chǎn)運(yùn)營綜合管控平臺,采用大數(shù)據(jù)平臺對資源儲量、采礦、出礦、運(yùn)輸提升、地表運(yùn)輸及選礦等各工藝環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),建立了基于“礦石流”的礦山大數(shù)據(jù)綜合管控平臺,實(shí)現(xiàn)了在統(tǒng)一平臺上對礦山全流程的優(yōu)化調(diào)度與管控分析[73]。

大尹格莊金礦的“黃金智慧礦山大數(shù)據(jù)分析平臺”運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù),建設(shè)有排水、提升、選礦、通風(fēng)、運(yùn)輸、配電、充填、供風(fēng)、水平衡、尾礦庫、“六大系統(tǒng)”、系統(tǒng)管理等多個(gè)分析模塊,借助大數(shù)據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化完善各安全生產(chǎn)系統(tǒng)。 逐步建立了礦山大數(shù)據(jù)分析平臺,以期實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)與安全管理全方位的可視化集中監(jiān)測或監(jiān)控、數(shù)據(jù)挖掘、分析、診斷和決策,用于完成礦山各種感知信息的收集、加工和再利用,實(shí)現(xiàn)礦山智能化管理[74]。

鞍鋼礦業(yè)公司建設(shè)有綜合業(yè)務(wù)集控平臺,利用大數(shù)據(jù)分析、預(yù)測分析等先進(jìn)技術(shù),全面梳理了生產(chǎn)、設(shè)備、安全環(huán)保、質(zhì)計(jì)、物流等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),橫向打通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)鏈,縱向感知終端信息流,實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)融合、數(shù)據(jù)交互、輔助分析、預(yù)測預(yù)警、綜合決策,優(yōu)化生產(chǎn)過程管控,成為公司一體化、數(shù)字化、智慧化運(yùn)營管控中心[75]。

4 存在問題與措施建議

經(jīng)過20 多年的數(shù)字礦山建設(shè),特別是最近幾年的智能化建設(shè),一些先進(jìn)適用的數(shù)字化、智能化技術(shù)逐步得到應(yīng)用,礦山自動(dòng)化、智能化水平有了明顯提升,安全狀況得到了改善,出現(xiàn)了一批示范項(xiàng)目、示范礦山。 但是,隨著數(shù)字化、智能化技術(shù)應(yīng)用的不斷深入,礦山在建設(shè)內(nèi)容選擇、關(guān)鍵技術(shù)確定、數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑、管理模式轉(zhuǎn)變、運(yùn)維與應(yīng)用效果等方面也出現(xiàn)了一系列問題。

4.1 重形式輕內(nèi)容

智能礦山建設(shè)是一個(gè)將礦山傳統(tǒng)業(yè)務(wù)與信息化、數(shù)字化、人工智能技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行集成創(chuàng)新的過程,其核心目的是解決礦山生產(chǎn)中的具體問題,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保障生產(chǎn)安全。 目前,一些智能礦山建設(shè)規(guī)劃或體系研究出現(xiàn)了“強(qiáng)規(guī)劃、弱實(shí)施”的現(xiàn)象,新概念、新名詞層出不窮,系統(tǒng)邏輯和架構(gòu)大而全、應(yīng)用層級圖復(fù)雜且難以理解,對智能礦山實(shí)施缺乏必要的指導(dǎo)作用。 礦山面對該類規(guī)劃方案時(shí)普遍存在“先進(jìn)但是不知該建什么”或“前沿但不確定有什么風(fēng)險(xiǎn)”的困惑。

出現(xiàn)這一問題的根本原因是對“智能”形式的重視超出了礦山業(yè)務(wù)本身。 由于金屬礦山技術(shù)條件復(fù)雜,不同礦山之間資源稟賦、開采工藝、裝備水平、管理模式差別大,難以用一個(gè)框架、一個(gè)平臺來解決所有問題,根據(jù)礦山自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)建設(shè)方案、選擇建設(shè)內(nèi)容,是智能礦山建設(shè)能否成功的關(guān)鍵一環(huán)。

4.2 重技術(shù)輕業(yè)務(wù)

當(dāng)前,隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展,面對洶涌而至的新技術(shù)、新方法,礦山在選擇的過程中容易出現(xiàn)偏差。 20 世紀(jì)70 年代,瑞典基律納鐵礦僅靠簡單的繼電器、行程開關(guān)就完全實(shí)現(xiàn)了有軌運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化。 因此,礦山在選擇智能化技術(shù)時(shí),應(yīng)該立足于自身的技術(shù)條件和管理特點(diǎn)、深入分析業(yè)務(wù)流程,選擇適合礦山特點(diǎn)、性價(jià)比合理、能夠解決具體問題的技術(shù),以降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約建設(shè)成本、方便日常運(yùn)維。 盡管在同等條件下應(yīng)優(yōu)先選擇先進(jìn)技術(shù)以保證項(xiàng)目的先進(jìn)性,但有必要充分考慮技術(shù)/裝備的普適性問題(即同一種技術(shù)/裝備在某一礦山應(yīng)用非常成功,但在其余礦山是否同樣適用)。因此,本研究認(rèn)為礦山應(yīng)以自身需求為導(dǎo)向,科學(xué)合理地選擇智能化技術(shù),而非追求新技術(shù)、新裝備在礦山的盲目性應(yīng)用。

另外,智能化技術(shù)作為一個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物應(yīng)用到傳統(tǒng)的礦山企業(yè),與企業(yè)的管理需求往往存在較大差異,很容易與現(xiàn)有管理體制產(chǎn)生沖突。 因此,在智能化技術(shù)深入應(yīng)用的過程中,企業(yè)有必要進(jìn)一步重視數(shù)字化轉(zhuǎn)型,對現(xiàn)有的管理模式、業(yè)務(wù)流程進(jìn)行業(yè)務(wù)重構(gòu)、流程重構(gòu)和組織重構(gòu),以適應(yīng)智能化技術(shù)應(yīng)用帶來的業(yè)務(wù)變革,實(shí)現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

4.3 重展示輕應(yīng)用

我國智能礦山建設(shè)的突出特點(diǎn)是每座礦山都會(huì)建設(shè)一個(gè)高集成度的調(diào)度指揮中心,其中配置有豐富展示度的監(jiān)控大屏,并且在很大程度上呈現(xiàn)出“大屏幕越建越大、指揮中心越建越豪華”的趨勢。 在實(shí)際運(yùn)作中,中心的作用基本是生產(chǎn)管控與展示宣傳并重:一方面,展示大屏以三維模型或數(shù)字孿生為基礎(chǔ),集成了各系統(tǒng)的畫面與數(shù)據(jù),對于管理人員隨時(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際情況、及時(shí)掌握生產(chǎn)進(jìn)度發(fā)揮了積極作用;但另一方面,在仔細(xì)研究屏幕顯示的內(nèi)容后,就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些內(nèi)容與實(shí)時(shí)生產(chǎn)關(guān)聯(lián)度有待提升,指揮中心實(shí)際上更側(cè)重于直觀、形象地集成展示一些監(jiān)測數(shù)據(jù)與視頻畫面,普遍存在“監(jiān)而不控”“集而不決”的傾向。

智能礦山建設(shè)的主要目的是實(shí)現(xiàn)作業(yè)場所減人/少人、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)安全性。 通過畫面及時(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際情況盡管十分必要,但仍需在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步聚焦于生產(chǎn)運(yùn)營體系的穩(wěn)定高效運(yùn)行,尤其是地質(zhì)測量、計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)過程、安全保障等礦山尤為關(guān)注的應(yīng)用系統(tǒng)。 相對而言,國外一些礦山辦公條件、監(jiān)測監(jiān)控終端形象上比較簡陋,但其作業(yè)現(xiàn)場的裝備智能化水平非常高,有的完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化。 因此,礦山智能化建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展,歸根結(jié)底取決于各類技術(shù)裝備的應(yīng)用效果,調(diào)度指揮中心的裝備水平并不能完全反映出礦山的智能化水平,礦山應(yīng)將工作重點(diǎn)放在智能化技術(shù)、智能裝備的研發(fā)與應(yīng)用上。

4.4 重采集輕分析

自“十一五”我國開始進(jìn)行數(shù)字礦山建設(shè)以來,數(shù)字化采集即被認(rèn)為是礦山信息化與智能化需要解決的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性問題,由此催生了大量智能裝備、傳感裝置在礦山的廣泛應(yīng)用,大部分現(xiàn)場數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)/近實(shí)時(shí)的自動(dòng)化與數(shù)字化采集,同時(shí)也帶來了數(shù)據(jù)量的全維度爆發(fā)問題。 但目前許多礦山都存在著“數(shù)據(jù)很重要但不知如何使用”的困惑,并由此產(chǎn)生了在數(shù)據(jù)管理上的兩種傾向:一是在充分意識到數(shù)據(jù)重要性的情況下,采用面向集成平臺的“全掌控”方式,不同產(chǎn)生頻率、細(xì)度粒度、加工深度、業(yè)務(wù)主題的數(shù)據(jù)全部集中于數(shù)據(jù)平臺,“事無巨細(xì)”的數(shù)據(jù)體系為數(shù)據(jù)后利用的主題化、服務(wù)化帶來了極大困難;另一種則是數(shù)據(jù)經(jīng)采集、加工、處理、展示后,即認(rèn)為完成了固有的業(yè)務(wù)處理周期,形成了大量歷史數(shù)據(jù)沉淀。 在數(shù)據(jù)分析方法上,仍以對比分析等常規(guī)方法為主,數(shù)據(jù)后利用的需求驅(qū)動(dòng)不清晰、分析決策主題對于數(shù)據(jù)的依賴性不明確、異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合建模能力不足等,造成了數(shù)據(jù)智能建模分析的技術(shù)與應(yīng)用瓶頸。

智能礦山建設(shè)到一定階段后,必然會(huì)面臨數(shù)據(jù)的后綜合利用問題,數(shù)據(jù)資產(chǎn)的形成與利用對于礦山的生產(chǎn)運(yùn)營分析決策將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響,而面向主題、問題導(dǎo)向的生產(chǎn)分析,是保證礦山整體最優(yōu)化運(yùn)行的智能化保障。 這一過程并非是采集數(shù)據(jù)的簡單堆積和集成展示所能解決的,而是需要在進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)治理的基礎(chǔ)上,引入大數(shù)據(jù)分析、人工智能、商務(wù)智能等多種技術(shù)手段,根據(jù)特定主題構(gòu)建智能分析模型,全面解決地質(zhì)資源的合理利用、礦山計(jì)劃的優(yōu)化指導(dǎo)、生產(chǎn)過程的合理組織、生產(chǎn)效果的精準(zhǔn)評價(jià),以及生產(chǎn)運(yùn)營決策的科學(xué)高效等問題。

4.5 重宣傳輕效果

評價(jià)礦山智能化建設(shè)的效果,最終還是要回到企業(yè)的商業(yè)本質(zhì),即成功的智能礦山建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)為礦山產(chǎn)生高效率、帶來高效益。 結(jié)合智能化技術(shù)的特點(diǎn),本研究認(rèn)礦山智能化建設(shè)效果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是提高技術(shù)水平、獲得經(jīng)濟(jì)效益和保障礦山安全。 因此,智能系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用,并成為生產(chǎn)業(yè)務(wù)不可或缺的組成部分是評價(jià)建設(shè)效果的最低標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于行業(yè)內(nèi)對于智能礦山建設(shè)均表現(xiàn)出濃厚興趣,各類系統(tǒng)建設(shè)全面開花,且都表示采用了領(lǐng)先的技術(shù),成功建設(shè)了數(shù)字礦山或智能礦山。 本研究認(rèn)為,如果拋開效益效果、適用性與應(yīng)用深度,即廣泛宣傳了其高水平的技術(shù)、前沿性的系統(tǒng)、完善的展示平臺,但在其持續(xù)、常態(tài)化應(yīng)用的體驗(yàn)與效果方面涉及較少,在很大程度上會(huì)對智能礦山建設(shè)本質(zhì)需求的理解造成干擾。 現(xiàn)階段,在智能礦山建設(shè)方面業(yè)內(nèi)存在不同程度的“重媒體宣傳輕應(yīng)用效果”現(xiàn)象,個(gè)別礦山甚至是不到現(xiàn)場很難真實(shí)了解其智能化水平,對于客觀、全面地分析總結(jié)我國礦山智能化的總體技術(shù)水平造成了障礙。

礦山智能化建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,無法一蹴而就,其效果也并非立竿見影。 隨著礦山企業(yè)不斷發(fā)展,相關(guān)技術(shù)/裝備水平逐步提升,礦山需要根據(jù)自身的技術(shù)條件、生產(chǎn)工藝、裝備水平、管理模式,選擇適宜的智能化內(nèi)容和建設(shè)模式,逐步推進(jìn)、不斷提高,方可從根本上實(shí)現(xiàn)礦山高質(zhì)量發(fā)展。

4.6 重建設(shè)輕運(yùn)維

智能化項(xiàng)目建成投用后,能否穩(wěn)定運(yùn)行并發(fā)揮效益,持續(xù)有效的運(yùn)維是關(guān)鍵,即三分建設(shè)、七分運(yùn)維。目前,不少礦山存在“重建設(shè)、輕運(yùn)維”的現(xiàn)象,由于缺少必要的運(yùn)維機(jī)制和運(yùn)維力量,有些項(xiàng)目并未按照預(yù)期的目標(biāo)持續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行下去,而是處于勉力維持狀態(tài),成為“雞肋”或面子工程。 部分項(xiàng)目則被動(dòng)廢棄,礦山不得不重新進(jìn)行投資建設(shè),很大程度上造成了資金浪費(fèi)。 在回顧項(xiàng)目建設(shè)得失時(shí),未能客觀分析運(yùn)維的短板,而傾向于在技術(shù)/裝備、供應(yīng)商等方面尋找不足,在一定程度上影響了礦山智能化建設(shè)的積極性和可持續(xù)性。

礦山在進(jìn)行智能化項(xiàng)目建設(shè)時(shí),前期論證階段除了要考慮建設(shè)投資外,建成后的運(yùn)維費(fèi)用、運(yùn)維機(jī)制也須同步考慮;在項(xiàng)目論證與啟動(dòng)階段,就應(yīng)組織業(yè)務(wù)需求、技術(shù)提供、應(yīng)用人員、系統(tǒng)運(yùn)維、數(shù)據(jù)中心等多方力量共同參與,同時(shí)明確分工、重視移交、轉(zhuǎn)移運(yùn)維,在此過程中礦山企業(yè)需注重培養(yǎng)鍛煉本單位的開發(fā)、運(yùn)行、維護(hù)隊(duì)伍。 分析國內(nèi)外一些礦山智能化建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)可以得出,穩(wěn)定可靠的技術(shù)和及時(shí)有效的運(yùn)維是智能礦山建設(shè)成功的關(guān)鍵因素。 部分國外礦山也在使用一些我國的技術(shù)或裝備,認(rèn)為我國技術(shù)先進(jìn)適用、性價(jià)比高,但在后期運(yùn)維服務(wù)方面有進(jìn)一步提升的空間,這值得重視。

5 結(jié) 論

我國金屬礦山的智能化建設(shè)已由最初的探索性研究向常態(tài)化應(yīng)用轉(zhuǎn)變,這一過程的難度和風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)大于前期的科研探索。 本研究立足于金屬礦山智能化建設(shè)的科學(xué)分析與客觀思考,在對代表性智能化建設(shè)成果進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上,探討了目前存在的問題,所得結(jié)論如下:

(1)智能礦山建設(shè)可以從兩個(gè)層次考慮,即功能性的智能和體系上的智能。 前者是為了滿足某一具體業(yè)務(wù)的安全高效展開,如智能裝備、自動(dòng)化改造、無人值守系統(tǒng)等,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山業(yè)務(wù)操作的智能化,其技術(shù)基礎(chǔ)是高度的機(jī)械化、自動(dòng)化與人工智能;后者是以礦山整體運(yùn)行最優(yōu)化為目標(biāo)導(dǎo)向,實(shí)現(xiàn)礦山各種資源在時(shí)空上的最佳部署,其技術(shù)基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)、商務(wù)智能以及算法模型。

(2)在智能礦山建設(shè)中要正確處理分析集成性與業(yè)務(wù)分散性的關(guān)系。 目前各類集成平臺成為了所有系統(tǒng)最終的匯集地點(diǎn),但在離散式、分散式的礦山作業(yè)方式制約下,各業(yè)務(wù)的獨(dú)立性顯著,且業(yè)務(wù)間邏輯關(guān)聯(lián)、業(yè)務(wù)協(xié)同以及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)成為重要的支撐條件。 因此,集成平臺應(yīng)在畫面集成、系統(tǒng)界面集成、報(bào)表集成的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步從需求導(dǎo)向、用戶導(dǎo)向、主題導(dǎo)向出發(fā),深層次地考慮集成平臺的功能規(guī)劃問題。

(3)從目前智能礦山建設(shè)現(xiàn)狀分析得出,項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素是生產(chǎn)系統(tǒng)通過智能化改造,形成了新的作業(yè)方式,在經(jīng)過一段時(shí)期的適應(yīng)性改進(jìn)、生產(chǎn)組織調(diào)整后,必須固化成為生產(chǎn)過程中不可或缺的一部分,才能持續(xù)發(fā)揮作用,這也是我國智能礦山建設(shè)中固定設(shè)施及輔助系統(tǒng)無人化應(yīng)用較為成功的根本原因。 在單體裝備、局部應(yīng)用智能化向集群化轉(zhuǎn)變的過程中,應(yīng)充分考慮這一因素。