我國礦山智能化轉型升級分析與探索

毛銳 覃聰 張陽

（1.息烽縣工業和信息化局，貴州貴陽 550000；2.遵義鋁業股份有限公司，貴州遵義 563000;3.黔東南州工業和信息化局，貴州黔東南 556000）

采礦業是現代經濟基礎，是工業生產的能源與原材料來源，礦山開采是農業之外人類經濟生產活動中最古老的行業[1]。通過開采各類礦產資源，提供大量工業生產所需要的原材料和資源，是社會其他經濟生產活動得以順利開展的基礎和前提。礦山智能化建設直接關系我國國民經濟和社會智能化的進程，將人工智能、工業物聯網、云計算等ICT技術與現代礦產資源開發利用深度融合，對提升我國礦山行業的安全生產水平、保障礦產資源穩定供應具有重要意義。

一、礦山行業智能化發展現狀

（一）國外礦山智能化發展現狀

國際上把礦山的智能化分為五個階段，分別是原始階段、機械化階段、信息化階段、數字化階段和智能化階段（表1）。

表1 國外礦山智能化發展階段

（二）國內礦山智能化發展現狀

1. 智能礦山建設各具特色

我國礦山智能化建設各具特色，如陜煤白水煤礦運用5G技術，模擬實地采礦場景，創新了礦產資源開采新模式，形成礦業發展新引擎。江銅德興銅礦運用“互聯網+”技術，在“采、裝、運、支”等關鍵環節實現了智能化，減少了開采環節的作業工人，實現了無人化和少人化，大大提高了井下開采的安全性。山東能源集團引入華為Stack大模型，滿足“數據不出企”的要求，初步實現了采礦行業從人工管理到智能化管理、從被動管理到主動管理的轉變。

國際上，智能采礦已被廣泛認為是礦山未來的發展方向，在采礦過程中運用智能化技術和設備可以極大地提高生產力、保障從業人員的安全、減少財產損失，因此智能礦山是礦山技術變革、生產方式創新的必然趨勢。經過長久的發展和探索，發達國家在礦業領域的智能化建設已經日漸成熟，并廣泛運用。我國近年來對礦山智能化技術的研究也愈發重視，以安全、綠色、高效、經濟、安全為目標，引導礦山企業構建智能化系統，并在政策、技術、資金等方面給予大力支持。國內近年來對智能采礦的政策支持情況見表2。

表2 國內近年來對智能采礦的政策支持情況

2. 智能化發展戰略持續推進

2023年2月，中共中央、國務院印發的《數字中國建設整體布局規劃》（以下簡稱《規劃》），提出要做強做優做大數字經濟，培育壯大數字經濟核心產業，研究制定推動數字產業高質量發展的措施，打造具有國際競爭力的數字產業集群[2]。在國家戰略和政策的指引下，國家相關部委、礦山行業協會也頒布了一系列礦山數字化轉型的相關政策及指導意見，為礦山數字化轉型提供指引以及營造良好的政策環境，加快推動礦山企業數字化轉型，給礦業發展注入新動能，為礦山企業轉型升級、創新發展開拓新領域。

（三）降本增效效果明顯

礦企對智能化建設的投入，一方面是出于政策安全監管方面的要求；另一方面則是出于礦山生產經營降本增效方面的需求。智能礦山系統對礦山生產提質增效的效果已經開始顯現，對不合規、有風險的行動進行及時預警，減少安全事故發生概率，避免因停產整頓產生的巨額虧損。精細化管理整個生產流程，避免過往傳統、粗放的流程導致的浪費，實現降本增效；智能決策系統與智能化設備有效降低了礦山作業場景對人力的需求，并實現流程規范化，降低勞動力雇傭成本與管理成本（圖1）。

圖1 煤礦智能化提升投資回報

（四）產學研深度融合

礦山智能化建設迫切需要既理解礦山業務又掌握信息技術的復合型人才；盡管中國正處于工程師紅利期，但能夠實現數字技術與礦山實際場景深度融合的高端技術人員仍相對稀缺。在采礦工程類本科生穩定招生1.2萬人的背景下，2022年智能采礦專業招生數量較2021年增長4倍多，該趨勢有助于礦山“產學研用”協同創新體系的打造。

二、智能礦山建設路徑探索

智能礦山是把地質勘探監測、礦產資源儲量摸底、采礦、選礦、冶煉、生態修復、環境保護等各要素結合起來，共同實現數字化、自動化、信息化和系統化管控，使礦山運行系統具有報警、分析、判斷和處理的能力，實現智能化生產和管理。

（一）大力建設通信設施

穩定的5G通信網絡是智能礦山運行必要的數據基礎設施。5G專網是當下礦山場景中無線基礎網絡的最優選擇，能夠解決當下Wi-Fi、3G/4G、WIA-PA/FA工業無線網絡等通信技術標準的多種問題，提供大帶寬、高可靠、低時延、可移動的通信網絡，賦能智能礦山應用[3]（表3）。

表3 礦山通信設施類型

（二）構建礦山數字孿生

數字孿生是礦山智能化轉型的主要途徑，也是礦山無人化運營的數字基礎。數字孿生的原理是通過對礦山地質、地表、設備、人員的數字孿生化，讓管理人員進入“人身安全環境”下的數字孿生礦山閉環中，逐步達到可視化、實時同步和互操作的運行水平，實現礦山經營少人化、無人化的最終目標（圖2）。

圖2 數字孿生架構

礦山數字孿生需要經歷多個發展階段，想要實現實時可操作的“完全體”，還有待礦山智能化進程的進一步發展（表4）。

表4 數字礦山發展階段

（三）打造無人礦山

對于露天礦場開采而言，礦石與廢料土方運輸占據整個礦山生產成本的大頭，部分露天礦山運輸成本高達50%（運輸基建成本占比更高），因此降低土方運輸成本是智慧無人化礦山建設的重要切入點。從作業環節看，無人駕駛在露天礦山的落地，不僅實現了無人化安全作業與經營效益提升，也為后續的礦山智能化建設打好了地基，使基于人工智能與大數據技術的智慧決策系統具有可行性（圖3）。

圖3 礦山無人駕駛系統

由圖4可知，無人駕駛在2012年實現了規?；瘧?，同時降本效應明顯，達到了50%。

圖4 礦山無人駕駛系統降本增效

（四）形成智能礦山

從生產作業工序出發，通過數字孿生與AI技術推動礦山作業的智能化與無人化。通過對地質測量、礦產資源儲量、采礦、選礦、資源節約與綜合利用、生態環境保護等各要素實現智能化、自動化、信息化和協同化管控，建設具備感知、分析、推理、判斷、決策能力的現代化智能礦山（圖5）。

圖5 礦山升級改造與生產經營整合

三、礦山智能化轉型的保障措施

（一）政策指引

雖然國家和地方均出臺了針對礦山安全生產和智能化建設的相關政策要求，但是對于“從哪些維度建設”“建設到什么程度”“有哪些具體指標”這些具體問題仍然缺乏相應的標準規范，礦山智能化建設難以做到有的放矢，標準體系建設需求迫切。目前，國家礦山安全監察局已經著手推動智能礦山標準體系，為未來礦山的智能化建設提供標準指引[4]。

（二）建設資金投入

礦山的開采是一項長周期的投入，根據礦山及礦儲量的規模，一般礦山的生命周期短則10年，長則30年。這意味著前期的項目整體規劃至關重要，需要全面涵蓋礦山基建、智能化設施的投入、生產采掘的規劃等。

從長期視角看，要形成觀念上的轉變，即礦山數字化、智能化的建設投入不應被視為單純的財務支出，而更應該是一種資產投入，其目的在于幫助礦業企業以更低的成本、更高的效率、更安全的方式進行生產運營，帶來持續的管理和經營效益（表5）。

表5 礦山智能化支出與投入對比

（三）規范市場秩序

產業智能化、數智化發展是一個循序漸進的過程，細枝末節的環節很多，搭建一個能夠真正“跑起來”，對業務有實質性提質增效的產品，還是需要時間和耐心去打磨[5]。市場過熱的現象可能會引起“劣幣驅逐良幣”的問題，比如重復性建設、打造“面子工程”，或是熱錢涌入或導致投機者橫行（而用戶企業在實施前缺乏辨識度），讓從業者費心費力培育起來的市場信心又一次受到重創，導致行業發展陷入停滯甚至倒退（圖6）。

圖6 礦山投資與投資金額

（四）加大產業融合

智能化礦山要以實現“安全、綠色、高效”為核心目標，將大數據、互聯網、人工智能等新技術與采礦行業深度融合，體現出數字化、智能化技術和裝備應用于生產和管理過程，實現礦山安全生產全流程可視化、可管化、可控化以及一體化管理，提高生產效率和安全性。