數(shù)字礦山應用及其現(xiàn)狀研究

梁 宵，袁艷斌，張 帆，夏文釗

(武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430070)

隨著計算機技術、空間數(shù)據(jù)庫技術以及地理信息系統(tǒng)技術的發(fā)展與深入研究，信息化在采礦工程及礦山生產技術管理中，也發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。信息技術的快速發(fā)展和浪潮般的推廣應用，為礦山企業(yè)帶來了機遇，也帶來了壓力，“數(shù)字礦山”應運而生[2]。數(shù)字礦山是以計算機及其網(wǎng)絡為核心手段，實現(xiàn)礦山信息的獲取、存儲、傳輸、表述、深加工及其在各個生產環(huán)節(jié)和管理與決策中的應用。它是一個由多個相互關聯(lián)的軟、硬件分(子)系統(tǒng)組成的龐大系統(tǒng)。

數(shù)字礦山的建設開發(fā)過程，稱為礦山數(shù)字化。礦山數(shù)字化過程是綜合運用GIS(地理信息系統(tǒng))、遙感、遙測、網(wǎng)絡、多媒體及虛擬仿真等技術，建設礦山資源開發(fā)利用、信息采集、動態(tài)監(jiān)測管理和輔助決策服務系統(tǒng)的過程。它是地理、資源、生態(tài)環(huán)境等復雜系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、虛擬仿真，具有優(yōu)化決策支持和可視化表現(xiàn)等強大功能[3]。

礦山數(shù)字化的最終目標，是應用礦產經濟、數(shù)學地質、信息技術的原理與方法，通過計算機及軟件，把礦床地質、礦產開發(fā)等有關信息，以地理坐標為標準有機集成起來。并通過數(shù)學分析研究，建立這些數(shù)據(jù)的三維空間聯(lián)系，實現(xiàn)現(xiàn)實礦山實體的數(shù)字化、可視化，從而解決礦山生產動態(tài)管理、生產方案優(yōu)化決策、礦山生產規(guī)劃、礦床邊深部找礦增儲、資源的合理開發(fā)利用等技術問題，以便減少資源的浪費和環(huán)境污染，提高礦業(yè)開發(fā)的社會經濟效益[4]。

1 礦山數(shù)字化的必要性及其應用

從20世紀80年代中期起，計算機在我國礦山開始得到應用，經過學術界與工業(yè)界近20年的努力，取得了不小進展[2]。1998年，美國副總統(tǒng)戈爾在題為《數(shù)字地球：展望21世紀我們這顆行星》的演講中，首先提出了“數(shù)字地球”，進而出現(xiàn)了“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”等概念。數(shù)字礦山則是數(shù)字地球和數(shù)字中國理念及技術，在礦山勘探、開發(fā)及礦山管理中的具體應用，是一種未來礦山的嶄新體系，是對真實礦山整體及其相關現(xiàn)象的統(tǒng)一認識與數(shù)字化再現(xiàn)[5]。礦山數(shù)字化的實現(xiàn)對礦山企業(yè)的發(fā)展具有極其重要的意義。

1.1 降低礦山勞動強度，提高工作效率

通過礦山數(shù)字化信息系統(tǒng)，可以了解整個礦山所涉及的信息過程，特別是礦山系統(tǒng)多體之間信息的聯(lián)系和相互作用的規(guī)律。以計算機為工具建立的原始資料數(shù)據(jù)庫和礦床模型，可隨時在計算機上高效、便捷查尋。利用這些數(shù)據(jù)建立地質模型；進行不同礦種不同品位的資源管理和資源評估，也可以利用地質模型進行礦山設計、井下測量、安排生產進度、優(yōu)化參數(shù)等功能。

數(shù)字化礦山以開采生產計劃編制為基礎，依據(jù)實際的礦石開采量和礦石品質數(shù)據(jù)，調整計劃目標和重新編制生產計劃[6]。針對實際生產過程中設備生產能力改變、突發(fā)故障等不確定情況，研究采礦設備調度優(yōu)化方法，在無線網(wǎng)絡的支持下，對現(xiàn)場開采生產進行監(jiān)控并提出動態(tài)調整建議和措施，使得采礦生產滿足計劃要求以及采礦生產成本最小化，提高生產效益和社會效益。

1.2 化解礦山風險隱患，增強安全系數(shù)

數(shù)字礦山建設的目的，就是要通過將礦山各種信息系統(tǒng)、計算技術和工業(yè)控制的有機整合，最大限度合理調配各種資源，最優(yōu)化地控制與調度各種裝備與設備，實現(xiàn)礦山管理的科學性和生產的安全、高效、經濟和礦產資源利用的最優(yōu)化[7]。

數(shù)字礦山是對真實礦山整體及其相關現(xiàn)象的統(tǒng)一性認識與數(shù)字化再現(xiàn)，可以有效利用數(shù)字化的方式，對環(huán)境進行監(jiān)測和監(jiān)視。對生產空間的各種信息進行采集，建立各種分析模型。對采集的信息進行加工處理，化解開采過程中的高危險、高危害因素，預防可能發(fā)生的各種災害事故，做到重大事故的提前處理，把事故消滅在隱患之中。降低開采風險，降低工人勞動強度和保障生產人員的安全[6]。通過礦山數(shù)字化，提高礦山安全生產管理能力，進一步提升礦山技術管理水平，為安全生產決策提供技術保障，最終實現(xiàn)基于數(shù)字化、信息化和管理現(xiàn)代化的本質安全型礦井。

1.3 合理開發(fā)資源，減少資源浪費和環(huán)境污染

隨著現(xiàn)在高品位的礦山、易采礦石越來越少，低品位礦石和埋藏深度大的礦石越來越多，越來越難采、難選。數(shù)字化礦山，一方面可以重新圈定礦體和計算儲量，另一方面也可以為降低采礦成本提供有效的途徑[6]。礦山數(shù)字化后，可優(yōu)化工業(yè)指標，根據(jù)不同產品的廠家對原料的要求，通過有目的、有計劃地采礦，富礦石與中低品位礦石按一定比例配礦成為商品礦石，也增加了中貧礦石的利用率[4]。數(shù)字礦山有利于合理開發(fā)資源，充分利用中低品位礦石，綜合利用多組分礦物資源，優(yōu)化品位指標。同時，通過建立礦物模型，查明三維空間各礦物定量分布規(guī)律，通過定點采礦和按比例配礦，保持人選礦石中礦物含量有利配比，提高選礦回收率，降低選礦藥劑的用量，減少資源浪費和環(huán)境污染。

2 礦山數(shù)字化系統(tǒng)構架

數(shù)字礦山建設的目的，是以信息的無縫鏈接來融合礦山生產過程中的各個生產單元，無論是組成、結構和技術要求等各個方面，數(shù)字礦山都是一個非常龐大的信息系統(tǒng)。它采用計算機網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術、計算機圖形學、組件技術及GIS技術等，建設礦山統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)采集、存儲、輸出、查詢與分析平臺，構建服務于生產技術人員的地測、通風、安全、生產技術、調度、機電、運輸、設備及辦公自動化等專業(yè)應用系統(tǒng)平臺[8]。

2.1 數(shù)字礦山的基本結構[2]

數(shù)字礦山以3S技術為基礎，通過有線和無線網(wǎng)絡接入測繪系統(tǒng)、地質勘探單元，融合遙感航拍等數(shù)據(jù)，建立豐富詳盡的基礎地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并對這些基礎信息通過三維地學建模系統(tǒng)進行處理和可視化表達，進一步分析、提取相關背景知識，為采礦設計與決策支持系統(tǒng)提供依據(jù)。通過決策與支持系統(tǒng)的進一步知識升華，將直接能夠提供給采礦指揮系統(tǒng)參考信息，來生成生產的指導計劃。

2.2 數(shù)字礦山的系統(tǒng)結構層次

從數(shù)字礦山的技術與結構進行分析，可以將復雜的數(shù)字礦山系統(tǒng)分為了7個層次，每個層包含了對應的應用功能，各個層次和功能之間相對獨立又能保持良好的相關性，很好的處理了內聚與耦合的辯證要求。

數(shù)據(jù)層，即數(shù)據(jù)獲取與存儲層，為后續(xù)各層提供部分或全部輸入數(shù)據(jù)；模型層，即表述層，它不僅將數(shù)據(jù)加工為直觀、形象的表述形式，而且為優(yōu)化、模擬與設計提供輸入；模擬與優(yōu)化層，實現(xiàn)工藝流程模擬、參數(shù)優(yōu)化、設計與計劃方案優(yōu)化等；設計層，即計算機輔助設計層，為把優(yōu)化解轉化為可執(zhí)行方案，或直接為進行方案設計提供手段；執(zhí)行與控制層是生產方案的執(zhí)行者，如自動調度、流程參數(shù)自動監(jiān)測與控制、遠程操作等；管理層，包括MIS與辦公自動化；決策支持層，依據(jù)各種信息和以上各層提供的數(shù)據(jù)加工成果，進行相關分析與預測，為決策者提供各個層次的決策支持。

2.3 數(shù)字礦山的系統(tǒng)組成

按照功能劃分，數(shù)字礦山包括六大類系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)獲取與管理系統(tǒng)、數(shù)字開采系統(tǒng)、礦區(qū)地理信息系統(tǒng)、選礦數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)，每個系統(tǒng)分別定義了具體的功能要求。其中，數(shù)字開采系統(tǒng)是核心系統(tǒng)，也是效率和效益的主要創(chuàng)造者。數(shù)字開采系統(tǒng)完成與開采各工序直接相關的所有工作，它有礦床模型系統(tǒng)、地質模型系統(tǒng)、優(yōu)化與模擬系統(tǒng)、輔助設計系統(tǒng)、調度系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成。國際上有名的礦山專業(yè)軟件公司，都把開發(fā)重點放在數(shù)字開采系統(tǒng)上[2]。

3 礦山數(shù)字化現(xiàn)狀及存在的問題

3.1 我國礦山數(shù)字化現(xiàn)狀

長期以來，我國的礦山一直處于勞動密集型的機械化初級水平，管理粗放，技術和裝備水平落后，決策、設計、生產等許多環(huán)節(jié)中都是依賴于經驗，科學性程度不高。主要表現(xiàn)為：礦山地質、測量、采礦技術工作手段落后，設計編制人為因素較大，施工、生產過程自動化控制程度低，作業(yè)安全保障程度低，生產可視化程度低、通信手段落后，生產設備落后、工人缺乏安全生產與合理操作培訓，管理理念陳舊，系統(tǒng)不健全，信息傳遞速度慢等。

這些問題，主要是由于礦山的管理水平較低，管理創(chuàng)新能力不足，經營觀念陳舊、管理基礎薄弱、管理手段和方式落后，導致先進技術、系統(tǒng)和手段上的引進、建設力度不夠。由此造成了生產科學性不高、安全程度低、開采合理性不夠、生產效率低、上傳下達滯后、缺乏有效的安全預警手段和機制等問題。為保障礦山生產的安全、合理、高效，加強礦山的數(shù)字化建設就顯得尤為重要[9]。

3.2 礦山數(shù)字化存在的問題

在我國，數(shù)字礦山的研究已掀起一股熱潮，隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，我國數(shù)字礦山也已經開始從理論分析階段逐步走向實際應用[3]。數(shù)字礦山技術復雜，系統(tǒng)龐大，是一個涉及領域很廣的新興學科，數(shù)字礦山的建設也是一個龐大的系統(tǒng)工程。雖然我國數(shù)字礦山技術研究取得了一定的成績，但是礦山數(shù)字化總體水平還很低，在礦山數(shù)字化進程上還是存在著不少問題，與國際先進水平有很大差距[8]。

3.2.1 礦山開采的復雜性和分散性

礦山是以自然資源開發(fā)利用為對象的生產企業(yè)。賦存于地殼淺層中的礦產資源，不僅其所賦存的地質環(huán)境非常復雜，而且，對礦體本身而言，其空間位置、形態(tài)、元素品位分布等均極富變化，是一個復雜的系統(tǒng)。而且，其主要作業(yè)場所都會隨著時間的推移而不斷發(fā)生變化，正常的生產過程一般都要經歷采切、鑿巖、崩礦、出礦、充填等環(huán)節(jié)，與其他加工企業(yè)工藝流程相比，具有離散(即工藝不連續(xù))、分散(即作業(yè)場所多)等特征。

3.2.2 礦山數(shù)據(jù)豐富但知識貧乏

隨著數(shù)據(jù)庫技術的迅速發(fā)展以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在礦山廣泛應用，礦山積累的數(shù)據(jù)越來越多。激增的數(shù)據(jù)背后，隱藏著許多重要的礦山生產經營信息，人們希望能夠對其進行更高層次的分析，以便更好的利用這些數(shù)據(jù)。目前的信息系統(tǒng)，可以高效的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入、查詢、統(tǒng)計等功能。卻由于缺乏有效的數(shù)據(jù)分析和挖掘工具，無法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的關系和規(guī)則，無法根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)預測礦山的發(fā)展趨勢，從而導致“數(shù)據(jù)爆炸但知識貧乏”的現(xiàn)象

3.2.3 礦山信息標準化工作滯后

大部分大中型礦山企業(yè)已經建立了企業(yè)內部網(wǎng)(Intranet)和Internet網(wǎng)站，但是絕大多數(shù)企業(yè)起到的作用僅僅是停留在媒體的簡單擴充上，沒有充分利用網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡深層的信息資源挖掘，缺乏共享的、網(wǎng)絡化的信息資源。企業(yè)的產品編碼、管理編碼和統(tǒng)計指標等技術標準、規(guī)范不一，不能使企業(yè)內部、企業(yè)與客戶、供應商、業(yè)務伙伴的信息流暢通，更談不上電子商務的運用。

4 數(shù)字礦山發(fā)展建議

基于礦山數(shù)字化的一些問題，應建立礦山數(shù)據(jù)倉庫、礦產資源管理數(shù)字化、采、供、銷管理數(shù)字化、礦山安全管理數(shù)字化、礦山地、測、采專業(yè)的數(shù)字化的應對策略[9]。

4.1 建立礦山數(shù)據(jù)倉庫

數(shù)據(jù)是礦山生產、管理的重要依據(jù),而礦山現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分散到企業(yè)的不同層次、不同部門,無法進行深入、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析,更不能滿足管理者的決策分析需求,建立一套全面的礦山數(shù)據(jù)顯得非常重要。礦山數(shù)據(jù)倉庫，是實現(xiàn)礦山價值鏈從勘探、采礦、選礦、銷售到礦山復墾全礦范圍的信息倉庫。

4.2 礦山地、測、采專業(yè)的數(shù)字化

地質、采礦、測量是礦山的主體專業(yè),是直接為礦山生產服務的,是礦山的核心技術。這部分工作技術含量大,實施難度也大,對人才的要求也高,建立相應的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是很必要的。在該數(shù)據(jù)庫中，存儲礦山地形、地質資料,巖層和礦體的產狀,礦石儲量資料,開采設計資料等礦山一系列的原始、動態(tài)資料。該數(shù)據(jù)庫可以方便地質、測量、采礦設計人員和管理人員隨時查詢,了解礦山的整體開采狀況和局部工作面的工作進度,為地質、測量、采礦設計人員極大的減輕了工作負擔,也方便了管理人員進行資料管理。

4.3 數(shù)字礦山的關鍵技術研發(fā)[3]

加強數(shù)字礦山關鍵技術的自主研發(fā)，掌握信息化核心技術開發(fā)的自主知識產權，對數(shù)字礦山建設至關重要。要建立企業(yè)級共享礦業(yè)地理管理信息系統(tǒng)，開發(fā)礦山專用軟件與模型，改進井下多媒體通訊與無線傳輸技術，加大智能采礦技術研發(fā)力度，提高虛擬現(xiàn)實與可視化技術等。

5 結 語

數(shù)字地球的概念在美國提出之后，采礦業(yè)發(fā)達國家就已開始利用數(shù)字信息技術來改造和提升采礦業(yè)，不僅變革了傳統(tǒng)礦業(yè)沿襲百年的生產工藝和組織管理模式，且極大地提高了礦山企業(yè)的生產效率和安全水平。建設我國礦山數(shù)字化，也將是社會經濟、資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

數(shù)字礦山是未來礦山的發(fā)展方向。礦山應根據(jù)實際情況，整體規(guī)劃礦山的數(shù)字化建設，有重點、分步驟地實施。建立礦山信息管理系統(tǒng)，為礦山數(shù)字化搭建好軟硬件網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)礦山管理數(shù)字化。

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