智慧礦山建設(shè)的探討

雷 高

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，特別是“云計算”和物聯(lián)網(wǎng)的興起，信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)和3S(GPS、GIS、RS)技術(shù)的不斷成熟發(fā)展，在IBM 提出“智慧地球”之后，國內(nèi)外眾多學(xué)者對建設(shè)智慧礦山的關(guān)鍵技術(shù)和建設(shè)方案從不同的角度提出了不同的看法和思路[1]。福建金東礦業(yè)股份有限公司[2]更是第一時間搶占技術(shù)高地，以基于SOA面向服務(wù)框架，綜合應(yīng)用計算機與信息處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、通信工程與自動化等技術(shù)，在數(shù)字礦山的基礎(chǔ)上，基本建成了一個比較初級的智慧礦山生產(chǎn)模式，并投產(chǎn)運行，且取得了很好的效果。國外一些采礦技術(shù)比較先進(jìn)的國家，如澳大利亞、美國、芬蘭和加拿大等，在二十一世紀(jì)初就已經(jīng)開始了相關(guān)方面的研究。到目前為止，這些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)全面向智慧礦山推進(jìn)，他們采用計算機控制技術(shù)、運籌學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，以減少人員占用;盡量采用機器人技術(shù)和遙感技術(shù)，達(dá)到危險環(huán)境無人值班。這些智能技術(shù)的應(yīng)用，為企業(yè)取得了高效率、高安全的業(yè)績。

在市場經(jīng)濟高度發(fā)達(dá)的今天，國內(nèi)外礦山為了實現(xiàn)自身的高速發(fā)展，都在不斷加強礦山科研的投入，并充分利用最新的科研成果來降低礦山的能耗和生產(chǎn)成本，不斷加強資源的綜合配置和利用效率。此外，礦山企業(yè)如何增強自身的技術(shù)服務(wù)水平和管理能力，如何提高企業(yè)的核心競爭力、生產(chǎn)效率等也是礦山企業(yè)促進(jìn)自身發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題[3]。二十一世紀(jì)初，國內(nèi)外許多礦山企業(yè)都陸續(xù)開展了礦山的數(shù)字化建設(shè)。近年來，山東濟寧不斷加快信息化與煤炭工業(yè)的融合，大力推動信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，努力建設(shè)數(shù)字化礦山。到目前為止，近半數(shù)的煤礦已經(jīng)建成數(shù)字化礦山，并且有望在2015年前所有駐濟煤礦都建成數(shù)字化礦山。數(shù)字礦山的建設(shè)在提高礦山營運效率，保證生產(chǎn)安全等方面都起到了積極的作用，并為礦山的現(xiàn)代化建設(shè)開啟了一個全新的時代。然而，礦山數(shù)字化建設(shè)并沒有考慮礦山總體運行。在這眾多技術(shù)中，它們都是相對孤立的單一體，沒有形成一個綜合體系，這也給礦山企業(yè)管理方面帶來許多的不足。鑒于此，國內(nèi)外許多的科究院所和人員提出建立一個新的礦山管理模式——智慧礦山，由此拉開了智慧礦山建設(shè)的序幕。

2 智慧礦山的提出

2008年11月IBM提出“智慧地球”的概念，2009年1月，美國總統(tǒng)奧巴馬公開肯定了IBM“智慧地球”的思路。2009年8月，IBM又發(fā)布了《智慧地球贏在中國》計劃書，正式揭開了“智慧地球”的序幕。正是在這一大背景下，2010年11月，國家安全總局和煤監(jiān)局通過了感知礦山的物聯(lián)網(wǎng)示范工程的技術(shù)方案[4]，由此提出了智慧礦山這一概念。

3 智慧礦山的概念及其體系

3.1 智慧礦山的概念

智慧礦山是以互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)為主要載體的現(xiàn)代礦山建設(shè)的總稱[5]，依托實時礦山測量、GPS(GlobalPositioningSystem)實時導(dǎo)航與遙控、GIS(GeographicInformationSystem)管理與輔助決策和3DGM(Three－dimensionalGeologicalModeling)的應(yīng)用，是對礦山當(dāng)前問題的一種積極的解決方案。智慧礦山是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)等的高度集成，是實時定位技術(shù)與實體基礎(chǔ)設(shè)施、信息基礎(chǔ)設(shè)施的有效集合。智慧礦山是數(shù)字礦山的延續(xù)和發(fā)展，是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上發(fā)展起來的一種高度智能化現(xiàn)代礦山管理模式。

圖1 智慧礦山三個層次

概括地說，智慧礦山至上而下可以分為智慧層、傳輸層和感知層三層體系，如圖1所示。感知層主要解決礦山井下環(huán)境數(shù)據(jù)的采集;傳輸層則是感知層和智慧層的連接樞紐，它將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街腔蹖?智慧層對采集到的信息進(jìn)行識別、處理、綜合分析、預(yù)期結(jié)果和作出決策。

3.2 智慧礦山體系

智慧礦山是建立在數(shù)字礦山基礎(chǔ)上，可以完成礦山企業(yè)管理所需要的所有信息的精準(zhǔn)實時采集、網(wǎng)路化傳輸、可視化展現(xiàn)、規(guī)范化集成、自動化操作和智能化服務(wù)的智慧系統(tǒng)。智慧礦山正在構(gòu)建一種新的礦山企業(yè)管理模式。首先是將多種智能傳感器廣泛的嵌入到礦山生產(chǎn)環(huán)境中[6]，包括人員、設(shè)備和物質(zhì)等，使物理世界可以盡可能地被感知，信息技術(shù)向物理世界延伸，物理世界被盡可能地數(shù)字化，實現(xiàn)更透明的感知，構(gòu)成一個“傳感網(wǎng)”(SensorNetworks);然后利用各種通訊技術(shù)，把傳感網(wǎng)獲取到的信息與通訊系統(tǒng)連接起來，以實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的相互對話。通過控制系統(tǒng)或是管理人員，把信息反饋到各個接收終端，實現(xiàn)物體的智能化。這樣，人與接收終端之間，接收終端與控制系統(tǒng)之間，人與控制系統(tǒng)之間就可以相互交流，就建立起了物聯(lián)網(wǎng) (InternetofThings)。最后將物聯(lián)網(wǎng)信息通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合起來，再通過超級計算機或是“云計算” (CloudComputing)，應(yīng)用各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，傳遞數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、建立模型和預(yù)測結(jié)果，為管理人員提供決策支持和解決方案，對整個礦山進(jìn)行實時動態(tài)管理[7]。智慧礦山系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧礦山系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 智慧礦山建設(shè)的內(nèi)容

智慧礦山建設(shè)是一個龐大的系統(tǒng)工程，它所涉及的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集、安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理等多個領(lǐng)域。主要包括以下六個方面:(1)對整個礦山的整體規(guī)劃建設(shè);(2)數(shù)據(jù)采集建設(shè);(3)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè);(4)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè);(5)辦公與控制系統(tǒng)建設(shè);(6)智能決策系統(tǒng)建設(shè)。在此基礎(chǔ)之上，智慧礦山系統(tǒng)能對礦山進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時采集、更新并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析利用，不斷地對礦山生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，為企業(yè)提供決策信息和解決方案，最大地發(fā)揮它的作用[4]。

5 智慧礦山的特征

智慧礦山是在數(shù)字礦山的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，因而，智慧礦山除了具備數(shù)字礦山的特點外，還有其它更為突出的特點，主要體現(xiàn)在以下三方面:

(1)更透徹的感知，即能夠充分利用任何可以隨時隨地感知、測量、捕獲和傳遞信息的設(shè)備、系統(tǒng)或流程。更為透徹的感知一方面是指礦山的感知手段多種多樣，既有傳統(tǒng)的傳感器、監(jiān)控視頻等，還有無限射頻識別標(biāo)記(RFID)、手持移動終端、GPS實時定位等，還包括在礦山里任何可以隨時隨地地感知、捕獲和傳遞信息的設(shè)備、系統(tǒng)和流程;另一方面是指，感知的客體更為豐富、多樣化，不僅包括人員、設(shè)備，還包括井下的各個巷道、采場、風(fēng)流風(fēng)速、水流、地壓的實時情況等等。這些感知設(shè)備將全方位、多層次捕獲井下盡可能多的信息，并將這些信息傳輸給管理系統(tǒng)或是管理人員。

(2)更全面的相互聯(lián)系，即指智慧的系統(tǒng)可按新的方式協(xié)同工作。在礦山單位，井下與地面或是不同中段之間的聯(lián)系一直是體現(xiàn)該礦山管理水平的一個重要標(biāo)志。傳統(tǒng)的方式如有線電話 (僅在部分中段副井的馬頭門處設(shè)置)、對講機 (井下能用的地方比較少)、監(jiān)控視頻 (僅在井下比較重要的地方設(shè)置)等，這些聯(lián)系方式比較的單一，不能很好地協(xié)調(diào)井下作業(yè)的各個環(huán)節(jié)。而智慧礦山通過物聯(lián)網(wǎng)將建立的是一種實時、高速的信息共享平臺。礦山管理人員可以對井下環(huán)境和運行情況進(jìn)行實時監(jiān)控，從傳輸回來的數(shù)據(jù)當(dāng)中及時地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還能避免意外事故。

(3)更深入的智能化，即能夠利用先進(jìn)技術(shù)更智能地洞察井下各個環(huán)節(jié)，提高工作的效率，保證工作人員的安全。我們知道，井下現(xiàn)場情況時刻處于動態(tài)變化之中，并且危險源比較分散，規(guī)律也難以把握。為了保證工作人員的安全，不僅需要加大井下危險源的監(jiān)測力度，更應(yīng)該有智能化的分析系統(tǒng)，能及時地監(jiān)測到井下工作環(huán)境的變化，并反饋到系統(tǒng)或工作人員，再通過系統(tǒng)作出分析并告知作業(yè)人員及時地采取相關(guān)措施。目前情況下，井下已有的監(jiān)測系統(tǒng)功能比較單一，數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，每個監(jiān)測系統(tǒng)又相互對立，沒有一個完整的監(jiān)測系統(tǒng)。只有將這些監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行有效的集成，建立一個智能化的現(xiàn)代礦山管理體系，統(tǒng)籌考慮、綜合分析，才能更好地提高工作效率和保證井下工作人員的安全[8]。

6 智慧礦山的運行管理

(1)智慧礦山日常生產(chǎn)管理。智慧礦山系統(tǒng)的綜合運行，需要礦山管理人員與控制系統(tǒng)來指揮調(diào)度:①促使礦山的運行與礦山的生產(chǎn)計劃相銜接;②綜合指揮指令中心，作為智慧礦山的“司令部”，指揮協(xié)調(diào)整個礦山的生產(chǎn)運行;③負(fù)責(zé)智慧礦山系統(tǒng)的日常維護(hù)和升級工作，比如數(shù)據(jù)的存儲、維護(hù)和分析，軟、硬件設(shè)備的運行維護(hù)和升級。

(2)智慧礦山的應(yīng)急管理。眾所周知，井下現(xiàn)場情況時刻處于動態(tài)變化之中，并且危險源比較分散，規(guī)律也難以把握。在井下遇到突發(fā)事件，如巖爆、透水、坍塌等災(zāi)害時，應(yīng)立即啟動突發(fā)事件應(yīng)急系統(tǒng)，最大程度地保證井下工作人員的人身安全。

7 國外對智慧礦山建設(shè)的探索

21世紀(jì)各種現(xiàn)代技術(shù)飛速發(fā)展，礦山數(shù)字化、智能化已成為現(xiàn)代礦山建設(shè)的重要標(biāo)志。信息技術(shù)、定位技術(shù)、通訊技術(shù)和自動化技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，深刻地影響和改變著傳統(tǒng)礦業(yè)沿襲百年的生產(chǎn)工藝和組織管理模式。遙控采礦、無人工作面甚至無人礦井等已在加拿大、瑞典、美國、澳大利亞等國成為現(xiàn)實[9]。20世紀(jì)90年代初，加拿大開始研究遙控采礦技術(shù)，目標(biāo)是實現(xiàn)整個采礦過程的遙控操作，且已研制出樣機，并在INCO公司的幾個地下鎳礦試用，實現(xiàn)從地面對地下礦山進(jìn)行控制。INCO公司通過地下通訊、地下定位與導(dǎo)航、信息快速處理及過程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對地下開采裝備乃至整個礦山開采系統(tǒng)的遙控操作[9－10]。加拿大還制訂出一項擬在其北部邊遠(yuǎn)地區(qū)的一個礦山實現(xiàn)無人礦井的規(guī)劃，即從薩得伯里通過衛(wèi)星操縱礦山的所有設(shè)備實現(xiàn)機械自動破碎和自動切割采礦[9];1992年芬蘭提出的智能礦山計劃，該計劃涉及采礦過程實時控制、礦山信息網(wǎng)建設(shè)、新機械應(yīng)用、資源實時管理和自動控制等28個專題，擬通過采用高新技術(shù)提高礦山生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，實現(xiàn)硬巖露天礦和地下礦山的設(shè)備自動化和生產(chǎn)實時智能化控制[11]。美國Modular采礦系統(tǒng)公司則認(rèn)為智能礦山建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及現(xiàn)代信息、自動控制、可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以及采礦、地質(zhì)、測繪、系統(tǒng)工程等多學(xué)科，是礦山生產(chǎn)、管控與決策過程的智能化，可分為局部裝備與局部流程的智能化和全礦山智能化兩個層次，并將其采礦管理集成化命名為INTELLIMINE 決策平臺(Dispatch)[12]。

自動采礦技術(shù)是智慧礦山的重要組成部分，該技術(shù)的研發(fā)始20世紀(jì)80年代中期。加拿大NORANDA公司為滿足自身發(fā)展需要，研制了多種自動遙感設(shè)備，包括卡車與鏟運機LHD(Load－Haul－Dump)光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)和 LHD遙控系統(tǒng)等[13]。1994年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織(CSIRO)聯(lián)合研制了露天礦索斗鏟巡航系統(tǒng)與精確卸載模型，并開發(fā)了地下金屬礦LHD自動控制系統(tǒng);1996年，挪威DYNO、加拿大INCO和芬蘭TAMROCK公司合作投資了一個采礦自動化計劃(MAP)，旨在通過MAP有效開發(fā)深部或復(fù)雜難采礦體、減少交接班及進(jìn)出礦井等無效工時、提高勞動生產(chǎn)率、降低作業(yè)成本。之后，瑞典也制定了向礦山自動化進(jìn)軍的“GROUMTECKNIK”戰(zhàn)略計劃。如今，基于采礦流程全自動化即無人采礦(Unmannedmining，或Hands－offmining)技術(shù)的無人工作面和無人礦山，已成為21世紀(jì)采礦技術(shù)革新的重要領(lǐng)域之一[12]。

在國外，一些礦業(yè)巨頭對智慧礦山建設(shè)已有初期的探索。加拿大國際鎳公司在斯托比(STOBIE)礦建成了一種基于有線電視和無線電發(fā)射技術(shù)相結(jié)合的地下通訊系統(tǒng)，并在中央控制室安裝了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)和規(guī)劃設(shè)計軟件等智能控制系統(tǒng)，這種功能很強的寬帶網(wǎng)絡(luò)與礦山各中段的無線電單元相結(jié)合，可傳輸多頻道的視頻信號。智能控制系統(tǒng)將接收到的信息經(jīng)過分析處理，直接向采礦設(shè)備發(fā)送工作指令，操作每臺設(shè)備。該礦除了固定設(shè)備已實現(xiàn)自動化外，鏟運機、鑿巖臺車、井下汽車均已實現(xiàn)了無人駕駛，工人只需在地面遙控這些設(shè)備。設(shè)備基本上是自主運行，整個井下工作面基本上不需工作人員[14]。

8 智慧礦山建設(shè)對我國礦山發(fā)展的意義

到目前為止，采礦技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了原始階段——機械化階段——數(shù)字化階段，正在向智慧化方向邁進(jìn)。智慧化是礦山技術(shù)發(fā)展的最高形式，只有實現(xiàn)了智慧化、實現(xiàn)了危險場所的無人值守，才能極大地提高生產(chǎn)效率和安全水平，并從根本上實現(xiàn)安全礦山、幸福礦山、和諧礦山的目標(biāo)。智慧化是提高生產(chǎn)效率、保證安全的最好手段之一。

礦山技術(shù)方面，近年來有了長足的進(jìn)步。在有的方面，已經(jīng)在國際上達(dá)到了領(lǐng)先水平。只要朝著智慧礦山發(fā)展，快速行動，我們就可能搶占先機，整體上率先達(dá)到智慧礦山的領(lǐng)先水平。智慧礦山的建設(shè)，將可以達(dá)到下列目標(biāo):實現(xiàn)我國采礦技術(shù)和產(chǎn)品的智慧化，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的大轉(zhuǎn)型、技術(shù)大提高。

9 結(jié)語

智慧礦山是在數(shù)字礦山的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是未來礦山企業(yè)發(fā)展的方向。智慧礦山以物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為主要載體，通過各種傳感網(wǎng)絡(luò)感知實時礦山，為礦山企業(yè)提供了一個統(tǒng)一管理平臺。智慧礦山涵蓋了礦山的所有信息，實現(xiàn)了對礦山的實時監(jiān)控和可視化、數(shù)字化及智能化控制，將信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)和3S技術(shù)與現(xiàn)代采礦技術(shù)緊密地融合在一起，構(gòu)建了一個人與人、人與物、物與物相聯(lián)系的統(tǒng)一體，并將促進(jìn)礦山各部門的相互聯(lián)系和協(xié)同作業(yè)。

必須加快智慧礦山的建設(shè)，并應(yīng)用于礦山生產(chǎn)實踐、市場經(jīng)營管理與決策中，實現(xiàn)對礦山企業(yè)管理的科學(xué)化、自動化，以安全、高效開采為最終目標(biāo)，保證礦山企業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。

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