智能礦山技術架構與建設思路

張元生，戰(zhàn) 凱，馬朝陽，金 楓，劉 旭，韓志磊

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160； 2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京 102628； 3.北京北礦智能科技有限公司，北京 102628)

全球礦業(yè)正處于一場新的變革，以新一代信息技術與礦產資源開發(fā)深度融合為特征的智能礦山建設引領了礦業(yè)領域新一輪的發(fā)展熱潮，人工智能、工業(yè)互聯(lián)網、5G通信、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、邊緣計算等新技術的不斷深化應用，正在深刻改變并重塑礦業(yè)開發(fā)的各個領域和各個階段，礦業(yè)正逐步邁入遙控化、智能化、少人化乃至無人化發(fā)展的新階段。

智能礦山的發(fā)展源自于自動化采礦與數(shù)字礦山。西方礦業(yè)發(fā)達國家最早開始應用自動化采礦技術可追溯到20世紀60年代，之后持續(xù)發(fā)展，進入20世紀90年代，芬蘭、加拿大等國家開始實施智能礦山研究計劃[1-2]。我國自1999年提出智能采礦[3]和2000年提出數(shù)字礦山[4-5]，經歷近20年的發(fā)展取了長足的進步[6-10]，在發(fā)展過程中，國內、國外不斷交叉融合，數(shù)字礦山概念由我國提出逐步得到國際(南非、美國等)同行業(yè)認可，由自動化采礦延伸而來的智能采礦在我國得到不斷的發(fā)展[11-12]。近年來，相關概念進一步延伸和演化，部分學者提出“智慧礦山”的概念[13-19]，縱覽發(fā)展過程，專家學者對數(shù)字礦山、智能礦山、智慧礦山的認識不甚相同，但在作者看來，在同一時空領域下，其實質內涵和主要任務相差無異。本文通過概述智能礦山發(fā)展的現(xiàn)狀，從不同視角梳理智能礦山的發(fā)展理念及技術架構，闡述當前及未來一段時期內金屬礦山領域智能礦山建設的主要內容，進而結合礦業(yè)企業(yè)的特點剖析智能礦山建設的模式，并給出智能礦山的建設思路。

1 智能礦山領域發(fā)展現(xiàn)狀

當前，礦業(yè)發(fā)展進入全球化布局、國際化經營及開放式競爭的新時期。礦業(yè)發(fā)展正面臨諸多難題，礦產品價格波動較大且總體處于低位，礦山開采深度日益增加帶來安全隱患增大以及采礦成本的不斷增大，采礦作業(yè)環(huán)境惡劣亟需改善，一線人員平均年齡大，人員接續(xù)困難，開采成本不斷攀升，綠色開發(fā)要求日益提高。發(fā)展智能采礦技術，并逐步探索無人開采技術，減少下井作業(yè)人員，提高開采安全性與生產效率，是我國資源開發(fā)尤其是深部資源開采的必然選擇。

1.1 國外智能礦山領域發(fā)展現(xiàn)狀

智能化是全球工業(yè)領域的發(fā)展趨勢，也是提升國際競爭力和話語權的核心因素。芬蘭、澳大利亞、瑞典、加拿大、美國等礦業(yè)發(fā)達國家，先后制定了一系列智能礦山發(fā)展計劃，大幅提升礦山的自動化與智能化水平，增強了企業(yè)的競爭力。近五年，國外仍在持續(xù)加大布局智能礦山技術應用，國外許多礦業(yè)公司，如巴理克、力拓、波里登、基律納鐵礦、紐蒙特等，都在實施數(shù)字智能礦山建設計劃，在三維礦業(yè)軟件深度應用、裝備智能化及無人化作業(yè)、生產協(xié)同管控與實時調度等方面都達到了很高的水平，澳大利亞力拓公司推出“未來礦山”計劃，計劃在珀斯遠程控制遠在上千公里外的皮爾巴拉礦區(qū)10余個礦山，目前已初步實現(xiàn)多個礦山主體采礦作業(yè)環(huán)節(jié)的現(xiàn)場無人化作業(yè)。

1.2 國內智能礦山領域發(fā)展現(xiàn)狀

受國外礦業(yè)發(fā)達國家智能礦山發(fā)展的影響，國家先后出臺“機械化換人、自動化減人”等專項計劃，引導我國礦山企業(yè)實現(xiàn)智能化轉型，提升礦山企業(yè)核心競爭力。近年來，我國也不斷加大數(shù)字礦山、智能采礦領域的投入力度，國家自“十一五”開始圍繞采礦設備高精度定位、數(shù)字化采礦軟件、智能化采礦裝備等方向，布局了一批科技攻關項目，大幅推進了我國數(shù)字礦山與智能采礦技術的發(fā)展?！笆濉逼陂g，由北京礦冶研究總院牽頭組織實施的863主題項目“地下金屬礦智能開采技術”，開發(fā)了智能鏟運機、智能中深孔鑿巖臺車、智能卡車、智能潛孔鉆機、智能裝藥車等智能采礦技術與裝備，大幅推進了我國智能采礦領域的發(fā)展?！笆濉逼陂g，科技部啟動“地下金屬礦規(guī)?；療o人采礦關鍵技術研發(fā)與示范”國家重點研發(fā)計劃，繼續(xù)推動我國智能礦山領域的技術攻關。

與此同時，國內部分大型礦山正在結合國家“中國制造2025”、“新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃”等政策倡議，打破傳統(tǒng)模式，基于物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網等技術打造“智能礦山”的產業(yè)鏈，實現(xiàn)礦山向“少人化”、“智能化”的方向轉型升級。當前，山東黃金集團、紫金集團、新疆有色集團、江鎢集團、江銅集團、洛鉬集團、中國黃金集團等國內大型礦業(yè)集團都已啟動智能礦山建設，其中三山島金礦[20-21]、杏山鐵礦、普朗銅礦等礦山在采礦裝備遠程遙控作業(yè)、電機車無人駕駛、生產自動化系統(tǒng)、生產集中調度等方面取得了較大進展，尤其是山東黃金集團，依托三山島金礦打造成國際一流的示范礦山，進一步推動了智能礦山縱深發(fā)展的進程。

總體而言，礦業(yè)領域向智能化、無人化方向的發(fā)展進程將不斷加快，打造智能礦山，成為我國礦業(yè)發(fā)展的必經之路。

2 智能礦山內涵及技術架構

2.1 智能礦山內涵

智能礦山是采用人工智能、工業(yè)互聯(lián)網、新一代通信技術、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、邊緣計算、精確定位與導航、虛擬現(xiàn)實等智能技術和信息化技術，深化改造并重塑礦山采、選、冶等核心生產環(huán)節(jié)，實現(xiàn)礦山全鏈條的智能化與協(xié)同化，從而達到礦山經營處于高效、安全、綠色、和諧及經濟效益最優(yōu)的目標。

智能礦山以基礎信息化設施、礦山資源數(shù)字化系統(tǒng)、安全管理信息化系統(tǒng)為支撐，以礦山大數(shù)據(jù)與運營決策系統(tǒng)為決策核心，通過固定設施自動化系統(tǒng)、無軌裝備智能化系統(tǒng)、有軌裝備智能化系統(tǒng)、智能選廠等智能化作業(yè)系統(tǒng)完成礦山各作業(yè)環(huán)節(jié)的實際執(zhí)行和閉環(huán)反饋，形成透明化、一體化和規(guī)范化的生產、運營、決策體系。

2.2 智能礦山技術架構

由于智能礦山(圖1)是一項多專業(yè)、多學科交叉的系統(tǒng)工程，關于智能礦山的技術架構，如同智能礦山的定義一樣，一直以來沒有一個統(tǒng)一的認知，因專業(yè)視角差異及認知程度的不同，對于智能礦山的技術架構理解差異較大。作者認為總體而言可以歸納為兩個角度，一個是從地測采選等工藝的角度看智能礦山，一個是從信息化、智能化技術角度看智能礦山，但探究其本質實為一致。本文結合兩種認知角度給出智能礦山的兩種典型技術架構，見圖2、圖3，在實際開展智能礦山研究及建設時可融合參考。

圖2給出了一種按照工藝環(huán)節(jié)設計的典型架構，通過融合物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、無線通信、自動控制、智能調度、地理信息系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫等多方面技術，全面開展基礎信息化設施、礦山資源數(shù)字化系統(tǒng)、安全管理信息化系統(tǒng)、礦山大數(shù)據(jù)與運營決策系統(tǒng)、固定設施自動化系統(tǒng)、無軌裝備智能化系統(tǒng)、有軌裝備智能化系統(tǒng)及智能選廠建設，實現(xiàn)礦山的高度智能化和高效協(xié)同化，大幅提升礦山經營管理水平，構建面向“礦山規(guī)劃-地質建模-采掘計劃-采礦設計-采礦作業(yè)(落礦-出礦-運輸-提升)-選礦(破碎-球磨-浮選-濃密-脫水)-尾礦充填-尾礦排放”全流程的、以“礦石流”為主線的高度集成化、智能化、扁平化的礦山生產經營管理模式。

圖1 智能礦山概念圖Fig.1 Concept of intelligent mine

圖2 智能礦山架構圖(工藝環(huán)節(jié))Fig.2 Intelligent mine architecture(production process)

圖3給出了一種采用基于工業(yè)互聯(lián)網平臺的三層技術架構。通過對生產設備進行智能化改造和成套智能裝備的應用，實現(xiàn)對生產信息的智能感知，及作業(yè)智能化功能的執(zhí)行；利用廣泛分布在廠礦車間的信息采集傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)泛在互聯(lián)互通；通過采用微服務、容器技術等新的軟件架構模式，升級開發(fā)數(shù)據(jù)服務與應用服務工業(yè)互聯(lián)網平臺，支撐企業(yè)運營管理和決策分析。

圖3 智能礦山架構圖(工業(yè)互聯(lián)網架構)Fig.3 Intelligent mine architecture(Industrial Internet)

與此同時，充分發(fā)揮已建信息化系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)來源的作用，推動公有云與私有云結合的企業(yè)云部署策略。

3 智能礦山建設內容及思路

3.1 智能礦山建設主要內容

基于本文給出的技術架構，結合礦山的特點及當前技術發(fā)展的階段，梳理出智能礦山建設的八個重點方向的內容，包括基礎信息化設施與系統(tǒng)、礦山資源數(shù)字化、安全管理信息化、采礦固定設施自動化、采礦裝備智能化系統(tǒng)、智能選廠、生產智能管理系統(tǒng)、智能礦山大數(shù)據(jù)與運營決策系統(tǒng)。

1)基礎信息化設施與系統(tǒng)建設，主要包括礦山數(shù)據(jù)通信網絡、網絡安全系統(tǒng)、多媒體調度通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)一致表達與編碼準則、數(shù)據(jù)倉庫、ERP等基礎管理信息化系統(tǒng)等建設內容。

2)礦山資源數(shù)字化建設，重點開展礦產資源的三維數(shù)字化建模、分析及其他應用，主要包括地質資源管理系統(tǒng)、礦山測量管理系統(tǒng)、采礦智能設計系統(tǒng)等建設內容。

3)安全管理信息化建設，主要開展礦山人員管理系統(tǒng)、礦山裝備碰撞預警系統(tǒng)建設、礦山安全監(jiān)測及避險系統(tǒng)等建設。

4)采礦固定設施自動化建設，涵蓋提升、排水、供電、壓風、通風、充填等自動化系統(tǒng)。

5)采礦裝備智能化系統(tǒng)建設，圍繞礦山生產裝備的智能化控制及輔助系統(tǒng)，主要包括：采礦裝備狀態(tài)感知系統(tǒng)、井下高精度定位與導航系統(tǒng)、無軌裝備遠程控制系統(tǒng)、地下開采生產實時調度系統(tǒng)、斜坡道信號控制系統(tǒng)、固定作業(yè)裝備遠程控制系統(tǒng)、溜井料位監(jiān)測系統(tǒng)、有軌裝備遠程控制系統(tǒng)、露天采礦卡車調度系統(tǒng)。

6)智能選廠建設，主要包括選礦智能在線檢測與邊緣計算分析系統(tǒng)、選礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、選廠智能操作系統(tǒng)、虛擬選廠及選礦全流程優(yōu)化決策系統(tǒng)等建設內容。

7)生產智能管理系統(tǒng)建設，主要包括實驗室化驗分析管理系統(tǒng)、稱重計量無人化管理與智慧物流系統(tǒng)、能耗管理智能化及設備智能維護系統(tǒng)等建設內容。

8)智能礦山大數(shù)據(jù)與運營決策系統(tǒng)建設，主要包括智能礦山綜合集成與管控一體化系統(tǒng)、礦山大數(shù)據(jù)分析與處理中心、智能礦山決策支持系統(tǒng)等建設內容。

3.2 智能礦山建設總體思路

智能礦山的建設思路總體上堅持“總體規(guī)劃，分步實施”的建設路徑，依據(jù)企業(yè)實際業(yè)務特點和支撐配套條件，循序漸進地推進企業(yè)智能礦山建設進程。

1)首先編制總體規(guī)劃，根據(jù)礦山實際需求緊迫程度、基礎條件和資金承受能力等因素制定實施方案，明確任務目標、預期成果及詳細的實施計劃，分步開展建設。

2)實施建設時，應先開展礦山資源數(shù)字化、基礎信息化設施及安全管理信息化系統(tǒng)的建設工作。實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)數(shù)字化，應用三維礦業(yè)軟件完成采礦設計與采掘計劃；構建礦山信息傳輸、處理、存儲平臺和集中管控體系，并建成“人、機、環(huán)”全體系監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)；同步開展礦山采礦固定設施自動化和選礦自動化系統(tǒng)建設。

3)在基礎信息化、自動化系統(tǒng)建設基礎上，進一步開展采礦無軌裝備智能作業(yè)系統(tǒng)、有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)、智能選廠、礦山大數(shù)據(jù)分析與決策平臺等建設，實現(xiàn)礦山全作業(yè)流程智能化及部分作業(yè)環(huán)節(jié)無人化。

4 智能礦山建設的保障措施

企業(yè)進行智能礦山建設所需要的保障措施如圖4所示。

圖4 智能礦山建設的保障措施Fig.4 Guarantee measures of intelligent mine construction

1)資金投入

企業(yè)應依據(jù)自身經營情況及實際建設需求確定智能礦山投資目標，制定詳盡的投資計劃及配套管理制度。

2)組織規(guī)劃

企業(yè)要在深入需求分析的基礎上，了解各工藝環(huán)節(jié)建設運營的需求，進行統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設計，建立合理的組織架構，組建專項管理團隊，明確責任分工，形成進度協(xié)調機制，全面保障、管理智能礦山建設的整體實施。

3)人才隊伍

企業(yè)應加強智能礦山相關人才隊伍建設，加大復合型人才培養(yǎng)力度，引進外部優(yōu)秀人才，組建技術過硬的人才隊伍。形成內外結合人才儲備機制，依托外部開展技術難題攻關，依靠內部完成建設運營。

4)維護運營

企業(yè)應依據(jù)自身管理模式及生產需要編制智能礦山系統(tǒng)運營維護準則，規(guī)范維護管理流程。同時探索自身維護、外部專業(yè)化維護及混合運營維護等多種運營維護模式。

5)信息資源

企業(yè)應結合自身信息化系統(tǒng)建設特點開展網絡信息資源管理標準化工作，構筑標準化管理體系。

6)信息安全

礦山企業(yè)應重視信息安全防護體系建設工作，制定計算機和網絡安全系統(tǒng)、信息資源安全和災備系統(tǒng)建設規(guī)劃，編制互聯(lián)網及局域網使用管理辦法等安全管理準則和安全防范機制。

7)過渡方法

企業(yè)應因企制宜，根據(jù)企業(yè)智能制造基礎的強弱程度，分類推進企業(yè)的智能升級。圍繞企業(yè)業(yè)務需求，在滿足經濟性的基礎上，按照數(shù)據(jù)采集自動化、業(yè)務流程規(guī)范化、信息系統(tǒng)集成化、運營狀態(tài)可視化、管理決策智能化進行推進。

5 結 論

智能礦山是礦業(yè)發(fā)展的新的歷史階段。本文通過概述智能礦山的發(fā)展現(xiàn)狀，總結了智能礦山的內涵，結合礦山特點及當前技術的發(fā)展階段，提出了基于工藝環(huán)節(jié)和工業(yè)互聯(lián)網平臺的兩種典型智能礦山技術架構，梳理出智能礦山建設的八個重點方向的內容，并給出智能礦山建設的總體思路與保障措施，為建設集資源的數(shù)字化管理、面向“礦石流”的智能生產管控、全流程的少人無人化生產、集成化的本質安全管理、基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的智能決策于一體的智能礦山提供了理論基礎。