智能化在澳洲某地下礦山的應(yīng)用

劉曉亮，鄢德波

(1.五礦有色金屬股份有限公司， 北京 100044；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

智能化的含義很廣，涵蓋了許多先進(jìn)技術(shù)的戰(zhàn)略規(guī)劃，實現(xiàn)過程較為多樣。自 1990年代開始，智能化就在礦業(yè)領(lǐng)域開展了研究和應(yīng)用，依托高速發(fā)展的信息技術(shù)等智能手段，近些年來已經(jīng)取得了較好的實際應(yīng)用成效。

礦山生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，各環(huán)節(jié)間相互關(guān)聯(lián)。合理安排生產(chǎn)，及時識別問題并針對性地采取有效措施，對礦山高效生產(chǎn)非常重要。尤其對于礦石開采環(huán)節(jié)，不僅需要考慮人員、設(shè)備的調(diào)用，還要考慮各流程間的相互影響；不僅需要考慮到采出礦石的量和品質(zhì)，還要考慮到開采與掘進(jìn)之間的平衡關(guān)系[1-3]。通過智能化能夠較為高效地從不同角度來解譯信息、輔助生產(chǎn)決策，本文以澳洲某礦山為例探討智能化的應(yīng)用及效果。

1 國際發(fā)展現(xiàn)狀

礦山智能化是礦山發(fā)展的較高級階段，是機(jī)械化、自動化、信息化等“三化”全面普及和高度發(fā)展后的產(chǎn)物。針對不同的應(yīng)用場景、不同的目標(biāo)需求、不同的發(fā)展階段，礦山智能化的表現(xiàn)形式較為多樣，有基于自動化設(shè)備的、基于信息技術(shù)的、基于數(shù)據(jù)挖掘的等。

力拓自2008年開始在皮爾巴拉（Pilbara）地區(qū)實施“未來礦山”計劃，將其位于該地區(qū)的 16個鐵礦、4個港口、1700 km鐵路網(wǎng)和相關(guān)設(shè)施整合成皮爾巴拉運營，并將集成運營中心設(shè)置在千里之外的城市珀斯[4]。至 2018年底共完成總量的 30%以上的卡車自動化改造，也完成了鐵路系統(tǒng)的自動駕駛改造。2016年的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，改造后，每輛卡車平均增加工作時間1000 h，運輸成本降低15%[5]。預(yù)計在2021年，該項計劃將為公司增加50億美元的凈現(xiàn)金流，且其后每年也將額外提供5億美元凈現(xiàn)金流。

同為礦業(yè)巨頭的必和必拓，也在其旗下礦業(yè)資產(chǎn)中大力推廣智能化，如使用專家系統(tǒng)來規(guī)劃和跟蹤鐵礦石在礦山和港口之間的運輸；利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，提升多因素決策能力，不斷提升鐵路運輸系統(tǒng)的表現(xiàn)，減少了物流的擁堵問題，增加了運輸量；使用即時追蹤技術(shù)，提升了采出礦石品位，并降低了動力和水的消耗；實施精密開采計劃，通過在大型設(shè)備上安裝傳感器，以迅速和準(zhǔn)確地分析銅品位，最大化其位于智利的Escondida礦的產(chǎn)量，延長礦山服務(wù)年限[6]。

得益于優(yōu)質(zhì)的資源稟賦，力拓和必和必拓已經(jīng)在礦山智能化方面有了廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的收益。相對于露天礦山，地下礦山由于條件限制，實現(xiàn)智能化稍具挑戰(zhàn)。

2 礦山概況

澳洲某礦山位于澳大利亞昆士蘭州西北部牧場區(qū)，位于知名礦業(yè)城市Mount Isa市東北約85 km，距離Cloncurry鎮(zhèn)約65 km，距離港口城市Townsville約700 km。

該礦山采用地下開采，斜坡道開拓，無軌化生產(chǎn)，原礦產(chǎn)量175萬t/a～200萬t/a。礦體厚度2 m～20 m，傾角75°左右，主要采用SLOS法開采，全尾砂膏體膠結(jié)充填。

由于遠(yuǎn)離城市，該礦山主要采用FIFO（Fly In Fly Out，飛進(jìn)飛出）的通勤方式，即乘坐飛機(jī)往返居住城市和礦山。采用連續(xù)生產(chǎn)模式，每天分2班，每班12 h，工作2周休息1周。

3 智能化應(yīng)用情況

現(xiàn)代礦業(yè)的商業(yè)化程度較高，依托發(fā)達(dá)的交通體系，飛進(jìn)飛出模式能夠大幅降低偏遠(yuǎn)地區(qū)礦山的建設(shè)投入。由于礦山須連續(xù)生產(chǎn)，該模式下除了要考慮日夜輪班外，還需要考慮周間輪班，需一定的人員冗余量。為實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，該礦山采用日夜加周間的倒班安排，即工人在完成一周夜班和一周白班后，須按規(guī)定乘坐飛機(jī)返回居住城市休息一周，期間由第三班補上。該模式下的人員需求較多，不同班次之間的溝通效果較差，通勤成本較高。

對位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的礦山來說，通過機(jī)械化、自動化、智能化手段來優(yōu)化人員和資源配置，能更好實現(xiàn)降本增效，提升礦山競爭力。

3.1 機(jī)械化

該礦山地下開采實現(xiàn)了全面的無軌機(jī)械化：通勤采用礦用皮卡，提升運輸采用60 t井下卡車，裝載采用8 m3鏟運機(jī)，巷道掘進(jìn)采用雙臂鑿巖臺車，生產(chǎn)采用潛孔鑿巖臺車，其他輔助設(shè)備包括裝藥臺車、服務(wù)臺車、灑水車等。

井下卡車帶稱重裝置，中控屏幕上能顯示出卡車的負(fù)載重量，經(jīng)現(xiàn)場實際驗證，3個月使用后精度能控制在±0.1 t。

鏟運機(jī)配備遙控裝置，具備人工駕駛、視距遙控和超視距遙控3種操控模式；可配置自動巡航模塊，只需在裝礦或者卸礦的時候進(jìn)行人工干預(yù)，運輸過程中可完全實現(xiàn)自動巡航。有效運距內(nèi)，一個工人可同時操作3臺鏟運機(jī)。部分鏟運機(jī)上安裝有自稱重模塊，鏟臂上舉到特定高度和角度可實現(xiàn)準(zhǔn)確稱重。

潛孔鑿巖臺車配有自動鉆孔模塊，通過網(wǎng)絡(luò)或者移動存儲介質(zhì)將鉆孔設(shè)計參數(shù)輸入臺車后，臺車可自行鉆鑿并自動處理卡鉆等小故障。

3.2 信息化

3.2.1 設(shè)計三維化

如澳洲其他礦山一樣，該礦山的地質(zhì)模型精度較高，為三維化設(shè)計創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。

地質(zhì)專業(yè)通過對勘探鉆孔編錄后，主要生成 2個模型：地質(zhì)模型（主要顯示礦體的形態(tài)和構(gòu)造等信息）和塊體模型（主要顯示出礦體的資源品位和價值等信息）。以這 2個模型為基礎(chǔ)，綜合工程地質(zhì)要求和礦塊設(shè)計參數(shù)等約束信息，通過 MSO（Minable Shape Optimizer）程序生成符合條件的礦塊布置。具備了上述信息后，三維化設(shè)計成果便達(dá)到了精度要求。

礦山規(guī)劃工程師（Mine Planning Engineer）基于上述模型完成礦山整體設(shè)計。通風(fēng)工程師將礦山設(shè)計模型導(dǎo)入Ventsim軟件進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)算，生產(chǎn)工程師在三維采場模型上進(jìn)行鑿巖爆破設(shè)計，測量人員根據(jù)中心線生成測量備忘錄（Survey Memo）交付工人施工，完成的工程通過 CMS形成三維模型后錄入設(shè)計中去。所有工作以三維為基礎(chǔ)，從設(shè)計到實施形成閉環(huán)管理。

3.2.2 計劃精細(xì)化

精細(xì)的礦山計劃是安全、合理、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。礦山計劃按階段分為：生命周期計劃、一年期計劃、季度計劃、13周滾動計劃、周計劃和日計劃。合理的長周期計劃是生產(chǎn)平衡的保障，合理的短周期計劃是生產(chǎn)效率的保障，各階段之間的無縫銜接與及時同步非常重要。

排產(chǎn)軟件與設(shè)計軟件可以實時同步：更改了生產(chǎn)計劃，三維設(shè)計里的相應(yīng)特性會隨之更改；更改了三維設(shè)計后，生產(chǎn)計劃里的信息也會同步調(diào)整。

在設(shè)置好工作的優(yōu)先級和優(yōu)先模式后，排產(chǎn)軟件可以自動生成礦山生產(chǎn)計劃。在預(yù)設(shè)好設(shè)備臺班效率、人工效率、材料消耗等信息后，軟件可以根據(jù)排產(chǎn)結(jié)果生成預(yù)算報表等。借助排產(chǎn)軟件，礦山生產(chǎn)計劃和預(yù)算可以精確到每天。

3.2.3 礦山信息化

礦山信息化體現(xiàn)在2個方面，工作模式的信息化和生產(chǎn)活動的信息化。

（1）工作模式信息化。礦山配置了設(shè)計文件服務(wù)器，可以實現(xiàn)多人協(xié)作和版本控制[7]，設(shè)計人員可通過互聯(lián)網(wǎng)隨時訪問設(shè)計文件，修改后執(zhí)行登記操作即可更新設(shè)計，發(fā)現(xiàn)問題時可隨時恢復(fù)到之前的設(shè)計。礦山還配置了局域網(wǎng)文件服務(wù)器，供不同專業(yè)間交換較大的文件和歸檔工作。

（2）生產(chǎn)活動信息化。工人通過車載通訊裝置及時向地表控制室匯報自己的工作信息，包括設(shè)備載重、鉆孔米數(shù)、地點等；控制室將匯報的信息錄入信息收集系統(tǒng)，以“元信息”的形式存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫；工程師在辦公室通過工作界面可以生成預(yù)設(shè)好格式的報表，也可以通過使用聯(lián)機(jī)分析處理（OLAP）技術(shù)來調(diào)用生產(chǎn)數(shù)據(jù)[8]，通過使用商業(yè)智能軟件（Business Intelligence）生成動態(tài)報表，從不同角度展示生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

3.2.4 礦山智能化

礦山智能化可分為設(shè)備智能化和決策智能化。

（1）設(shè)備智能化。該礦山實施了一個智能研發(fā)項目，旨在通過機(jī)器學(xué)習(xí)實現(xiàn)出礦品位的自動判斷。品位判斷技術(shù)的核心是圖像識別，通過安裝在鏟運機(jī)上的高清攝像頭來識別礦堆中的高品位區(qū)域，隨后設(shè)備按要求將不同品位的礦石運至指定儲礦點。

（2）決策智能化。這主要是依賴于該礦和所在公司強大的信息系統(tǒng)。除了上文所講到的礦山生產(chǎn)活動信息化外，礦山的其他領(lǐng)域也實現(xiàn)了數(shù)據(jù)化。如選礦，通過設(shè)置在各個環(huán)節(jié)的傳感器，將生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)詳細(xì)地記錄到其信息化平臺中；如物流運輸，礦山配置了專門的物流管理平臺來記錄產(chǎn)品的運輸過程；如倉儲管理，礦山引入了現(xiàn)代化倉儲系統(tǒng)，通過二維碼、射頻卡等措施追蹤備品備件、原輔材料的消耗；如油料供應(yīng)，礦山引入了油料計量設(shè)備來跟蹤消耗。

所有的生產(chǎn)相關(guān)指標(biāo)最終匯入SAP系統(tǒng)，與財務(wù)、風(fēng)控、管理等數(shù)據(jù)實現(xiàn)集成，為智能化打通了最后一環(huán)。這些信息記錄平臺本身具備一定的數(shù)據(jù)分析能力，但其仍主要側(cè)重在生成企業(yè)報表。該礦研發(fā)了一款數(shù)據(jù)挖掘和動態(tài)報表平臺，可以通過軟件自帶的查詢功能從不同的數(shù)據(jù)源獲取信息來實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，再通過 M 和 DAX（Data Analysis Expressions）語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過動態(tài)化的圖形進(jìn)行交互展示。當(dāng)用戶點擊某個項目或者某個圖表時，其他與之?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的圖形都會進(jìn)行篩選顯示，大大提高了數(shù)據(jù)的可讀性，為挖掘數(shù)據(jù)關(guān)系，實現(xiàn)智能化決策創(chuàng)造了條件。

4 問題與不足

礦山的智能化還處在發(fā)展階段，智能化設(shè)備、智能化決策等在實際生產(chǎn)過程中仍然存在較多不足。

（1）設(shè)備糾錯能力較弱。如深孔鑿巖設(shè)備，雖然可以按照設(shè)計文件自行鑿巖，但由于算法仍不完善等原因，自糾錯能力較弱。如面臨卡鉆等問題時，設(shè)備需要花費大量時間或必須通過人工干預(yù)來解決，影響作業(yè)效率。

（2）圖形分析難度較大。通過機(jī)器學(xué)習(xí)來判斷礦石品位需要較為清晰的礦石圖像，但因光照不足、塵土干擾等原因，較難獲取清晰、真實的礦石圖像，影響了礦石品位分析、識別的實際操作效率。

（3）數(shù)據(jù)收集仍需完善。礦山已具備完善的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，能夠?qū)⑸a(chǎn)中的數(shù)據(jù)盡量單元化存儲，作為智能化分析的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)收集工作所涉及的環(huán)節(jié)、人員較多，收集過程中難免出現(xiàn)瑕疵數(shù)據(jù)，導(dǎo)致智能分析結(jié)果受到影響。

5 智能化探討

智能是認(rèn)知、思考、判斷的能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)是實現(xiàn)智能化的必要條件。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以為智能化提供充足的信息儲備，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實現(xiàn)關(guān)聯(lián)信息的深度挖掘，云計算技術(shù)可以解決運算力不足等硬件限制。礦山智能化可以理解為：利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)倉儲技術(shù)、即時在線分析技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘和展現(xiàn)技術(shù)，等對礦山實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過人工智能技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，揭示出隱含的、未遇見的、潛在的價值信息，為礦山生產(chǎn)調(diào)度、風(fēng)險識別、問題診斷、生產(chǎn)優(yōu)化等多個方面提供即時支持。