新型智能化礦山體系構(gòu)建
——以河北省易縣益陽花崗巖礦山為例

許方寧, 楊 霄, 武力聰, 朱澤斌

(1.易縣益陽花崗巖開采有限公司,河北 保定 074200； 2.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司,北京 100040)

數(shù)字露天礦山建設(shè)不是各種信息化系統(tǒng)的簡單堆砌，而是通過將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、無人機(jī)、三維激光掃描等技術(shù)和裝備與露天礦山開采有機(jī)結(jié)合，形成露天礦山互聯(lián)、分析、感知、預(yù)測、深度學(xué)習(xí)、決策、控制的具有符合露天礦智慧開采的“智慧大腦”系統(tǒng)。露天礦山“智慧大腦”的構(gòu)建，從無人機(jī)測量、違章行為智能識別、智能調(diào)度、物料流規(guī)劃以及多源數(shù)據(jù)融合等角度出發(fā)，最終實現(xiàn)露天礦采掘、運(yùn)輸、排土、處理、物流、風(fēng)險預(yù)警、生態(tài)保護(hù)、安全管理等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化、開采資源利用的最大化、生態(tài)開采擾動的最小化、生態(tài)恢復(fù)的最優(yōu)化、職業(yè)衛(wèi)生危害的降低和礦山生產(chǎn)的無人化。實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”的露天礦山智慧化生產(chǎn)、精細(xì)化開采，對我國金屬、非金屬露天礦山智能化建設(shè)同樣具有重要意義[1]。

目前，大多數(shù)學(xué)者將三維建模、計算機(jī)系統(tǒng)、電子通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和無人機(jī)監(jiān)測等技術(shù)應(yīng)用到智能化礦山建設(shè)中，但礦山經(jīng)濟(jì)評價系統(tǒng)尚未能引入礦山建設(shè)的集成云系統(tǒng)。因此，本研究在前人的基礎(chǔ)之上將礦山開發(fā)的經(jīng)濟(jì)評價系統(tǒng)與智慧礦山建設(shè)系統(tǒng)結(jié)合，形成礦山體系建設(shè)綜合性云平臺，為企業(yè)生產(chǎn)決策提供支撐。

1 三維建模軟件在礦山中的應(yīng)用

三維建模軟件在礦山建模、儲量計算方面發(fā)揮著重要的作用，為企業(yè)的礦山建設(shè)提供了技術(shù)支持。國內(nèi)目前常用的三維建模軟件有MREIS、Lungren GIS、3DMine、DIMINE等。這些功能多樣的軟件為礦山建設(shè)提供了一套數(shù)字化建設(shè)的方案，DIMINE軟件可以用于地質(zhì)資料的解析、地質(zhì)模型的建立、資源儲量預(yù)算與評價、礦山局部開采、地下采礦優(yōu)化設(shè)計、計劃編制與整體的快速模型構(gòu)建等工作。Space和3DMine軟件應(yīng)用于固體礦產(chǎn)的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)監(jiān)控、地質(zhì)模型構(gòu)建、傳統(tǒng)和現(xiàn)代地質(zhì)儲量計算與評估、地下礦山及露天采礦設(shè)計、露天礦山短期進(jìn)度計劃以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)、目標(biāo)數(shù)據(jù)的應(yīng)用三維可視化基礎(chǔ)平臺建設(shè)，包括模塊化軟件結(jié)構(gòu)和三維軟件界面設(shè)計，實現(xiàn)了測量、地質(zhì)、生產(chǎn)管理和采礦的信息共享，具有良好的與國內(nèi)外圖形軟件的數(shù)據(jù)兼容性[2]，是國內(nèi)較為領(lǐng)先的三維礦業(yè)建模軟件。另外還有Surpac、Vulcan等建模軟件在礦山建設(shè)中也發(fā)揮重要作用，如山東某金礦使用Vulcan進(jìn)行數(shù)字化管理。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山建設(shè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是融合先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能和大數(shù)據(jù)等為一體的高新技術(shù)，應(yīng)用于礦山的開發(fā)過程中，提高了礦山的生產(chǎn)效率，大大減少開采成本，提升了礦山現(xiàn)代化程度，推動傳統(tǒng)礦業(yè)向安全、經(jīng)濟(jì)、高效、綠色與可持續(xù)的目標(biāo)發(fā)展[3]。這個龐大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是包括無人機(jī)測量系統(tǒng)、智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)、智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)、多源數(shù)據(jù)融合預(yù)警防控系統(tǒng)、違章和行為智能視頻識別系統(tǒng)為一體的現(xiàn)代化露天開采系統(tǒng)集合體，再將5G技術(shù)并入其中，實現(xiàn)快速傳輸信息，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)綜合評價，為公司決策層提供服務(wù)，以提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 無人機(jī)測量系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為測繪技術(shù)的進(jìn)步提供了支撐。無人機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)、遙感技術(shù)等在礦山的測量中發(fā)揮重要作用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量技術(shù)精度不高、效率低下、成本較高的缺陷。無人機(jī)測量系統(tǒng)，優(yōu)勢在于低空飛行、空域申請便利、起降場地限制較小，具有高效快速、機(jī)動靈活、精細(xì)準(zhǔn)確、適用范圍廣、作業(yè)成本低、可在惡劣條件下工作、工作周期短等特點，利用簡單條件就能夠低空飛行，獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)。當(dāng)前無人機(jī)已有影像獲取、影像處理、影像生成等一套完整的航飛體系功能，能在短時間達(dá)到多個目標(biāo)地點，滿足各類精準(zhǔn)測繪和應(yīng)急測繪需求。露天礦山無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大幅度減少了測量作業(yè)人員工作量和數(shù)量，同時也提高了測量精度，實現(xiàn)了礦山的減人增效，為實現(xiàn)無人化礦山開采提供了技術(shù)保障[4]。

2.2 智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)

露天礦山智能物料流規(guī)劃及調(diào)度系統(tǒng)，需要考慮礦山開采和采運(yùn)排產(chǎn)等系統(tǒng)環(huán)節(jié)，從時空上高效定位，發(fā)揮露天礦山自動化、信息化水平，實現(xiàn)露天礦山開采由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)化。露天礦山智能調(diào)度及物料流開采系統(tǒng)是利用智能感知、控制、大數(shù)據(jù)云計算、物聯(lián)網(wǎng)等作為技術(shù)支撐，優(yōu)化配礦算法、無線通信、GPS衛(wèi)星定位、三維激光雷達(dá)卡車裝載方量監(jiān)測、智能調(diào)度算法等，主要從爆破或者鋸切、采掘、運(yùn)輸、排產(chǎn)入手，智能識別礦山巖性，選擇合適的開采設(shè)備，并對設(shè)備單位工程作業(yè)實時監(jiān)控，提取設(shè)備傳感信息數(shù)據(jù)，結(jié)合優(yōu)化礦山開采方案、三維地質(zhì)模型信息，實現(xiàn)礦山開采的進(jìn)度優(yōu)化，及時調(diào)度設(shè)備，優(yōu)化運(yùn)輸途徑，實現(xiàn)智能配礦配采，為礦山的開采成本控制、系統(tǒng)風(fēng)險控制、能耗控制提供方案，將各開采工藝環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，互聯(lián)互動，綜合調(diào)配分析，實現(xiàn)礦山的精準(zhǔn)開采[5-7]。

2.3 違章行為智能視頻識別系統(tǒng)

露天礦山的開采是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的工藝復(fù)雜、系統(tǒng)繁多，人機(jī)交換作業(yè)且各環(huán)節(jié)作業(yè)場所關(guān)聯(lián)集中。目前，我國露天礦山基本在露天礦場、機(jī)修車間和調(diào)度室部署高清攝像頭，采集記錄人員和設(shè)備的作業(yè)的行為，但是不具有對違章行為的智能識別及結(jié)構(gòu)化處理功能。視頻監(jiān)視系統(tǒng)要求存儲空間大，違章行為識別完全依賴工作人員事后識別，查閱視頻信息過程工作量大，易于出現(xiàn)漏洞，違章識別準(zhǔn)確率低下，報警處置信息聯(lián)動滯后。應(yīng)用計算機(jī)和大數(shù)據(jù)等建立的露天礦違章視頻智能識別系統(tǒng)，應(yīng)用對圖片流、視頻流的計算機(jī)視覺算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對露天礦山人員違章行為的實時監(jiān)控、自動抓拍以及違章信息的抽取[8-10]，對露天礦山駕駛?cè)藛T接打電話、抽煙、駕駛室超員、區(qū)域入侵、未戴安全帽、調(diào)度員脫崗等行為進(jìn)行智能管控，并直接傳送到調(diào)度中心的云平臺上，加強(qiáng)現(xiàn)場違規(guī)作業(yè)的監(jiān)管，保證礦山生產(chǎn)安全。

3 財務(wù)管理與經(jīng)濟(jì)評價

礦山開發(fā)的目的是獲取礦產(chǎn)資源并實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，而在礦山開采中往往成本無法快速地計算，需要大量財務(wù)人員進(jìn)行核算，才能為企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層提供投入、產(chǎn)出、盈虧等情況。目前，大多數(shù)礦山的開發(fā)僅僅著眼于管理和生產(chǎn)技術(shù)的智能化，而未將財務(wù)管理與經(jīng)濟(jì)評價體系納入到智能化礦山建設(shè)系統(tǒng)中，無法利用高效的現(xiàn)代智能技術(shù)與財務(wù)管理系統(tǒng)的融合為企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)提供快速、有效的決策，也不能進(jìn)行市場預(yù)測、提供具體發(fā)展規(guī)劃等。現(xiàn)代化礦山建設(shè)，現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)大多都能夠產(chǎn)生效益，既節(jié)約成本，又降低環(huán)境污染，實現(xiàn)了綠水青山既是金山銀山的理念，綠色開發(fā)，環(huán)保先行。而對于企業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵的作用財務(wù)管理系統(tǒng)而言，目前仍是相對獨立的管理體系，系統(tǒng)復(fù)雜，專業(yè)性強(qiáng)，需要對生產(chǎn)的設(shè)備投入成本、勞動力成本、國家稅收成本、管理成本等一系列的投入進(jìn)行計算，預(yù)測輸出成本。礦山生產(chǎn)的材料市場銷售后得到的總收入與總成本是什么樣的關(guān)系，對企業(yè)的后續(xù)發(fā)展起到重要的作用，這就需要在智慧化礦山建設(shè)中將財務(wù)管理系統(tǒng)與之關(guān)聯(lián)，既可以大大減少財務(wù)人員的工作量，同時也提高了經(jīng)營情況核算效率，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層能快速地了解企業(yè)在市場中的生產(chǎn)經(jīng)營情況，并隨時調(diào)整生產(chǎn)策略，避免產(chǎn)生較大損失，提高企業(yè)在市場中的抗風(fēng)險能力。

4 益陽花崗巖石材礦山建設(shè)構(gòu)想

河北省易縣長嶺村建筑用花崗巖礦位于易縣縣城328°方向34 km，距南城司鄉(xiāng)265°方向8.8 km，距長嶺村北西方向1.0 km，距省道241正西方向1.6 km，行政區(qū)隸屬南城司鄉(xiāng)長嶺村管轄。礦區(qū)中心地理坐標(biāo)(1980西安坐標(biāo)系)：115°07′59″E，39°31′28″N，位于易縣集中開采區(qū)南城司區(qū)CQ501、502區(qū)塊中，不在“三區(qū)兩線”范圍內(nèi)。礦區(qū)有簡易公路與村村通公路相通，交通便利。礦區(qū)屬于中朝準(zhǔn)地臺(Ⅰ)、燕山臺褶帶(Ⅱ)、軍都山巖漿巖帶(Ⅲ)，馬頭穹褶皺(Ⅳ)，王安鎮(zhèn)巖體東北部，紫荊關(guān)—靈山深大斷裂構(gòu)造帶的西側(cè)。礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為第四系，少量分布于溝谷中，成分為腐殖土、殘坡積。礦區(qū)內(nèi)最高海拔標(biāo)高1 126 m，最低海拔標(biāo)高930 m，相對高差196 m，總體地勢北高南低，地形坡度較大，陰坡植被發(fā)育，第四系坡積物分布較少。礦體以王安鎮(zhèn)巖體石英二長閃長巖為主，分為3個礦體，標(biāo)為1號礦體、2號礦體和3號礦體。

為了更好地開發(fā)利用石材礦山，加強(qiáng)了該礦山的數(shù)字化智能化建設(shè)。在此前數(shù)字化礦山建設(shè)中的集三維建模系統(tǒng)、智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)、無人機(jī)測量系統(tǒng)、違章行為智能視頻識別系統(tǒng)和多源數(shù)據(jù)融合預(yù)警防控系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，加入財務(wù)管理系統(tǒng)和市場經(jīng)營管理系統(tǒng)，使礦山智能化建設(shè)更加完善，及時為企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)提供決策依據(jù)，實現(xiàn)科學(xué)管理、智能化管理，節(jié)能、增效、綠色發(fā)展，增強(qiáng)企業(yè)在市場中的抗風(fēng)險能力。圖1是設(shè)計的數(shù)字化建設(shè)框架圖。

圖1 益陽花崗巖石材礦數(shù)字化建設(shè)框架圖

5 結(jié)束語

礦山建設(shè)與現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等融合，大大提高了礦山的生產(chǎn)效率，可實現(xiàn)礦山管理的實時監(jiān)測，動態(tài)調(diào)控，為企業(yè)提供很大便利，但美中不足的是沒有將財務(wù)管理系統(tǒng)納入礦山智能化建設(shè)中，實現(xiàn)生產(chǎn)-經(jīng)營-財務(wù)管理-經(jīng)濟(jì)評價一體化。益陽縣花崗巖石材礦山擬將財務(wù)管理和經(jīng)濟(jì)評價納入到智能化礦山建設(shè)體系，實現(xiàn)生產(chǎn)銷售各個環(huán)節(jié)及成本利潤的動態(tài)監(jiān)測，科學(xué)決策，增強(qiáng)抗風(fēng)險能力。