數(shù)字地浸鈾礦山頂層設(shè)計研究

關(guān) 鍵，侯 江，邢 妍

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中國鈾業(yè)有限公司，北京 100013)

關(guān)鍵字：地浸鈾礦山；數(shù)字化；頂層架構(gòu)；ISA95

在國家大力推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與實體經(jīng)濟深度融合的大背景下，中國核工業(yè)集團有限公司(以下簡稱中核集團)在“數(shù)字核工業(yè)”發(fā)展戰(zhàn)略基礎(chǔ)上進一步提出“2030要初步建成智慧核工業(yè)”的戰(zhàn)略目標。數(shù)字鈾礦山作為“數(shù)字核工業(yè)”的重要組成部分，近年來在地浸采鈾生產(chǎn)自動化和管理信息化方面成果顯著；但是數(shù)字化水平仍處于單項應(yīng)用的兩化融合初級階段，尚未開展數(shù)字化礦山頂層設(shè)計研究，系統(tǒng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，存在重復(fù)投資和系統(tǒng)孤島問題?！笆濉逼陂g，核工業(yè)北京化工冶金研究院以內(nèi)蒙古某砂巖型鈾礦為研究對象，開展數(shù)字地浸鈾礦山頂層設(shè)計研究，旨在規(guī)范、明確設(shè)計內(nèi)涵、建設(shè)范圍和系統(tǒng)架構(gòu)，為建設(shè)集成提升水平的數(shù)字地浸鈾礦山夯實基礎(chǔ)。

1 數(shù)字礦山頂層架構(gòu)研究現(xiàn)狀

從“十五大”提出“推進國民經(jīng)濟信息化”到將“推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合”寫入“十九大”報告，國家逐步完善制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展思路，理清了數(shù)字化與工業(yè)化的辯證關(guān)系，并在“十三五”期間建成一批兩化融合示范企業(yè)。隨著數(shù)字化技術(shù)在礦山行業(yè)的逐步推廣，國內(nèi)外能源礦產(chǎn)企業(yè)紛紛提出數(shù)字礦山、智能礦山甚至智慧礦山發(fā)展思路；但行業(yè)內(nèi)對數(shù)字礦山的內(nèi)涵和架構(gòu)尚未形成統(tǒng)一的認識。

1.1 數(shù)字礦山內(nèi)涵

“數(shù)字礦山”源自美國前副總統(tǒng)戈爾提出的數(shù)字地球，是對真實礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一認識和數(shù)字化再現(xiàn)，是一個“硅質(zhì)礦山”[1]7。數(shù)字礦山的內(nèi)涵已從礦體數(shù)字建模擴大到礦山企業(yè)管理模式，以礦山數(shù)據(jù)倉庫為核心，通過專用信息系統(tǒng)對礦山運營管理全過程進行可視化、精細化管控，實現(xiàn)礦山安全、高效、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展[2]241?！爸悄艿V山”源于中國制造2025和德國工業(yè)4.0等發(fā)展戰(zhàn)略提出的“智能制造”[3]26，其實質(zhì)是將不同層面的IT系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)集成到一起，實現(xiàn)企業(yè)的集成提升?！爸腔鄣V山”衍生自IBM公司提出的智慧地球，是對生產(chǎn)、職業(yè)健康與安全、技術(shù)和后勤保障等進行主動感知、自動分析、快速處理的無人礦山[4]3。

對比數(shù)字礦山、智能礦山和智慧礦山的概念不難發(fā)現(xiàn)，三者的實質(zhì)都是以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建并應(yīng)用一系列信息化管理系統(tǒng)，全方位提升礦山的運營效率和安全生產(chǎn)水平。與數(shù)字礦山相比，智能礦山更加側(cè)重建立數(shù)字化無人工廠和實現(xiàn)礦山行業(yè)全壽期的高效運行，是當前數(shù)字礦山建設(shè)的目標；而智慧礦山更注重大數(shù)據(jù)、人工智能等先進信息技術(shù)與礦山產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，是數(shù)字礦山發(fā)展的更高階段。

1.2 數(shù)字礦山發(fā)展現(xiàn)狀

隨著數(shù)字經(jīng)濟對全球經(jīng)濟增長的貢獻越來越大，國內(nèi)外大型能源企業(yè)紛紛加大數(shù)字礦山投資力度，根據(jù)自身發(fā)展現(xiàn)狀設(shè)計了符合企業(yè)自身發(fā)展的數(shù)字化頂層規(guī)劃。

美國?？松梨诠咀鳛樯娅C全球石油開發(fā)上下游全產(chǎn)業(yè)鏈的跨國集團，一直致力于利用先進管理思想，設(shè)計礦業(yè)全壽期數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈條，建立一個能夠使其全球的工廠共享數(shù)據(jù)和管理信息的信息平臺，將分布全球的數(shù)字化冶煉廠，通過集成設(shè)計系統(tǒng)、制造過程管理系統(tǒng)、生產(chǎn)運行系統(tǒng)和企業(yè)資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從工廠設(shè)計、工廠建設(shè)、生產(chǎn)運營全過程數(shù)字化管理。

國內(nèi)大型能源央企一貫重視數(shù)字化規(guī)劃工作。其中，中石油在“十一五”就開始設(shè)計并不斷優(yōu)化企業(yè)信息化系統(tǒng)架構(gòu)，大力推進以信息管理系統(tǒng)(ERP)為核心的經(jīng)營管理平臺和以生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)為核心的生產(chǎn)營運平臺建設(shè)，到“十三五”已建成包含7大類87個項目的信息化系統(tǒng)總體框架，如圖1所示。

圖1 中石油信息化系統(tǒng)總體框架

2 數(shù)字鈾礦山業(yè)務(wù)架構(gòu)

天然鈾是國家重要戰(zhàn)略資源，目前中核集團是國內(nèi)唯一擁有天然鈾全壽期開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)，為了支撐“數(shù)字核工業(yè)”發(fā)展戰(zhàn)略，需要以自動化水平較高的地浸鈾礦山為抓手，梳理數(shù)字地浸鈾礦山內(nèi)涵，借鑒國際先進設(shè)計理念，開展符合自身特點的地浸鈾礦山數(shù)字化頂層設(shè)計研究。

中國鈾業(yè)有限公司(以下簡稱中國鈾業(yè))是中國鈾礦勘查、采冶的國家隊、主力軍，肩負打造天然鈾產(chǎn)業(yè)鏈的重要使命，在探采一體化的基礎(chǔ)上規(guī)范了數(shù)字鈾礦山內(nèi)涵。數(shù)字鈾礦山是以先進信息技術(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和管控集成，打通鈾礦勘查、設(shè)計、運營(采冶)和退役產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)鈾礦資源數(shù)字化、技術(shù)裝備智能化、生產(chǎn)過程自動化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、運營管理可視化和決策支持科學化的集團式信息化管理平臺，是實體鈾礦山面對開發(fā)全壽期的數(shù)字孿生體。數(shù)字鈾礦山業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字鈾礦山業(yè)務(wù)架構(gòu)

數(shù)字鈾礦山代表的是鈾礦勘查采冶全壽期的數(shù)字化，發(fā)展總體目標是以數(shù)字勘查和智慧運營為抓手，建成天然鈾產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化體系，實現(xiàn)鈾資源勘查的高效化、天然鈾開采和鈾礦冶設(shè)施退役監(jiān)管的智能化，初步實現(xiàn)智慧鈾礦山建設(shè)。

數(shù)字地浸鈾礦山作為數(shù)字鈾礦山體系中智慧運營的一部分，以企業(yè)信息化管理和鈾礦智能化生產(chǎn)為主線，圍繞企業(yè)經(jīng)營管理、井場抽注平衡和水冶最優(yōu)控制等核心業(yè)務(wù)，借助大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，形成全面感知、實時分析、集成協(xié)同、可視管控和精準執(zhí)行五大功能，助力地浸鈾礦山降本增效，提升企業(yè)核心競爭力。

3 數(shù)字地浸鈾礦山頂層架構(gòu)設(shè)計

數(shù)字地浸鈾礦山頂層架構(gòu)設(shè)計借鑒ISA95層級模型，設(shè)計涵蓋自動化生產(chǎn)系統(tǒng)和信息化管理系統(tǒng)兩大領(lǐng)域的5層架構(gòu)，明確了各層級系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容。

3.1 ISA95層級

2000年美國儀器、系統(tǒng)和自動化協(xié)會頒布了ISA95系列標準，為企業(yè)控制管理系統(tǒng)的集成建模和開發(fā)提供依據(jù)[5]9。該模型自下而上可分為5層：第0層為物理過程層，實現(xiàn)對生產(chǎn)對象的加工改造；第1層為傳感操作層，涉及監(jiān)控儀表和執(zhí)行機構(gòu)；第2層為監(jiān)視控制層，涉及生產(chǎn)自控系統(tǒng)，如SACDA[6]11、DCS[7]137等系統(tǒng)；第3層為工作流程層，涉及一線車間的生產(chǎn)調(diào)度安排，主要指MES系統(tǒng)；第4層為業(yè)務(wù)層，指企業(yè)運營管理的相關(guān)工作，包括ERP等系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 ISA95功能層級模型

3.2 數(shù)字地浸鈾礦山系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字地浸鈾礦山架構(gòu)分為自動化生產(chǎn)系統(tǒng)和信息化管理系統(tǒng)兩部分，自下而上分為設(shè)備控制層、過程控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、經(jīng)營管理層和決策支持層，如圖4所示。在數(shù)字鈾礦山架構(gòu)中，自動化生產(chǎn)系統(tǒng)是底層基礎(chǔ)，通過中間件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或OPC數(shù)據(jù)接口，為上層應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐；信息化管理系統(tǒng)是數(shù)字化技術(shù)在鈾礦采冶領(lǐng)域的具體應(yīng)用，從車間排產(chǎn)、日常運營和戰(zhàn)略決策層面為各級用戶提供信息化管理工具，通過統(tǒng)計分析自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，調(diào)整車間生產(chǎn)計劃，不斷調(diào)整、優(yōu)化自控系統(tǒng)控制參數(shù)。

圖4 數(shù)字地浸鈾礦山架構(gòu)

3.2.1 自動化生產(chǎn)系統(tǒng)

自動化生產(chǎn)系統(tǒng)包括設(shè)備控制層和過程控制層，為天然鈾高效開發(fā)提供全面感知和精準執(zhí)行能力。設(shè)備控制層包括生產(chǎn)一線的監(jiān)測儀表、智能裝備和執(zhí)行機構(gòu)。過程控制層包括井場集控室、水冶車間的生產(chǎn)控制系統(tǒng)以及能源監(jiān)控(高壓變電站)、稱重計量(地磅)和視頻監(jiān)控等輔助系統(tǒng)。過程控制層利用PLC采集在線監(jiān)測儀表的實時數(shù)據(jù)，通過SACDA或DCS系統(tǒng)對全廠生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一可視化管理，利用PID[8]147等控制算法，實現(xiàn)對閥門、潛水泵等執(zhí)行機構(gòu)或智能裝備的自動調(diào)整，最終實現(xiàn)地浸采鈾生產(chǎn)的無人值守。

3.2.2 信息化管理系統(tǒng)

信息化管理系統(tǒng)包括生產(chǎn)執(zhí)行層、經(jīng)營管理層和決策支撐層，為用戶提供實時分析、集成協(xié)同和可視化管控服務(wù)。

生產(chǎn)執(zhí)行層是溝通自動化生產(chǎn)系統(tǒng)和信息化管理系統(tǒng)的橋梁，其中生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)肩負著打通數(shù)據(jù)壁壘的使命，一方面定時采集自控生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行匯總分析；另一方面分解經(jīng)營管理層月度生產(chǎn)計劃，向車間下達周、日排產(chǎn)任務(wù)，指揮操作人員根據(jù)排產(chǎn)計劃調(diào)整生產(chǎn)控制參數(shù)。地浸鈾礦山屬于標準的流程制造行業(yè)，與成熟應(yīng)用于離散制造行業(yè)的MES系統(tǒng)不同，地浸鈾礦山MES系統(tǒng)主要包括車間生產(chǎn)計劃、車間調(diào)度指揮、生產(chǎn)統(tǒng)計、安全監(jiān)控、工藝過程監(jiān)控、設(shè)備保養(yǎng)維護和能源計量7個模塊。另外，生產(chǎn)執(zhí)行層還包括可視化規(guī)劃設(shè)計，利用三維建模等技術(shù)，對地下資源儲量、液體運移等情況進行預(yù)測分析，通過開采模擬和三維儲量計算，為井場自控系統(tǒng)調(diào)整參數(shù)提供參考，實現(xiàn)井場抽注平衡和精細化管控。

經(jīng)營管理層是信息化管理系統(tǒng)的主體，主要包括OA、ERP和MOM[9]28系統(tǒng)。OA辦公自動化系統(tǒng)作為企業(yè)信息化建設(shè)的入門級系統(tǒng)，已在地浸采鈾領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；針對鈾礦企業(yè)多礦點異地辦公的現(xiàn)狀，通過管理流程的線上審批，提高了企業(yè)日常管理效率，大幅降低了時間成本。ERP企業(yè)資源管理系統(tǒng)是經(jīng)營管理層核心，承擔著企業(yè)人、財、物“三流”管理任務(wù)。與傳統(tǒng)的ERP供銷存管理模式不同，鈾礦企業(yè)因行業(yè)的特殊性，ERP系統(tǒng)建設(shè)以物資采購為核心，形成從采購申請、計劃審批、物資出入庫到財務(wù)核算的閉環(huán)管理模式。MOM制造運營管理系統(tǒng)，管理內(nèi)容與MES類似，但是管控角度不同。MES系統(tǒng)主要指導(dǎo)車間一線生產(chǎn)人員排產(chǎn)等安排；而MOM通過數(shù)據(jù)接口采集MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并與ERP庫存管理進行數(shù)據(jù)同步，在安全環(huán)保職業(yè)衛(wèi)生(SHE)、能源、質(zhì)量和設(shè)備管理等方面為企業(yè)管理者提供計劃制定、進度跟蹤和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等服務(wù)。

決策支持層是企業(yè)信息化系統(tǒng)的大腦，一般指BI智能商業(yè)系統(tǒng)。決策支持層通過匯總經(jīng)營管理層數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)大屏和領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙的形式，為決策者以圖表等形式直觀地展現(xiàn)企業(yè)預(yù)算、計劃和業(yè)績等發(fā)展狀況，并通過數(shù)據(jù)分析功能為各級管理人員提供決策支撐，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)的可視化、透明化管理。

4 結(jié)論

“數(shù)字鈾礦山”包括地勘、設(shè)計、運營和退役的天然鈾開發(fā)全壽期，其中數(shù)字地浸鈾礦山作為智慧運營環(huán)節(jié)的重要組成部分，以ISA95模型為基礎(chǔ)，初步完成了頂層架構(gòu)設(shè)計，明確了系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容，為地浸采鈾企業(yè)“十四五”期間完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了依據(jù)。