礦山一體化智能管控數(shù)字化平臺的建設

張學禎，馬春鋒，余洋，顏青

1 前言

近年來，隨著數(shù)字化、信息化技術的快速發(fā)展，國內外均提出了建設數(shù)字化、智能化礦山的理念。目前，我國露天礦山數(shù)字化、智能化建設已取得了一定成果，但由于缺乏整體規(guī)劃，普遍存在數(shù)字化、智能化基礎設施建設不到位，管理信息化程度不高，管理體系缺乏協(xié)同性、系統(tǒng)性，數(shù)據(jù)自動化分析能力不足等問題。針對這些問題，我公司開發(fā)了一套具有自主知識產權、適應礦山企業(yè)需要的集礦山資源數(shù)字化、生產過程信息化、環(huán)境安全信息化和生產經營精細化等于一體的智能管控數(shù)字化、信息化平臺系統(tǒng)，并在陜西頻山水泥公司石灰?guī)r礦進行了實際應用，取得了較好的效果。

2 智能管控數(shù)字化平臺系統(tǒng)的建設目標及內容

2.1 建設目標

以生產計劃為指導，跟蹤礦山生產過程數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化生產過程管理，實現(xiàn)各項生產指標考核數(shù)字化管理；基于可視化平臺與虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與空間分析系統(tǒng)，開發(fā)具有自主知識產權、適應礦山企業(yè)需要的一體化智能管控數(shù)字化平臺，促進數(shù)字化礦山的建設。

2.2 建設內容

本平臺系統(tǒng)以礦山開采過程管理為主線，貫穿露天開采的各個作業(yè)環(huán)節(jié)，旨在實現(xiàn)各個業(yè)務環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流轉和信息流通，實現(xiàn)全員全流程協(xié)同與智能化操作，對全流程的生產作業(yè)任務進行跟蹤與管理，實現(xiàn)對礦山生產、設備、安全環(huán)保、化驗質量、生產日報、產量計量及數(shù)據(jù)采集等方面的實時管控和數(shù)據(jù)集成管理，實現(xiàn)生產數(shù)據(jù)同步更新、動態(tài)查詢顯示、瀏覽、統(tǒng)計分析與數(shù)據(jù)共享，以及以圖表形式直觀顯示生產數(shù)據(jù)等。

3 智能管控數(shù)字化平臺系統(tǒng)的結構設計

3.1 設計理念

（1）礦山一體化智能管控數(shù)字化平臺系統(tǒng)的設計模式主要有兩種，分別為基于組織架構的部門模式和基于業(yè)務流程的業(yè)務模式。部門模式主要是按照行政框架進行結構設計；業(yè)務模式主要是根據(jù)礦山的業(yè)務內容和工作范圍進行結構設計。隨著礦山數(shù)字化建設進程的逐步加快，礦山的業(yè)務范圍也在不斷擴充，設計的平臺系統(tǒng)應具有業(yè)務可拓展性?；跇I(yè)務模式下的平臺系統(tǒng)設計，可以隨著礦山業(yè)務范圍的擴大，同步擴展平臺系統(tǒng)功能，更具有優(yōu)越性。因此，經綜合考慮礦山的實際情況，本系統(tǒng)的結構設計基于業(yè)務模式開展。

基于業(yè)務模式的礦山一體化智能管控數(shù)字化平臺系統(tǒng)的結構設計采用Browser/Server（B/S）標準的三層體系結構，將基于Web的應用系統(tǒng)在邏輯上分為應用表現(xiàn)層、業(yè)務層及數(shù)據(jù)存儲層。三層體系結構模式的平臺系統(tǒng)見圖1。如圖1所示，這三個層次的體系結構實現(xiàn)了服務與應用的相對獨立，從而使得基于B/S的應用具有很好的擴展性和移植性。同時，各層次體系結構的開發(fā)可以并行，加之采用了組件技術，許多模塊可以被重復引用，大大縮短了平臺系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了運行效率。

圖1 三層體系結構模式的平臺系統(tǒng)

（2）在進行平臺系統(tǒng)設計時需明確系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可使用范圍，對其機密性和完整性加以控制，確保工作流程順利進行。使用身份認證、實時監(jiān)控等一系列安全監(jiān)控機制，保證系統(tǒng)的機密性。同時，采取二次驗證身份的措施，輔助“用戶名+口令”的驗證模式，保證用戶的合法使用權限。

（3）在平臺系統(tǒng)與其他軟件的對接方面，本平臺系統(tǒng)設計采用了開放性的標準接口，以保證產量計量系統(tǒng)和能耗物資系統(tǒng)等與信息平臺的結合。平臺系統(tǒng)與其他軟件的對接關系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)與其他軟件的對接關系

3.2 設計原則

本平臺系統(tǒng)設計采用定制開發(fā)的方式實現(xiàn)，遵循先進性和便捷性、標準化和規(guī)范化、實用性和拓展性、安全性和開放性等原則，最大程度拓寬平臺系統(tǒng)功能，同時便于管理使用及維護操作。

4 智能管控數(shù)字化平臺系統(tǒng)功能設計

4.1 智能配礦

首先，根據(jù)礦山開采生產規(guī)劃、礦石品位變化情況及未來作業(yè)計劃，利用礦山建模軟件3D Mine進行塊體建模，獲取精準數(shù)據(jù)；然后根據(jù)礦山的生產規(guī)劃和技術條件設立配礦模型，使用目標函數(shù)和約束條件進行數(shù)學建模，目標函數(shù)可綜合考慮各種條件的限制，根據(jù)礦山實際需求建立。

4.2 礦山基本信息智能管理

主要包括建礦、投產時間、生產能力、服務年限等礦山企業(yè)基本信息的智能管理，可實現(xiàn)按不同權限錄入、修改、刪除數(shù)據(jù)等功能。礦山企業(yè)基本信息智能管理界面如圖3所示。

圖3 礦山企業(yè)基本信息智能管理界面

4.3 探礦權基本信息智能管理

主要包括礦權名稱、位置、礦權人、權證號、權證保存單位、礦權范圍、礦權有效日期、獲取方式及時間等信息的智能管理，可實現(xiàn)對所需證書的辦證周期進行預警等功能。

4.4 生產計劃智能管理

主要包括礦山中長期計劃、年度計劃、季度計劃、月計劃的智能管理，可實現(xiàn)對數(shù)字化采礦系統(tǒng)提交的生產計劃進行審核、駁回、通過等功能，生產計劃智能管理界面如圖4所示。

圖4 生產計劃智能管理界面

4.5 生產數(shù)據(jù)智能管理

主要包括對班組、班次等日常業(yè)務范圍內的管理及爆破、運輸?shù)茸鳂I(yè)工序中的臺賬數(shù)據(jù)管理；可對各種臺賬數(shù)據(jù)進行逐級審批，并將審批后的數(shù)據(jù)與生產計劃進行對比分析，計算計劃執(zhí)行率；可根據(jù)礦山實際需求，定制各類型的生產統(tǒng)計報表。系統(tǒng)定制的采切掘進進尺累計曲線如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)定制的采切掘進進尺累計曲線（2017年9月21日~2017年10月20日）

4.6 質量化驗智能管理

采樣記錄二維碼，將送樣單通過移動APP直接上傳至數(shù)據(jù)中心，化驗室接到送樣單后，通過移動端APP在線確認。完成化驗后，化驗室按照工程項目名稱、時間、批次及化驗室編號等信息，將化驗結果直接上傳至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)化驗單批次的自動對接，將化驗結果與巖粉數(shù)據(jù)庫結合，可直接為地質工作人員使用。本功能支持化驗分析設備數(shù)據(jù)自動采集和人工錄入兩種方式，質量化驗智能管理界面如圖6所示。

圖6 質量化驗智能管理界面

4.7 設備智能管理

建立采礦生產設備數(shù)據(jù)庫，通過移動APP對設備的信息臺賬、運行狀態(tài)、檢修及耗材等信息進行實時采集和管理。具體功能包括：采礦生產設備（鉆機、鏟裝、運輸、破碎機、輔助）信息臺賬管理，設備保養(yǎng)、運行情況管理，設備點檢、維修管理，設備消耗、隱患管理等，設備智能管理界面如圖7所示。

圖7 設備智能管理界面

4.8 安全環(huán)保智能管理

將安全環(huán)保法規(guī)制度文件通過移動APP置于管理平臺中，同時實時記錄與安全環(huán)保相關聯(lián)的事件地點、時間、氣候、事項、可能發(fā)生安全事件的預警、有關人員的信息，既可隨時查看安全環(huán)保信息，也可用于安全事件的管控與隱患排查。按照安全環(huán)保相關法律法規(guī)、企業(yè)規(guī)章制度（安全手冊）、操作規(guī)程、規(guī)范標準等類別文件進行歸檔、分類管理，可實現(xiàn)安全環(huán)保文件資料的上傳、下載、查看等功能，實現(xiàn)安全環(huán)保檢查管理、安全環(huán)保隱患排查、安全環(huán)保會議管理、權證管理與預警等功能，安全環(huán)保智能管理界面如圖8所示。

圖8 安全環(huán)保智能管理界面

4.9 爆破智能設計

露天臺階爆破爆堆主要是由爆生氣體的膨脹做功所致，假爆后的爆堆形態(tài)（爆堆輪廓）是臺階內部巖石爆破位移的一種表現(xiàn)形式?；谖恢玫膭恿W（PBD）物理引擎，模擬塊體的拋擲運動、碰撞檢測和塌落堆積，計算礦巖體爆破的最終位移，找到不同時間露天臺階礦巖移動規(guī)律及最后爆堆形態(tài)。針對地質地形情況，爆破智能設計系統(tǒng)通過輸入相關參數(shù)，即可進行自動布孔、炮孔定位、裝藥設計、連線延遲設置，可預先分析爆破效果，導出爆破設計書與穿孔指導書，交付現(xiàn)場施工使用。爆破智能設計界面如圖9所示。

圖9 爆破智能設計界面

4.10 系統(tǒng)運行智能管理

主要包括部門管理、用戶管理、角色管理、權限管理、數(shù)據(jù)字典管理、日志管理等功能。其中，部門管理主要包括對企業(yè)的現(xiàn)有部門進行增加、刪除等功能。用戶管理主要針對使用者的注冊情況，對用戶進行增加、刪除、修改、查詢等，并且可對管理者進行管理授權。角色管理是根據(jù)業(yè)務流程及部門劃分，用戶根據(jù)自身需求，定義和劃分角色，將權限集中授予用戶。權限管理是整個系統(tǒng)安全性的保障，根據(jù)權限授予方式不同，用戶與角色互相制衡，規(guī)范運作。數(shù)據(jù)字典管理是將系統(tǒng)中的各類參數(shù)，按照一定規(guī)范分類管理，實現(xiàn)對系統(tǒng)常用的系統(tǒng)級數(shù)據(jù)字典、業(yè)務級數(shù)據(jù)字典的管理，支持對數(shù)據(jù)字典的查詢、增加、刪除、修改等操作。日志管理主要用于實現(xiàn)用戶登錄日志、操作日志管理等功能。

4.11 移動APP智能操作系統(tǒng)

智能APP端應用支持安卓版，可實現(xiàn)如下功能：（1）移動辦公待辦事務、通知公告、報警警示等短信息推送，生產業(yè)務請求、批復、查詢；（2）實時監(jiān)控地測管理品位檢測結果及異常品位數(shù)據(jù)信息；現(xiàn)場通過RTK測量炮孔坐標后，通過APP將炮孔坐標信息提交至服務器，并在手機APP中進行炮孔分組，實現(xiàn)爆破分組、取樣、化驗數(shù)據(jù)互通，便于炮孔分組樣品與化驗結果的管理，取代紙質填報；（3）生產管理，生產人員個人工作量查詢、生產周（日）計劃、班計劃（工作任務）查詢；生產臺賬（穿孔、爆破、運輸、破碎等環(huán)節(jié)）數(shù)據(jù)填報和生產統(tǒng)計查詢；（4）設備管理，設備維修記錄、保養(yǎng)記錄查詢；現(xiàn)場設備當前狀態(tài)查詢；設備點檢，點檢人員掃描二維碼，通過手機APP查看項目明細，添加備注說明和上傳附件。移動APP智能操作系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 移動APP智能操作系統(tǒng)界面

5 智能管控平臺在頻山石灰石礦山的工程應用

5.1 陜西頻山水泥公司石灰石礦開采現(xiàn)狀

頻山石灰石礦位于陜西省富平縣正北方向頻山一帶，礦區(qū)內主山脈呈近東西向，南北方向的山梁呈“雞爪”狀展布，地形切割強烈，山高坡陡。最高處為北段山頂處，海拔1 325m；最低處在中部何家溝，海拔850m，相對高差475m。礦山的生產設計規(guī)模為550.0×104t/年，其中，北礦段設計規(guī)模為250.0×104t/年，南礦段設計規(guī)模為300.0×104t/年。礦山開采按照自上而下的順序，逐臺階依次回采，共有16個臺階。工作面臺階高度14m，臺階坡面角65°。地表模型三維空間圖如圖11所示。

圖11 地表模型三維空間圖

5.2 頻山智能管控平臺系統(tǒng)運行情況

頻山石灰石礦山智能管控平臺以生產計劃為指導，跟蹤礦山生產過程數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化生產過程，實現(xiàn)了各項生產指標的數(shù)字化考核。本平臺以采礦過程管理為主線，貫穿露天開采的各個作業(yè)環(huán)節(jié)，打通了各個業(yè)務環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流和信息流，實現(xiàn)了全員全流程協(xié)同與智能化操作及全流程生產作業(yè)任務的跟蹤與管理，有效促進了礦山企業(yè)管理體制、管理模式的現(xiàn)代化。

自頻山石灰石礦山智能管控平臺上線以來，整體運行平穩(wěn)。地磅系統(tǒng)與業(yè)務系統(tǒng)交互良好，礦山信息、生產數(shù)據(jù)、設備管理、統(tǒng)計分析、樣品化驗、生產計劃、材料出入庫、地磅數(shù)據(jù)、安全管理、移動APP和系統(tǒng)管理等模塊均運行穩(wěn)定，系統(tǒng)界面交互良好，操作簡便。

本平臺以數(shù)據(jù)庫為基礎，建立起了統(tǒng)一、集成、實時共享的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了礦山資源與生產數(shù)據(jù)的精確匯總與綜合分析，解決了數(shù)據(jù)不全、數(shù)據(jù)源繁雜、標準不統(tǒng)一等問題。同時，對礦山生產、設備、安全環(huán)保、質量化驗、生產日報、產量計量等方面進行實時管控和數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)了生產數(shù)據(jù)的實時更新，生產過程和生產狀態(tài)的動態(tài)顯示、查詢、瀏覽和統(tǒng)計分析，各項運行指標情況如圖12所示。

圖12 各項運行指標情況

5.3 頻山智能管控平臺系統(tǒng)的優(yōu)化改進

頻山石灰石礦山智能管控平臺系統(tǒng)自2021年7月上線以來，我公司根據(jù)現(xiàn)場生產需求進行了多處局部調整和改進，增加了以下功能:（1）修改了工序單耗分析中工程量的取值，直接關聯(lián)地磅數(shù)據(jù)；（2）開啟了全年月計劃編輯；（3）優(yōu)化了地磅數(shù)據(jù)導入功能，解決了局域網斷網后，地磅數(shù)據(jù)無法導入的問題；（4）手機APP解決了穿孔人員無法查看炮孔設計數(shù)據(jù)及破碎設備不分主次的問題；（5）通過手機APP將安全隱患臺賬及設備點檢記錄修改為按日期顯示；（6）添加了非礦石（細分為高鎂廢石、廢石粉末、粘土）分類功能；添加了爆破設計“單孔裝藥量”信息，統(tǒng)計分析功能控制權限，歷史生產數(shù)據(jù)查找功能；添加了排查安全隱患功能，統(tǒng)計爆堆剩余礦量功能，設備數(shù)據(jù)權限控制功能（各工序工作人員只能查看自己的設備信息，管理崗能查看全部設備信息），材料出庫批量導入程序；（7）在設備運行情況中，添加了“取前一天數(shù)據(jù)”功能；（8）在手機APP中，添加了地磅數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能等。

6 結語

頻山石灰石礦一體化智能管控平臺實現(xiàn)了礦山生產各業(yè)務環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通與共享，提供了一套全方位、一體化的系統(tǒng)協(xié)同礦山生產安全保障體系，提高了礦山生產的數(shù)字化、智能化管理水平。