數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下典型新興前沿技術(shù)在礦業(yè)行業(yè)中的應(yīng)用

高 曦，張 煒，趙相寬，吳西順

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)圖書館，北京 100083)

礦業(yè)行業(yè)作為傳統(tǒng)的資本密集型產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，如礦產(chǎn)品價(jià)格波動(dòng)、勞動(dòng)力短缺、極端環(huán)境或偏遠(yuǎn)地區(qū)作業(yè)人員的健康和安全風(fēng)險(xiǎn)、ESG(環(huán)境、社會(huì)和公司治理)標(biāo)準(zhǔn)下綠色可持續(xù)發(fā)展的迫切需要等。數(shù)字化轉(zhuǎn)型為礦業(yè)行業(yè)改進(jìn)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供了新的路徑，為企業(yè)提供了前所未有的機(jī)會(huì)，使企業(yè)能夠創(chuàng)造價(jià)值和獲取價(jià)值，在現(xiàn)有的困境中保持恢復(fù)力，在應(yīng)對(duì)未來新的挑戰(zhàn)中保持競(jìng)爭(zhēng)力。新冠肺炎疫情的發(fā)生更加凸顯了礦業(yè)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要性，使企業(yè)意識(shí)到數(shù)字化轉(zhuǎn)型不僅能夠優(yōu)化企業(yè)運(yùn)營(yíng)，提高企業(yè)生產(chǎn)效率和收益，更關(guān)乎企業(yè)的生存發(fā)展。例如在疫情期間各國(guó)采取禁止旅行、關(guān)閉邊境和限制出行等措施的背景下，從車輛無人駕駛到遠(yuǎn)程監(jiān)控再到預(yù)測(cè)性維護(hù)，自動(dòng)化和遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)在維持礦業(yè)企業(yè)生產(chǎn)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，使礦業(yè)企業(yè)可以在全球任何地方全面了解生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況，發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能和生產(chǎn)率低于預(yù)期的情況，并降低設(shè)備故障率。但是限于礦業(yè)企業(yè)相對(duì)保守的傳統(tǒng)以及對(duì)采用新技術(shù)的成本效益擔(dān)憂，礦業(yè)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型任重道遠(yuǎn)，如波士頓咨詢公司2021年2月發(fā)布的《數(shù)字化加速發(fā)展指數(shù)報(bào)告》表明，與汽車或化工等具有可比性的行業(yè)相比，礦業(yè)行業(yè)的數(shù)字化成熟度要低30%～40%[1]。

為了更好地詮釋數(shù)字化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)下人工智能、遠(yuǎn)程/自主操控、5G無線通信等關(guān)鍵前沿技術(shù)對(duì)后疫情時(shí)代礦業(yè)行業(yè)發(fā)展的影響，本文重點(diǎn)圍繞具有代表性的人工智能礦產(chǎn)勘探技術(shù)、露天礦山無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)、地下礦山自主裝載-運(yùn)輸-卸載系統(tǒng)、礦山5G通信技術(shù)，從礦業(yè)行業(yè)需求、技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與行業(yè)應(yīng)用、未來發(fā)展所面臨瓶頸三個(gè)方面進(jìn)行了分析，并對(duì)后疫情時(shí)代礦業(yè)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中前沿技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型概述

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是通過將信息、計(jì)算、通信連接等技術(shù)相結(jié)合，引發(fā)實(shí)體屬性的重大變化，從而改進(jìn)實(shí)體的過程[2]。以礦山開發(fā)運(yùn)營(yíng)為例，數(shù)字化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)下的新興前沿技術(shù)主要分為三類，一是建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的技術(shù)，涉及智能傳感器、可穿戴設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、無人機(jī)等，旨在獲取海量和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；二是進(jìn)行大數(shù)據(jù)集成/追蹤的技術(shù)，涉及物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、射頻識(shí)別和實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)標(biāo)簽等，旨在實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)管理一體化及實(shí)時(shí)決策，從而提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率；三是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)利用的技術(shù)，涉及機(jī)器學(xué)習(xí)、先進(jìn)數(shù)據(jù)分析、硬件(設(shè)備)遠(yuǎn)程/自主操控、機(jī)器人流程自動(dòng)化、軟件自動(dòng)化、云計(jì)算等，旨在利用獲取的數(shù)據(jù)信息優(yōu)化作業(yè)流程。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型給企業(yè)帶來的真正價(jià)值主要體現(xiàn)在四個(gè)方面，一是提升勞動(dòng)生產(chǎn)率，二是為企業(yè)創(chuàng)造新的價(jià)值，三是做出最合理的商業(yè)決策，四是具備先發(fā)制人的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革背景下，大數(shù)據(jù)、新一代通信技術(shù)、人工智能等新興前沿技術(shù)為各個(gè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)構(gòu)建了新的發(fā)展藍(lán)圖，數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的重要推動(dòng)力。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的驅(qū)動(dòng)下，礦業(yè)行業(yè)的整體發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為生產(chǎn)效率更高的機(jī)器設(shè)備及某些操作的自動(dòng)化、數(shù)字化，更快更大規(guī)模的連接性，以及智能網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的應(yīng)用，涵蓋礦產(chǎn)勘探、礦山開發(fā)等各個(gè)模塊。例如，在礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域，隨著找礦難度不斷增加，人工智能和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用可以充分挖掘礦山數(shù)據(jù)潛力，優(yōu)化勘探模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，從而大幅降低勘探成本；在礦山開發(fā)領(lǐng)域，通過將大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G網(wǎng)絡(luò)連接與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合，不僅能夠提供遠(yuǎn)程作業(yè)，生產(chǎn)監(jiān)控，同時(shí)還可以優(yōu)化復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保障安全。

盡管如前文所述，礦業(yè)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型還處于起步階段，但世界經(jīng)濟(jì)論壇2020年10月發(fā)布的《就業(yè)前景報(bào)告》指出，70%的礦業(yè)企業(yè)正在加速其業(yè)務(wù)流程的數(shù)字化，而新冠肺炎疫情的發(fā)生將進(jìn)一步推動(dòng)這一發(fā)展趨勢(shì)[3]。無論是礦業(yè)企業(yè)，還是礦業(yè)價(jià)值鏈中的相關(guān)企業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G無線通信、遠(yuǎn)程/自主操控、先進(jìn)傳感器等關(guān)鍵前沿技術(shù)的應(yīng)用，都讓企業(yè)在面對(duì)新冠肺炎疫情等突發(fā)事件時(shí)具備靈活應(yīng)對(duì)和快速反應(yīng)的能力。

2 礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型前沿技術(shù)應(yīng)用案例

2.1 人工智能在礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

1)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)呈爆炸式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，人工智能技術(shù)成為促進(jìn)礦產(chǎn)勘查新發(fā)現(xiàn)的重要手段。地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作產(chǎn)生了大量的報(bào)告、圖件等數(shù)字化信息，僅憑人工檢索和處理如此海量的數(shù)據(jù)已經(jīng)難以滿足礦產(chǎn)勘查行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需要。人工智能技術(shù)能夠快速、精確地處理并分析大量數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、集成、分析建模，因此具有大幅提升勘探效率、縮小勘探范圍、降低勘探成本、在數(shù)據(jù)較為匱乏的綠地勘探項(xiàng)目中圈定成礦遠(yuǎn)景區(qū)、發(fā)現(xiàn)一些被傳統(tǒng)理論或方法忽視的找礦信息等優(yōu)勢(shì)。

這些優(yōu)勢(shì)使人工智能技術(shù)主要用于礦產(chǎn)勘查中的兩個(gè)方面，一是基于人工智能技術(shù)對(duì)鏡下和巖芯照片等圖像的快速分析來識(shí)別礦物、沉積構(gòu)造等；二是基于機(jī)器學(xué)習(xí)和專家系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)綜合分析來開展數(shù)據(jù)建模和成礦遠(yuǎn)景區(qū)/找礦靶區(qū)預(yù)測(cè)。

2)發(fā)揮圖像識(shí)別和數(shù)據(jù)分析優(yōu)勢(shì)，人工智能技術(shù)在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用呈上升趨勢(shì)。據(jù)歐洲科學(xué)數(shù)據(jù)分析企業(yè)Startus-Insights的統(tǒng)計(jì)，截至2020年9月，全球共有88家利用人工智能技術(shù)進(jìn)行礦產(chǎn)勘查的初創(chuàng)企業(yè)，主要位于澳大利亞、加拿大等國(guó)家[4]。例如，加拿大企業(yè)Geolearn基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)研發(fā)的Predikor軟件，可根據(jù)巖芯照片自動(dòng)描述巖性、蝕變和礦脈特征，通過針對(duì)性的數(shù)據(jù)訓(xùn)練能夠在幾分鐘內(nèi)描述數(shù)千米長(zhǎng)巖芯的特征，并在相關(guān)研究中準(zhǔn)確識(shí)別出加拿大Lalor鋅-銅-金礦床中金品位高于1 g/t的區(qū)域[5]；澳大利亞企業(yè)Earth AI研發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可基于包括遙感、輻射測(cè)量、地球物理和地球化學(xué)數(shù)據(jù)集在內(nèi)的全球數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)成礦遠(yuǎn)景區(qū)，大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證實(shí)該算法對(duì)金屬礦床綠地勘探項(xiàng)目成礦遠(yuǎn)景區(qū)的預(yù)測(cè)成功率約為26%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)勘探方法0.5%的成功率[6]；加拿大企業(yè)Goldspot Discoveries研發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)技術(shù)，可通過對(duì)地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、衛(wèi)星遙感等數(shù)據(jù)的綜合分析圈定成礦遠(yuǎn)景區(qū)，實(shí)際應(yīng)用表明僅利用加拿大魁北克省Abitibi地區(qū)4%地表面積的地質(zhì)、地形和礦物數(shù)據(jù)就識(shí)別出該地區(qū)86%的已發(fā)現(xiàn)金礦床，并圈定新的找礦靶區(qū)[7]。

我國(guó)已有多個(gè)團(tuán)隊(duì)針對(duì)人工智能礦產(chǎn)勘探技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究，包括中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)的陳建平教授、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所的肖克炎研究員、中南大學(xué)的毛先成教授、中山大學(xué)的周永章教授等。如周永章團(tuán)隊(duì)針對(duì)礦產(chǎn)資源勘查預(yù)測(cè)需要考慮的變量具有多樣性且涉及地質(zhì)、構(gòu)造、地層、地球化學(xué)、巖石、地球物理、遙感等諸多學(xué)科，提出采取“降維”策略來提取符合一定效益規(guī)則的有用信息，并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法預(yù)測(cè)找礦靶區(qū)[8-9]；肖克炎團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了支持向量機(jī)、隨機(jī)森林和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法在地球化學(xué)異常信息提取中的對(duì)比研究，并應(yīng)用隨機(jī)森林算法對(duì)四川省拉拉銅礦等進(jìn)行了成礦與礦產(chǎn)資源定量預(yù)測(cè)[10-11]。雖然我國(guó)在該領(lǐng)域的研究工作已初顯成效，但仍以高校和科研院所的探索性研究為主，尚未實(shí)現(xiàn)廣泛且有效的商業(yè)應(yīng)用。

3)人工智能礦產(chǎn)勘探技術(shù)的準(zhǔn)確可靠應(yīng)用需要解決數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和算法選擇等方面的問題。在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方面，地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)多是非標(biāo)準(zhǔn)化的，這限制了依賴于大量標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的人工智能技術(shù)在該領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。在圖像識(shí)別方面，人工智能技術(shù)如果僅需識(shí)別巖芯圖像中的結(jié)構(gòu)、裂縫、粒度等信息，通過大量的前期訓(xùn)練就能夠?qū)崿F(xiàn)，但如果要準(zhǔn)確識(shí)別巖芯圖像中的巖性、蝕變、礦脈及顯微礦物圖像中的礦物分類等，則需要大量特定的數(shù)據(jù)進(jìn)行針對(duì)性的訓(xùn)練。在成礦預(yù)測(cè)方面，使用不同的數(shù)據(jù)集或不同的機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行訓(xùn)練的人工智能技術(shù)會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，如針對(duì)不同的數(shù)據(jù)集并沒有公認(rèn)的最優(yōu)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，需要通過對(duì)不同算法的驗(yàn)證選定準(zhǔn)確率更高、更穩(wěn)定的算法。

2.2 露天礦山無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)

1)露天礦山運(yùn)輸面臨作業(yè)環(huán)境、人員、成本、安全性等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，無人駕駛技術(shù)成為保障礦山高效安全運(yùn)營(yíng)的重要措施。露天礦山的傳統(tǒng)運(yùn)輸方式面臨作業(yè)環(huán)境復(fù)雜惡劣、駕駛?cè)藛T嚴(yán)重缺乏、運(yùn)營(yíng)成本高昂、高效協(xié)同作業(yè)困難以及安全事故頻發(fā)等問題，隨著地面管理和監(jiān)控、車載自動(dòng)駕駛、數(shù)據(jù)通信等子系統(tǒng)的完善以及線控、環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、決策控制等關(guān)鍵核心技術(shù)的發(fā)展，采用無人駕駛技術(shù)替代人工駕駛實(shí)現(xiàn)非公路環(huán)境下固定路線的露天礦山運(yùn)輸已具有可行性[12]。

礦山無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在五個(gè)方面，一是通過車輛集群調(diào)度可提高車輛利用率、連續(xù)作業(yè)時(shí)間和生產(chǎn)作業(yè)效率；二是通過減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員數(shù)量可節(jié)省人工成本和提升安全作業(yè)水平；三是通過規(guī)范車輛操作可降低燃料消耗和減少排放及延長(zhǎng)輪胎和設(shè)備使用壽命；四是通過實(shí)時(shí)連續(xù)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)采集與最佳設(shè)備維護(hù)策略的結(jié)合可提高車輛維護(hù)效率和降低車輛故障率；五是通過與其他先進(jìn)、智能生產(chǎn)設(shè)備的協(xié)同作業(yè)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全面監(jiān)測(cè)和集成管控。這些優(yōu)勢(shì)將為礦山生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

2)無人駕駛技術(shù)在露天礦山運(yùn)輸中的應(yīng)用已趨于成熟且效果顯著。全球露天礦山無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的市場(chǎng)份額主要由三家供應(yīng)商占有，其中兩家是原始設(shè)備制造企業(yè)小松集團(tuán)和卡特彼勒，另一家是自動(dòng)化解決方案服務(wù)商ASI。小松集團(tuán)的FrontRunner無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)自2008年推出以來已在4個(gè)國(guó)家的13座礦山得到了部署，實(shí)現(xiàn)了40億t的物料運(yùn)輸量，截至2021年9月已有超過400臺(tái)無人駕駛礦用卡車在運(yùn)營(yíng)[13]；卡特彼勒的MineStar無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)自2011年推出以來已在北美洲、南美洲和澳大利亞的17座礦山投入運(yùn)行，物料運(yùn)輸量也已突破40億t，截至2021年底全球已有超過500臺(tái)無人駕駛礦用卡車在運(yùn)營(yíng)[14]。

現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)表明[15]，無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)可將產(chǎn)能提高15%～30%，將裝載和運(yùn)輸單位成本降低15%以上。例如，力拓集團(tuán)運(yùn)營(yíng)的每輛無人駕駛礦用卡車的年平均運(yùn)行時(shí)間比常規(guī)運(yùn)輸卡車多700 h，運(yùn)輸成本降低了約15%，燃料消耗減少了13%，到2021年不斷增加的無人駕駛礦用卡車每年將為其帶來5億美元的凈現(xiàn)金流；淡水河谷巴西Brucutu鐵礦無人駕駛礦用卡車機(jī)隊(duì)的規(guī)模已達(dá)13輛，總物料運(yùn)輸量達(dá)1億t，行駛距離超過1 800萬km，自2016年部署以來運(yùn)行良好且未發(fā)生過事故，相比于有人駕駛卡車，無人駕駛卡車的燃料消耗減少了11%，單位時(shí)間的礦石運(yùn)輸量提高了11%，輪胎使用壽命延長(zhǎng)了35%。

在智能礦山建設(shè)背景下，我國(guó)礦業(yè)企業(yè)也已開始重視無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用。如洛鉬集團(tuán)在三道莊礦5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景下部署了30多臺(tái)無人駕駛純電動(dòng)礦用卡車[16]；國(guó)家能源集團(tuán)在神寶能源露天煤礦的極寒工況下部署了5臺(tái)220噸級(jí)無人駕駛礦用卡車[17]；準(zhǔn)能集團(tuán)在哈爾烏素露天煤礦實(shí)現(xiàn)無人駕駛礦用卡車行駛里程3 111 km及運(yùn)行418 h，并且計(jì)劃2022年底完成對(duì)黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦共計(jì)183臺(tái)卡車的無人駕駛升級(jí)改造[18]。目前，國(guó)內(nèi)露天礦山無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)仍處于測(cè)試和試運(yùn)行階段，與國(guó)外相對(duì)成熟的露天礦山無人駕駛技術(shù)裝備和規(guī)模化應(yīng)用依然存在較大差距。

3)無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和廣泛部署需要系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升和礦山運(yùn)營(yíng)管理模式的改變。由于礦山環(huán)境和作業(yè)場(chǎng)景的特殊性，無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行面臨的主要挑戰(zhàn)包括五個(gè)方面，一是礦山道路路況差，存在粉塵多、溫差大、振動(dòng)強(qiáng)等復(fù)雜工況；二是礦山道路上非結(jié)構(gòu)化障礙物多，如撒料、落石、土丘、積水、坑洼等；三是礦山生產(chǎn)作業(yè)場(chǎng)景復(fù)雜且一直在變化；四是礦山作業(yè)區(qū)域廣闊，礦坑之間高低落差大；五是裝卸過程中需要其他有人駕駛車輛的協(xié)同配合。這些挑戰(zhàn)對(duì)決策規(guī)劃算法優(yōu)化、高精度地圖采集和更新頻率、無線通信覆蓋程度、車輛調(diào)度集群化等方面提出了更高的要求。

除了加強(qiáng)無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性外，還需要解決該系統(tǒng)的廣泛部署所面臨的一系列問題，包括提升無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)與有人駕駛礦用卡車的混合作業(yè)能力；建立不同無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)之間可互操作的標(biāo)準(zhǔn)來提高運(yùn)營(yíng)的安全性和效率；制定適用于無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)模化應(yīng)用的露天礦山設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)露天采礦道路、排土場(chǎng)、開采區(qū)等的建設(shè)形成新的技術(shù)要求和規(guī)范。

2.3 地下礦山自主裝載-運(yùn)輸-卸載系統(tǒng)

1)地下礦山開采逐漸走向深部，自主鏟裝、運(yùn)輸和卸載技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)礦山運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)程化和自動(dòng)化的重要方面。隨著地表礦產(chǎn)資源日益枯竭，地下開采的比例將越來越大。深部地下開采面臨諸多不安全因素，如高溫、高濕、高應(yīng)力等，對(duì)井下作業(yè)人員和設(shè)備造成嚴(yán)重威脅。因此，以少人化、無人化為目標(biāo)的地下采礦設(shè)備自動(dòng)化和智能化成為深部地下開采的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

地下礦山的自動(dòng)化程度尚無法達(dá)到露天礦山的水平，除少數(shù)礦山使用無人駕駛礦用卡車外，大多數(shù)地下礦山采用鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行裝載點(diǎn)到卸載點(diǎn)的短周期自主鏟裝、運(yùn)輸和卸載作業(yè)，其具有靈活、高效、機(jī)動(dòng)、多用途等突出優(yōu)勢(shì)。

2)地下礦山自主裝載-運(yùn)輸-卸載系統(tǒng)的發(fā)展日趨成熟并得到較廣泛應(yīng)用。具有代表性的自主裝載-運(yùn)輸-卸載系統(tǒng)包括卡特彼勒的MINEGEM系統(tǒng)、山特維克的AutoMine系統(tǒng)以及安百拓的Scooptram Automation系統(tǒng)?？ㄌ乇死盏腗INEGEM系統(tǒng)由機(jī)載計(jì)算機(jī)、激光傳感器、軟件和無線通信網(wǎng)絡(luò)基站等組成，而山特維克的AutoMine系統(tǒng)由外部系統(tǒng)、機(jī)載控制系統(tǒng)、生產(chǎn)區(qū)系統(tǒng)、中心控制系統(tǒng)等組成，盡管兩個(gè)系統(tǒng)在配置上略有不同，但運(yùn)行模式非常相似，即礦石鏟裝作業(yè)由遠(yuǎn)程控制室內(nèi)的操作人員手動(dòng)完成，裝載完成后系統(tǒng)轉(zhuǎn)為自主操控模式，鏟運(yùn)機(jī)駛向指定的卸載點(diǎn)并在完成傾倒后返回，基本實(shí)現(xiàn)了鏟運(yùn)機(jī)的遠(yuǎn)程、半自主和自主操控。目前，卡特彼勒和山特維克都開發(fā)了輔助性自動(dòng)鏟裝功能，向?qū)崿F(xiàn)地下鏟運(yùn)機(jī)的完全自主運(yùn)行邁出了重要一步。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，MINEGEM系統(tǒng)、AutoMine系統(tǒng)和Scooptram Automation系統(tǒng)在全球數(shù)十座地下礦山中得到應(yīng)用，涉及必和必拓、紐克雷斯特、LKAB、Boliden、智利國(guó)家銅業(yè)、雷索盧特礦業(yè)、嘉能可等全球知名礦業(yè)企業(yè)。2021年4月，山特維克礦山和巖石技術(shù)公司表示，已在亞太地區(qū)交付了第100臺(tái)連接到AutoMine系統(tǒng)的地下鏟運(yùn)機(jī)，并且已在澳大利亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和菲律賓安裝了30套AutoMine系統(tǒng)，客戶包括Barminco、OceanaGold、Redpath和Byrnecut等礦山開發(fā)服務(wù)企業(yè)[2]。

早在“十二五”期間，由礦冶科技集團(tuán)有限公司(原北京礦冶研究總院)牽頭組織實(shí)施的國(guó)家863計(jì)劃“地下金屬礦智能開采技術(shù)”項(xiàng)目就研制出了包括地下智能鏟運(yùn)機(jī)在內(nèi)的五大智能化無軌裝備，攻克了地下移動(dòng)設(shè)備高精度定位導(dǎo)航、導(dǎo)航路徑規(guī)劃、跟蹤控制等關(guān)鍵技術(shù)，研究成果以系統(tǒng)集成方式在凡口鉛鋅礦、山東黃金集團(tuán)焦家金礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)技術(shù)驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)[19]。然而，目前國(guó)內(nèi)鏟運(yùn)機(jī)的自動(dòng)化發(fā)展仍處于初級(jí)階段，以視距操控和遠(yuǎn)程操控為主，如金川集團(tuán)“基于進(jìn)路式采礦法的鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程遙控出礦技術(shù)研究”項(xiàng)目的井下試驗(yàn)于2021年4月取得階段性成果，標(biāo)志著金川集團(tuán)自產(chǎn)JCCY-6型鏟運(yùn)機(jī)在井下生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控出礦目標(biāo)[20]。

3)自主裝載-運(yùn)輸-卸載系統(tǒng)的高效可靠運(yùn)行仍需要克服地下礦山作業(yè)環(huán)境復(fù)雜惡劣和設(shè)備維護(hù)困難等挑戰(zhàn)。由于地下礦山面臨比露天礦山更為惡劣的設(shè)備運(yùn)行條件，自主裝載-運(yùn)輸-卸載系統(tǒng)的可靠部署和高效運(yùn)行需要解決的關(guān)鍵問題包括確保礦山作業(yè)人員遠(yuǎn)離鏟運(yùn)機(jī)的自主作業(yè)環(huán)境、減少因設(shè)備組件復(fù)雜性和故障及配套基礎(chǔ)設(shè)施受損導(dǎo)致的系統(tǒng)計(jì)劃外停機(jī)、簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的安裝設(shè)置。

2.4 礦山5G通信技術(shù)

1)連接性是智能礦山建設(shè)的關(guān)鍵，5G通信技術(shù)將成為賦能礦山自動(dòng)化、智能化發(fā)展的重要因素。國(guó)際海事衛(wèi)星組織的最新研究發(fā)現(xiàn)，礦業(yè)企業(yè)預(yù)計(jì)在未來3年將其絕大部分信息技術(shù)預(yù)算投入于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)[21]。物聯(lián)網(wǎng)讓礦業(yè)企業(yè)可以把重型設(shè)備、傳感器和人員等連接到集成平臺(tái)，并基于先進(jìn)數(shù)據(jù)分析技術(shù)優(yōu)化礦山運(yùn)營(yíng)管理。

對(duì)于基于物聯(lián)網(wǎng)的智能礦山建設(shè)，高速、穩(wěn)定、可靠的連接性將發(fā)揮至關(guān)重要的作用，例如需要足夠的帶寬和高度可靠的網(wǎng)絡(luò)連接將遠(yuǎn)程鑿巖系統(tǒng)和無人機(jī)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)視頻流傳輸至遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)。5G通信技術(shù)作為關(guān)鍵前沿技術(shù)之一，因其具有大帶寬、低時(shí)延、廣連接等特點(diǎn)而成為礦業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)模式重大變革的重要賦能技術(shù)之一。

2)礦山5G無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)剛剛起步但應(yīng)用效果初顯。國(guó)際電信聯(lián)盟對(duì)于5G技術(shù)的定義包含三類典型應(yīng)用場(chǎng)景，即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、超高可靠超低時(shí)延通信和海量機(jī)器類通信[22]。由于不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)性能需求的極端差異化，5G技術(shù)主要基于無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩大類關(guān)鍵技術(shù)的融合提供有針對(duì)性的解決方案。就智能礦山建設(shè)而言，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶主要滿足“人”的高速率、大帶寬連接需求，如三維模型在線傳輸、超高清視頻監(jiān)控、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、雷達(dá)探測(cè)等；超高可靠超低時(shí)延通信主要滿足工業(yè)場(chǎng)景中“機(jī)器”的低時(shí)延、高可靠連接需求，如礦用卡車無人駕駛、鑿巖臺(tái)車/鏟運(yùn)機(jī)等采礦設(shè)備遠(yuǎn)程操控、無人機(jī)巡檢等；海量機(jī)器類通信主要滿足大規(guī)模、高密度連接需求，如照明和通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、安全數(shù)據(jù)采集等大量設(shè)備的連接。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年6月，已有8個(gè)國(guó)家部署了超過40個(gè)礦山5G無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目，大部分還處于測(cè)試階段。北歐地區(qū)和我國(guó)已有5G礦山投入運(yùn)營(yíng)，這主要?dú)w因于雙方都擁有全球領(lǐng)先的信息與通信技術(shù)供應(yīng)商，如瑞典的愛立信、芬蘭的諾基亞以及我國(guó)的華為和中興通信。但需要注意的是，北歐地區(qū)的礦山5G無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目都有全球知名采礦設(shè)備和系統(tǒng)供應(yīng)商參與，如安百拓和山特維克，而我國(guó)在相同領(lǐng)域的發(fā)展還具有一定差距。瑞典的Aitik露天銅礦在部署由愛立信提供的5G網(wǎng)絡(luò)后，無人駕駛礦用卡車的行駛速度大幅提升，自動(dòng)爆破孔鉆機(jī)的年工作時(shí)間從5 000 h增加到7 000 h，礦石產(chǎn)量提升25%，燃料消耗節(jié)省10%，成本降低1%，每年減少9 400 t二氧化碳排放[23]。瑞典Kankberg地下金礦正在5G網(wǎng)絡(luò)條件下測(cè)試應(yīng)用歐盟“地平線2020”計(jì)劃資助研發(fā)的井下超高精度定位技術(shù)以及可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/自主操控的鑿巖臺(tái)車、鏟運(yùn)機(jī)和無人機(jī)等，預(yù)計(jì)全天候的自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)將使產(chǎn)量提高40%～80%，基于數(shù)據(jù)的生產(chǎn)優(yōu)化將使產(chǎn)量提升10%～20%，每年將減少4 000 t二氧化碳排放[24]。

我國(guó)正在利用5G技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)加快推進(jìn)5G+智能礦山建設(shè)。例如，洛鉬集團(tuán)將5G技術(shù)應(yīng)用于露天礦山作業(yè)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了對(duì)挖掘機(jī)、鉆機(jī)、無人駕駛礦用卡車作業(yè)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，卡車自主運(yùn)行速度從10 km/h提升到30 km/h，極大提高了三道莊礦區(qū)的生產(chǎn)效率，榮獲2019年中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；山東黃金集團(tuán)將5G技術(shù)應(yīng)用于地下礦山作業(yè)場(chǎng)景，在其三山島金礦應(yīng)用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和上傳以及鑿巖臺(tái)車的遠(yuǎn)程操控作業(yè)，該“國(guó)際一流示范礦山”建設(shè)成果于2021年3月通過專家驗(yàn)收且整體上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[25]。

3)5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的部署應(yīng)用需要礦山實(shí)現(xiàn)對(duì)連接性具有極高要求的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。5G技術(shù)作為智能礦山建設(shè)的重要賦能技術(shù)之一，其應(yīng)用需要礦業(yè)行業(yè)加快推進(jìn)可提供實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)輸卡車無人駕駛、移動(dòng)采礦設(shè)備遠(yuǎn)程/自主操控、無人機(jī)巡檢、智能調(diào)度等應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)備制造、系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)利用、新興前沿技術(shù)融合等領(lǐng)域的發(fā)展，從而加強(qiáng)5G技術(shù)在礦山實(shí)際場(chǎng)景下的探索性應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)5G連接環(huán)境下礦山生產(chǎn)過程中人、機(jī)、環(huán)、管等多要素的高效、安全運(yùn)營(yíng)。

3 總結(jié)與展望

數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為礦業(yè)行業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的必由之路，有望讓礦業(yè)企業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式發(fā)生前所未有的改變。當(dāng)前，礦業(yè)行業(yè)正加快推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不僅用于優(yōu)化流程和最大化企業(yè)現(xiàn)有資產(chǎn)的價(jià)值，而且還著眼于新興前沿技術(shù)，以幫助礦業(yè)企業(yè)優(yōu)化設(shè)備投資的同時(shí)確保作業(yè)人員的安全。礦業(yè)行業(yè)在經(jīng)歷了對(duì)其生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重甚至“致命”影響的新冠肺炎疫情之后，將會(huì)充分認(rèn)識(shí)到數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)企業(yè)在生產(chǎn)能力、盈利能力、效率、安全性及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件等方面的積極影響，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

1)利用先進(jìn)傳感器的部署，通過固定監(jiān)測(cè)設(shè)備、可穿戴設(shè)備、移動(dòng)采礦設(shè)備、礦物加工設(shè)備、無人機(jī)等載體獲取礦業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，為企業(yè)利用數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和存儲(chǔ)技術(shù)建立經(jīng)營(yíng)管理所需的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)提供支持。例如，無人機(jī)勘查獲取的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，可穿戴設(shè)備提供的工作人員實(shí)時(shí)位置，傳送帶傳感器測(cè)得的進(jìn)料質(zhì)量。

2)利用高質(zhì)量數(shù)據(jù)的處理、分析和解釋，通過確定已出現(xiàn)問題的原因，或通過預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問題并避免其發(fā)生，為企業(yè)利用機(jī)器學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)性分析等技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)等方面提供支持。例如，預(yù)測(cè)性維護(hù)可避免機(jī)器設(shè)備因故障造成計(jì)劃外停機(jī)，機(jī)隊(duì)管理系統(tǒng)可掌握移動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備(如運(yùn)輸卡車、鏟運(yùn)機(jī))所處位置及作業(yè)狀態(tài)。

3)利用數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，通過實(shí)時(shí)信息傳輸、機(jī)器設(shè)備與人之間的數(shù)據(jù)交換、機(jī)器對(duì)機(jī)器通信等，為企業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化、提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率等方面提供支持。例如，4G LTE、5G等高速可靠通信技術(shù)可顯著改善地處偏遠(yuǎn)且暴露在極端條件下的地下礦山的通信系統(tǒng)連接性。

4)利用生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)流程的自動(dòng)化，通過機(jī)器設(shè)備的遠(yuǎn)程、半自主和自主操控，為企業(yè)消除人為操作的不一致性導(dǎo)致的生產(chǎn)率變化、計(jì)劃外停機(jī)、能源過度消耗、安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，以及延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和減少現(xiàn)場(chǎng)工作人員等方面提供支持。例如，先進(jìn)過程控制可在提高選礦廠的礦石處理能力、精礦品位和回收率的同時(shí)優(yōu)化能源利用效率和減少環(huán)境影響。