智慧露天礦山規(guī)劃發(fā)展路徑

李 旭

（國家能源集團準格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

智慧露天礦山就是在綜合應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、傳感器、空間信息、自動化控制等多種技術(shù)的基礎(chǔ)上，以實現(xiàn)綠色、安全、高效、無人（或少人）采礦生產(chǎn)為目標的綜合系統(tǒng)，不僅能夠?qū)β短斓V采礦過程中產(chǎn)生的信息進行全面采集與分析，為采礦生產(chǎn)與運輸、安全管理等各方面工作的高效無人作業(yè)提供支持，同時還能夠依托深度學(xué)習(xí)知識庫來對相關(guān)管理決策進行持續(xù)優(yōu)化改進，在采礦生產(chǎn)效率提升、安全生產(chǎn)目標實現(xiàn)、生產(chǎn)成本控制、環(huán)境污染控制等方面都發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用。因此，對于智慧露天礦山規(guī)劃建設(shè)與發(fā)展的研究也是十分必要的。

1 智慧露天礦山的建設(shè)規(guī)劃

1.1 基礎(chǔ)支撐平臺建設(shè)

在露天礦生產(chǎn)管理內(nèi)容異常復(fù)雜的情況下，要想建設(shè)智慧露天礦山，為多種先進技術(shù)的集成應(yīng)用提供支持，首先就必須要將完善的基礎(chǔ)支撐平臺建設(shè)起來，依托各類基礎(chǔ)設(shè)施為智慧露天礦山的各項功能作用發(fā)揮提供支撐。從目前來看，智慧露天礦山的基礎(chǔ)支撐平臺建設(shè)，主要可分為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)、軟件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與硬件基礎(chǔ)設(shè)施3 部分。其中網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施通常包括數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)安全管理2部分，能夠為整個系統(tǒng)內(nèi)部所有數(shù)據(jù)信息的高效傳輸、實時共享提供支持，同時防范系統(tǒng)遭到網(wǎng)絡(luò)攻擊、感染網(wǎng)絡(luò)病毒等信息安全事故，為系統(tǒng)正常運行與內(nèi)部數(shù)據(jù)信息的安全性提供保障[1]；硬件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括數(shù)據(jù)中心建設(shè)、管控指揮中心建設(shè)、通信感知設(shè)施建設(shè)、辦公環(huán)境建設(shè)、高性能計算機配置等，能夠為采礦生產(chǎn)過程中的各類數(shù)據(jù)信息采集、存儲、傳輸、分析以及整個智慧露天礦山系統(tǒng)的統(tǒng)一管控提供硬件支持；軟件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括專家知識庫建設(shè)、大數(shù)據(jù)分析平臺建設(shè)、智能終端系統(tǒng)建設(shè)等，主要是為大數(shù)據(jù)分析、采礦生產(chǎn)管理智能決策與優(yōu)化及各業(yè)務(wù)單元應(yīng)用的有效實現(xiàn)提供支持。

1.2 礦山模擬系統(tǒng)建設(shè)

從露天礦的全生命周期管理來看，由于露天礦山的開采周期普遍較長，考慮礦山的地質(zhì)水文條件、礦產(chǎn)資源儲量、潛在安全隱患等因素，因此要想有效建成智慧露天礦山，同樣還需要以面向露天礦全生命周期的動態(tài)化管理為目標，開展礦山模擬系統(tǒng)建設(shè)，根據(jù)礦山開采生產(chǎn)的實際情況來構(gòu)建數(shù)字化礦山模型，對露天礦穿孔、爆破、采掘、運輸、排棄等生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行三維時空演化，進而為工藝系統(tǒng)布局、生產(chǎn)規(guī)劃、設(shè)備選用、安全管理等工作的有效展開提供重要參考[2]。

在礦山某一區(qū)域的礦石開采完畢后，為保證后續(xù)采礦生產(chǎn)的科學(xué)性、規(guī)范性，可以根據(jù)地質(zhì)、測量、安全、生產(chǎn)等方面的數(shù)據(jù)信息來構(gòu)建現(xiàn)階段礦山模型，全面了解采礦生產(chǎn)的各方面信息，并通過對各方面因素的綜合考慮，制定出針對性的后續(xù)采礦生產(chǎn)計劃方案。得到生產(chǎn)計劃方案后，則需要按照生產(chǎn)計劃對后續(xù)采礦生產(chǎn)進行三維時空演化，通過模型來真實模擬后續(xù)采礦生產(chǎn)情況，以全面了解生產(chǎn)計劃存在的不足，為生產(chǎn)計劃方案的優(yōu)化提供重要參考。在某一階段的采礦生產(chǎn)計劃執(zhí)行完畢后，則可以根據(jù)采礦生產(chǎn)過程中采集到的數(shù)據(jù)信息來進行歷史生產(chǎn)狀況回溯，并通過與生產(chǎn)計劃方案的對比分析找出生產(chǎn)計劃執(zhí)行中出現(xiàn)的問題，分析生產(chǎn)計劃執(zhí)行不到位的原因，為生產(chǎn)管理的持續(xù)優(yōu)化提供幫助。

1.3 設(shè)備管理系統(tǒng)建設(shè)

智慧露天礦山具有無人化（少人化）的特點，如生產(chǎn)計劃、采礦方案、車鏟調(diào)度、安全管理等方面的很多工作都是由系統(tǒng)控制完成，而要想實現(xiàn)設(shè)備的自動化、智能化控制，則需要建立完善的設(shè)備管理系統(tǒng)，用于對鉆機、混裝炸藥車、電鏟、自卸卡車、排土機、破碎站、帶式輸送機等設(shè)備進行集中管控與遠程智能控制[3]。一般來說，智慧露天礦山的設(shè)備管理系統(tǒng)都是依靠物聯(lián)網(wǎng)、傳感器設(shè)備與中央控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。實際采礦生產(chǎn)通常會由中央控制系統(tǒng)按預(yù)定程序發(fā)出控制指令，控制各機械設(shè)備完成規(guī)范生產(chǎn)動作，同時借助傳感器來獲取設(shè)備運行、設(shè)備周邊環(huán)境條件等方面的數(shù)據(jù)信息；待中央控制系統(tǒng)對多個設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息進行綜合分析后，再依托知識庫中儲存的信息來迅速做出針對性控制決策，使機械設(shè)備的自動化控制能夠靈活應(yīng)對各種生產(chǎn)狀況，并實現(xiàn)多個機械設(shè)備間的有效協(xié)同配合。

在采掘設(shè)備的作業(yè)控制中，系統(tǒng)就會借助礦用傳感器來獲取電鏟當前位置、巖石塊度、卡車位置、車斗內(nèi)物料堆積形狀等方面的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)這些信息來完成采掘設(shè)備下一步操作，發(fā)送電鏟移動幅度與方向、鏟斗挖掘方式、鏟斗移動懸停位置、鏟斗懸停時間等控制指令，使采掘設(shè)備能夠根據(jù)實際生產(chǎn)情況自動完成物料挖掘、裝車等生產(chǎn)作業(yè)，并實現(xiàn)與裝載卡車的有效協(xié)調(diào)配合。

在排土設(shè)備的作業(yè)控制中，系統(tǒng)則會借助傳感器及衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)來采集鏟刀狀態(tài)、機械臂狀態(tài)、周邊區(qū)域地面情況、推土機實時位置等數(shù)據(jù)信息，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來發(fā)出設(shè)備移動距離、移動速度、移動方向、鏟刀動作方式、機械臂動作方式等相應(yīng)控制指令，使排土設(shè)備能夠根據(jù)現(xiàn)場情況完成繞開障礙物行駛、正常排土等生產(chǎn)作業(yè)活動。

1.4 生產(chǎn)管理系統(tǒng)建設(shè)

在智慧露天礦山建設(shè)中，由于采礦生產(chǎn)并非是單純的煤炭或礦石開采，而是要綜合考慮生產(chǎn)成本、總體產(chǎn)能、開采效率等多方面因素，因此為保證生產(chǎn)管理決策的科學(xué)性，同樣還需以礦山模擬系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立面向爆破、采裝、運輸、排棄等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，用于對局部生產(chǎn)作業(yè)細節(jié)進行推演分析，并以控制生產(chǎn)成本、提高開采效率等目標為導(dǎo)向，完成各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化設(shè)計決策。例如在穿孔爆破環(huán)節(jié)中，就需要根據(jù)巖層條件、礦石分布情況等數(shù)據(jù)信息，對最佳鉆孔位置、鉆孔深度、鉆孔孔徑、炸藥用量等參數(shù)進行測算，得出最佳的穿孔爆破設(shè)計參數(shù)組合，以達到降低爆破對環(huán)境影響、減少單耗等目的。

1.5 綜合管理系統(tǒng)建設(shè)

露天礦的生產(chǎn)經(jīng)營工作十分復(fù)雜，除采礦生產(chǎn)方面的管理工作外，管理因素對采礦生產(chǎn)成本、效率、安全性等產(chǎn)生很大影響，而要想提升露天礦生產(chǎn)經(jīng)營管理水平，為采礦生產(chǎn)成本控制、采礦生產(chǎn)效率提升、安全生產(chǎn)等目標的實現(xiàn)提供更大支持，則需要在智慧露天礦山的建設(shè)中將綜合管理系統(tǒng)建立起來，用于對人員管理、財務(wù)管理、物資管理、安全生產(chǎn)管理等各項管理工作的智能化集中管控提供支持。例如在安全管理方面，綜合管理系統(tǒng)就會依托終端傳感器、監(jiān)控設(shè)備對礦山各區(qū)域展開全面實時監(jiān)控，以及時發(fā)現(xiàn)機械設(shè)備運行異常、工人危險操作、粉塵濃度過高、露天礦邊坡不穩(wěn)定等安全隱患，并迅速發(fā)出警報，通知有關(guān)安全管理人員前往查看，采取設(shè)備維修、暫停工人作業(yè)、粉塵清理、邊坡支護加固等處理措施[4]。

2 智慧露天礦山建設(shè)發(fā)展的具體路徑

1）明確智慧礦山層級。在智慧露天礦山的建設(shè)實踐中，由于智慧露天礦山系統(tǒng)本身就具有著業(yè)務(wù)層次多、覆蓋領(lǐng)域廣的特點，很難在短時間內(nèi)迅速實現(xiàn)從傳統(tǒng)管理模式向智慧化管理的轉(zhuǎn)變，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也需要較長時間，因此要想將智慧露天礦山建設(shè)起來，首先就必須要將智慧礦山的層級劃分明確下來，按照循序漸進的策略逐層推進智慧礦山建設(shè)。一般來說，智慧露天礦山系統(tǒng)可分為智慧單元、智慧系統(tǒng)與智慧大系統(tǒng)3 個層級，智慧單元應(yīng)面向露天礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理的各個領(lǐng)域，并對多個智慧單元進行集成管理與應(yīng)用，以逐漸推進至智慧系統(tǒng)建設(shè)層次，甚至是將多個智慧系統(tǒng)整合為智慧大系統(tǒng)。在智慧單元層級的建設(shè)中，通常需要完成各類傳感器、測量儀表、通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備的安裝改造，同時對相應(yīng)的終端軟件進行應(yīng)用，以構(gòu)成最基本的數(shù)據(jù)自動流動閉環(huán)，將最小智慧單元構(gòu)建起來[5]。在智慧系統(tǒng)層級的建設(shè)中，則需要依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來構(gòu)建聯(lián)通多個智慧單元的通信網(wǎng)絡(luò)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)相互通訊、協(xié)同配合，形成相對完整的智慧系統(tǒng)，同時依托智慧系統(tǒng)來實現(xiàn)對各智慧單元的狀態(tài)感知、信息交互與實時分析，進而達到生產(chǎn)資源自配置、生產(chǎn)管理自決策目的。在智慧大系統(tǒng)建設(shè)中，需要將統(tǒng)一的智能服務(wù)平臺建立起來，與爆破、采掘、運輸、設(shè)備管理等各個領(lǐng)域的子系統(tǒng)建立連接，同時通過數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)信息的綜合分析，使各個智慧系統(tǒng)能夠集成為智慧大系統(tǒng)，為露天礦全局生產(chǎn)經(jīng)營管理信息感知、深度分析、科學(xué)決策、精確執(zhí)行提供支持。

2）科學(xué)設(shè)定建設(shè)目標。為保證智慧露天礦山建設(shè)的持續(xù)、穩(wěn)定推進，避免因智慧單元、智慧系統(tǒng)過多而使建設(shè)工作陷入混亂，礦山企業(yè)同樣還需從基礎(chǔ)支撐平臺建設(shè)、設(shè)備管理系統(tǒng)建設(shè)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)建設(shè)等多方面入手，制定出符合礦山實際情況的建設(shè)目標，使各項智慧露天礦山建設(shè)工作能夠擁有明確方向與依據(jù)。例如在基礎(chǔ)支撐平臺的建設(shè)中，需要先從各個業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求出發(fā)，先設(shè)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)目標，將全覆蓋的4G 無線專網(wǎng)或5G 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)建立起來，為信息化辦公及各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸共享提供支持。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境布設(shè)完善后，再設(shè)定軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目標，積極引入高性能計算機、服務(wù)器等應(yīng)硬件設(shè)備，借此完成相關(guān)硬件基礎(chǔ)設(shè)施及數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析平臺、專家知識庫等軟件基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)[6]。在設(shè)備管理方面，則需要按照露天礦采礦生產(chǎn)工藝流程，設(shè)立面向穿孔、爆破、采裝、運輸、洗選加工等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備智能化管理目標，并開展設(shè)備智能化更新或改造工作，使生產(chǎn)各環(huán)節(jié)逐漸實現(xiàn)設(shè)備遠程智能控制。

3）重視先進技術(shù)應(yīng)用。在智慧露天礦山集成云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等多種技術(shù)的情況下，對于各種先進技術(shù)的合理應(yīng)用同樣是十分重要的，要建立完善的智慧露天礦山系統(tǒng)，保證系統(tǒng)各項功能均能夠滿足礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理的實際需求，就必須要提高對先進技術(shù)應(yīng)用的重視，根據(jù)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析等各方面的建設(shè)需求，確定具體的技術(shù)應(yīng)用思路。例如在智慧單元建設(shè)階段，應(yīng)注意利用單元通訊技術(shù)來實現(xiàn)不同智慧單元組件間的高效聯(lián)通，并借此對不同單元組件所產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)一管理與集中整合[7]。在基礎(chǔ)支撐平臺建設(shè)階段，則需要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)來建立大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，用于對各智能終端采集到的數(shù)據(jù)進行分類整合與綜合分析，以便于做出設(shè)備投入、安全管控、生產(chǎn)管理等各方面管理決策。

4）系統(tǒng)功能合理開發(fā)。在智慧露天礦山建設(shè)中，由于不同露天礦山企業(yè)的生產(chǎn)條件、經(jīng)營管理情況存在明顯差異，因此礦山企業(yè)還需根據(jù)實際情況來對智慧露天礦山系統(tǒng)的功能進行合理設(shè)計開發(fā)，確保系統(tǒng)功能能夠與礦山實際相符合。在露天礦山自動化、智能化裝備及系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)設(shè)計所形成的施工計劃直接推送至工程機械上，實現(xiàn)機械作業(yè)的智能引導(dǎo)、輔助操作、甚至無人操作等功能[8]，應(yīng)該是智能露天礦山的首要考慮的基礎(chǔ)功能設(shè)計。

3 結(jié)語

智慧露天礦山的建設(shè)雖然比較復(fù)雜，但礦山企業(yè)，只要能夠從基礎(chǔ)支撐平臺建設(shè)、礦山模擬系統(tǒng)建設(shè)、設(shè)備管理系統(tǒng)建設(shè)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)建設(shè)、綜合管理系統(tǒng)建設(shè)等方面入手，對智慧露天礦山系統(tǒng)的建設(shè)進行合理規(guī)劃，將相關(guān)建設(shè)思路明確下來，同時在分層建設(shè)、建設(shè)目標設(shè)定、先進技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)功能開發(fā)等方面采取合適的建設(shè)發(fā)展策略，就能逐步實現(xiàn)露天礦的智慧、綠色、安全與高效開采，不斷提升礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理水平，實現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。