我國礦山智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)分析與探索

毛銳 覃聰 張陽

（1.息烽縣工業(yè)和信息化局，貴州貴陽 550000；2.遵義鋁業(yè)股份有限公司，貴州遵義 563000;3.黔東南州工業(yè)和信息化局，貴州黔東南 556000）

采礦業(yè)是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，是工業(yè)生產(chǎn)的能源與原材料來源，礦山開采是農(nóng)業(yè)之外人類經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)中最古老的行業(yè)[1]。通過開采各類礦產(chǎn)資源，提供大量工業(yè)生產(chǎn)所需要的原材料和資源，是社會(huì)其他經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)得以順利開展的基礎(chǔ)和前提。礦山智能化建設(shè)直接關(guān)系我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)智能化的進(jìn)程，將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等ICT技術(shù)與現(xiàn)代礦產(chǎn)資源開發(fā)利用深度融合，對(duì)提升我國礦山行業(yè)的安全生產(chǎn)水平、保障礦產(chǎn)資源穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。

一、礦山行業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀

（一）國外礦山智能化發(fā)展現(xiàn)狀

國際上把礦山的智能化分為五個(gè)階段，分別是原始階段、機(jī)械化階段、信息化階段、數(shù)字化階段和智能化階段（表1）。

表1 國外礦山智能化發(fā)展階段

（二）國內(nèi)礦山智能化發(fā)展現(xiàn)狀

1. 智能礦山建設(shè)各具特色

我國礦山智能化建設(shè)各具特色，如陜煤白水煤礦運(yùn)用5G技術(shù)，模擬實(shí)地采礦場(chǎng)景，創(chuàng)新了礦產(chǎn)資源開采新模式，形成礦業(yè)發(fā)展新引擎。江銅德興銅礦運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，在“采、裝、運(yùn)、支”等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了智能化，減少了開采環(huán)節(jié)的作業(yè)工人，實(shí)現(xiàn)了無人化和少人化，大大提高了井下開采的安全性。山東能源集團(tuán)引入華為Stack大模型，滿足“數(shù)據(jù)不出企”的要求，初步實(shí)現(xiàn)了采礦行業(yè)從人工管理到智能化管理、從被動(dòng)管理到主動(dòng)管理的轉(zhuǎn)變。

國際上，智能采礦已被廣泛認(rèn)為是礦山未來的發(fā)展方向，在采礦過程中運(yùn)用智能化技術(shù)和設(shè)備可以極大地提高生產(chǎn)力、保障從業(yè)人員的安全、減少財(cái)產(chǎn)損失，因此智能礦山是礦山技術(shù)變革、生產(chǎn)方式創(chuàng)新的必然趨勢(shì)。經(jīng)過長久的發(fā)展和探索，發(fā)達(dá)國家在礦業(yè)領(lǐng)域的智能化建設(shè)已經(jīng)日漸成熟，并廣泛運(yùn)用。我國近年來對(duì)礦山智能化技術(shù)的研究也愈發(fā)重視，以安全、綠色、高效、經(jīng)濟(jì)、安全為目標(biāo)，引導(dǎo)礦山企業(yè)構(gòu)建智能化系統(tǒng)，并在政策、技術(shù)、資金等方面給予大力支持。國內(nèi)近年來對(duì)智能采礦的政策支持情況見表2。

表2 國內(nèi)近年來對(duì)智能采礦的政策支持情況

2. 智能化發(fā)展戰(zhàn)略持續(xù)推進(jìn)

2023年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》），提出要做強(qiáng)做優(yōu)做大數(shù)字經(jīng)濟(jì)，培育壯大數(shù)字經(jīng)濟(jì)核心產(chǎn)業(yè)，研究制定推動(dòng)數(shù)字產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的措施，打造具有國際競爭力的數(shù)字產(chǎn)業(yè)集群[2]。在國家戰(zhàn)略和政策的指引下，國家相關(guān)部委、礦山行業(yè)協(xié)會(huì)也頒布了一系列礦山數(shù)字化轉(zhuǎn)型的相關(guān)政策及指導(dǎo)意見，為礦山數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供指引以及營造良好的政策環(huán)境，加快推動(dòng)礦山企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，給礦業(yè)發(fā)展注入新動(dòng)能，為礦山企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、創(chuàng)新發(fā)展開拓新領(lǐng)域。

（三）降本增效效果明顯

礦企對(duì)智能化建設(shè)的投入，一方面是出于政策安全監(jiān)管方面的要求；另一方面則是出于礦山生產(chǎn)經(jīng)營降本增效方面的需求。智能礦山系統(tǒng)對(duì)礦山生產(chǎn)提質(zhì)增效的效果已經(jīng)開始顯現(xiàn)，對(duì)不合規(guī)、有風(fēng)險(xiǎn)的行動(dòng)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，減少安全事故發(fā)生概率，避免因停產(chǎn)整頓產(chǎn)生的巨額虧損。精細(xì)化管理整個(gè)生產(chǎn)流程，避免過往傳統(tǒng)、粗放的流程導(dǎo)致的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)降本增效；智能決策系統(tǒng)與智能化設(shè)備有效降低了礦山作業(yè)場(chǎng)景對(duì)人力的需求，并實(shí)現(xiàn)流程規(guī)范化，降低勞動(dòng)力雇傭成本與管理成本（圖1）。

圖1 煤礦智能化提升投資回報(bào)

（四）產(chǎn)學(xué)研深度融合

礦山智能化建設(shè)迫切需要既理解礦山業(yè)務(wù)又掌握信息技術(shù)的復(fù)合型人才；盡管中國正處于工程師紅利期，但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字技術(shù)與礦山實(shí)際場(chǎng)景深度融合的高端技術(shù)人員仍相對(duì)稀缺。在采礦工程類本科生穩(wěn)定招生1.2萬人的背景下，2022年智能采礦專業(yè)招生數(shù)量較2021年增長4倍多，該趨勢(shì)有助于礦山“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新體系的打造。

二、智能礦山建設(shè)路徑探索

智能礦山是把地質(zhì)勘探監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量摸底、采礦、選礦、冶煉、生態(tài)修復(fù)、環(huán)境保護(hù)等各要素結(jié)合起來，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化、信息化和系統(tǒng)化管控，使礦山運(yùn)行系統(tǒng)具有報(bào)警、分析、判斷和處理的能力，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)和管理。

（一）大力建設(shè)通信設(shè)施

穩(wěn)定的5G通信網(wǎng)絡(luò)是智能礦山運(yùn)行必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。5G專網(wǎng)是當(dāng)下礦山場(chǎng)景中無線基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)選擇，能夠解決當(dāng)下Wi-Fi、3G/4G、WIA-PA/FA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的多種問題，提供大帶寬、高可靠、低時(shí)延、可移動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò)，賦能智能礦山應(yīng)用[3]（表3）。

表3 礦山通信設(shè)施類型

（二）構(gòu)建礦山數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是礦山智能化轉(zhuǎn)型的主要途徑，也是礦山無人化運(yùn)營的數(shù)字基礎(chǔ)。數(shù)字孿生的原理是通過對(duì)礦山地質(zhì)、地表、設(shè)備、人員的數(shù)字孿生化，讓管理人員進(jìn)入“人身安全環(huán)境”下的數(shù)字孿生礦山閉環(huán)中，逐步達(dá)到可視化、實(shí)時(shí)同步和互操作的運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)礦山經(jīng)營少人化、無人化的最終目標(biāo)（圖2）。

圖2 數(shù)字孿生架構(gòu)

礦山數(shù)字孿生需要經(jīng)歷多個(gè)發(fā)展階段，想要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可操作的“完全體”，還有待礦山智能化進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展（表4）。

表4 數(shù)字礦山發(fā)展階段

（三）打造無人礦山

對(duì)于露天礦場(chǎng)開采而言，礦石與廢料土方運(yùn)輸占據(jù)整個(gè)礦山生產(chǎn)成本的大頭，部分露天礦山運(yùn)輸成本高達(dá)50%（運(yùn)輸基建成本占比更高），因此降低土方運(yùn)輸成本是智慧無人化礦山建設(shè)的重要切入點(diǎn)。從作業(yè)環(huán)節(jié)看，無人駕駛在露天礦山的落地，不僅實(shí)現(xiàn)了無人化安全作業(yè)與經(jīng)營效益提升，也為后續(xù)的礦山智能化建設(shè)打好了地基，使基于人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧決策系統(tǒng)具有可行性（圖3）。

圖3 礦山無人駕駛系統(tǒng)

由圖4可知，無人駕駛在2012年實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，同時(shí)降本效應(yīng)明顯，達(dá)到了50%。

圖4 礦山無人駕駛系統(tǒng)降本增效

（四）形成智能礦山

從生產(chǎn)作業(yè)工序出發(fā)，通過數(shù)字孿生與AI技術(shù)推動(dòng)礦山作業(yè)的智能化與無人化。通過對(duì)地質(zhì)測(cè)量、礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量、采礦、選礦、資源節(jié)約與綜合利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等各要素實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化、信息化和協(xié)同化管控，建設(shè)具備感知、分析、推理、判斷、決策能力的現(xiàn)代化智能礦山（圖5）。

圖5 礦山升級(jí)改造與生產(chǎn)經(jīng)營整合

三、礦山智能化轉(zhuǎn)型的保障措施

（一）政策指引

雖然國家和地方均出臺(tái)了針對(duì)礦山安全生產(chǎn)和智能化建設(shè)的相關(guān)政策要求，但是對(duì)于“從哪些維度建設(shè)”“建設(shè)到什么程度”“有哪些具體指標(biāo)”這些具體問題仍然缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，礦山智能化建設(shè)難以做到有的放矢，標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)需求迫切。目前，國家礦山安全監(jiān)察局已經(jīng)著手推動(dòng)智能礦山標(biāo)準(zhǔn)體系，為未來礦山的智能化建設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)指引[4]。

（二）建設(shè)資金投入

礦山的開采是一項(xiàng)長周期的投入，根據(jù)礦山及礦儲(chǔ)量的規(guī)模，一般礦山的生命周期短則10年，長則30年。這意味著前期的項(xiàng)目整體規(guī)劃至關(guān)重要，需要全面涵蓋礦山基建、智能化設(shè)施的投入、生產(chǎn)采掘的規(guī)劃等。

從長期視角看，要形成觀念上的轉(zhuǎn)變，即礦山數(shù)字化、智能化的建設(shè)投入不應(yīng)被視為單純的財(cái)務(wù)支出，而更應(yīng)該是一種資產(chǎn)投入，其目的在于幫助礦業(yè)企業(yè)以更低的成本、更高的效率、更安全的方式進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)營，帶來持續(xù)的管理和經(jīng)營效益（表5）。

表5 礦山智能化支出與投入對(duì)比

（三）規(guī)范市場(chǎng)秩序

產(chǎn)業(yè)智能化、數(shù)智化發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，細(xì)枝末節(jié)的環(huán)節(jié)很多，搭建一個(gè)能夠真正“跑起來”，對(duì)業(yè)務(wù)有實(shí)質(zhì)性提質(zhì)增效的產(chǎn)品，還是需要時(shí)間和耐心去打磨[5]。市場(chǎng)過熱的現(xiàn)象可能會(huì)引起“劣幣驅(qū)逐良幣”的問題，比如重復(fù)性建設(shè)、打造“面子工程”，或是熱錢涌入或?qū)е峦稒C(jī)者橫行（而用戶企業(yè)在實(shí)施前缺乏辨識(shí)度），讓從業(yè)者費(fèi)心費(fèi)力培育起來的市場(chǎng)信心又一次受到重創(chuàng)，導(dǎo)致行業(yè)發(fā)展陷入停滯甚至倒退（圖6）。

圖6 礦山投資與投資金額

（四）加大產(chǎn)業(yè)融合

智能化礦山要以實(shí)現(xiàn)“安全、綠色、高效”為核心目標(biāo)，將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)與采礦行業(yè)深度融合，體現(xiàn)出數(shù)字化、智能化技術(shù)和裝備應(yīng)用于生產(chǎn)和管理過程，實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)全流程可視化、可管化、可控化以及一體化管理，提高生產(chǎn)效率和安全性。