林安川  彭立峰  马辰元  温  瑞  王文东  李刚

 （昆钢智能矿山的研究与应用分课题高级研修班）

摘  要  随着信息化技术的发展，矿山的核心竞争力已经由传统资源优势转化为高度信息化、集成化的科技优势。本文对智能化矿山建设应用的相关信息技术、自动化技术、数字化技术及其有机集成进行了概述，并在“智能矿山研究与应用”研修班专题讲座理论知识基础上，结合到国内相关先进企业、院校实地考察情况，就三维可视化管控平台、信息化系统的建设和使用、共享协调工作模式及近年昆钢智能化矿山建设等内容进行梳理和简要分析，并重点阐述了数字化矿山实施体系的构建与应用，以期对昆钢矿山智能化提供借鉴和参考，早日达到建设目标。

关键词  智能化矿山  总体规划  数字软件系统平台  应用  发展趋势  

1  前言

数字化和信息化技术的飞速发展，带动传统制造业的生产、经营及管理模式迈向新的发展阶段。作为传统资源优势型的矿山企业，高度信息化、集成化成为其建设、转型升级的新的发展方向。即，智能化矿山的建设。其含义是以数字化矿山建设成果为依托，有机集成矿山信息、自动化、数字化等技术及系统，将与矿山安全、生产、经营有关的各种对象进行数字化、智能化表达，并应用于日常管理工作和决策之中，从而实现矿山日常生产经营、管理活动过程中的各个环节的智能化控制与决策，达到生产方案优、安全信息化、生产效率高、管理精细化和决策科学化的目的。智能化矿山的建设与实践是一个多技术革新组合、技术体系多阶段发展并得到持续完善的过程。智能化矿山建设、实践的效果，将有效提升矿山生产经营、管理水平，在发展更加高效采矿工艺的基础上，提高现有资源条件下生产产量和产品质量；并随着智能化、自动化机械替代人工，不仅使矿山作业劳动力得到解放，也使人员作业安全性得到有效保障，进一步提升企业形象和核心竞争力。因此，加快矿山智能化的建设和实施，对提升矿山生产技术水平及推动管理进步有着重大而深远的意义，并将从根本上解决矿山安全难题，最终实现幸福矿山、和谐矿山的目标。

2  国内外智能化矿山建设简况    

许多矿业发达国家早在上个世纪末期就制定了矿山信息化、智能化发展规划，矿山智能化程度越来越高。20世纪90年代初，加拿大国际镍公司开始研究自动采矿技术，并提出至2050年在某矿山采用通过卫星操纵矿山所有机械设备手段，实现无人采矿[1]；1999年，美国开始对地下煤矿的自动定位与导航技术进行研究，并获得了商业化的研究成果[1]。芬兰于1992年开始启动智能矿山计划，开展包含采矿过程实时控制、资源实时管理、高速通信网络、无人化机械应用、采矿设备遥控等28个专题的系列自动采矿技术研究[2]。随着采矿专家系统、模式识别、全球卫星导航、遥感等新一代信息化技术和人工智能在矿山上的应用，国外一些大型矿山甚至已实现在办公室实施矿床模型生成、矿山开采计划制定和通过网络与设备相连系统进行遥控指挥矿山生产等关键工序和动态实时管理。    

我国矿山建设、开采的发展经历人工作业、机械化、自动化、智能化历程，长时间以来，人均生产效率低于4 000d/a(图1)。进入新世纪以来，国家相关部门陆续出台积极推进“互联网+”行动及与智能制造课题相关的指导意见和工作指南，鼓励制造企业生产管理模式创新和积极推动“互联网＋”与企业生产经营的全过程融合，强调开展数字化矿山建设和在重点领域开展智能制造示范工厂试点，以此促进企业研发、生产和服务水平，并提高生产效率和产品质量。近年来，国内的北京交通大学、北京速力科技、中国恩菲工程、长沙迪迈数码科技等多家单位都致力于矿山智能化相关方面研究、规划及实践(表1)，我国矿山智能化的研究和建设取得了长足进步。2015年7月，“鞍钢数字化矿山”项目率先入选中国智能制造示范项目。项目通过物联网、大数据等先进信息技术、系统与矿山生产过程深度融合，打造了包括生产执行、设备管控、人本管理等矿业智慧生产管理平台，实现对企业运行全过程的跨千里实时控制和持续改善，矿山生产技术及主要产品得到持续提升和改善[3~4]。

3  智能化矿山的总体规划方案及数字化矿山建设实施体系建设

实现矿山智能化应包括采用新一代信息化技术实施对生产过程的动态实时监控，并结合矿山全套自动化设备形成的若干信息系统来实现无人化、智能化控制，从而将矿山安全、生产始终维持在最佳状态和最优水平的过程和取得矿山安全水平、生产效率、产品质量和经济效益持续提升的效果。智能化矿山关键技术的研究与建设是一个庞大、复杂的系统工程[5~6]，包含有多个不同类别、互联的系统组成，其内容应涵盖智能采矿系统、智能选矿系统、综合管控系统、大数据综合应用等四大方面的建设。每个系统承载着不同的业务功能，在各系统之间又通过系统集成、数据共享、流程协同形成紧密联系有机体并互相作用。因此，矿山智能化的建设是一个较为长期、持续完善的过程，应以“统一规划、标准建设”的思路，以实现信息实时采集整理、自动化可靠操控、规范化高效集成、网络快速传输、三维可视化展示的高度集中化、自动化、信息化为手段，以最终达到“数据共享、智能管控”为目的分步、平行展开建设。智能化建设的效果应体现在能为矿山生产在资源利用、地质勘探、采矿设计、采选工艺及安全信息化、生产自动化、设备管理等方面提供基础，有效提高矿山技术、生产、决策管理及信息化水平，最终实现矿山生产效率、安全水平、产品质量的全面提升。

3.1 智能化矿山的总体规划

总的来说，智能化矿山建设的总体规划思路可归结为[7]。1个目标，即建设安全、智能、高效、绿色的新型现代化矿山；2条主线，即安全生产、降本增效；3个阶段，即阶段实现信息化、数字化、智能化；4个平台，包括数据中心、生产协同、技术协同、可视化管控平台；5个层级，即生产执行、设备作业、过程控制、企业管理和经营决策(图2)。智能化矿山应用系统围绕一个管控平台、一个数据中心、四条业务主线、五个应用平台构成(图3)。完整的管控系统平台业务涵盖管理过程、技术作业、生产作业，并集成矿山数据采集系统、自动化系统的数据。包括将安全环保管理平台、生产管理平台、生产技术平台、协同平台、智能开采装备与系统、三维可视化管控平台、实现与ERP系统及OA系统的互联互通(图4)。其中，以三维数字软件平台构建为核心的可视化管控平台采用的三维地理信息系统技术、模拟仿真技术、多媒体技术、虚拟现实技术和可视化分析技术可以将各个系统的运行进行可视化表达和展现，实现透明管理(图5)。此外，为管控系统提供数据支撑的是通过数据中心建立数据仓库，以企业“云”的方式实现系统数据共享，并通过建立企业生产过程、技术和管理的全要素数据标准、接口规范和编码体系，最终建成实现覆盖全流程、全过程的业务与管理数据共享管理体系(图6)，从而为降本增效、科技创新注入新的动力，解放生产力。

3.2 智能化矿山建设实施体系建立     

上述表明，智能化矿山建设的核心为数字化，亦即数字化矿山。数字化矿山(Digital Mine)是伴随着计算机技术、信息技术、网络技术、微电子技术的迅速发展而提出来的新概念，是把矿山的所有空间、有用属性数据通过计算机及其网络为手段实现数字化的存储、传输、表述和深加工。数字矿山的特点为生产过程虚拟化、管理控制一体化、基础信息数字化、决策处理集成化。可以说，“数字化矿山”是通过数据信息的处理实现了真实矿山整体及其相关生产、技术、管理现象的数字化再现，是一个能真实反映矿山本体、开发与运行的“虚拟矿山”[8]。因此，完整、适宜具体条件的数字化矿山建设、实施体系体现了矿山的智能化。

完整的数字矿山建设、实施体系应包括：以数字采矿软件系统平台为基础的测量、采矿、通风、产品质量控制技术协同的数字矿山研发中心；以安全监管与集成、生产过程数据集成、分析与管理，并为决策提供数据支撑的智能管控中心；以智能设备制造、数据采集运用及分析处理为主的智能制造中心及以数字矿山规划、虚拟实训为主的规划服务中心等。

数字矿山化矿山建设与实施，是建立以矿山物联网为基础[9]，涵盖安全与生产技术、过程管控、科学化精细化管理、虚拟教学4大层面，包括安全监管平台、生产协同平台、技术协同平台、虚拟实训平台、智能开采平台、三维安全生产管控平台在内的六大平台建设。其中，技术系统平台又包括数字采矿软件平台、生产技术协同平台、通风系统、露天配矿系统及生产计划编制系统、放矿管理系统等；智能开采系统又包括无轨设备远程控制系统、铲运机定位与计量系统、露天卡车调度系统、电机车无人驾驶系统等(图7~8)。六大平台的建设为大型矿山实现数字化、安全信息化、无人化、智能化提供支持。 

4  数字软件系统平台主要技术概况及案例简析   

4.1  数字采矿软件系统平台

4.1.1 系统平台概述

数字采矿软件系统平台是结合CAD技术、数据库技术、三维可视化技术，功能涵盖矿山地质、采矿和生产计划等于一体的作业软件系统平台。在地下矿山采矿生产实践运用、科研院校教学实训等方面发挥着重要作用，通过实现全数字化的展示，可以有效提高和改善矿山生产管理过程中的工作效率、技术信息交流水平及生产管理水平[10]。

4.1.2 系统平台特色、主要功能及运用场景    

采用数字采矿软件平台在矿山应用的主要优势：(1)强大的数据库功能。满足建立数据共享中心的相关要求，可实现矿山数据的安全性控制、数据分级管理、同步和共享，解决矿山协同作业问题；(2)与矿山安全生产调度系统进行数据共享。采用数字系统平台可在管控平台中自动生成三维模型(图9)，实现由几何建模到开采设计建模的跨越；(3)便于进一步进行系统的扩展、集成与二次开发。系统平台与通用的AutoCAD技术具有很好的一致性；(4)变块技术的应用。可实现矿山采场、巷道等目标的精确统计；(5)三维环境下自动化生成图表并按AutoCAD格式输出功能。可利用现有计算机实现平面图、投影图、剖面图的自动化输出，解决大型矿山的设计、生产、数字化管理的需求；(6)有好的用户界面。系统同时支持32、64位系统，可实现多平台成果直接发布模式，满足随时随地分享成果的要求。

数字采矿软件平台在矿山生产实践运用中具备的主要功能、运用场景：(1)地质应用。在矿山生产实践中，利用矿体模型不仅可创建品位模型等块段模型，也可进行储量计算并生成动态储量报告；(2)测量应用。支持采用经纬仪测量的支距法及采用全站仪测量的腰线法、断面法、三维激光扫描仪等测量数据的快速导入，并自动生成采场现状坡底线、坡顶线、三维采场模型；根据每月的测量验收自动计算每月的矿石品位、剥岩量、采矿量及剥采比等。(3)地下采矿。自动生成矿山巷道边线、联通或非联通巷道及自动标注；实现矿山储量、品位、金属量、损失率、贫化率等指标的精确计算；实现生产计划自动编制并动画模拟生产计划的执行过程；(4)爆破设计。提供地下矿山进行爆破精确设计、爆破边界、装药、排位设计、矿量计算、工程出图等功能；(5)露天采矿应用。包括露天矿自动配矿优化、采剥顺序优化、爆破设计、采场设计及道路设计等；(6)企业数据库。支持各种主流数据库管理系统，实现用户版本控制、安全性控制及数据的同步和共享，支持其它信息系统共享数据成果。实现一个矿山只维护一套数据，解决矿山数据分级管理、协同作业等问题。(7)系统平台应用逻辑关系。系统完善、操作简便(图10)，采矿设计与优化便捷。

4.2  某公司基于数字采矿软件系统平台智能化矿山建设案例简析

国内某矿业公司打造绿色化、机械化、信息化、智能化的“矿业4.0”矿山，以高起点规划、高标准建设、高水平管理、高效益运行为目标，主要建设情况如下：

(1)展开信息化管理建设，提升运转效率。基于信息化建设、数字化矿山建设的战略，集成管理业务信息，优化管理流程：井下通信系统实现了中国电信无线4G全覆盖；信息实时互动、资源共享；以远程在线监测技术为手段，地下矿山开采过程实现全区域、全时域的覆盖；建立了大宽带的信息传输与安全信息融合预警系统，实现矿山安全海量数据的快速挖掘与实时传输，提高控制的实时性和有效性；形成自动化、信息化系统与三维数字矿山软件的统一管理平台(图11)。

(3)多方合作，实施智能化管控。与国内知名院校合作建立企业技术中心、矿山采选一体化工程技术研究中心等产学研平台，建立以建设智慧矿山为目标的院士专家工作站，解决了矿山综合信息化平台存在的接口通用性差、可扩展性不强、不经济等技术问题。实现采、选、充相关联多个子系统的高度集成和集中管控；建立了矿山采、选、充的三维数字模型并耦合生产计划，实现矿山生产管理的全数字化、信息化和智能化；井下运输、通风、排水、供电、选矿厂、充填站、动力系统、外运矿石装车等智能化运行，生产控制、安全、环保和水体监测与监控等由地面智能调度中心实施远程智能管控(图12~13)。

 (3)采用先进设备，机械化操作。投入巨资选用并改进适宜矿山采、选、充的机械设备、安全环保设施90多台(套)；实现井下皮带运输矿石、全液压凿岩台车打眼、锚杆台车跟进支护、工作面撬毛机撬毛、大型设备装运等机械化、自动化作业；选用进口充填泵设备实施充填；选矿厂选用重介质旋流器，实现精准分级。

(4)智能化矿山运营成效简况。该矿山采取上述举措后，形成了采矿及选矿控制系统、生产执行系统(MES)、安全监测系统、三维生产综合管控系统和总调控制中心等。实现了主、辅生产数据自动化采集与数据集成；实现了地质资源、采矿设计三维数字化；实现了自动放矿管理、井下皮带运输自动控制、电机车无人驾驶、通风自动化系统、水系统自动控制、电力自动化控制和智能配电数据采集和远程遥控系统。基本实现“机械化换人，自动化减人”，提高了矿山作业安全性和劳动生产率，生产成本比之前降低23%；实现了企业管理模式的根本性变革，实现了组织结构的扁平化；就业人员减少50%；生产效率、品位质量均衡度提升，取得同规模矿山中较好的经济效益。

5  昆钢公司信息化建设基础和智能化矿山建设及应用实绩

5.1 昆钢公司信息化建设基础

如前述，信息化建设是实现智能化的基础，昆钢公司十分重视信息技术应用，制定了信息化发展规划，整体分为三个阶段：2004~2009年，单项应用阶段；2009~2013年，综合集成阶段；2013年~目前，集成提升阶段(图14)。自2004年完成信息化基础设施建设后，投入1.9亿元实施ERP项目计划，先后完成新机房建设、主干网改造；投入总计4800万实施了协同办公系统、质量计量检测系统、安全生产管控平台等。多年来，通过持续开展信息化建设、升级改造，已经建成投运了中心机房、分子公司机房及配套的主机网络系统。公司拥有IBM 3850等型号服务器111套，存储容量达250T；拥有计算机5000台，且90%可通过互联网拓展到移动终端；产线自动化配置达95%以上，主干网覆盖各分子公司办公和生产区域，在推进信息化和工业化融合及智能制造方面取得扎实成效。同时，基础自动化和过程自动化保持持续完善，这为实现智能化矿山建设、进一步推进信息化进程奠定良好基础。

5.2 昆钢智能化矿山建设及应用实绩  

昆钢公司大红山铁矿拥有优质矿石总储量约4.58亿吨，多年来，良好的资源禀赋和务实高效的经营团队为昆钢钢铁板块的可持续发展作出卓越贡献，同时也奠定了大红山铁矿绿色发展、可持续发展、矿山智能化建设的坚实基础。按照“总体规划、分步实施”的原则，拟将投入3.2亿元，积极推进包含4个类别24个子项目的智能化建设项目实施与落地，采取综合研究运用自动化技术、云计算、物联网、地质分析、虚拟现实等先进技术举措，感测、分析、整合矿山运行核心系统的各项关键信息，以实现采矿、选矿、综合管控、大数据综合运用等四大系统方面的智能化为抓手，进而实现矿山采、选、充全过程及安全信息平台建设方面的自动化、数字化、信息化与智能化管控，使矿山智能化成为企业新的核心竞争力。近年来，已实现了16个项目的机械自动化、数字化，相继完成建设、规划及营运成效为：

（1）建成井下4G无线通讯系统、入井门禁虹膜人像识别管控系统，实现联通信号入井覆盖和入井虹膜/人像识别、人员定位(图15~18)。

（2）投入适时过程控制与监控系统，实施水泵、风机远程监控、电力系统集中监控检测，达到供给源调配迅速合理、变电站无人值守、多级风机应用安全、高效节能效果及实现井下有害气体动态检测(图19~图21)。选矿专家系统投用后大幅度提高磨矿分级关键参数的检测精度、磨矿分级作业的原矿处理量和磨矿产品合格率以及磨矿效率，显著降低了单位原矿处理量的钢耗和电耗(图22)。

（3）投入13台井下撬毛设备、14台掘进凿岩台车、3台锚杆台车，实现台车撬毛机械化、台车掘进施工机械化、锚杆施工机械化、柴油铲运机可视遥控和天井钻竖井施工机械化(图23~26)。消除危险区作业、高坠、冒顶片帮等安全风险，工作效率、资源回收率提升。

（1）率先使用全球高端技术水平的DL421-15C深孔凿岩台车，实现单孔和全扇高精度控制全自动钻孔作业；利用自主研发的集速度采集、巷道上下坡检测、超速报警、无线数据传输及行车视频记录为一体的综合车辆测速设备，实现井下车辆的实时监控和追溯功能；结合多种计量防作弊手段，构建完善的远程计量管理系统，实现远程计量集中管控(图27～30)。

（2）主要规划项目进展。井下180m有轨运输无人驾驶项目顺利进行了四次无人驾驶系统无线覆盖测试；智能矿山综合管控大厅建设进入实质阶段；分步实施巷道安全系统工程、铲运机无人驾驶、智能化三维管控平台、生产执行系统、矿山大数据中心等智能化项目。

6  结论

新工艺、新技术应用的最终目的促进指标进步、提升生产管理效率及质量和安全管理水平并获取经济效益。构建新的智能模式，实现矿山资源与开采环境数字化、信息传输网络化、生产过程控制可视化、技术装备智能化、生产管理与决策科学化，实现“安全、高效、智能、绿色”矿山，提高矿山企业核心竞争力，是矿山企业生存和发展的必经之路。智能化矿山的研究与建设是一个庞大、复杂而系统的工程，因此，矿山智能化建设是一个逐步实现、持续完善的过程，要以企业现有基础为起点、以自身实际需求出发。建设过程要立足当前工艺系统，逐步实现工艺系统整体上的升级，并完成与后续运维工作的匹配，最后形成智能化体系。亦即，在智能化矿山体系构建与实施过程中，要在统一规划部署之下，建立客观基础条件建设、核心平台打造及其安全性能提升、潜力分析、指标提升、持续完善的建设投入与产出成效对应关系，进一步使智能化矿山建设的各个系统、过程控制及评价参数发展更和谐，使建设与应用效果更科学。同时也在整个矿山智能化过程中的建设、实施、应用的大循环中形成了闭环，使其综合体系更科学、更完善。昆钢大红山铁矿智能化建设采用“统一立项、分步实施、分项验收”的方式开展研究、建设、实施工作，建设内容覆盖了智能化矿山体系核心要素和范畴，并将智能化建设与日常管理相结合，在生产效率提升、节能降耗、计划兑现率、产品质量改善等阶段性社会和经济效益成效显著，说明发展方向是正确的。

7   参考文献

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