山东黄金数字矿山建设实践

陈玉民，李国清，何吉平，胡乃联

(1.山东黄金集团有限公司，山东 济南 250014；2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

随着信息技术的飞速发展，越来越多的矿山企业意识到，在通过提高装备水平来提高矿山的生产能力、安全性和经济效益的同时，必须利用信息技术改造传统的矿山生产和管理模式。数字矿山作为矿山企业信息化建设的新思路，从数字化的地资源管理、智能化的技术装备、生产过程自动控制、集成化生产调度以及科学管理与决策等诸多层面上，反应出现代信息技术与采矿工业之间的技术融合与应用拓展，引起了山东黄金集团的高度重视。其矿业股份公司下属的焦家金矿、新城金矿和三山岛金矿等三个核心矿山，分别针对自身的生产实际与数字化建设需求开展了数字矿山的建设，取得了良好的建设效果，积累了丰富的建设经验，形成了在金属地下矿山具备普遍适用性的数字矿山建设框架与实施方案。

1 山东黄金数字矿山建设背景

山东黄金旗下的焦家金矿、新城金矿和三山岛金矿等三个核心矿山的信息化建设起步较早，在网络平台的搭建、企业门户的设计、自动控制系统的建设、安全生产监控以及管理信息系统的开发与应用上，一直走在国内矿山的前列，意识超前、技术领先。同时，在一些单项业务应用上，形成了鲜明的特色。例如，焦家金矿早在1995年即已建立了生产调度模拟与监控系统，先后开发了包括了计划、生产、统计、调度、地测、能源、物资等在内的13个管理信息系统，基本上涵盖了企业生产与经营的各个方面，各项业务工作基本上实现了计算机化和网络化；三山岛金矿在海下金矿床的安全生产保障技术与应用上具有独特性，生产管理系统、物资备件管理系统功能完善，实用性强；新城金矿则尤其重视基础平台的搭建，在此基础上，通过自动控制系统来保障生产现场的安全。

所有这些都为数字矿山的建设提供了基础的技术与应用积累。矿山的这些建设成果，在数字矿山的功能体系规划中，都在不同程度上、在不同层面上有所体现。但是，这些原有系统存在的最大问题是立足于单一职能部门应用，旨在实现局部的效率提升和单项业务的安全保证，最终的结果是众多的系统间形成了壁垒。这种壁垒不仅是通常描述的“信息孤岛”，还包括了技术的差别、平台与架构的不兼容、应用的条块化、信息的断点与复入等一系列问题。

在这种情况下，山东黄金集团针对整个集团的信息化建设进行了统一的IT战略规划，对所涉及到的信息化建设项目，在边界、内涵、关联关系、建设方式进行了统一的规划，在集团公司所形成的框架范围内，各个矿山需要将矿山生产与经营过程中所涉及的信息化系统进行统一整合。一方面根据集团IT规划中所设计的矿业板块应用系统进行个性化设计，另一方面需要部署集团共享系统的应用与集成问题。而数字矿山的建设，则是应对集团公司这种IT建设模式的必然选择。

2 数字矿山建设的逻辑框架

山东黄金的数字矿山建设，按照管控一体化的思路实施，在自动化技术、信息技术、计算机技术和各种生产技术的基础上，通过计算机网络和数据库，将矿山全部生产经营活动所需的信息集成起来，集控制、调度、管理、经营、决策于一体，形成以保证矿山高效、安全生产为目的的智能生产系统。

根据各矿的生产流程和生产组织方式特点，同时考虑山东黄基集团IT建设的战略框架，对数字矿山建设的逻辑框架进行设计，如图1所示。

图1 数字矿山建设的逻辑架构图

由图1中可以看出，系统的应用逻辑由三个建设层面、一个共享板块构成：

(1) 过程控制：对应生产综合自动化监控系统，实现生产现场作业的集中监测与调度控制。

(2) 安全生产：对应管控结合的安全生产管理系统。作为矿山数字化建设中自动控制系统与决策支持系统之间的重要衔接环节，安全生产层面实现了生产组织与生产作业之间的信息集中共享，为生产执行过程管理提供全面的信息联动平台，同时为企业的生产决策提供具有一定集成属性的生产信息，用于辅助生产经营决策。

(3) 经营决策：对于矿山经营管理与决策系统，构成企业的智能化决策支持平台。

(4) 集团ERP：这是数字矿山建设过程中的共享板块。在山东黄金集团完成的IT战略规划中，对集团ERP系统的定位与范围进行了界定，在下属各矿山的数字矿山建设中，需要与集团ERP系统互为支撑，共同完成矿山的数字化建设。

三个层面和一个共享板块之间信息紧密联系，互为支撑，共同构建了矿山安全生产实时、高效管理的综合信息化平台。

3 山东黄金数字矿山的建设内容

基于所搭建的数字矿山建设逻辑架构，山东黄金矿山下属的焦家金矿、新城金矿和三山岛金矿，分别针对自身的特点进行了系统建设。目前所取得的建设成果，主要集中在平台搭建、自动控制系统建设以及相应的管理软件开发等内容。

3.1 系统基础平台的搭建

(1) 网络平台的搭建

本着技术先进、可靠、实用、性价比高的原则，根据系统逻辑架构中所规划的三个层面的应用，分别进行了局域网、工业以太环网、井下和地面的无线通讯网络等建设。在网络平台的搭建过程中，各矿山尽管采用的设备与架构不尽相同，但共同的特点是以三网合一的应用方向，作为数字矿山建设的网络技术架构。三网合一架构分为平台层三网合一和应用层三网合一两大内容。

平台层三网合一，是指将千兆工业以太环网、千兆局域网、WIFI无线网三种网络进行汇接与融合，相当于在井上井下重点部位和重点设施撒下了一张大网，将安全生产的信息和经营管理的信息收集到管控中心。

应用层三网合一，是指将传统的视频网络、音频网络、数据网络统一到一个网络平台上进行传输，实现管控一体化网络的物理集成，为数字矿山的功能体系提供了高效安全的基础平台。

(2) 数据中心的建立

数字矿山的实现需要有数据库的支撑，利用数据库进行各种管理和过程数据的统计、分析和存储。基于此，各个矿山分别根据数据的存储与加工需求，建立了数据中心，搭建了以工业数据库、关系数据和数据仓库为核心构成部分的集成化数据存储与服务平台，对具体的数据模型进行了规划设计，并对数据集成方式、接口标准、编码方案等进行了定义。

(3) 监控集成平台的搭建

生产过程监控集成平台，是集数据通信、处理、采集、控制、协调、综合智能判断、图文显示为一体的综合数据应用软件系统，将需接入的各子系统信息通过标准的数据交换方式与综合监控中心进行数据存取，并通过联动预案的设置对突发事件感知并警示，迅速反应，及时处理，达到实时、合理监控的目的。

通过生产过程监控集成平台，在调度中心对所有子系统进行数据采集、处理、存储，同时可以实现基于Web的信息发布。平台具有“集中管理，分散控制；监控全面，使用方便”的特点，目前在数字矿山的安全生产监控环节发挥着重要的作用。

(4) 安全生产监控中心的建设

山东黄金的数字矿山建设另一个突出的特点，是安全生产监控中心的建设，表现在各个矿山都分别建设了调度中心以实现生产系统的集中显示与控制，建立了大屏显示系统。其中，焦家金矿和新城金矿采用DLP投影单元，分别以2×3和2×4的分布组成大屏显示系统，三山岛金矿则采用了高亮度投影机，通过边缘融合处理呈现一整幅、超大高分辨率的画面，可集成显示并随意切换如下信息：

①矿床模型与矿床经济模型；②生产过程监控的图形化展示画面；③基于GIS的集成化生产作业进度展示；④信息综合服务平台展示，可以查询授权范围内的生产经营信息；⑤数字视频监控信息及视频文件；⑥其他图件、文档信息，如生产工艺流程、企业总结及经济活动分析等。

3.2 基于矿业软件的地质资源三维可视化

地质资源的数字化是整个数字矿山建设的基础，因而各个矿山都借助矿业软件来实现地质资源的数字化管理。在软件产品的选型上，焦家金矿和新城金矿引进了Gemcom公司的Surpac三维数字化矿山软件，三山岛金矿则一直沿用了中东方矿业软件。目前，各矿山分别进行了矿床模型、工程模型、地表模型的建立，进行了采场分层采矿与深部中段开拓设计。目前，矿业软件已应用于日常管理、地质探矿以及各种报告的提交等工作。

在此基础上，焦家金矿对地质资源的数字化进行了深层次建设，开发了基于PDA的地质资源的数字化采集系统、基于三维数字化矿床模型的地质资源数字化处理系统、基于局域网的数字化储量管理与应用系统三大部分，分别对应着地质资源信息从产生、加工、统计分析、指导生产这一地质资源信息的生存期间内的各个功能环节，实现了地质资源信息在地测采环节间的无缝流转，为基于矿业软件实现开采优化设计提供了基础。新城金矿也在Surpac软件的应用范围的扩展，尤其是利用Surpac软件完成开采设计方面进行了研究，取得了很大的进展。

3.3 自动控制系统建设

黄金矿山的生产过程自动化，不同于一般的制造企业。由于作业地点分散、作业过程不连续、作业条件恶劣等原因，完全实现自动化、数字化难度较大。最近几年，大部分金属地下矿山的装备水平有了很大的提高，与之相适应的生产过程自动化也有了长足的发展。提升、运输、通风、排水、充填系统的自动化，遥控铲运机、遥控钻机在个别矿山的应用，说明自动化与遥控技术已经进入了国内矿山企业。

山东黄金下属矿山的装备水平，一直处在国内黄金矿山的前列，这为自动控制系统的建设创造了有利条件。目前，以矿山MES为中心的自动控制系统的建设，已经在重点矿山全面推开，取得了一批成功的建设经验。已建成并在生产中发挥效益的系统有：

①提升自动化系统；②运输自动化系统，包括井下运输和地面运输；③通风自动化系统；④排水自动化系统；⑤供风自动化系统；⑥充填自动化系统；⑦供配电自动化系统；⑧选矿自动化系统；⑨动力自动计量系统，包括电量计量和高压风计量等。

3.4 安全生产监控与集成系统建设

除了通过自动控制系统实现生产设备的远程控制之外，针对矿山的安全、高效生产这一目标，各个矿山根据生产过程中对于安全管理的不同侧重，分别建设了一系列的安全生产监控与集成系统，主要包括如下内容：

(1) 视频监控系统建设

为了实时了解现场实际情况，确保生产安全，对关键生产部位安装电视监控，便于生产人员远程监控现场的安全状况。

(2) 井下人机定位及无线通讯系统建设

通过人员及机车的精确定位，来实现井下人员安全生产的行为安全与动态保障。应用ZigBee及WIFI等无线通讯技术，实现人员实时跟踪与通讯功能。

(3) 井下机车安全监控系统

对于采用有轨架线式电机车运输的矿山，建设了井下机车安全监控系统，以达到保证运输安全、提高运输效率、降低能耗的目的。

(4) 地面运输系统的GPS定位与监控系统

在线对运输车辆进行统一的指挥和监控，有效提高车辆安全、管理和车辆调度的现代化水平，是数字矿山建设中必不可少的组成部分。

(5) 井下微震监测系统

主要应用于监测开采过程中，因为采动影响的原因导致的开采区域内的三维空间破裂范围和破裂过程，以及岩体破裂产生的震动。目前，井下微震监测系统在三山岛金矿建设完成。

(6) 井下作业现场环境实时监测系统

可以实时获取井下工作现场的风速、温度、湿度、粉尘浓度、一氧化碳浓度、氮氧化物浓度等，并与通风系统自动化相结合，优化通风系统，达到改善井下作业环境，保证人员和设备安全的目的。

3.5 协同化的安全生产管理系统开发

矿山的生产是个多业务协同的过程，这种协同不仅是业务内容上的协同，同时也是时间和空间上的协同。目前，国内多数的矿山在业务的协同管理上存在着很大的差距，目前被普遍认知的“信息孤岛”正是业务协同管理意识欠缺所产生的表象。业务协同的关键，在于业务流程优化与信息资源规划(IRP)。

焦家金矿在系统建设过程中所备加重视的“集成”、新城金矿所规划的“精细化管理”、三山岛金矿在规划中所涉及的“业务协同”，即是团绕这一个层面展开的。其中，焦家金矿通过建立管控平台(CI)，基于全面规划的业务流和数据流，形成了包括地质资源管理、生产计划、验收、调度、化验、统计、设备、能源等在内的一系列信息管理系统。新城金矿则开发了地测采验收系统，着重针对与生产密切相关的生产计划、生产调度、取样化验、地测采验收、地质储量计算、生产统计等业务内容进行了管理，实现了地测采业务范围内的信息集成。

3.6 信息综合服务系统开发与应用

矿山数字化建设的最终目的，是为各级管理人员提供所需要的决策支持。这种支持不仅仅是数据的罗列，更重要的是基础数据经过加后形成的具有表现能力的数据分析集，结合矿山的各种数字化建设内容所形成的画面、实时模拟图、地质资源展示等，综合显示于展示平台中，用直观、简洁、综合性的方式为各级管理人员提供所需的矿山生产经营状况，这就是信息综合服务系统的建设目的。

目前，焦家金矿的综合查询系统已初具规模，分析模型与方法则正处于不断补充完善过程中。

4 数字矿山的建设效果与策略分析

4.1 数字矿山建设与应用效果分析

山东黄金的数字矿山建设于2007年首先在焦家金矿展开，然后逐步推进到新城金矿和三山岛金矿。经过两年多的建设，各矿特别是焦家金矿已经到取得了很好的实际应用效果，主要体现在以下几个方面：

(1) 数字矿山建设从根本上改变了矿山传统的管理理念，优化了业务流程，使各矿山实现了职能型向流程型、由业务处置型向分析决策型、由粗放到精细等管理模式的转变，大大提高了企业的管理水平的同时，又促进了矿山的数字化建设的推进。

(2) 在数字矿山建设过程中，对矿山生产与经营数据的存储格式、加工处理方式、数据共享方式等进行了标准化和规范化，并对数据流进行了全面梳理，最终形成全面系统的信息集成方案，明显提高了信息的流转速度和加工精度，减少了信息孤岛，在保证信息的及时性与可靠性的同时，实现了信息的可追溯性。

(3) 数字矿山建设以实现矿山的安全高效生产为目标，实现了通风、排水、供风、供配电等系统的远程遥控和无人值守，减少了井下作业人员，除了为企业带来直接的经济效益外，对矿山生产安全具有非常重要的意义。

(4) 通过安全生产监控系统，包括作业现场的安全保障系统、生产监控中心、安全管理信息系统等的建设，实现了安全监控的智能化和安全状况预警，为实现安全生产由事后分析转变为事前控制提供依据。

随着系统功能的进一步提升，应用的进一步深入，数字矿山技术必将在山东黄金的下属矿山发挥越来越重要的作用。

4.2 数字矿山建设策略浅析

(1) 领导重视，统一认识。数字矿山建设涉及企业的业务流程改进，甚至组织机构的变化，必须得到企业领导层特别是一把手的高度重视，统一对数字矿山建设重要性的认识。另外，数字矿山建设短期内获得的直接经济效益并不明显，同时还需要一定的建设资金，没有一把手的支持是不可能的。

(2) 重视人才，强化培训。和其他矿山企业一样，山东黄金下属矿山既懂信息技术又懂矿山管理的复合型人才也比较缺乏。为了解决这一问题，公司除了大力引进专业技术人员外，重点采用走出去、请进来的方式，对在职的矿山管理人员进行培训。即派技术人员到高等院校、研究单位参加不同层次的专业技术培训，或请知名学者、教授到矿山讲课，提高矿山管理人员的信息技术水平。

(3) 加强学习与交流，保证系统建设的高起点。为了了解国内外数字矿山建设的技术水平，公司多次组织技术人员到国内的煤炭、冶金、有色矿山和矿业发达国家的金属矿山学习观摩，学习数字矿山建设的经验，保证了山东黄金数字矿山建设处在一个较高的起点上。

(4) 系统建设要立足于矿山企业的特点，突出资源型企业的特征。不同于一般的加工制造业和流通领域，矿山企业在原料、产品、生产组织等方面有着鲜明的特征，因此其它行业的信息化建设成果在矿山企业不具备可移植性，但是在技术进展、管理理念等方面可以有选择地借鉴。

(5) 要正确认识数字矿山建设的内涵和边界。数字矿山并非把自动控制系统、管理信息系统、视频与监控系统进行简单叠加，而是通过先进信息技术的引入，重新规划、整合、提升矿山企业的各种资源，以实现矿山的安全高效生产。因而在建设过程中，要立足于系统性、集成性和目的性。

5 结束语

经过2年多的努力，山东黄金的数字矿山建设取得了初步成效，但总体来讲还是处于起步阶段。随着信息技术的进步和在矿山应用的不断深入，数字矿山作为提高企业竞争力的重要手段，必将在山东黄金的安全、高效生产中发挥重要作用。同时，数字矿山建设是一项复杂的系统工程，也一个不断充实、完善和提高的过程，随着信息技术的发展和管理理念的更新，数字矿山的建设目标和具体内容也应随之提升。

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