某露天采场生产管理数字化控制系统开发应用

杨军玲 郑灿辉 卜显忠

(1.三亚学院理工学院；2.西安建筑科技大学材料与矿资学院；3.洛阳栾川钼业集团股份有限公司)

某白钨矿矿山拥有国内先进的大型穿孔、铲装、运输、碎矿等主要设备，年剥采总量1 000余万t，是我国钨系列产品重要的生产基地。矿体厚大集中，南北长1 500 m，东西宽1 000 m，平均厚度约80～150 m，矿石储量5.8亿t，为埋藏浅、品位高、选别性能良好的特大型钨矿床，具有较为明显的资源优势，特别适合露天开采。

该矿山开采计划和车辆调度安排主要靠有经验的员工依据个人工作经验确定，存在较大的误差，往往造成达不到计划品位、选矿任务不能预期完成等问题。开采计划的管理主要以人为主，不能及时准确地判断潜在安全隐患，往往不能保证车辆及人员的安全。现场调度主要依据现场电铲、爆堆、工作面等情况进行，常出现运矿车等待电铲或电铲等待运矿车现象，不能充分发挥设备利用率，从而增加生产成本和设备损耗。另外，人工调度的数据真实性不能保证，管理上也存在较大的漏洞和误差，使决策者不能及时掌握现场电铲和其他设备的运行情况，造成优化指令不准确。因此，对该矿山露天采场生产管理集成数字化控制系统进行开发与应用已迫在眉睫。

1 目的意义

根据该矿山生产特点和数字化建设需求，利用先进的无线通信技术、可视技术、计算机技术、空间定位等技术，改变当前该矿山对设备和人员的落后管理模式，以达到生产管理过程的信息化、现代化、数字化。将视频监控技术应用到露天矿生产企业中，可实现对主要生产作业场所的实时监控，掌握采场人员、设备和场所的安全状态，以杜绝安全事故的发生，稳定生产，提高生产效率，降低生产成本，同时充分挖掘企业潜力，合理利用矿物资源，提高矿山经济效益，并实现岗位无人化，为管理层提供客观准确的数据，全方位地实现生产管理的自动化、智能化，全面提升矿山企业的社会形象。

2 集成数字化矿山发展

2.1 矿山企业的数字化是实施可持续发展的必然

近年来，我国矿业遇到了空前的生存与发展困境，主要原因如下：

(1)矿山企业在生产过程中引发的环境问题逐渐突出，采选生产过程造成的污染问题日益严重，环境压力与日俱增。

(2)矿山企业技术研究投入严重不足，技术储备缺乏，装备普遍落后。

(3)来自国外市场的低成本、高质量矿产品的竞争及掠夺式非法开采与国内矿山企业的不正当竞争，也是不容忽视的重要原因。

按照国家当前的战略目标和经济发展速度及西方国家对矿产品的消耗速度，我国矿产品消耗的最高峰将出现在本世纪中叶[1]。我国矿业的发展要满足国家经济发展的需求，开采利用技术必然要发生重要改变，信息技术将发挥重要作用。矿山企业依靠自身科技创新，抓住机遇，大力使用信息技术进行技术改造，改变矿山企业传统的生产模式。但是矿山企业一般信息技术基础设施落后，流向单一无序，共享信息少，信息技术应用水平不高，极大地影响了矿山企业在社会经济发展中的可持续发展能力与市场竞争力。

数字化矿山给我国矿业发展带来机遇的同时，也带来了前所未有的挑战。本世纪我国矿山企业要在可持续发展方面走出困境，必须将整个企业的技术创新水平、生产管理模式与数字化矿山建设结合起来，通过数字化矿山信息技术的改造和推进，使得矿山企业在生产方式、组织结构、管理模式、决策形式等方面有较大改进。

进行矿山数字化建设能优化促进矿山企业的组织结构，提高矿山企业的快速应变能力，拓展矿山企业发展和生存空间，降低矿山企业的决策风险，最终使矿山企业取得竞争优势，逐步向可持续发展迈进。

2.2 GPS是现代矿山走向数字化采矿的关键技术

伴随着人工智能技术、计算机技术及测量技术的快速发展，矿山企业的生产过程目前正向着设计、施工等EPC总承包方向发展。数字化全自动矿山提出了未来矿山企业的美好愿景，最终表现为矿山企业的高度自动化、信息化、高效化，以达到远程操控和智能采矿的目的。数字化矿山主要以计算机技术和网络技术为手段，把矿山企业的所有生产与管理数据进行存储、表述、传输、深加工，并应用于生产和管理中，达到方案优化、决策科学化、管理高效化的目的[2]。具体情况表现在矿山地质数字化、矿床模型数字化、矿山开采数字化及生产过程管控数字化。其中生产过程管控数字化又分为矿山安全生产监测与预警系统数字化、露天采场GPS生产调度监控系统数字化、矿山生产管理决策系统数字化。

针对矿产资源的赋存特点及矿山企业对数字化矿山建设的需求，进行基于GPS的露天矿数字化生产管理过程的集成化技术研究[3]，是矿山企业走数字化采矿道路亟待解决的关键技术，也是建立矿山企业自动化体系的必然要求。

3 数字化矿山控制系统的开发

3.1 开发目标

露天矿山采场数字化生产系统是在分析研究国内外先进露天采矿生产管理系统使用现状的基础上，将采矿生产、配矿、生产调度、运输自动计量与现场管理集成一体，采用GPS全球卫星定位技术、GPRS无线通信技术、GIS地理信息技术、RFID无线识别技术以及系统工程理论等一系列技术，用于实现对整个生产过程的数据采集、分析判断、控制与管理，实现对生产过程的实时监控，形成一种智能化、信息化、自动化的现代采矿控制系统和全面的生产管理数字化决策平台。

3.2 主要内容

(1)露天矿生产监控信息系统。系统利用视频技术对主要生产作业场所和主要设备实现实时监控。同时与防盗、报警等其他技术防范体系联动使用，使矿山生产管理人员能实时掌握前端采场的实际情况，保证露天矿正常的生产活动，提升露天矿山自身管理水平。

(2)露天矿生产计划编制系统。系统利用图数-综合法，集图形处理与数值计算于一体，充分发挥CAD技术特点，实现矿区地质数据库、地质管理和生产计划编排的系统化及露天矿采矿CAD技术的可视化、集成化和智能化。

(3)露天矿配矿管理系统[4]。系统针对金属露天矿地质条件复杂、矿石品位波动较大的问题，为保证入选矿石品位的均衡，将高精度GPS定位技术、GIS地理信息技术与采场爆破数据库管理技术结合起来，自动实时采集电铲的出矿品位，利用多目标配矿及动态品位优化控制模型，自动生成配矿生产计划，从而实现科学合理配矿。

(4)露天矿GPS生产监控调度系统。系统针对露天矿生产管理的综合性、复杂性、不确定性等特点，利用GPS全球定位技术，GPRS无线通信技术、GIS地理信息技术和最优化技术等高新技术，通过车铲生产调度优化模型，建立生产监控、智能调度、生产指挥系统，实现卡车、电铲的车流规划、动态配比、实时语音及指令调度和监控。

(5)基于RFID的车辆运矿统计与生产数据实时监控系统。根据露天矿特殊的生产环境，利用RFID技术设计露天矿卡车运输计量模型，实现露天矿矿岩运输量的自动计量；然后以生产配矿计划和实时计量结果为基础数据，自动检测运矿卡车、供矿电铲和入矿碎矿站的计划完成情况，对未按计划执行的作业进行报警控制。

3.3 技术路线

数字化生产管理系统包括5个分系统，露天采矿生产计划编制系统采用模拟优化法编制采剥进度计划。根据矿山在整个生产时期的人员、设备数量基本稳定的特征，通过调整剥采比，在保证完成矿石生产量的前提下，尽可能使矿山基建工程量和废石量最小。露天矿配矿管理系统结合计算机技术与卫星定位技术，规划与管理矿石质量，实现矿山配矿调度工作的信息化管理。露天矿GPS生产监控调度系统结合洛钼集团三道庄露天矿生产中的实际问题，对调度优化理论进行深入研究，建立车铲生产调度模型。利用GPS、GIS等现代化信息技术及GPRS无线通信技术，建立生产监控调度系统平台，实现露天矿车铲的可视化和实时调度。露天矿生产监控信息系统通过调节前端摄像机、云台、镜头等辅助设备，直接查看被监控场所情况，做到全区域、无死角、实时准确的监控。露天矿矿岩运输量自动统计与生产数据监控系统从矿岩量数据的采集、传输、处理、自动统计、生产检测和控制方面实现了高度自动化，运行稳定可靠，分环节、分模块处理，可扩展性良好。露天矿山采场数字化生产系统总体技术路线见图1。

图1 露天矿山采场数字化生产系统总体技术路线示意

4 应用前景

由于采矿环境条件的复杂性和各种试验研究的背景差异，对露天采矿生产管理中建立起来的各种理论模型都不可避免地带有一定的局限性，单纯的以模型为基础的计算机模拟方法无法避免因条件简化和假设过多而带来的失真，而纯粹的试验研究又无法对影响采矿的众多因素进行全面考虑。因此在采矿学科的发展过程中，人们一直在寻找一种能够把计算机技术、采矿试验技术和工程实际经验与数据积累相结合的现代采矿生产管理方法。通过跟踪调研国内外计算机采矿生产管理技术，综合运用现代成熟的采矿理论研究成果和计算机技术，提出适合露天矿山生产管理的数理模型。结合矿山开采实践与现场试验统计，开发露天数字化采矿生产管理软件系统。该系统可根据采场生产现状制订合理的采剥计划和配矿计划，实时完成车铲调度优化和自动计量及生产数据监控。系统能使分散在三维空间上的生产设备、作业人员和作业信息集中到统一的网络平台上，生产管理人员可以在不同的地点以不同媒体形式，实时掌握矿山生产情况，及时作出科学决策，指挥生产调度，保证矿山采矿生产安全、高效进行。随着计算机技术、信息技术的飞速发展和应用的不断普及，生产设计的数字化、现代化越来越受到重视，因此开发适合我国国情的具有自主知识产权的数字化采矿智能设计软件具有广阔的应用前景和社会需求。

5 结 论

(1)露天采矿数字化生产管理系统对矿山企业生产过程的各作业流程进行优化设计与整合，利用先进的信息技术，解决露天矿生产过程中各种实际问题。将露天采场复杂多变的生产管理系统集合成标准化、开放的网络环境，实现了矿山采矿计划、适时配矿与生产调度信息的获取、保存、处理与利用，提高了生产管理的准确性，增强了管理人员对整个生产过程的调控能力，达到了整个生产过程的合理性和有序性，为矿山企业生产过程的决策提供实时详尽的数据支持。

(2)露天矿数字化生产管理系统的建立实现了生产和运输的优化、配矿的合理性，及时发现、及时调整、及时解决生产过程中的突发事件。系统符合目前露天矿生产调控的最优化模型，改变了以往传统的生产管理模式，对推动矿山企业的数字化、现代化进程起到积极作用，其在矿山企业中的应用将产生巨大的经济和社会效益。