智慧露天矿山规划发展路径研究

赵红泽，刘元旭，王群，王欣艳

(1.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京市海淀区，100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京市海淀区，100083；3.应急管理部通信信息中心，北京市东城区，100013)

当前，新一轮科技革命衍生出的云计算、人工智能等高新技术与传统产业不断发生融合，矿山的信息化建设也随之来到智慧时代，针对当前露天矿生产过程中存在的污染、安全和设备效率问题，与其他行业智能化推动技术的变革一样，露天矿的信息化进程亟需依托云计算、物联网和大数据等新技术手段来提升露天矿设计规划、生产技术和管理等全环节、全过程的智能化水平[1-3]。

国外的露天智能采矿技术发展至今，各方面都已取得较大进展，如瑞典山特维克矿山工程机械集团研制的EDC系统，包括穿透率、生产效率、孔底距离和钻杆的防护系统，当钻机司机的作业超出设定范围时，系统会向操作者报警；美国卡特彼勒公司应用现代计算机技术更新了原已实现的自动化，推出了MineStarTM系统(矿山之星系统)和钻孔可编程控制系统(Hole Pro系统)，通过制导技术，MineStarTM系统的钻机地形套件能够适时并精确地管理矿山作业系统中的钻孔作业，让管理信息应用于整个采矿生产中。

相比于世界发达国家，我国数字化矿山建设工作尚处于起步阶段，但随着人工智能、大数据等技术的高速发展，国内矿山在智能化方面也取得了长足进展。中煤平朔集团结合安太堡露天矿生产特点，建设GPS智能卡车调度系统，实现了设备的定位、智能调度及车辆状态监测，做到了露天矿作业机械设备全程跟踪监测记录，充分发挥了设备能力，实现了优化生产[4]；神华准能集团建设的车辆防碰撞预警系统通过采集车辆的GPS坐标、速度、方向等位置信息，与矿区路网结合，实现会车预警、超速预警，并把数据实时传送至调度中心进行汇总，形成最新的矿区地图，利用电子地图进行道路拟合，识别车辆所在的路段及行进方向，实现全区域内防碰撞预警[5]；白音华蒙东露天煤业公司以白音华三号露天煤矿的开采工艺和信息化建设现状为基础，结合国内外先进露天矿的建设经验和相关政策要求，提出了初级阶段、中级阶段和远期目标的3个阶段建设思路以及1个智慧管控平台与生产、安全、机电、管理4个业务子系统相融合的建设构架，从源头解决了智慧矿山建设速度慢、建设质量不高和个别系统重复建设的弊病[6]；神华宝日希勒露天矿2020年实现了世界首个极寒工况下5G+220 t 无人卡车编组试运行，并将空载最高车速提高到38 km/h。

笔者在智能化露天矿山发展的时代背景下，以国内典型露天矿为案例研究智慧露天矿山规划发展路径，以期其基础理论、总体规划及重点建设内容等对其他露天矿智能化建设和露天开采信息化规划研究提供一定的参考。

1 智慧露天矿山的目标及内涵

智慧露天矿山涵盖了矿山的各个环节，也是绿色矿山建设的更高层级，其最主要的目标就是针对开采过程中“人、机、环、管”构成的复杂系统，利用先进的传感、通讯、控制技术，使系统具备相对独立的“状态感知、实时分析、科学决策、精准执行”功能。

从建设的阶段性来看，智慧露天矿山的发展是将“无人”的程度不断提升的过程，由单项技术、单个系统的智慧化，达到“点上的无人”，再将上述系统进行集成，达到“面上的无人”，最终实现“矿山系统的无人”，即矿山生产、安全、运输等一级系统的全面无人作业，整个矿山都在智慧机器人和智慧设备下操作完成[7-8]。

所谓智慧露天矿山，就是基于物联网、云计算、大数据等技术，集成各类传感器、自动控制器、组件式软件等，形成一套智慧体系，能够对矿山生产、技术支持及后勤保障等进行主动感知、自动分析、快速处理，依据深度学习的知识库，形成最优决策模型并对各环节实施自动调控，最终实现安全矿山、无人矿山、高效矿山、绿色矿山的建设[9-10]。

2 智慧露天矿山系统规划

2.1 露天矿基础支撑平台智慧化系统

基础支撑智慧化系统是建设智慧露天矿山的重要基础，该系统主要围绕各生产作业系统实现高速、可视化的目标，为实现对各种系统装备及设备及时、无误的指令指挥提供支撑，为最终决策提供自动化、智能化的依据，需要建设网络环境、硬件环境和软件环境3部分，其中网络环境主要为数据通信及安全网络的建设；硬件环境主要为调度中心、数据中心和工作环境建设；软件环境主要为大数据和可视化支撑平台建设。

此系统建设的核心是为达到智慧化决策所需要数据的全面采集、数据采集后的处理方式、数据处理后对形成决策指令的技术路径，最终达到生产高效、处理速度及时、可视化，从而为其他系统提供强有力的支持。露天矿基础支撑智慧化系统示意图见图1。

图1 露天矿基础支撑智慧化系统示意

2.2 露天矿透明地质智慧化系统

透明地质智慧系统是运用时空演化模型展示露天矿全时段资源开发和环境的三维空间形态、设备和工艺系统运行状态、生产计划、施工及管理等经济技术状况，形成露天矿的真实镜像及档案馆。

露天矿的所有信息都可通过时空演化模型进行查询并得到直观体现，还可以作为可视化分析、智慧应用的基础，例如进行露天矿历史生产状况回溯以及模拟开采、检验生产计划方案的优劣、核验工程实施与生产计划的出入、智慧管控各生产环节等，以此指挥露天矿的生产。该系统示意图见图2。

2.3 露天矿设备及工艺智慧化系统

开采设备及工艺的智慧化是运用先进的计算机管理技术，结合大型智能化操作系统，利用先进的数据通信技术，实现系统的无人值守化和智能化操作。将生产、管理、自诊断、设备维护和安全等因素结合在一起，形成闭环控制系统，保护各大型设备的安全，有利于形成煤矿企业的综合自动化，可大幅度提高企业生产的综合效率。露天矿设备及工艺智慧化系统示意图见图3，其包含以下主要特点。

(1)高精度、高效率。传感系统精确定位、工作轨迹规划、行走路径规划、执行精确控制。

(2)智能操控。基于大数据在线分析与决策、远程遥控、状态监测、自主作业。

(3)大数据与集群控制。人工智能技术、故障诊断、在线评估、远程群控、云通讯、云计算。

2.4 露天矿生产计划与工程管理智慧化系统

露天矿生产计划与工程管理智慧化系统是以上述所建立的3个智慧化系统为基础，结合工程成本数据库和作业设备参数库，构建基础数据库，建立方案评估指标体系及评估模型，实现对设计方案的推演、分析与评估和工程组织信息的自动推送。

其重点为结合现场施工情况，按照现有的生产计划及工艺设备，确定各生产环节最佳施工设计、最优技术参数、设备系统布局及调度等，实现生产设计与现场施工的紧密结合，达到露天矿整体的经济效益最优，提高工作效率；通过物联网等技术实现设备作业位置、运行状态等信息共享，作业内容的识别、分析及作业过程管理的智能化。

图2 露天矿透明地质智慧化系统示意

图3 露天矿设备及工艺智慧化系统示意

2.5 露天矿综合管理智慧化系统

综合管理智慧系统是以生产经营环节所采集到的数据为基础，运用大数据分析、综合管理、科学评价等先进技术手段，构建综合管控平台，其主要功能是安全监视、生产监控、调度指挥及运营管理，从而提高矿山管理水平及经济效益，最终建设安全、高效、可持续发展的智慧露天矿山。

3 露天矿设备及工艺系统智慧化建设

智慧化露天矿建设核心是装备和工艺的智慧化，目前国内露天矿的设备及工艺智慧化建设刚刚起步，还处在信息化向自动化发展阶段，自动化、智能化、智慧化应用相对滞后。生产管理主要沿用传统的人工现场指挥的方式；安全环保管理主要采用人员现场排查、抽查的方式，存在管理手段相对落后、管理效率较低、安全环保风险较大等问题，需对各生产环节进行智慧化建设。

3.1 穿孔作业智慧化

智慧穿孔设备可以提高钻机的生产率、穿孔精度及生产效率，优化爆破后矿岩颗粒的均匀程度，减少或杜绝大块的产生，改善电铲挖装状况，增强对台阶平整度和倾斜度控制。露天矿穿孔作业智慧化与其他环节间的关系如图4所示。

(1)炮孔导航智能化建设。利用北斗定位和无线网络对钻机的钻孔作业提供通讯和精确导航，免去人工测量放样、检测炮孔参数和重复钻孔等工作，减轻一线人员工作强度，提高钻孔效率和钻孔准确度，防止欠钻、过钻的情况发生。

(2)钻机监测智能化建设。采用北斗导航、传感器等技术，全天候自动采集设备工况、作业信息，并在钻机终端实时显示，同时可远程传输至调度中心，自动统计生产数据并生成报表，实时在线监测钻进作业进度；利用采集模块采集传感器信号，依据现场分布式CAN总线将各采集模块数据进行汇总，最后通过对外接口采集数据并对外展示[11]。

(3)地层岩性识别智能化建设。基于岩性知识库，根据钻进速度、回转力矩和转速以及轴压力等参数，采用模式识别技术实时在线分析穿孔数据并显示岩石的性质，并根据岩性以不同颜色绘制岩性分布图，辅助计算每个孔的装药量，有助于改进爆破设计和提高挖掘作业效率，同时也可基于不同岩性特征，选择更换不同种类的钻头[12]。

图4 穿孔作业智慧化逻辑关联

3.2 爆破作业智慧化

露天矿爆破作业智慧化与其他环节间的关系如图5所示。

(1)混装炸药车智慧作业系统。利用机器视觉辨识炮孔得到炮孔的参数位置，多自由度装药工作臂根据指令及炮孔坐标完成自动寻孔；依据炮孔位置及设计装药参数实现自动对孔、自动计算装药量、自动装药和自动退管；借助调度平台和电子地图的指引，完成自主路线规划的无人化行走、车辆精确定位及避障行走。通过以上装药车炮孔自主定位、智慧装药、自主行驶等功能，形成装药车智慧作业系统[13-14]。

图5 爆破作业智慧化逻辑关联

(2)爆破安全作业智慧化管控系统。利用人员精准定位、设备智能监测等技术，实时获取爆破及爆区相关的人员和设备位置、状态等参数，通过虹膜识别技术和三人连锁卡射频技术，实现爆破作业的三人安全联锁保护，实现爆破网络状态合格的自动判别、炮区人员的自动预警、警戒人员的跟踪报警等功能，达到爆破作业的智慧化管控，从而保证爆破作业的安全。

3.3 采装、运输作业智慧化

露天矿山最常用的是单斗卡车间断工艺，铲车匹配与组合是生产计划、生产组织、生产调度的重要工作内容，优化调度是提高电铲与卡车设备效率的有效手段，因此采装与运输环节设备及其工艺系统联系紧密。露天矿采装、运输作业智慧化与其他环节间的关系如图6、7所示。

图6 采装作业智慧化逻辑关联

图7 运输作业智慧化逻辑关联

(1)电铲智慧化作业系统。利用传感器、无线网络等技术，实时监测电铲的电气参数、作业环境、用电量等数据，并在电铲终端实时显示监测信息，通过无线网络传输至调度中心，实现电铲的远程监控功能[15]；借助传感器采集提升钢丝绳拉力、铲杆的长度及角度3个参数，量化每一铲斗挖掘重量及位置，实现电铲的动态称重及配煤[16-17]。

(2)爆堆质量评价系统。爆堆的块度组成无疑是爆破质量的重要标志，也是爆堆唯一能量化的参数，它对铲装、运输及选矿破碎设备的生产效率都有着重要影响，利用电铲监测及图像识别技术，识别装载性能与挖掘环境关系，进行精确的爆破参数设计和优化[18]。

(3)卡车智慧作业系统。采用控制装置、无线通信技术等代替司机实现无人驾驶[19]；采用传感器、北斗定位等技术实时检测运行车辆工况，统计轮胎磨损及破坏规律，精确监测卡车的油耗；利用地理信息系统技术(GIS)、电子技术等采集并及时更新装载区、卸料区及行驶路线上的各种信息，并根据车辆自身状况下达任务，实现卡车的自动调度。通过以上卡车智慧系统的建设，可以大大提高生产组织管理水平和整体作业效率。

3.4 排土作业智慧化

智慧排土设备通过系统级单机集成化操作并配合自动化控制技术实现自动找平、自动换挡控制、故障诊断等业务功能。最终凭借信息采集与自动化功能集成大系统实现推土机远程遥控等智能化功能。露天矿排土作业智慧化与其他环节间的关系如图8所示。

(1)推土机智慧化作业系统。利用先进的传感及定位技术，使推土机的工作装置自动找平，并通过无线终端接受露天矿生产计划所分配的任务安排，分阶段制定作业计划；利用北斗导航确定推土机当前位置及刀板标高，实时获取当前作业的进度与轨迹，推土机的铲斗按预先给定的基准线(面)运行完成作业动作和目标；司机通过车载终端能实时了解机器的工作状态及位置，并准确地判断所需挖掘、回填或装载的土方量[20]。

(2)推土机-卡车协同智能作业系统。采用车载传感器来感知卡车周围环境，并根据感知获得的道路、车辆位置和障碍物信息，避免与在矿山内工作的其他卡车、平地机、推土机等相撞，当卡车行驶过后，推土机自动感知并进行后续工作，从而实现二者的协同智能作业。

图8 排土作业智慧化逻辑关联

4 智慧露天矿山建设路径

智慧露天矿山的建设是一个复杂长期的系统工程。首先要确定智慧露天矿山建设的关键点，了解露天矿信息化现状与基础，明确现有不足，解读矿山规划与国家政策要求，了解各专业部门的需求；然后制定总体的建设思路，如建设方针原则、建设目标、建设任务等；最后进行智慧露天矿山的总体规划、建设的分步实施以及综合保障工作，达到矿山安全高效生产的目的。智慧露天矿山的建设应遵循“基础支撑平台及标准体系建设—智能工艺装备体系建设(包含无人矿卡、无人挖掘等)—智能化设计体系—智慧化管控体系”技术路径和“先基础平台后管控体系、先环节智能化再系统智能化，先智能化后智慧化”建设原则。

5 结论

(1)根据露天矿山发展目标和政策要求，结合国内外智能矿山研究现状，对智慧化露天矿的建设目标、内涵以及发展路径进行归纳总结。

(2)在智能化矿山技术动态进展的基础上，研究提出了智慧露天矿山系统规划，完成了矿山基础支撑、透明地质、设备及工艺、生产计划与工程管理、综合管理智慧化系统的基本架构设计，为智慧化矿山建设提供参考。

(3)针对露天矿建设的核心——设备与工艺智慧化，提出了露天矿山各生产环节设备及工艺智能化子系统设计，并对各个环节之间以及各智慧化系统之间逻辑关系进行了梳理和研究。明确了智慧露天矿山建设的技术路径以及系统智慧化的最高目标。