新型智能化矿山体系构建——以河北省易县益阳花岗岩矿山为例

许方宁, 杨 霄, 武力聪, 朱泽斌

(1.易县益阳花岗岩开采有限公司,河北 保定 074200； 2.中煤地质集团有限公司,北京 100040)

数字露天矿山建设不是各种信息化系统的简单堆砌，而是通过将物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能、无人机、三维激光扫描等技术和装备与露天矿山开采有机结合，形成露天矿山互联、分析、感知、预测、深度学习、决策、控制的具有符合露天矿智慧开采的“智慧大脑”系统。露天矿山“智慧大脑”的构建，从无人机测量、违章行为智能识别、智能调度、物料流规划以及多源数据融合等角度出发，最终实现露天矿采掘、运输、排土、处理、物流、风险预警、生态保护、安全管理等各个生产环节的智能化、开采资源利用的最大化、生态开采扰动的最小化、生态恢复的最优化、职业卫生危害的降低和矿山生产的无人化。实现“互联网+”的露天矿山智慧化生产、精细化开采，对我国金属、非金属露天矿山智能化建设同样具有重要意义[1]。

目前，大多数学者将三维建模、计算机系统、电子通信系统、监控系统和无人机监测等技术应用到智能化矿山建设中，但矿山经济评价系统尚未能引入矿山建设的集成云系统。因此，本研究在前人的基础之上将矿山开发的经济评价系统与智慧矿山建设系统结合，形成矿山体系建设综合性云平台，为企业生产决策提供支撑。

1 三维建模软件在矿山中的应用

三维建模软件在矿山建模、储量计算方面发挥着重要的作用，为企业的矿山建设提供了技术支持。国内目前常用的三维建模软件有MREIS、Lungren GIS、3DMine、DIMINE等。这些功能多样的软件为矿山建设提供了一套数字化建设的方案，DIMINE软件可以用于地质资料的解析、地质模型的建立、资源储量预算与评价、矿山局部开采、地下采矿优化设计、计划编制与整体的快速模型构建等工作。Space和3DMine软件应用于固体矿产的地质勘探数据监控、地质模型构建、传统和现代地质储量计算与评估、地下矿山及露天采矿设计、露天矿山短期进度计划以及生产数据、目标数据的应用三维可视化基础平台建设，包括模块化软件结构和三维软件界面设计，实现了测量、地质、生产管理和采矿的信息共享，具有良好的与国内外图形软件的数据兼容性[2]，是国内较为领先的三维矿业建模软件。另外还有Surpac、Vulcan等建模软件在矿山建设中也发挥重要作用，如山东某金矿使用Vulcan进行数字化管理。

2 物联网技术在矿山建设中的应用

物联网技术是融合先进的互联网+、人工智能和大数据等为一体的高新技术，应用于矿山的开发过程中，提高了矿山的生产效率，大大减少开采成本，提升了矿山现代化程度，推动传统矿业向安全、经济、高效、绿色与可持续的目标发展[3]。这个庞大的物联网系统是包括无人机测量系统、智能调度及物料流规划系统、智能调度及物料流规划系统、多源数据融合预警防控系统、违章和行为智能视频识别系统为一体的现代化露天开采系统集合体，再将5G技术并入其中，实现快速传输信息，指导现场生产，经济综合评价，为公司决策层提供服务，以提高经济效益。

2.1 无人机测量系统的应用

现代电子技术、通信技术和计算机技术的不断发展，为测绘技术的进步提供了支撑。无人机技术、卫星技术、遥感技术等在矿山的测量中发挥重要作用，弥补了传统测量技术精度不高、效率低下、成本较高的缺陷。无人机测量系统，优势在于低空飞行、空域申请便利、起降场地限制较小，具有高效快速、机动灵活、精细准确、适用范围广、作业成本低、可在恶劣条件下工作、工作周期短等特点，利用简单条件就能够低空飞行，获取高分辨率的影像数据。当前无人机已有影像获取、影像处理、影像生成等一套完整的航飞体系功能，能在短时间达到多个目标地点，满足各类精准测绘和应急测绘需求。露天矿山无人机监测技术的广泛应用，大幅度减少了测量作业人员工作量和数量，同时也提高了测量精度，实现了矿山的减人增效，为实现无人化矿山开采提供了技术保障[4]。

2.2 智能调度及物料流规划系统

露天矿山智能物料流规划及调度系统，需要考虑矿山开采和采运排产等系统环节，从时空上高效定位，发挥露天矿山自动化、信息化水平，实现露天矿山开采由劳动密集型向技术密集型转化。露天矿山智能调度及物料流开采系统是利用智能感知、控制、大数据云计算、物联网等作为技术支撑，优化配矿算法、无线通信、GPS卫星定位、三维激光雷达卡车装载方量监测、智能调度算法等，主要从爆破或者锯切、采掘、运输、排产入手，智能识别矿山岩性，选择合适的开采设备，并对设备单位工程作业实时监控，提取设备传感信息数据，结合优化矿山开采方案、三维地质模型信息，实现矿山开采的进度优化，及时调度设备，优化运输途径，实现智能配矿配采，为矿山的开采成本控制、系统风险控制、能耗控制提供方案，将各开采工艺环节有机结合，互联互动，综合调配分析，实现矿山的精准开采[5-7]。

2.3 违章行为智能视频识别系统

露天矿山的开采是一个复杂的系统工程，涉及的工艺复杂、系统繁多，人机交换作业且各环节作业场所关联集中。目前，我国露天矿山基本在露天矿场、机修车间和调度室部署高清摄像头，采集记录人员和设备的作业的行为，但是不具有对违章行为的智能识别及结构化处理功能。视频监视系统要求存储空间大，违章行为识别完全依赖工作人员事后识别，查阅视频信息过程工作量大，易于出现漏洞，违章识别准确率低下，报警处置信息联动滞后。应用计算机和大数据等建立的露天矿违章视频智能识别系统，应用对图片流、视频流的计算机视觉算法，能够实现对露天矿山人员违章行为的实时监控、自动抓拍以及违章信息的抽取[8-10]，对露天矿山驾驶人员接打电话、抽烟、驾驶室超员、区域入侵、未戴安全帽、调度员脱岗等行为进行智能管控，并直接传送到调度中心的云平台上，加强现场违规作业的监管，保证矿山生产安全。

3 财务管理与经济评价

矿山开发的目的是获取矿产资源并实现经济效益，而在矿山开采中往往成本无法快速地计算，需要大量财务人员进行核算，才能为企业领导层提供投入、产出、盈亏等情况。目前，大多数矿山的开发仅仅着眼于管理和生产技术的智能化，而未将财务管理与经济评价体系纳入到智能化矿山建设系统中，无法利用高效的现代智能技术与财务管理系统的融合为企业领导提供快速、有效的决策，也不能进行市场预测、提供具体发展规划等。现代化矿山建设，现有的生产设备和技术大多都能够产生效益，既节约成本，又降低环境污染，实现了绿水青山既是金山银山的理念，绿色开发，环保先行。而对于企业的发展起到关键的作用财务管理系统而言，目前仍是相对独立的管理体系，系统复杂，专业性强，需要对生产的设备投入成本、劳动力成本、国家税收成本、管理成本等一系列的投入进行计算，预测输出成本。矿山生产的材料市场销售后得到的总收入与总成本是什么样的关系，对企业的后续发展起到重要的作用，这就需要在智慧化矿山建设中将财务管理系统与之关联，既可以大大减少财务人员的工作量，同时也提高了经营情况核算效率，企业领导层能快速地了解企业在市场中的生产经营情况，并随时调整生产策略，避免产生较大损失，提高企业在市场中的抗风险能力。

4 益阳花岗岩石材矿山建设构想

河北省易县长岭村建筑用花岗岩矿位于易县县城328°方向34 km，距南城司乡265°方向8.8 km，距长岭村北西方向1.0 km，距省道241正西方向1.6 km，行政区隶属南城司乡长岭村管辖。矿区中心地理坐标(1980西安坐标系)：115°07′59″E，39°31′28″N，位于易县集中开采区南城司区CQ501、502区块中，不在“三区两线”范围内。矿区有简易公路与村村通公路相通，交通便利。矿区属于中朝准地台(Ⅰ)、燕山台褶带(Ⅱ)、军都山岩浆岩带(Ⅲ)，马头穹褶皱(Ⅳ)，王安镇岩体东北部，紫荆关—灵山深大断裂构造带的西侧。矿区内出露的地层主要为第四系，少量分布于沟谷中，成分为腐殖土、残坡积。矿区内最高海拔标高1 126 m，最低海拔标高930 m，相对高差196 m，总体地势北高南低，地形坡度较大，阴坡植被发育，第四系坡积物分布较少。矿体以王安镇岩体石英二长闪长岩为主，分为3个矿体，标为1号矿体、2号矿体和3号矿体。

为了更好地开发利用石材矿山，加强了该矿山的数字化智能化建设。在此前数字化矿山建设中的集三维建模系统、智能调度及物料流规划系统、无人机测量系统、违章行为智能视频识别系统和多源数据融合预警防控系统的基础之上，加入财务管理系统和市场经营管理系统，使矿山智能化建设更加完善，及时为企业领导提供决策依据，实现科学管理、智能化管理，节能、增效、绿色发展，增强企业在市场中的抗风险能力。图1是设计的数字化建设框架图。

图1 益阳花岗岩石材矿数字化建设框架图

5 结束语

矿山建设与现代物联网系统等融合，大大提高了矿山的生产效率，可实现矿山管理的实时监测，动态调控，为企业提供很大便利，但美中不足的是没有将财务管理系统纳入矿山智能化建设中，实现生产-经营-财务管理-经济评价一体化。益阳县花岗岩石材矿山拟将财务管理和经济评价纳入到智能化矿山建设体系，实现生产销售各个环节及成本利润的动态监测，科学决策，增强抗风险能力。