智能爆破的产生背景及新思维

汪旭光 吴春平

(1.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;2.矿冶科技集团有限公司,北京 100160;3.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083)

工程爆破就是利用炸药爆炸所产生的巨大能量对介质做功，达到预定工程目标的作业，如采矿爆破、岩土开挖爆破、清淤炸礁爆破、建(构)筑物拆除爆破、爆炸加工(含金属破碎切割)、聚能爆破、地震勘探爆破、灭火爆破、围堰拆除爆破及堰塞坝抢险爆破等。

回顾发展历程，工程爆破已经逐步发展成为独立、系统的研究领域。因炸药爆炸发生的时间极其短促，要使炸药爆炸过程的能量转化得到“精密控制”仍然是较为困难的。因为爆破实践往往超前于爆破理论的发展，爆破作业仍然过多地依赖于爆破从业人员的经验，爆破设计仍然以经验公式为主，取值范围过宽，不确定性较大[1]。

2009年以来，作者在研究各种相关理论、技术的基础上，全面、系统地思考了爆破行业的长远规划与发展愿景，提出变革爆破技术的设想与思路，并广泛征求了业内知名专家的意见和建议。大家一致认为:信息化是爆破行业发展的必然趋势，应当进行系统、深入地研究。正是在这种共识的引领下，作者提出了“智能爆破”发展方向，试图通过“爆破智能化”解决爆破技术面临的一些问题。随后，作者又先后与数十位专家、学者探讨，逐步形成了较为清晰的“智能爆破”理论架构。在此期间，作者先后主持或参与了与智能爆破、智慧城市等内容相关的研究、开发及推广工作，取得了大量研究成果，大大丰富了“智能爆破”的理论体系和应用场景[2]。

2018年，中国工程院将“智能爆破发展战略研究”设立为学部咨询研究项目。同年，中国工程院化工、冶金与材料工程学部和中国爆破行业协会在北京共同主办了“中国爆破智能化发展论坛”，与会专家、学者分享了“智能爆破”的实践经验和进展情况，促进了“智能爆破”理论体系的发展。

基于多年的研究，并汲收国内外最新的研究成果，作者认为:随着以5G、人工智能、大数据、云计算为代表的新一代信息技术以及其他新理论和新技术的不断涌现[3]，原来认为不可解的问题有了新的解决途径，因此有必要审视这些新技术在工程爆破领域应用的可能性。这也是作者提出“智能爆破”概念和理论的出发点。

1 爆破理论与技术的瓶颈

毋庸置疑，工程爆破领域的发展取得了令人瞩目的成就，但是爆破技术的一些问题仍然未能很好地解决，这也阻碍了爆破技术向“精密控制”方向发展的步伐。

1.1 爆破理论仍未有根本性突破

理论来源于实践，又指导实践;没有理论指导的实践，则是盲目的实践。半个多世纪以来，我国的爆破技术已进行了大量的工程实践，但目前的爆破理论研究工作尚落后于工程实践。现有的一些爆破设计方法和安全评估分析大都是用经验和半经验法，没有足够的理论依据。例如硐室爆破炸药量的计算，基本上是以保利斯科夫公式为依据，松动爆破也套用这一公式是没有依据的。又如爆破地震安全判据，目前我国和许多国家多用爆破产生的地面质点振动速度作为地面建筑物的安全判据，而忽略了爆源至观测物之间的地貌特征、相对高差以及地震波传播途径的介质条件的差异，甚至在拆除爆破中也按这一振速计算公式计算确定控制标准。这种单一参数评定法是不全面的，计算出的结果相差甚大。

1.2 爆破过程的多元异质信息难以获取

炸药爆炸是一种短至10-6～10-5s，十分复杂的瞬态物理、化学反应，需要使用具有极高采样率的仪器进行信息采集，一般的仪器无法满足要求。例如:通过高速摄影机拍摄爆炸过程，分析爆炸产生的物体飞散现象;通过动光弹、动焦散等技术研究模拟爆破试验的应力、应变情况。但是总体来说，爆炸过程的基础数据获取手段目前仍然十分有限。另外，爆破是炸药在岩石、土壤、金属等天然或人造介质中的瞬态作用，这些介质本身千差万别，岩石等介质还具有非均一性，使得工程爆破的信息更加多元、异质，加深了爆破信息的获取难度。

1.3 缺乏有效的爆破环境感知技术

根据爆破的对象，爆破作业施工所处的环境各不相同。如:矿山爆破需要了解爆破作业面、邻近巷道的三维信息、矿体地质品位与围岩边界信息。只有充分掌握了爆破环境信息，才能有目的地进行爆破设计，控制矿石的损失和贫化。以往是通过人工测量巷道的二维边界，结合地质勘探获取的地质数据库，粗略感知爆破环境。

总体来说，爆破环境是十分复杂的，而我们目前所了解的爆破环境信息仍然十分有限，要真正感知爆破环境的所有信息，并对这些信息进行可视化呈现，不仅需要研发大量智能化传感设备，还要对海量信息运用大数据技术进行处理，目前还有不少的技术障碍。

1.4 爆破施工精度需要进一步提高

事实已经证明，爆破施工的精度决定了爆破能否达到设计的预期效果，决定了能否减少超爆、欠爆现象发生。这涉及钻孔定位的精度、装药的精度、起爆网路延时的精度等内容。

在露天爆破中，钻机可以利用全球卫星导航系统进行定位，提高钻孔的精度。在地下爆破时，全球卫星导航系统无法覆盖，就需要从基准点引导，对钻机的地下相对空间坐标进行定位。无论是露天爆破还是地下爆破，目前的装药方式主要是人工装药、装药器装药、炸药混装车装药。前两种装药方式存在返粉、统计不方便等现象。大多数情况下，爆破施工时装药量也无法做到精确控制，爆破效果往往大打折扣。

1.5 缺乏统一的数据交互与信息处理机制

炸药从生产、运输、贮存、爆破的全生命周期，以及爆破施工过程的测量、钻孔、装药、起爆、监测等环节涉及凿岩、装药、爆破监测等设备，这些环节使用的数据采集系统种类繁多，功能千差万别，接口形式多种多样，装备之间不能进行有效地通信，造成爆破作业装备形成“信息孤岛”，无法实现数据共享和智能化处理，严重阻碍了爆破的设计、施工、管理与决策的效率。因此，为了提高爆破过程中装备的联动作业效率和远程操控能力，制定具有广泛兼容能力的泛在信息采集传输控制协议，建立统一的数据交互与信息处理机制十分必要。

综上所述，炸药爆炸是一种瞬态且复杂的物理、化学变化过程，爆破过程的多元异质信息难以获取，爆破理论研究仍然未有根本性突破，加上缺乏有效的爆破环境感知技术和统一的数据交互与信息处理机制，爆破施工精度较低，导致爆破目前仍然是一种经验主导的非确定性技术，距离“精密控制”还有很大的技术障碍。因此有必要探索一种可以指导炸药全生命周期的新的爆破理论和技术，以摆脱目前爆破面临的技术困境。

2 智能爆破的新思维

爆破科技工作者在爆破理论与技术上的执着追求，使爆破理论与技术得到了长足发展。但是，要实现炸药爆炸过程能量转化“精密控制”的目标仍然是较为困难的。

近年来，信息化已成为时代潮流，以5G、人工智能、大数据、云计算等为代表的新一代信息技术，正加速与经济、社会各领域深入渗透融合。我国已将推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合作为国家战略，在中高端消费、创新引领、绿色低碳、共享经济、现代供应链、人力资本服务等领域培育新增长点，形成新动能。各地相关行业正在立足现有基础，深入加强谋划，进一步抢占发展先机，为建设现代化经济体系厚植新优势，激发新动能。

正向思维[4]是爆破理论与解算的传统分析方法。正向思维从事物的必然性出发，根据试验建立模型及其本构关系，在特定有限的条件下求解。正向思维反映在参数的研究上就是取样、试验、测定、分析;反映在模型的研究上就是根据已有的公理、定理和理论，加上特定条件下的假设，通过推演得到结果。正向思维需要爆破数据充分、准确。

爆破是一种瞬态过程，非确定性因素较多，爆破数据并不是很充分、准确的。因此，正向思维在爆破求解过程中遇到了诸多困难。在研究各种相关技术的基础上，我们提出“智能爆破”发展方向，试图从爆破的“智能化”上解决爆破面临的一些问题。

2.1 人工智能技术是爆破理论突破的新希望

由于爆破理论是建立在各种假说以及经验与半经验公式基础上的，爆破的求解变得异常困难，爆破过程存在诸多不确定性。为弥补这些不足，往往需要求助专家的经验。但是专家的认知水平、知识层次均存在着差异，导致爆破理论计算结果千差万别。

近年来，基于深度学习等新技术的人工智能的进步，使得AlphaGo得以通过学习人类围棋知识，并自我学习，左右互搏，最终打败世界顶尖围棋高手，给人类的认知带来巨大突破。人工智能在图像、语音、行为三大领域，正在形成重大创新。新的人工智能技术的出现，使计算机可以通过学习人类的更多神经系统，更好地解决了譬如图形识别等问题。我国已将人脸识别技术大规模应用于机场、火车站等公共场所的闸机系统以及金融行业的支付系统等方面。语音识别技术已经可以将大部分的语言识别出来并转换成文字，能够代替速记员的一部分工作。基于人工智能的机器翻译技术也已发展到应用水平，形成了翻译机等商品。随着准确率进一步的提高，语音识别将会推动物联网的革命，从汽车到家用设备再到可穿戴设备将会发生很多改变，人类将能够和更多的家电通话[5]。在行为方面，人们已经开发了类人机器人，不仅可以学习人类的行走、跳跃等动作，甚至可以轻松完成后空翻、避开障碍物、开门让路等行为。机器人学习已经在向不需要编程，直接看着人类的动作即可模仿的方向发展。

人工智能(Artificial Intelligence，AI)[6]是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的科学。人工智能是计算机科学的一个分支，它试图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语音识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

爆破是复杂的过程。爆破理论建立在各种假说基础上，通过有限的爆破试验和数据分析，采用相似模拟原理、量纲分析方法推导出一些经验公式或半经验公式。这些公式取值范围较宽，而且都有一定的适用范围，一旦离开假设的条件，公式就不成立。所以，为提高爆破的准确性，专家的作用十分重要。在爆破设计时，专家可以凭借经验给出特定条件下较为合理的爆破方案。

人工智能是模拟、延伸和扩展人类大脑活动的科学，采用人工智能技术分析爆破，将有可能解决爆破系统数据不足以及不确定性问题。在这方面，国内外学者已做了有益的探索，如:采用神经网络、专家系统等人工智能方法对爆破振动、飞石以及爆破参数等进行分析。随着人工智能技术、深度学习方法的快速进步，开发适用于爆破的人工智能分析技术，通过挖掘爆破过程中采集的大数据，将有可能在爆破理论方面有重大突破。基于新理论的指导，重新变革爆破设计与模拟仿真方法，在可预期的将来，将会有意想不到的成果。

2.2 物联网是采集与处理爆破多元异质信息的利器

炸药爆炸引起各种变化，不仅有炸药本身的变化，还有周边介质的变化。获取并处理这些信息的有力工具是物联网技术。

物联网(the Internet of Things，IoT)[7]是新一代信息技术的重要组成部分，被视为互联网的应用扩展。2010年、2018年国务院政府工作报告两次将物联网写入其中。2010年国务院政府工作报告对物联网的定义是:通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。这个概念不特意指明国际互联网，明确提出是需要联网的物体，同时强调物联网是网络的延伸和扩展应用。

2.3 新型传感技术是爆破环境感知的基础

近年来，随着三维激光扫描等技术的日渐成熟，工程技术领域获取环境信息的能力大为增强。通过三维激光扫描技术，工程技术人员可以快速获取矿山巷道的点阵云图，构建三维模型;结合点阵云的位置信息，可以与三维矿体模型进行复合，立体感知爆破环境，提高爆破设计的精确度，有效控制矿石的损失和贫化。对于地面建(构)筑物，已经有学者利用车载三维激光扫描仪构建三维模型，实现了建(构)筑物的精准爆破。对于露天土岩爆破，使用大型无人机结合三维激光扫描仪，可以快速构建爆破环境的三维信息。

炸药与岩石有一定的匹配关系，匹配合适则炸药能量利用率较高，匹配不当则会导致能量损失。但是在岩土爆破时，同一片区域的岩石性质被默认为是相同的，因此炸药的能量往往不恰当地散失，关键在于岩石的性质无法被准确感知。已有专家学者通过提取钻机的信息分析岩石的特性，及时获得岩性的变化信息，形成三维岩性数据库，取得了良好的效果。随钻岩性识别技术结合可即时改变炸药性能的炸药混装技术，就能实现炸药与岩石的良好匹配。

利用高速摄影机对高层建筑物拆除爆破倒塌过程进行全方位观测，再通过计算机分析可以绘制成时间—位移、时间—速度图，进而计算结构的势能、动能、总能量、建筑物爆破高度上部作用力和塌落荷载。

微地震监测技术号称“矿山CT”。全数字型微地震监测技术的出现，使得大规模的信号存储、计算机自动监测、数据的远传输送、监测定位的实时分析和信号分析处理的可视化成为可能。微地震监测技术已被广泛应用于隧道、边坡、大型地下油气库、地下注浆工程、石油工程、地下矿山等领域。地下工程开挖爆破时，可以利用微地震监测技术掌握爆破对非开挖区围岩的影响程度。如南非深部金矿开采微震监测研究表明，在爆破后的2 h之内，微震事件发生频繁，之后则迅速减少。由此可见，通过对爆破及其余震的监测，可以对爆破后工作面的围岩稳定性和安全性进行评价。

我国研制成功的炸药示踪技术也是获取爆破多元信息的一种方法。安检示踪标识物系指自身携带特定的化学信号和编码的一类特征物质，将之添加于爆炸危险物品之后，通过探测其特定的化学信号揭示爆炸危险物品的存在，实现爆炸危险物品的安检目的。通过检测编码确定爆炸危险物品的“身份”，即生产单位、生产地点、生产线、生产时期、品种型号以及流通轨迹等。在爆炸危险物品的流向管控、来源追溯、安检探测、打非治违等多个方面都可以发挥重要作用。

总体来说，爆破环境是十分复杂的，而我们所了解的爆破环境信息仍然十分有限，要真正感知爆破环境的所有信息，并对这些信息进行可视化呈现，不仅需要研发大量智能化传感设备，还要对海量信息运用大数据等技术进行处理。

2.4 爆破施工精度的技术支撑条件

爆破施工精度的提高主要依赖凿岩设备的定位精度、装药计量的精度，以及起爆网路的延时精度。

在露天爆破时，可采用全球卫星导航系统对凿岩设备进行精确定位。目前全球卫星导航系统包括:我国的北斗卫星导航系统BDS、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO，其中可用的主要是BDS、GPS和GLONASS。

国内销售的智能手机大部分支持北斗定位导航系统。BDS在港珠澳大桥、武汉“火神山”“雷神山”医院等大型工程中，均发挥了巨大作用。以往露天爆破设备的定位主要使用GPS，今后应加大钻机等设备使用BDS定位的系统研究。

地下爆破因为没有全球卫星导航系统的辅助，定位和导航难度较大。随着5G网络、可见光通信(Visible Light Communication，VLC)、Wi-Fi、Zigbee等新通信手段的兴起，结合物联网、GIS等技术，可以对凿岩、测量等爆破相关设备进行精确定位与导航。

新型智能化炸药装填设备和新型爆破器材是提高爆破施工精度的有力支撑。炸药混装车在配置炸药过程中通常有各组分的计量统计，同时也有装药量统计，因此可以方便地记录各炮孔的精确药量。借助于数码电子雷管的广泛应用，起爆网路延时的精度和可靠性大大提高，使人们精确控制爆破时序成为现实。

3 结 论

(1)爆破是一门技术科学，不仅需要从爆破工程实践经验中不断总结、提高技术水平，也需要从相关学科领域汲取先进的科学技术，并升华为新的爆破理论，唯有如此才能使爆破学科始终保持活力，成为历久弥新的学科。

(2)现阶段，爆破技术面临着理论未有根本性突破、爆破过程的多元异质信息难以获取、缺乏有效的爆破环境感知技术、爆破施工精度需要进一步提高、缺乏统一的数据交互与信息处理机制等瓶颈问题。这些问题阻碍了爆破技术向“精密控制”方向发展的步伐。

(3)“智能爆破”是基于新一代信息技术提出的新理论。“智能爆破”试图建立具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能特性的综合集成爆破技术，解决以往需要人类专家才能处理的爆破问题。“智能爆破”是行业的发展趋势，期待爆破行业学者不断完善其理论与技术体系。