智能化在綠色礦山建設(shè)中的探索

（浙江交通資源投資集團(tuán)有限公司總工程師 林春）

【摘要】作為2021年浙江省自然資源廳智能化綠色礦山試點示范建設(shè)單位，同時為滿足自身高質(zhì)量綠色發(fā)展和數(shù)字化改革的需求，浙江交投礦業(yè)有限公司以國家綠色礦山建設(shè)行業(yè)技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)，按照生產(chǎn)經(jīng)營全流程數(shù)字化、智控化、無人化、可視化的總體思路，形成“一個中心+一套模型+四大平臺+N個系統(tǒng)”的智能化管理體系。通過智能化綠色礦山建設(shè)，浙江交投礦業(yè)有限公司實現(xiàn)了礦山資源管理數(shù)字化，生產(chǎn)過程自動化，安全環(huán)保監(jiān)測實時化，管理決策智慧化，產(chǎn)銷協(xié)同一體化。有效提升企業(yè)精細(xì)化管理水平，實現(xiàn)降本增效目標(biāo)，為礦山行業(yè)向精細(xì)化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型提供了借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】智能化，綠色礦山，砂石骨料

【英文摘要及關(guān)鍵詞】（略）

1.引言

中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會上明確要求：“加快建設(shè)制造強(qiáng)國，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟(jì)深度融合”。當(dāng)前我國正處于加快推進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程階段，隨著“新基建、5G建設(shè)”、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”和 “人工智能+”、“國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型”等國家行動計劃的實施，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式正在不可避免地發(fā)生著變化[1, 2]。為全面貫徹落實新發(fā)展理念和黨中央國務(wù)院決策部署，加強(qiáng)礦業(yè)領(lǐng)域生態(tài)文明建設(shè)，加快礦業(yè)轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展，國土資源部、財政部、環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)檢總局、銀監(jiān)會、證監(jiān)會聯(lián)合要求，加大政策支持力度，加快綠色礦山建設(shè)進(jìn)程，形成符合生態(tài)文明建設(shè)要求的礦業(yè)發(fā)展新模式[3, 4]。浙江省自然資源廳發(fā)布《浙江省自然資源廳關(guān)于開展智能化綠色礦山建設(shè)試點工作的通知》浙自然資廳函（2020）946號，浙江交投礦業(yè)有限公司大皇山建筑用石料（凝灰?guī)r）礦被選為先行開展試點建設(shè)企業(yè)之一，為全省智能化綠色礦山建設(shè)探索模式、積累經(jīng)驗、樹立標(biāo)桿。

浙江交投礦業(yè)有限公司為浙江交通資源投資集團(tuán)有限公司下屬子公司，位于舟山市定海區(qū)冊子島北部，礦區(qū)面積1.0481k㎡，資源儲量1.84億噸，為華東地區(qū)單體礦產(chǎn)儲量最大的凝灰?guī)r礦；礦山采用露天開采，汽車運(yùn)輸方案，采礦場自上而下按15m的臺階逐層開采；采礦工序為采用潛孔鉆機(jī)穿孔、中深孔爆破、機(jī)械二次破碎、挖掘機(jī)裝載、汽車運(yùn)輸；生產(chǎn)調(diào)度主要以人工為主，由現(xiàn)場根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)要求安排挖掘、卡車等設(shè)備；礦山現(xiàn)有系統(tǒng)包括三維數(shù)字采礦系統(tǒng)、大屏展示系統(tǒng)、邊坡監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、地磅無人值守稱重系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)等。

浙江交投礦業(yè)有限公司依托當(dāng)前數(shù)字化、信息化相關(guān)技術(shù)，將5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、自動控制等先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)設(shè)備與現(xiàn)代礦山生產(chǎn)管理深度融合，形成全面感知、實時監(jiān)測、互聯(lián)互通、分析決策、協(xié)同管控的完整智能系統(tǒng)和跨場景應(yīng)用，以建成集礦山資源管理數(shù)字化、生產(chǎn)智能管控、智慧決策于一體的本質(zhì)安全、資源集約、綠色高效的5G智慧礦山和生產(chǎn)車間“無人化、少人化”礦山為目標(biāo)，開展智能化綠色礦山建設(shè)。

2. 智能化綠色礦山建設(shè)主要框架和內(nèi)容

2.1 主要框架

根據(jù)企業(yè)自身現(xiàn)狀和管理發(fā)展實際需求，結(jié)合自然資源等上級部門要求，浙江交投礦業(yè)有限公司以國家綠色礦山建設(shè)行業(yè)技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)，按照生產(chǎn)管理全流程數(shù)字化、智控化、無人化、可視化的總體思路，重點在四個方面開展探索，形成“一個中心+一套模型+四大平臺+N個系統(tǒng)”的建設(shè)框架體系。即，1個企業(yè)指揮調(diào)度中心；1套“數(shù)字孿生礦山”基礎(chǔ)模型；管理決策、精準(zhǔn)智控、場景應(yīng)用、大數(shù)據(jù)管理四大平臺；N個系統(tǒng)則為解決企業(yè)從資源、規(guī)劃、設(shè)計、開采、加工、出運(yùn)、質(zhì)量、安全、環(huán)保等環(huán)節(jié)的信息化、自動化與數(shù)字化的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，分別有業(yè)財一體化ERP系統(tǒng)、數(shù)字物流系統(tǒng)、資源儲量動態(tài)管理系統(tǒng)、資源越界開采系統(tǒng)、環(huán)境在線檢測系統(tǒng)、邊坡雷達(dá)檢測系統(tǒng)、出運(yùn)管理系統(tǒng)、人員及車輛定位系統(tǒng)、全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)、5G及AR/VR可視和遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)、安全隱患排查系統(tǒng)、智能開采車輛調(diào)度系統(tǒng)、質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)和綠色礦山管理系統(tǒng)等。

2.2主要內(nèi)容

2.2.1 一個中心

智能化綠色礦山?jīng)Q策指揮調(diào)度中心。以礦山生產(chǎn)和安全、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以VR虛擬環(huán)境為平臺，利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）、地表傾斜攝影、三維激光掃描等技術(shù)手段，將礦山地上場景、地下礦床地質(zhì)體、采礦工藝過程及其引起的相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行三維數(shù)字化建模，實現(xiàn)對礦山生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)狀況、安全與環(huán)境監(jiān)測、人員和設(shè)備狀態(tài)的實時顯示，在真三維環(huán)境中集成礦山開發(fā)與運(yùn)行的相關(guān)信息，在指揮調(diào)度中心的大屏展示端集成礦山生產(chǎn)與決策提供重要的過程數(shù)據(jù)。管理人員可以通過個人日常電腦辦公的Web端及現(xiàn)場檢查及移動辦公的手機(jī)端將指令迅速下達(dá)到一線，以此實現(xiàn)調(diào)度中心的快速決策與指揮。

2.2.2 一套模型

礦產(chǎn)資源三維地質(zhì)孿生模型。集合多種虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建透明化三維模型（包含地質(zhì)模型、生產(chǎn)車間及設(shè)備模型），實現(xiàn)礦山、廠區(qū)、車間、工藝各環(huán)節(jié)的實時模擬，提高礦山開采及生產(chǎn)效率。以多維模型和融合數(shù)據(jù)為驅(qū)動，利用數(shù)字技術(shù)對物理實體的組成、行為、特征和形成過程進(jìn)行描述，在虛擬空間中形成物理實體的鏡像，反映、刻畫、優(yōu)化和控制物理實體的全生命周期過程被稱為數(shù)字孿生技術(shù)[5]。數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)用后可以對原有的工業(yè)模式進(jìn)行優(yōu)化，同時可以給產(chǎn)品服務(wù)模式進(jìn)行革新，充分滿足消費(fèi)者對數(shù)字孿生產(chǎn)品數(shù)據(jù)資源的需求[6]。可以說，數(shù)字孿生技術(shù)也是礦山工業(yè)智能化發(fā)展的必然之路。

2.2.3 四大平臺

1）資源決策管理服務(wù)平臺。決策管理服務(wù)平臺集成有資源管理、生產(chǎn)管理、銷售管理、安全管理、環(huán)保管理、成本管理、設(shè)備管理等多項數(shù)據(jù)模塊。管理者可以通過平臺實現(xiàn)設(shè)計階段的生產(chǎn)仿真與模擬、生產(chǎn)階段的監(jiān)測與管控、技改階段的生產(chǎn)回放與過程分析、災(zāi)變發(fā)生時的可視化應(yīng)急指揮等礦山關(guān)鍵業(yè)務(wù)過程支持，為礦山生產(chǎn)與決策提供重要的過程數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行信息集成管理，對各子系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲、實時分析、集中監(jiān)控、集中發(fā)布、智能管控，實現(xiàn)對礦山開發(fā)與運(yùn)行的科學(xué)預(yù)測、規(guī)劃、控制和決策指揮，提高礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全管理水平。

2）生產(chǎn)精準(zhǔn)智控平臺。借助集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS），有效提高設(shè)備運(yùn)行效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少礦石加工過粉碎現(xiàn)象，降低生產(chǎn)成本[7]。通過在生產(chǎn)車間部署DCS軟件，在生產(chǎn)設(shè)備上安裝傳感器，將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)通過DCS進(jìn)行實時采集和集中管理。生產(chǎn)過程中各設(shè)備的運(yùn)控數(shù)據(jù)接入三維VR場景應(yīng)用展示平臺進(jìn)行集成監(jiān)控，能夠查看采礦和破碎加工、篩分全流程，技術(shù)人員在控制系統(tǒng)集中下達(dá)調(diào)度和控制指令，實現(xiàn)了生產(chǎn)車間無人化、少人化。

3）三維場景應(yīng)用平臺。通過傾斜攝影測量技術(shù)，使用無人機(jī)、傳感器從不同的角度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，快速、高效獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，真實地反映地面的客觀情況[8]。依據(jù)此應(yīng)用平臺，一方面可以實現(xiàn)對三維場景的漫游操作，以及礦山生產(chǎn)環(huán)境、安全與環(huán)境監(jiān)測、人員和設(shè)備狀態(tài)的實時VR顯示，解決礦山信息化建設(shè)過程中基礎(chǔ)信息不足、信息孤島等方面的問題，加強(qiáng)信息融合，實現(xiàn)設(shè)計階段的生產(chǎn)仿真與模擬、生產(chǎn)階段的監(jiān)測與管控、災(zāi)變發(fā)生時的可視化應(yīng)急指揮等礦山關(guān)鍵業(yè)務(wù)過程支持。

4）手機(jī)移動端平臺。搭建手機(jī)APP應(yīng)用，完成員工信息實時推送，將數(shù)據(jù)維護(hù)、安全隱患分類處理、跟蹤整改、臺賬整理及設(shè)備檢修等任務(wù)細(xì)化到個人。這種建立動態(tài)耦合的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同管控機(jī)制，將傳統(tǒng)各自獨立的“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”監(jiān)測控制轉(zhuǎn)變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)實時接入和感知的方法，是實現(xiàn)礦山物聯(lián)網(wǎng)的實時接入、精確定位、有機(jī)整合、深度利用的切實可行的道路，是實現(xiàn)智慧礦山綠色生產(chǎn)、安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效的關(guān)鍵[9]。

2.2.4 N個系統(tǒng)

1）礦山越界開采預(yù)警系統(tǒng)。通過三維GIS、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在系統(tǒng)中以礦山采礦權(quán)界線設(shè)置虛擬電子圍欄作為越界開采警戒線，鉆挖機(jī)等越界開采時，后臺將會收到越界警示，系統(tǒng)觸發(fā)感應(yīng)報警，防止越界開采。

2）礦山粉塵在線實時監(jiān)測系統(tǒng)。砂石骨料生產(chǎn)線的開采、破碎、篩分、制砂等過程均在露天完成，產(chǎn)生粉塵污染大氣[10]。礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是綠色生產(chǎn)的保障[11]。通過一體化光散射法環(huán)境空氣監(jiān)測儀實時監(jiān)測礦山空氣懸浮顆粒物（TSP、PM10、PM2.5）、噪聲、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣壓等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過可視化儀表盤的形式集成展現(xiàn)在平臺中，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)異常預(yù)警。

3）人員車輛實時定位跟蹤系統(tǒng)。建立人員車輛電子監(jiān)控體系，利用基于北斗+藍(lán)牙的室內(nèi)外融合定位系統(tǒng)對礦山人員、車輛的位置及行進(jìn)軌跡進(jìn)行精確定位。人員車輛進(jìn)行危險操作時便可進(jìn)行聲光預(yù)警，防患于未然；當(dāng)事故發(fā)生時，通過人員實時定位、智能巡檢、一鍵報警等功能來提高應(yīng)急救援效率.礦山一般較為偏僻，人員溝通困難，安裝定位跟蹤系統(tǒng)還可以實現(xiàn)作業(yè)人員的實時調(diào)度，加強(qiáng)員工管理。

4）全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)。各類自動化、監(jiān)測和監(jiān)控系統(tǒng)是智慧礦山建設(shè)的重要組成部分，在礦山安全生產(chǎn)管理過程中發(fā)揮著重要作用[13]。設(shè)立全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過平臺接入各路視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)攝像頭位置的可視化。員工可以在中控平臺進(jìn)行視頻瀏覽，亦可通過手機(jī)APP查看監(jiān)控攝像頭畫面并實時進(jìn)行喊話，提高警示效果。通過視頻監(jiān)控技術(shù)可以實時監(jiān)控礦山指定地點的安全動態(tài)信息，有效提高生產(chǎn)的安全系數(shù)；發(fā)生事故時，采用視頻監(jiān)控技術(shù)有助于礦山緊急救援決策。

5）智能開采車輛調(diào)度系統(tǒng)。建設(shè)智能運(yùn)營系統(tǒng)將極大地提高設(shè)備的使用效率，減少人為誤操作以及倒班時間，降低勞動成本，是提高礦山現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)度指揮效率的關(guān)鍵[14]。在數(shù)字采礦軟件中，根據(jù)產(chǎn)量目標(biāo)劃定采掘條帶（即爆堆的設(shè)計模型）并進(jìn)行穿孔爆破設(shè)計，后將爆堆信息和生產(chǎn)計劃導(dǎo)入生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。采場完成爆破后，管理人員依據(jù)爆堆的位置、礦量等數(shù)據(jù)，基于日生產(chǎn)目標(biāo)，結(jié)合礦車設(shè)備產(chǎn)能信息，創(chuàng)建日生產(chǎn)計劃并將生產(chǎn)任務(wù)推送到相關(guān)挖機(jī)運(yùn)車司機(jī)的手機(jī)APP上。系統(tǒng)還能通過集成地磅數(shù)據(jù)，進(jìn)行車載計量統(tǒng)計分析，實時監(jiān)控礦石挖運(yùn)情況，完成產(chǎn)運(yùn)售統(tǒng)籌精細(xì)化。

6）骨料質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)。對砂石骨料質(zhì)量的檢測是礦山工業(yè)領(lǐng)域中不可或缺的一環(huán)[15]。在礦山生產(chǎn)運(yùn)輸帶上安裝骨料質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)，通過圖形識別、計算軟件等實現(xiàn)對骨料粒徑、級配、針片狀、含水量等指標(biāo)在線檢測，將實時數(shù)據(jù)及質(zhì)量報告及時傳送給化驗等相關(guān)人員，對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行實時檢測及反饋和預(yù)警，便于對生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化和質(zhì)量控制；有效提高檢測效率和檢測頻率，可實現(xiàn)裝船（車）時產(chǎn)品一船（車）一檢。

3.建設(shè)成效及未來展望

3.1 建設(shè)成效

通過智能化綠色礦山建設(shè)，浙江交投礦業(yè)有限公司大皇山（凝灰?guī)r）礦山實現(xiàn)了礦山生產(chǎn)可視化，監(jiān)測系統(tǒng)實時化，數(shù)據(jù)的高度集成化和智能化，完成礦山降本、增效，有效實現(xiàn)礦山資源精細(xì)化管理，較大地提高了生產(chǎn)效率和安全管理水平。具體成效有：一是實現(xiàn)礦山本質(zhì)安全管理。全廠區(qū)虛擬現(xiàn)實增強(qiáng)視頻監(jiān)控（200個視頻監(jiān)測點）、越界開采自動報警（越界報警區(qū)域設(shè)置14個）、礦山環(huán)境指標(biāo)自動監(jiān)測、邊坡移位監(jiān)測、人員佩戴安全帽工作識別預(yù)警、人員和車輛廠區(qū)實時定位越界預(yù)警（2車輛定位69臺，人員定位513個）等應(yīng)用，通過對違規(guī)作業(yè)實時提醒、實現(xiàn)了人員傷亡與環(huán)境污染0案次。二是實現(xiàn)數(shù)字孿生資源開采管理。通過數(shù)字建模、智能化開采技術(shù)等，全面掌握礦山資源總儲量、剩余儲量、巖體分布、開采計劃和年限等，全方位有效利用國家礦產(chǎn)自然資源，綜合利用率達(dá)99%以上。三是實現(xiàn)生產(chǎn)智控化管理。實現(xiàn)從爆破后母料運(yùn)輸、計量、生產(chǎn)、質(zhì)檢、發(fā)運(yùn)等全過程數(shù)據(jù)自動采集和控制，系統(tǒng)間數(shù)據(jù)自動采集率超過95%，基本實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步，保證業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)高效協(xié)同和自動化，生產(chǎn)綜合效率提升8-10%，產(chǎn)品質(zhì)量檢測時間由原來的半天變成實時。四是實現(xiàn)業(yè)財一體化經(jīng)營管控。通過打通財務(wù)與采購、營銷、生產(chǎn)、庫存等業(yè)務(wù)之間的信息流，實現(xiàn)財務(wù)相關(guān)憑證自動生成，業(yè)財全面協(xié)同和集中一體化管控。五是實現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮控制。通過移動應(yīng)用和指揮調(diào)度中心隨時監(jiān)控礦區(qū)一線的生產(chǎn)、銷售、設(shè)備運(yùn)行、工人在崗情況、安全管控情況，單次可以節(jié)約20分鐘來回上下礦區(qū)時間。六是所有平臺可復(fù)制、可推廣、可接入。安全監(jiān)測系統(tǒng)可隨時接入政府監(jiān)管系統(tǒng)，供政府實時監(jiān)測，公司其他礦的智能化需求可以通過舟山智能化綠色礦山系統(tǒng)和平臺快速部署實現(xiàn)。

3.2 未來展望

智慧礦山是采礦業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、提升行業(yè)發(fā)展質(zhì)量的核心驅(qū)動力，是礦山企業(yè)發(fā)展的必然需求，實現(xiàn)礦產(chǎn)采掘、運(yùn)輸、洗選、生產(chǎn)管理、安全保障、生態(tài)保護(hù)等全過程智能化運(yùn)行是未來必定的發(fā)展路徑[16]。以5G+遠(yuǎn)程操控和無人化系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、智能化決策系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)礦山設(shè)備遠(yuǎn)程操控、礦車無人駕駛技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用、智慧決策等是未來礦山重要發(fā)展方向。

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