一、研究的背景與問(wèn)題

采礦業(yè)屬于生產(chǎn)環(huán)境復雜、人機密集協(xié)調的重工業(yè)領(lǐng)域，對其進(jìn)行數字化轉型是采礦業(yè)高效發(fā)展的必然選擇，也是數字經(jīng)濟時(shí)代礦業(yè)生存發(fā)展的必然要求。近年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數據、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，國內外許多礦山企業(yè)相繼進(jìn)行了智慧礦山建設,雖然取得了一些成績(jì)和效果,但在智慧礦山的頂層設計、數據標準、管理模式等方面仍存在著(zhù)制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，主要面臨如下難題：

1、缺少頂層設計，系統互聯(lián)互通性差

礦山行業(yè)具有復雜性、系統性等特點(diǎn)，其流程長(cháng)、工藝環(huán)節多，是一個(gè)多專(zhuān)業(yè)相互滲透、多學(xué)科共同支撐、多系統協(xié)同優(yōu)化的復雜工程。有些礦山只對多個(gè)工序或環(huán)節進(jìn)行了智能化建設，不能實(shí)現智能聯(lián)動(dòng)。因此需要做好頂層設計，統籌考慮礦山各系統和各要素，統攬全局，最終建設成適用于本礦山的智慧化系統。

2、數據標準不一，信息孤島現象嚴重

目前，礦山開(kāi)采對應的設計系統和管控系統眾多，而不同的系統通常又由不同的公司進(jìn)行研發(fā)，這些系統軟件標準不一、數據不通、兼容性和可移植性較差，很容易造成信息孤島，難以實(shí)現不同系統之間的有效聯(lián)合和綜合管控。

3、管理系統相互隔離，協(xié)調和聯(lián)控不足

目前，國內有些礦山的技術(shù)管理、生產(chǎn)管理、安全管理等工作基本上是通過(guò)人工線(xiàn)下完成，過(guò)程復雜、繁瑣，效率不高，并且，各管理流程之間相對孤立，相互關(guān)聯(lián)性差，一個(gè)部門(mén)調整生產(chǎn)設計或生產(chǎn)計劃后不能及時(shí)反饋到其他相關(guān)部門(mén)，不能實(shí)現動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、精準的更新和關(guān)聯(lián)，管理過(guò)程中容易出現主觀(guān)性工作失誤，導致生產(chǎn)安全性和勞動(dòng)生產(chǎn)率降低，直接影響礦山的綜合效益。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

中冶北方基于六十余年來(lái)在礦山領(lǐng)域積累的設計工程經(jīng)驗，在為礦山企業(yè)提供不間斷技術(shù)支持和服務(wù)的過(guò)程中，對礦山企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題與訴求進(jìn)行深入研究，自主研發(fā)了一套適用于礦山生產(chǎn)全鏈條的智慧礦山管控平臺，該平臺將采掘工藝、“礦石流”管控、生產(chǎn)流程再造和礦山各數據進(jìn)行整合，可以有效提高礦山資源開(kāi)采利用率，提升管理運營(yíng)能力，維持發(fā)展韌性，同時(shí)真正將“安全、綠色、高效、智慧”的理念滲透到礦山生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節之中，為礦山設計、生產(chǎn)、管理、安全提供決策支持。

圖1 智慧礦山建設總體架構

智慧礦山管控平臺以“基于生產(chǎn)、服務(wù)生產(chǎn)、賦能生產(chǎn)”為理念，致力于突破礦山資源開(kāi)發(fā)和采礦工藝相關(guān)業(yè)務(wù)壁壘，統籌解決系統集成與數據融合打通難題；通過(guò)統一的生產(chǎn)管控目標與邊界、統一的數據維度與管理標準，實(shí)現企業(yè)降本、增效、本質(zhì)化安全和綠色可持續發(fā)展目標。

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圖2 ?基于生產(chǎn)、服務(wù)生產(chǎn)、賦能生產(chǎn)的礦山智能化建設

智慧礦山管控平臺通過(guò)對礦山大規模多源異構（空間）數據進(jìn)行智能采集、標準化處理、深加工和分析，使各部門(mén)、各專(zhuān)業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)數據有效聯(lián)通，為生產(chǎn)作業(yè)層各類(lèi)應用系統提供共享數據服務(wù)接口；平臺所提供的業(yè)務(wù)應用能夠更加深刻的支撐冶金礦山的長(cháng)工藝鏈、離散作業(yè)特性；平臺秉持生態(tài)共享原則，支持無(wú)縫集成自動(dòng)化廠(chǎng)商O(píng)T系統、各類(lèi)智能終端設備、邊緣智能平臺、云資源平臺、各類(lèi)數據管理平臺、業(yè)主自有或伙伴提供的工業(yè)PaaS等平臺，實(shí)現礦山全連接，幫助礦企解決“平臺繁多、承建方分歧”等問(wèn)題，規避冗余建設，減少投資浪費。

三、主要創(chuàng )新性成果

智慧礦山管控平臺以生產(chǎn)效率提升、精細化生產(chǎn)管控為出發(fā)點(diǎn)，打造橫向貫穿于全工藝流程，縱向打通各層業(yè)務(wù)間的數據壁壘，為礦山提供一系列專(zhuān)精業(yè)務(wù)系統。具體如下：

1、地測采生產(chǎn)執行系統

系統支持三維正向建模，對地質(zhì)資源進(jìn)行數字化表達及分析，實(shí)現地質(zhì)資源信息的準確把握；支持三維優(yōu)化設計，可實(shí)現批量高效制圖，提升設計工作效率；提供對生產(chǎn)工程設計、施工圖紙管理的規范化、標準化的管控功能，為礦山生產(chǎn)提供基礎條件；基于云端生產(chǎn)設計圖紙，結合采集或移動(dòng)APP上報的生產(chǎn)數據，系統自適應提供生產(chǎn)作業(yè)的施工狀態(tài)圖，直觀(guān)展示井下各工序的作業(yè)位置、施工狀態(tài)及生產(chǎn)數據；基于施工狀態(tài)圖，技術(shù)人員通過(guò)操作鼠標或觸摸屏，以點(diǎn)、選、滑動(dòng)等方式即可在施工狀態(tài)圖中高效快速完成采準、中深孔鑿巖和回采作業(yè)的計劃排產(chǎn)工作。

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圖3 地質(zhì)資源數字化

圖4計劃編制

2、生產(chǎn)管控系統

系統支持嚴格按照生產(chǎn)流程、工藝流程將排產(chǎn)計劃自動(dòng)拆解為各班組施工作業(yè)任務(wù)，并下發(fā)到對應作業(yè)人員的移動(dòng)終端或電腦終端中，提升長(cháng)工藝流程、離散施工的管控效率，實(shí)現各生產(chǎn)組織單元協(xié)同作業(yè)；支持工序自動(dòng)銜接，根據生產(chǎn)流程模型，當前工序完成后自動(dòng)生成下一工序工單并通知對應班組銜接作業(yè)；支持異常工單智能調度，如當前作業(yè)出現異常，系統自動(dòng)推薦符合工藝邏輯的接續作業(yè)面；提供APP接收工作和上報任務(wù)結果；APP支持無(wú)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下離線(xiàn)緩存，接入網(wǎng)絡(luò )后續傳。

圖5 采準任務(wù)管理

圖6 計劃管理

圖7 作業(yè)工單按工藝流程智能流轉

3、三維可視化管控系統

系統基于虛擬空間內1:1還原的礦山生產(chǎn)實(shí)景，實(shí)現在“指揮中心”即可對生產(chǎn)全工藝、各工序進(jìn)行調度、管控，將傳統的“作業(yè)區調度”、“現場(chǎng)管理”轉變?yōu)椤巴该鞴芾怼?、“集中管控”；同時(shí)系統接入、解析地下精準定位系統數據，為礦區提供一套基于實(shí)時(shí)位置信息的“沙盤(pán)”，直觀(guān)、可視化的展現采礦井巷工程的空間拓撲，以數字圖形的方式展現地下基礎設施全貌，打破生產(chǎn)“黑箱”，為生產(chǎn)管控提供定位、軌跡、興趣點(diǎn)搜索與坐標確認等服務(wù)。

圖8 智能指揮調度圖

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圖9 作業(yè)位置管控圖

圖10 中深孔作業(yè)管控圖

4、采礦生產(chǎn)協(xié)同APP

采礦生產(chǎn)協(xié)同APP是“生產(chǎn)管控系統”的移動(dòng)應用。利用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現移動(dòng)化數據采集、查看，辦公流程的協(xié)同，生產(chǎn)過(guò)程的一覽和生產(chǎn)報表的移動(dòng)管理。

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圖11 ?APP工單頁(yè)面

四、應用情況與效果

本技術(shù)成果在八鋼礦業(yè)蒙庫鐵礦智慧礦山建設項目中應用。該系統的應用為礦山在管理方面帶來(lái)數量級的提升，包括優(yōu)化地質(zhì)、測量及采礦工序的工作流程，降低其工作強度，提高工作效率；提升礦山管理人員對井下生產(chǎn)全貌的實(shí)時(shí)把控能力；工作管理便捷化、流程化、規范化；增強生產(chǎn)過(guò)程數據記錄的完整性、真實(shí)性和時(shí)效性；生產(chǎn)過(guò)程中的所有設計、計劃和數據都可以實(shí)時(shí)共享和展示；各工序審批流程全部通過(guò)計算機在線(xiàn)實(shí)現，并且支持手機APP審批，簡(jiǎn)單快捷。

圖12 智慧礦山全信息可視化圖

應用本技術(shù)成果可有效減少現場(chǎng)作業(yè)人員15%，提高全員勞動(dòng)生產(chǎn)率10%；可以有效降低能耗3%（主要為電耗）；通過(guò)相關(guān)手段和措施，回采率可提高至87%，廢石混入率可降低至13%，提升礦石采出品位，提高礦山原礦生產(chǎn)規模約10%；有效降低成本費用，大幅提高利潤水平。

本技術(shù)已申請專(zhuān)利15項，已獲得授權專(zhuān)利4項、軟件著(zhù)作權4項。本成果的應用，實(shí)現了礦山生產(chǎn)的全流程管控和過(guò)程數據融合，為礦山設計、計劃、生產(chǎn)、安全等提供優(yōu)化管理和決策支持，推動(dòng)了礦山企業(yè)“智能制造”和“綠色礦山”建設的進(jìn)程。

信息來(lái)源：中冶北方工程技術(shù)公司