智能矿山技术架构与建设思路

张元生，战 凯，马朝阳，金 枫，刘 旭，韩志磊

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160； 2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628； 3.北京北矿智能科技有限公司，北京 102628)

全球矿业正处于一场新的变革，以新一代信息技术与矿产资源开发深度融合为特征的智能矿山建设引领了矿业领域新一轮的发展热潮，人工智能、工业互联网、5G通信、大数据、区块链、边缘计算等新技术的不断深化应用，正在深刻改变并重塑矿业开发的各个领域和各个阶段，矿业正逐步迈入遥控化、智能化、少人化乃至无人化发展的新阶段。

智能矿山的发展源自于自动化采矿与数字矿山。西方矿业发达国家最早开始应用自动化采矿技术可追溯到20世纪60年代，之后持续发展，进入20世纪90年代，芬兰、加拿大等国家开始实施智能矿山研究计划[1-2]。我国自1999年提出智能采矿[3]和2000年提出数字矿山[4-5]，经历近20年的发展取了长足的进步[6-10]，在发展过程中，国内、国外不断交叉融合，数字矿山概念由我国提出逐步得到国际(南非、美国等)同行业认可，由自动化采矿延伸而来的智能采矿在我国得到不断的发展[11-12]。近年来，相关概念进一步延伸和演化，部分学者提出“智慧矿山”的概念[13-19]，纵览发展过程，专家学者对数字矿山、智能矿山、智慧矿山的认识不甚相同，但在作者看来，在同一时空领域下，其实质内涵和主要任务相差无异。本文通过概述智能矿山发展的现状，从不同视角梳理智能矿山的发展理念及技术架构，阐述当前及未来一段时期内金属矿山领域智能矿山建设的主要内容，进而结合矿业企业的特点剖析智能矿山建设的模式，并给出智能矿山的建设思路。

1 智能矿山领域发展现状

当前，矿业发展进入全球化布局、国际化经营及开放式竞争的新时期。矿业发展正面临诸多难题，矿产品价格波动较大且总体处于低位，矿山开采深度日益增加带来安全隐患增大以及采矿成本的不断增大，采矿作业环境恶劣亟需改善，一线人员平均年龄大，人员接续困难，开采成本不断攀升，绿色开发要求日益提高。发展智能采矿技术，并逐步探索无人开采技术，减少下井作业人员，提高开采安全性与生产效率，是我国资源开发尤其是深部资源开采的必然选择。

1.1 国外智能矿山领域发展现状

智能化是全球工业领域的发展趋势，也是提升国际竞争力和话语权的核心因素。芬兰、澳大利亚、瑞典、加拿大、美国等矿业发达国家，先后制定了一系列智能矿山发展计划，大幅提升矿山的自动化与智能化水平，增强了企业的竞争力。近五年，国外仍在持续加大布局智能矿山技术应用，国外许多矿业公司，如巴理克、力拓、波里登、基律纳铁矿、纽蒙特等，都在实施数字智能矿山建设计划，在三维矿业软件深度应用、装备智能化及无人化作业、生产协同管控与实时调度等方面都达到了很高的水平，澳大利亚力拓公司推出“未来矿山”计划，计划在珀斯远程控制远在上千公里外的皮尔巴拉矿区10余个矿山，目前已初步实现多个矿山主体采矿作业环节的现场无人化作业。

1.2 国内智能矿山领域发展现状

受国外矿业发达国家智能矿山发展的影响，国家先后出台“机械化换人、自动化减人”等专项计划，引导我国矿山企业实现智能化转型，提升矿山企业核心竞争力。近年来，我国也不断加大数字矿山、智能采矿领域的投入力度，国家自“十一五”开始围绕采矿设备高精度定位、数字化采矿软件、智能化采矿装备等方向，布局了一批科技攻关项目，大幅推进了我国数字矿山与智能采矿技术的发展。“十二五”期间，由北京矿冶研究总院牵头组织实施的863主题项目“地下金属矿智能开采技术”，开发了智能铲运机、智能中深孔凿岩台车、智能卡车、智能潜孔钻机、智能装药车等智能采矿技术与装备，大幅推进了我国智能采矿领域的发展。“十三五”期间，科技部启动“地下金属矿规模化无人采矿关键技术研发与示范”国家重点研发计划，继续推动我国智能矿山领域的技术攻关。

与此同时，国内部分大型矿山正在结合国家“中国制造2025”、“新一代人工智能发展规划”等政策倡议，打破传统模式，基于物联网、大数据、工业互联网等技术打造“智能矿山”的产业链，实现矿山向“少人化”、“智能化”的方向转型升级。当前，山东黄金集团、紫金集团、新疆有色集团、江钨集团、江铜集团、洛钼集团、中国黄金集团等国内大型矿业集团都已启动智能矿山建设，其中三山岛金矿[20-21]、杏山铁矿、普朗铜矿等矿山在采矿装备远程遥控作业、电机车无人驾驶、生产自动化系统、生产集中调度等方面取得了较大进展，尤其是山东黄金集团，依托三山岛金矿打造成国际一流的示范矿山，进一步推动了智能矿山纵深发展的进程。

总体而言，矿业领域向智能化、无人化方向的发展进程将不断加快，打造智能矿山，成为我国矿业发展的必经之路。

2 智能矿山内涵及技术架构

2.1 智能矿山内涵

智能矿山是采用人工智能、工业互联网、新一代通信技术、大数据、区块链、边缘计算、精确定位与导航、虚拟现实等智能技术和信息化技术，深化改造并重塑矿山采、选、冶等核心生产环节，实现矿山全链条的智能化与协同化，从而达到矿山经营处于高效、安全、绿色、和谐及经济效益最优的目标。

智能矿山以基础信息化设施、矿山资源数字化系统、安全管理信息化系统为支撑，以矿山大数据与运营决策系统为决策核心，通过固定设施自动化系统、无轨装备智能化系统、有轨装备智能化系统、智能选厂等智能化作业系统完成矿山各作业环节的实际执行和闭环反馈，形成透明化、一体化和规范化的生产、运营、决策体系。

2.2 智能矿山技术架构

由于智能矿山(图1)是一项多专业、多学科交叉的系统工程，关于智能矿山的技术架构，如同智能矿山的定义一样，一直以来没有一个统一的认知，因专业视角差异及认知程度的不同，对于智能矿山的技术架构理解差异较大。作者认为总体而言可以归纳为两个角度，一个是从地测采选等工艺的角度看智能矿山，一个是从信息化、智能化技术角度看智能矿山，但探究其本质实为一致。本文结合两种认知角度给出智能矿山的两种典型技术架构，见图2、图3，在实际开展智能矿山研究及建设时可融合参考。

图2给出了一种按照工艺环节设计的典型架构，通过融合物联网、大数据、无线通信、自动控制、智能调度、地理信息系统、管理信息系统及数据库等多方面技术，全面开展基础信息化设施、矿山资源数字化系统、安全管理信息化系统、矿山大数据与运营决策系统、固定设施自动化系统、无轨装备智能化系统、有轨装备智能化系统及智能选厂建设，实现矿山的高度智能化和高效协同化，大幅提升矿山经营管理水平，构建面向“矿山规划-地质建模-采掘计划-采矿设计-采矿作业(落矿-出矿-运输-提升)-选矿(破碎-球磨-浮选-浓密-脱水)-尾矿充填-尾矿排放”全流程的、以“矿石流”为主线的高度集成化、智能化、扁平化的矿山生产经营管理模式。

图1 智能矿山概念图Fig.1 Concept of intelligent mine

图2 智能矿山架构图(工艺环节)Fig.2 Intelligent mine architecture(production process)

图3给出了一种采用基于工业互联网平台的三层技术架构。通过对生产设备进行智能化改造和成套智能装备的应用，实现对生产信息的智能感知，及作业智能化功能的执行；利用广泛分布在厂矿车间的信息采集传输系统，实现泛在互联互通；通过采用微服务、容器技术等新的软件架构模式，升级开发数据服务与应用服务工业互联网平台，支撑企业运营管理和决策分析。

图3 智能矿山架构图(工业互联网架构)Fig.3 Intelligent mine architecture(Industrial Internet)

与此同时，充分发挥已建信息化系统作为数据来源的作用，推动公有云与私有云结合的企业云部署策略。

3 智能矿山建设内容及思路

3.1 智能矿山建设主要内容

基于本文给出的技术架构，结合矿山的特点及当前技术发展的阶段，梳理出智能矿山建设的八个重点方向的内容，包括基础信息化设施与系统、矿山资源数字化、安全管理信息化、采矿固定设施自动化、采矿装备智能化系统、智能选厂、生产智能管理系统、智能矿山大数据与运营决策系统。

1)基础信息化设施与系统建设，主要包括矿山数据通信网络、网络安全系统、多媒体调度通信系统、数据一致表达与编码准则、数据仓库、ERP等基础管理信息化系统等建设内容。

2)矿山资源数字化建设，重点开展矿产资源的三维数字化建模、分析及其他应用，主要包括地质资源管理系统、矿山测量管理系统、采矿智能设计系统等建设内容。

3)安全管理信息化建设，主要开展矿山人员管理系统、矿山装备碰撞预警系统建设、矿山安全监测及避险系统等建设。

4)采矿固定设施自动化建设，涵盖提升、排水、供电、压风、通风、充填等自动化系统。

5)采矿装备智能化系统建设，围绕矿山生产装备的智能化控制及辅助系统，主要包括：采矿装备状态感知系统、井下高精度定位与导航系统、无轨装备远程控制系统、地下开采生产实时调度系统、斜坡道信号控制系统、固定作业装备远程控制系统、溜井料位监测系统、有轨装备远程控制系统、露天采矿卡车调度系统。

6)智能选厂建设，主要包括选矿智能在线检测与边缘计算分析系统、选矿数据采集系统、选厂智能操作系统、虚拟选厂及选矿全流程优化决策系统等建设内容。

7)生产智能管理系统建设，主要包括实验室化验分析管理系统、称重计量无人化管理与智慧物流系统、能耗管理智能化及设备智能维护系统等建设内容。

8)智能矿山大数据与运营决策系统建设，主要包括智能矿山综合集成与管控一体化系统、矿山大数据分析与处理中心、智能矿山决策支持系统等建设内容。

3.2 智能矿山建设总体思路

智能矿山的建设思路总体上坚持“总体规划，分步实施”的建设路径，依据企业实际业务特点和支撑配套条件，循序渐进地推进企业智能矿山建设进程。

1)首先编制总体规划，根据矿山实际需求紧迫程度、基础条件和资金承受能力等因素制定实施方案，明确任务目标、预期成果及详细的实施计划，分步开展建设。

2)实施建设时，应先开展矿山资源数字化、基础信息化设施及安全管理信息化系统的建设工作。实现资源数据数字化，应用三维矿业软件完成采矿设计与采掘计划；构建矿山信息传输、处理、存储平台和集中管控体系，并建成“人、机、环”全体系监测监控系统；同步开展矿山采矿固定设施自动化和选矿自动化系统建设。

3)在基础信息化、自动化系统建设基础上，进一步开展采矿无轨装备智能作业系统、有轨运输无人驾驶系统、智能选厂、矿山大数据分析与决策平台等建设，实现矿山全作业流程智能化及部分作业环节无人化。

4 智能矿山建设的保障措施

企业进行智能矿山建设所需要的保障措施如图4所示。

图4 智能矿山建设的保障措施Fig.4 Guarantee measures of intelligent mine construction

1)资金投入

企业应依据自身经营情况及实际建设需求确定智能矿山投资目标，制定详尽的投资计划及配套管理制度。

2)组织规划

企业要在深入需求分析的基础上，了解各工艺环节建设运营的需求，进行统筹规划和顶层设计，建立合理的组织架构，组建专项管理团队，明确责任分工，形成进度协调机制，全面保障、管理智能矿山建设的整体实施。

3)人才队伍

企业应加强智能矿山相关人才队伍建设，加大复合型人才培养力度，引进外部优秀人才，组建技术过硬的人才队伍。形成内外结合人才储备机制，依托外部开展技术难题攻关，依靠内部完成建设运营。

4)维护运营

企业应依据自身管理模式及生产需要编制智能矿山系统运营维护准则，规范维护管理流程。同时探索自身维护、外部专业化维护及混合运营维护等多种运营维护模式。

5)信息资源

企业应结合自身信息化系统建设特点开展网络信息资源管理标准化工作，构筑标准化管理体系。

6)信息安全

矿山企业应重视信息安全防护体系建设工作，制定计算机和网络安全系统、信息资源安全和灾备系统建设规划，编制互联网及局域网使用管理办法等安全管理准则和安全防范机制。

7)过渡方法

企业应因企制宜，根据企业智能制造基础的强弱程度，分类推进企业的智能升级。围绕企业业务需求，在满足经济性的基础上，按照数据采集自动化、业务流程规范化、信息系统集成化、运营状态可视化、管理决策智能化进行推进。

5 结 论

智能矿山是矿业发展的新的历史阶段。本文通过概述智能矿山的发展现状，总结了智能矿山的内涵，结合矿山特点及当前技术的发展阶段，提出了基于工艺环节和工业互联网平台的两种典型智能矿山技术架构，梳理出智能矿山建设的八个重点方向的内容，并给出智能矿山建设的总体思路与保障措施，为建设集资源的数字化管理、面向“矿石流”的智能生产管控、全流程的少人无人化生产、集成化的本质安全管理、基于工业大数据的智能决策于一体的智能矿山提供了理论基础。