酒钢西沟矿智能矿山建设规划的编制

2020-08-03许守信王军宏

矿山机械 2020年7期

许守信，吕化，任毅，王军宏，乔敏

1酒钢集团甘肃西沟矿业有限公司甘肃嘉峪关 735100

2辽宁聚进科技有限公司辽宁沈阳 110000

西沟矿是酒钢唯一的石灰石矿，矿区平均海拔2 800 m，占地面积 25 km2，是一座现代化大型山坡露天矿山。西沟矿一直注重数字化、信息化矿山的建设，目前已经建成带式输送机和破碎无人值守系统、电动机车无人驾驶系统、自动计量系统、自动取制样系统、汽运磅房无人值守系统、SKF 设备在线监控系统等。西沟矿虽然在数控化建设方面取得了较好的成绩，但仍存在各系统数据不能互联互通、采矿工艺生产流程数控化率低等问题。建设绿色智能矿山，是矿山可持续发展的基石，是化解高危行业风险的根本途径，是提高生产效率和解决未来劳动力危机的重要手段。为了紧跟或赶超国内智能矿山建设的步伐，达到绿色矿山建设规范要求[1]，西沟矿提出了将绿色智能矿山建设作为今后一段时期的重点工作任务。

智能矿山是集信息化、自动化、数字化等为一体的矿山运营新模式[2]，是一套复杂的系统性工程，不仅仅是单纯的信息化或数字化建设，更伴随着组织机构、管理模式的全方位变革。因此，在没有成熟经验可借鉴的情况下，编制西沟矿智能矿山建设规划，并按照统一规划实施智能矿山建设任务，显得十分重要。

1 规划编制原则

为了使编制的智能矿山建设规划具有合规性、时效性、先进性和实用性，在广泛征求酒钢相关技术专家意见的基础上，明确了规划编制过程必须遵守的原则。

(1)按照合理投资、追求回报、分期实施的原则编制智能矿山建设规划。

(2)依据国内外智能矿山建设现状和前瞻性先进技术，结合西沟矿实际情况，高起点、高标准进行智能矿山建设的顶层设计，指导智能矿山建设有序进行。

(3)智能矿山建设规划文本内容要全面、结构要完整、重点要突出。规划不但要包含国内外智能矿山发展现状综述、项目建设背景、编制依据、生产和管理现状分析、系统设计、组织机构与人力资源配置、投资估算、技术经济评价等内容，而且要制订详细的安全、环保、消防、职业卫生防控措施，使之符合现行国家、行业规范和强制性标准。

(4)矿山智能管控系统应与酒钢现有 ERP 系统、安全环保管理系统、视频会议系统、物资计量系统、理化检验系统、电量采集系统等信息系统对接兼容，并可以在原有的系统基础上进行功能扩充和升级，不能重复建设。

(5)为了保证数据的互联互通，智能矿山采矿三维模型和数据应在酒钢三维电子地理门户上展示，并定期更新。

(6)智能管控平台要将矿山已建成的破碎和带式输送机远程集控系统、电机车无人驾驶系统、设备在线监测系统、远程放矿系统、自动过磅系统等集中接入，消除信息孤岛，实现数据的互联互通。

(7)智能矿山建设所需硬件设备要在满足基本需求的前提下进行数量最小化采购，避免资源浪费。所有服务器、无线路由器、交换机等网络设备要选用正规厂家的产品和正版系统软件，应符合酒钢集团公司准入目录要求。

2 建设目标

“西沟矿智能矿山建设项目”拟将先进的信息技术与矿山工程、管理理念、管理方式和管理手段紧密结合起来，建设高效、绿色、智慧的矿山新生产管理体系，实现矿山管理模式和方法上的突破和创新，提高生产效率[3]，创造更大的经济效益和社会效益。

(1)组织管理建设生产指挥中心，优化管理层级，完善生产过程数据采集、生产过程控制、工业网络、生产指挥决策等软硬件系统，实现从生产指挥中心到岗位的垂直管理，精简岗位，缩短管理流程，提高管理效率，提升劳动生产率。

(2)智能生产分阶段实施，逐步实现智能化、无人化的生产作业。在第一阶段，围绕西沟矿矿石生产全流程，解决各个生产环节的矿石质量跟踪和配矿问题，并实现生产指挥的智能化、自动化，实现钻、铲、车的智能调度；第二至第四阶段，对牙轮钻机打孔、挖掘机铲装和矿用汽车运输等作业内容研制智能化操作算法，实现智能化远程操作和无人驾驶。

(3)智能管理分阶段实施，第一阶段实现设备点检、维修、备品备件管理、安全巡检标准化管理、安全教育管理以及能源管理，提高后勤保障水平，保证生产安全，降低能源消耗；第二至第四阶段，实现作业人员管理和智能化办公，并能够精准核算设备、能源、人力资源成本，精准计算产品单耗，能根据市场价格趋势，反向优化生产策略，实现财务成本可逆关联，实现全局效益最大化。

3 总体架构

为了实现智能矿山建设目标，拟定了西沟矿智能矿山建设总体架构[4-6]。西沟矿智能矿山建设总体架构如图 1 所示，主要围绕 4 个平台或作业系统进行，即：公共管控平台、采矿智慧生产平台、采矿智能管理平台以及钻机、挖掘机、矿用汽车智能化作业系统(远期)。各平台 (系统)之间的大数据统一采集，统一存储，互联互通。

3.1 公共管控平台

公共管控平台是实现信息化集成、数字化显示和设备远程智能控制的基础性平台。主要建设内容包括：生产指挥中心建设，包含场地装修、供配电设计、安全防护措施、数据中心服务器和网络设施建设，指挥调度室和远程操控室大屏幕、调度台、工作站等设施建设、视频会议系统、语音对讲调度系统、网络系统、视频监控系统和自动化系统集控。

图1 智能矿山建设总体架构Fig.1 Overall structure of intelligent mine construction

3.2 智慧生产平台

智慧生产平台主要针对矿山生产工艺各个环节，建设子系统，实现生产全流程的智能管理和指挥。主要建设内容包括：综合调度指挥管理系统、采矿技术综合管理系统、钻机生产智能指挥系统、铲装品位智能跟踪系统、采运生产智能指挥系统、溜井生产智能指挥系统、成品输出计量管控系统和采矿成本智能优化系统。

3.3 智能管理平台

通过智能管理平台建设，实现生产运行数据、设备管理信息、安全检测信息的实时显示。主要建设内容包括：能源计量管控系统、智能化设备管控系统、安全标准化管理系统、排土场安全监控与预警系统、作业人员管理系统和智能化办公系统。

3.4 钻机、挖掘机、矿用汽车智能化作业系统

采场主体设备的智能化作业系统建设是智能化矿山建设内容中实现难度最大的环节，需要采取循序渐进的建设方案。拟定实施步骤为：对钻机、挖掘机、矿用汽车智能化作业提出实施方案并进行充分论证；对钻机打孔、挖掘机铲装和矿用汽车运输等作业内容研制智能化操作算法；引入日趋成熟的人工智能技术，结合大量模拟试验，初步实现采场生产作业的智能化。

4 分期建设

依据国内外智能矿山建设现状、发展趋势及技术成熟度，结合西沟矿实际情况，在智能矿山建设总体架构下，分为 4 期建设，逐步实现智能化矿山建设目标。

4.1 一期建设

借鉴国内现有的数字化、智能化矿山建设领域的成熟技术和经验，建设包含数据中心、指挥调度室、远程操控室、视频监控系统和三维可视化显示系统等内容的公共管控平台，同时进行采矿智慧生产平台下相关管理系统的软件开发，全面实现数字化矿山建设目标，达到绿色矿山建设评价体系数控化率不低于70% 的要求[7-8]。

(1)生产指挥中心基础设施和硬件设施主要包括电教楼楼体加固、场地装修、供配电设计、数据中心、大屏幕系统、操作控制台、工作站、音响系统、视频会议系统、语音对讲调度系统、网络系统、视频监控系统和自动化系统集控。

(2)综合调度指挥管理系统主要包括组织机构数字化模块、生产信息集成模块、采矿三维数字管控模块和移动管理终端。

(3)采矿技术综合管理系统主要包括矿岩三维地质建模模块、地质取样化检及地质模型自动更新、生产计划辅助设计、爆破辅助设计和智能验收模块[9]。

(4)钻机生产智能指挥系统具备自动分配钻孔作业功能；具备孔深孔位等生产作业信息、设备重要运行参数采集功能，自动分析设备运行状态，故障、异常时自动报警；钻机司机能通过智能管控终端接受调度指令，上传故障信息和异常信息；生产报表自动生成，能对机台、班组产量、故障率和作业率等信息进行统计，为绩效核算提供数据支持。

(5)铲装品位智能跟踪系统具备铲装区域监督、管理功能；具备铲斗矿石品位跟踪功能，为质量配矿提供依据；自动记录挖掘机工作区域轨迹。

(6)采运生产智能指挥系统在配矿及产量、运量最大化的基础上，实现挖掘机、矿用汽车智能调度；采场车辆具备防碰撞智能预警功能；具备油耗自动检测核算功能，自动核算单耗和周转量；具备车辆信息显示、采集及故障诊断、超限自动报警功能；具备采场道路信息自动更新功能；具备车辆导航功能，指导司机按照最近的路线行驶；自动统计司机违规操作信息和机台产量信息。

(7)溜井生产智能指挥系统主要包括智能放矿管控模块、完善无人驾驶功能和溜井料位监测模块。

(8)能源计量管控系统对钻机、挖掘机、电动机车、带式输送机、除尘和办公系统电量实时采集；采集各个用水区域的日用水量消耗明细，自动生成统计报表与分析图表；具备生产汽车、工程车辆、通勤车油耗检测和统计分析功能，油耗异常智能报警，自动生成统计报表和分析图表。

(9)安全标准化管理系统自动生成巡检计划；巡检人员通过智能管控终端上传隐患的图像、语音和文字描述；隐患整改流程化；借助智能管控终端很方便地进行上岗前安全教育和安全考试；具备安全管理信息综合查询分析功能。

4.2 二期建设

主要对一期新开发的采矿技术综合管理系统、安全标准化管理系统以及排土场安全监控与预警系统进行升级，同时进行采矿智慧生产平台下成品输出计量管控系统和智能化设备管控系统的软件开发，全面实现生产工艺流程的智能化管控。

(1)采矿技术综合管理系统 (智能设计部分)主要包括生产月计划智能生成、智能爆破设计及爆破优化。

(2)化验室自动取样化验分析系统实现功能：取样、制样、化验、数据上传全自动运行。

(3)成品输出计量管控系统将磅房无人值守系统数据统一采集到数据中心，并建设一套火车智能计量管控系统，实现数据的互联互通，对产品输出进行实时统计，生产报表自动生成。

(4)智能化设备管控系统主要包括：斯凯孚在线监测系统集成；设备点检、维修和库房管理系统的扩充；润滑、固定资产、折旧、采购智能分析、智能申请、维护和档案管理系统的扩建。

(5)安全标准化管理系统改进主要对法规制度和应急救援进行持续改进。

(6)排土场安全监控与预警系统升级在排土场周围设立多部智能摄像头及高音喇叭，实现排土场24 h 实时监控和危险报警。当有外来人员、车辆或动物等进入排土场，系统能够自动报警。

(7)作业人员管理系统实现作业人员日常管理的信息化 (包括考勤、出差)。

(8)智能化办公系统扩展通过手机、平板电脑实现公文一键分发，实现移动端快速审批；通过移动终端实现会议申请、会议信息推送、会议纪要、公文和考勤系统的智能化管理。

4.3 三期建设

主要进行采矿智慧生产平台下部分功能模块的完善，在已建成钻机生产智能指挥系统的基础上，完成钻机远程遥控自主化智能作业系统的建设，实现除电铲和大车以外其他主体设备的远程智能操作。

(1)采矿成本智能优化系统通过对智能生产和智能管理系统采集上来的数据进行汇总，实现成本智能核算；计算出单位产品的成本后，能够根据市场价格的变动，反推每一道工序的成本控制指标和生产计划。

(2)作业人员管理系统完善合同、薪酬、人员需求、培训管理、人力资源成本核算和工作绩效考核等统一管理，实现绩效自动核算。

(3)智能化办公系统完善党务、技术、采购、差旅管理流程，实现计算机精细化智能管理。

(4)建设钻机远程遥控自动化智能作业系统第一步：钻机具备远程遥控行走、钻孔位置辅助定位、自主调平、单孔自主钻孔、卡钻自动调整、接杆换杆、水压水量控制、液压传动控制、风压操作控制、运行状态监测与故障诊断、智能集中润滑控制、视频监控采集、GPS 定位 (钻机模型建立)、障碍物识别和防碰撞等功能；第二步：实现有人操作、远程遥控和无人驾驶三级控制模式。

4.4 四期建设

在总结牙轮钻远程遥控智能作业系统建设经验的基础上，全力实施电铲远程操作和矿用汽车无人驾驶技术改造，打通全面建成智能矿山的“最后一公里”。

(1)建设电铲智能化作业系统第一阶段：电铲具备远程遥控行走、铲装位置辅助定位、水平信息采集调平、推压操作控制、提升操作控制、旋转操作控制、风压操作控制、液压传动控制、运行状态监测与故障诊断、视频监控采集、GPS 定位 (电铲模型建立)、障碍物识别和防碰撞等功能；第二阶段：实现有人操作、远程遥控和无人驾驶三级控制模式。

(2)建设矿用汽车智能化作业系统矿用汽车具备远程操作启停，根据路径规划及避障算法自动转向、换挡，根据指令远程控制液压翻斗举升下降，远程运行状态监测与故障诊断，智能集中润滑控制，视频监控采集、GPS 定位 (矿用汽车模型建立)及障碍物识别和防碰撞等功能。

4.5 分期建设工期

从技术现状、施工条件、资金状况及经济效益等多角度考虑，建设绝对工期分别为：一期 18 个月、二期 18 个月、三期 18 个月、四期 24 个月。

5 经济效益分析

智能矿山建设项目投资较大，直接经济效益产出情况是决策该项目是否可行、能否立项的重要依据之一。因此，掌握全面、科学合理的分析方法显得尤为重要。

(1)一期效益公共管控平台、智慧生产平台、采矿技术综合管理系统投运后，相关岗位减员带来的人工成本效益；实现科学配矿和稳定产品质量产生的综合经济效益；地质建模、钻机精准钻孔和电铲精准铲装使回采率提高所带来的经济效益；钻、铲、车、溜井和电动机车的实现智能调度，作业效率提高创造的效益；钻机、电铲、电动机车和带式运输系统的电耗精细管理所节省的电费；车辆油耗精细管理所节省的油耗费用。

(2)二期效益设备智能管理系统、安全综合管理系统、自动取样化验分析系统和成品装矿系统投入运行后，相关岗位减员带来的人工成本效益；智能化设备管控系统使设备故障率降低所减少的维修费用和备件采购成本。

(3)三期效益智能管理平台及钻机智能化作业系统投入运行后，相关岗位减员带来的人工成本效益；采矿成本智能优化系统投运后，采矿各个工序单位生产成本降低所创造的经济效益。

(4)四期期效益电铲、矿用汽车智能化作业系统建成，值班长、电铲司机、大车司机减员所节省的人力资源成本；人为因素造成的设备故障减少所节省的外委维修费用；电铲和矿用汽车智能化作业使生产效率大幅度提高所创造的经济效益。