基于知识图谱的智能露天矿山研究进展及趋势

2022-06-30赵红泽郭卫洪陆俊宇

露天采矿技术 2022年3期

赵红泽，郭卫洪，陆俊宇，郑雯

（中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

智能化，是指通过利用已有技术，比如网络、大数据、人工智能等技术，使作用对象具有灵敏感知、正确判断、自我学习、有效执行等功能的过程，是人类文明及社会发展的必然趋势。随着信息技术的发展，越来越多行业进入了智能化时代，煤炭行业也不例外。近年来，煤炭行业提出“智能提效、无人则安”的安全生产理念，依靠“机械化换人、自动化减人、信息化管人、智能化无人”等科技手段[1]，使得智能化矿山逐渐进入各学者的视野中。

相较于井工煤矿，露天矿山开采因其工艺设备多、各环节作业场所关联度高，场景开放[2]，一直是智能化研究的重要领域之一。赵红泽等[3]构建了露天矿设备及工艺智慧化系统；王忠鑫等[4]提出基于BIM的智慧露天矿协同工作平台架构与关键技术；Ahangaran D K 等[5]实现了露天矿不同运力卡车的实时调度建模；Ercelebi S G 等[6]对卡车分配铲车数量进行优化；Shahbazi M 等[7]开发基于精确三维环境建模的无人机摄影测量系统；Winkelmaier G 等[8]利用无人机图像来识别露天矿张力裂缝地形；曲业明等[9]通过对智能视频识别流程及关键技术研究，构建露天矿山智能视频识别系统；顾清华等[10－11]通过对算法改进与优化，实现露天矿边坡裂隙智能检测、道路智能识别；程玮[12]开发了露天矿电铲高程智能引导系统；Battulwar R 等[13]针对无人机飞行路径进行规划和优化，生成露天矿边坡高分辨率三维模型。

由于露天矿山国内数量少、推广市场有限、投资规模偏小等原因，智能化建设进程相较于井工矿山有所滞后，在建设领域及关键技术也有所区别。为清楚了解智能露天矿山发展趋势，需全面梳理国内外智能露天矿的发展历程、研究前沿、热点领域和关键技术，为我国露天矿山智能化建设提供引导。

1 智能露天矿山发展历程

在矿山智能化发展战略上，国外矿山以设备制造商、大型矿业公司为主体进行推进；我国智能矿山则是从国家战略与发展规划上进行宏观布局[14]。

1.1 国外发展历程

智能化是全球露天矿山的发展趋势，国外依靠巨头设备公司推动露天矿的智能化发展。目前，多数矿业巨头公司都致力于无人驾驶车辆的研究和应用。自动化运输系统（Autonomous Haulage System，简称AHS）是采矿行业最先进的自动驾驶汽车系统[15]。小松的无人驾驶卡车于2005 年开始使用，主要通过AHS，利用控制装置、GPS 卫星、无线通信等技术以达到无人驾驶的目的，可实现人工操作设备与无人驾驶卡车无缝交互；目前，已在澳大利亚和智利运行多年，累计运输矿岩量超过40 亿t。卡特彼勒公司对于无人驾驶的研究始于20 世纪80 年代，1994 年在美国投入使用2 台无人驾驶矿卡，2013 年与FMG签订全自动793F 矿用卡车协议；其研发的CatMineStarTM（矿山之星TM）系统[16]，得到海外客户的高度评价；目前卡特彼勒的无人矿卡在澳大利亚、北美、南美等地方广泛使用。BELAZ 与VIST 集团合作，在俄罗斯露天矿进行自动驾驶矿卡试验，已完成超5 000 km 的运输测试，但目前还没有进行大规模部署。日立、利勃海尔和别拉斯的无人驾驶技术测试也紧随其后[17]。

国外著名的矿业公司，如力拓集团、FMG 集团、必和必拓集团等，都在实施矿山智能化建设，在无人驾驶、三维矿业软件、装备智能化等方面达到了较高的发展水平。

1.2 国内发展历程

受国外露天矿山智能化发展影响，我国不断出台智能矿山相关政策，以推进矿山智能化建设，缩小与发达矿业国家之间的差距。2015 年以来，国家高度重视工业智能化转型，出台“中国制造2025”[18]、《煤炭工业发展“十三五”规划》[19]、“新一代人工智能发展规划”[20]、《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》[21]等一系列政策，推动了露天矿山深化改革，促进我国露天矿山智能化建设发展进程。

山西、内蒙、河南、贵州等产煤大省积极响应国家号召，也纷纷制定政策，明确本省智能矿山发展方案，如《河南省煤矿智能化建设实施方案》[22]、《贵州省煤矿智能化发展实施方案（2020－2025 年）》、《2022 年度全省深入推进煤矿智能化建设工作方案》[23]等。

在这种背景下，国内各大型矿业集团也逐渐重视露天矿山智能化建设，纷纷联合科研院所、设备制造商以及高校等，开始了智能装备、系统、技术的研制与改造。在地质测绘方面，已熟练运用激光扫描仪、无人机倾斜摄影等，提高了测绘计量的智能化水平，实现全面采集与数据智能[24]。

在经营管理方面，已出现由OA 系统、班组经济核算系统、法务系统、SAP 系统、机电设备全生命周期管理、一体化联动大数据分析系统等多系统构成的信息化系统群。尽管已经实现了数据集成，但仍存在多系统联动不足的问题。

在生产管理方面，目前多数矿井已建成智能爆破设计系统、卡车智能调度系统、炸药混装车智能装药系统、露天矿三维点云一体化综合管理平台、边坡远程智能监测系统、露天矿用自卸车无人驾驶系统、智能选煤厂、固定岗位无人值守等；并且，在车辆预警系统、速度监控系统、车辆防碰撞系统、防疲劳报警系统、炮孔智能测量机器人、边坡雷达监测系统、GNSS 边坡监测系统等相对独立的系统，已实现成熟运用，但整体系统并未达到真正意义上的智能化[25]。

各大设备制造商作为露天矿山装备智能化的主力军，做出了巨大贡献。踏歌智行是国内最早开始露天矿无人驾驶技术研究的企业，其推出的“车－地－云”的智慧矿山整体系统已在多家矿山成功运用；慧拓的“愚公YUGONG”无人矿山整体解决方案包括云端智能调度与管理系统、车路协同感知系统、矿车无人驾驶系统等6 大系统，可实现矿山全流程无人化作业[26]；伯镭科技于2018 年首次进入露天矿无人驾驶领域，3 年时间建立了国内最大规模的单体矿山无人矿车车队项目，该企业在云端铲运、远程遥控驾驶、无人机建模等方面也有较深的研究；易控智驾的四位一体矿用无人驾驶运输运营体系已在国家能源集团、特变电工等大型露天矿区投入运行；三一集团主攻露天矿无人驾驶机械设备、云智能调度平台等，其无人驾驶宽体车可实现环境感知、循迹行驶、远程调度、采运排连续作业等功能。

此外，高新企业也意识到矿业市场的重要性，积极将其在其他行业内取得的成果运用到智能露天矿建设中，为露天矿山智能建设注入新鲜血液，加速了露天矿山数字化转型脚步。例如，华为利用智能云控、高性能网络等，实现露天矿卡多车集群管理、无人化运输作业；推出矿鸿操作系统，实现不同设备间的互通互联，为智能露天矿山建设奠定基础[27]。百度Apollo 打造的自动驾驶矿用卡车，已达人工作业水准，成功向露天矿山无人化建设迈出一大步[28]。

2 智能露天矿山研究前沿

2.1 研究方法和数据来源

借助CiteSpace 软件对智能露天矿山文献进行主题、前沿内容的分析。

为全面分析与研究智能露天矿山的发展，选择中国知网（CNKI）数据库和Web of Science（WOS）核心合集作为本文数据来源。CNKI 中文总库选择学术期刊、学位论文以及学术辑刊文献作为数据源，以“AB＝‘露天矿’AND SU＝（‘智能’＋‘智慧’＋‘自动化’＋‘无人’＋‘数字化’＋‘远程’＋‘管控一体化’＋‘GPS’＋‘卡车调度’＋‘机器人’）”为检索内容，检索得到370 篇文献，经剔除重复及无关文献后，最终得到364 篇样本数据。WOS 核心合集以“TS ＝（intelligent OR unmanned OR automation OR truck dispatching OR robot）AND TS ＝（open pit mine OR surface）”为主题词，检索得到446 篇文献，经剔除无关文献后，最终得到173 篇样本数据。

2.2 研究主题分析

为了解智能露天矿山领域的研究热点与核心，利用CiteSpace 对该研究领域相关论文进行关键词共现分析，CNKI 文献关键词共现分布图谱如图1，WOS 文献关键词共现分布图如图2。智能露天矿山研究高频关键词统计排名（前10 名）见表1。

表1 智能露天矿山研究高频关键词统计（前10 名）

图1 CNKI 文献关键词共现分布图谱

图2 WOS 文献关键词共现分布图谱

中英文排名前10 的关键词中，均出现了“露天矿（open－pit mine）”、“无人机（uav）”，可看出中英文露天矿山智能化研究主题中都有无人机。CNKI 中“卡车调度”、“三维模型”、“岩性识别”“智能钻机”的词频均超过30，说明中文智能露天矿研究热点内容还有设备、边坡监测与采矿软件；而WOS 排名前10 高频关键词中比较偏向系统（system）、遥感（remote sensing）、模型（model）、算法（machine learning）等技术方面研究。

2.3 研究前沿分析

中文文献智能露天矿领域关键词突现图谱如图3，英文文献智能露天矿领域关键词突现图谱如图4。

图3 中文文献智能露天矿领域关键词突现图谱

图4 英文文献智能露天矿领域关键词突现图谱

从突现强度率来看，中文关键词中“无人驾驶”、“边坡裂隙”、“裂隙检测”、“gp”的突现强度位居前列，这说明在智能露天矿山的研究中，边坡监测、定位导航技术、卡车智能化是该领域的前沿主题。而英文关键词中突现强度排名前三的是“remote sensing”、“prediction”、“impact”，其中“remote sensing”这一关键词突现率高达3.97，表明遥感技术在国际智能露天矿山研究中是极为重要的，“prediction”突现时间持续至今，说明英文中持续进行预测方面的研究。

从突现时间看，中文关键词中“边坡裂隙”、“调度模型”、“电动卡车”等都是较早出现的突现词，而英文关键词中较早出现的是“iron”、“decisionsupportsy－stem”、“management”等。这表明，一开始中文智能露天矿山研究主要聚焦在边坡、卡车中，此外，还对智能钻机进行了研究。在早期智能露天矿山英文文献研究中，主要是对系统、煤矿开采、经营等方面的智能化进行研究。

3 智能露天矿山建设热点领域及关键技术

3.1 热点领域

1）无人驾驶系统。在智能露天矿山发展过程中，无人驾驶系统是加快矿山现代化进程，促进露天矿山无人化、安全化、智能化、高质量发展的必要手段[29]。目前，全球技术较领先的矿用车供应商、大型采矿企业、科研院所以及智能驾驶公司都在进行车辆无人驾驶系统的研究。无人驾驶系统可代替驾驶员，降低人工成本，能有效提高运输安全性，减少轮胎油耗成本，实现车队智能化管理[29]。其需要非结构化道路无人驾驶感知融合技术、规模化运营智能调度技术、智能协同控制技术等支持[30]。

2）智能卡车调度系统。露天矿智能卡车调度是一个复杂的系统，它是多学科、多领域、多技术相融合的工程。目前，卡车调度系统的主要功能包括车辆实时定位、车辆防碰撞、生产调度、智能配矿、自动计量及报表、高精度挖机控制、断电报警、异常作业实时报警等[31]。运输调度作为智能露天矿山关键部分之一，只有增大其智能调度优化力度，才能推动全矿整体协调、联动发展。

3）无人机。在露天开采的穿孔、爆破、采装、运输、排弃等生产环节中，均离不开无人机。无人机技术可与露天矿的生产计划、地质模型、综合管理等模块密切关联，并发挥重要作用。目前国内外正在推动智能露天矿山建设，在露天矿设备运行的安全巡检、矿山工程测绘、边坡工程动态监测及控制、生产调度管理、生态修复与复垦等方面，无人机技术都会成为减人提效、安全可持续发展的重要手段。

4）边坡智能监测技术。边坡监测是保障露天矿山安全生产的核心内容之一。露天矿山地表形态日益复杂、岩性多变、易受天气影响，所以迫切需要多技术联合的边坡智能监测技术。其需要GNSS、DlnSAR、光学卫星高分影像监测技术、TLS、地基红外热像监测技术、测量机器人、多终端显示等关键技术的支撑[32]。边坡智能监测技术可达到多传感器间协同工作、多源数据智能分析，实现实时、高精度监测和风险预警预报，满足露天矿山智能化建设需求。

3.2 亟需突破关键技术

1）空天地一体化定位技术。空天地是一种集卫星系统、空中网络和地面通信一体的新兴体系结构[33]。空天地一体化定位技术以GPS 为基础，利用卫星、无人机、地面站以及地面通信系统等设备与技术，实现从深空到地面统一协同监测管理，具有“精准、融合、统一、智能”等特征。空天地一体化定位技术可实现露天矿山整个生产流程中的设备、人员精准定位与通信交互，推动露天矿山向着安全化、协同化、智能化建设。

2）高可靠性通讯技术。通讯技术是整个露天矿山能否正常运行的重要保障，其数据传输速率、灵活性、可靠性、安全性等将直接影响各设备、系统、人员等能否及时精准执行各项操作。随着露天矿山智能化建设，对于通讯技术的高传输速率、大带宽、低延迟、高可靠性等方面提出更高要求。5G 等高可靠性通讯技术可满足信息互通传输快、高清视频回传、生产设备远程操作、无人驾驶等方面的业务需求，为智能露天矿山建设提供基础的网络保障。

3）全场景大数据分析及智能调度技术。随着智能露天矿山建设的广泛开展，调度关联系统与日剧增，且关联性逐渐增强，加之数据也愈来愈多，这使得数据的存储、管理及分析等工作量日益增加。为满足露天矿山智能调度的需求，需要将露天矿各生产环节及系统等全场景大数据与智能调度业务深度结合，提升在设备监测、数据采集、调度决策、数据分析等多方面的智能化水平，实现各环节的生产效率与相互间的协调性，达到设备数据动态分析、精准生产与智能调度。

4）实时更新三维地图及数字孪生技术。三维地图的实时更新对于整个露天矿山作业、提供关键地理信息具有重要意义[34]。而数字孪生被认为是企业数字化转型快速有效的通用技术[35]。结合实时更新的三维地图及数字孪生技术，能实时动态展示露天矿山地表、采矿设备和作业环境，实现矿山测绘、卡车调度、运输道路、边坡及环境监测等数据集成管理、实时分析、智能管控，为创造透明、安全、高效的智能露天矿山保驾护航。

4 智能露天矿山发展趋势

伴随着人工智能、大数据、5G 等新一代技术的发展，智能化是露天矿山发展的必然趋势，也将对矿山生产运作及管理方式带来翻天覆地的变化。就目前露天矿山的发展形势来看，在进行智能露天矿山建设时需要重视以下几方面的发展：

1）加快数字化转型。某些企业只是在生产全流程的某个节点上采用先进技术，而非全业务流程的数字化，形成了信息孤岛，这是不利于智能露天矿山建设的，需运用人工智能、大数据、机器学习等一系列技术，加快推进数字化转型，构建全感知、全场景、全联接、全智能的数字世界，以数字化转型为推动力，推进智能露天矿山建设。

2）智能化露天矿山顶层架构和标准的细化研究。当前对于智能露天矿山体系架构研究较少，且处于起步阶段，虽可参照较为成熟的井工煤矿智能化建设，但因露天矿山开采场景的特殊性，需针对露天矿的顶层架构和相关标准做好提前设计与规范，包括智能化层次模型、底层操作系统、通讯标准、数据融合标准、工艺设备作业标准、安全标准等等。

3）无人驾驶的研发和重点应用。卡车是露天矿山开采过程中不可缺少的设备之一，其无人驾驶技术发展较快，已经开展长时间的实验与测试工作，部分投入实际应用。由于露天矿山的环境特征不明显、粉尘过多，应增加基础设施以辅助驾驶，采用车路协同模式，加大卡车系统零件及技术方案的研究力度，进一步降低系统难度，保障安全。

4）加强产学研用的合作。目前，国内外智能露天矿的研究主要聚焦于无人机、钻机等，在智能化装备及系统中投入大量研发工作。设备智能化在一定程度上代表了矿山建设的智能化，有条件的企业将会加大与高校、研究院合作，不断探索、完善、突破现有研究，从而实现露天矿山的智能化建设。

5）注重企业运营管理模式的转变。目前，智能露天矿山对于“5G＋工业互联网”的运用尚处于探索阶段，逐渐向“端－边－云”建设模式转变，实现了多平台与领域的融合。深入应用后，将全面改变露天矿山传统的运作模式，实现运营体系以及业务管控的实时、精准、高效。

6）绿色低碳综合效益与技术融合发展。21 世纪是以环境保护为前提的工业发展新时期，国内外智能露天矿山对于绿色、环保方面结合研究少之又少，为落实国家提出的2060 双碳目标，在保证智能露天矿山能在高经济效益条件下运转的同时，更应重视低碳环保技术的研究和成果运用，最终实现露天矿山安全、高效、智能、绿色开采。