智慧露天矿山规划发展路径

李 旭

（国家能源集团准格尔能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

智慧露天矿山就是在综合应用大数据、人工智能、传感器、空间信息、自动化控制等多种技术的基础上，以实现绿色、安全、高效、无人（或少人）采矿生产为目标的综合系统，不仅能够对露天矿采矿过程中产生的信息进行全面采集与分析，为采矿生产与运输、安全管理等各方面工作的高效无人作业提供支持，同时还能够依托深度学习知识库来对相关管理决策进行持续优化改进，在采矿生产效率提升、安全生产目标实现、生产成本控制、环境污染控制等方面都发挥着极为关键的作用。因此，对于智慧露天矿山规划建设与发展的研究也是十分必要的。

1 智慧露天矿山的建设规划

1.1 基础支撑平台建设

在露天矿生产管理内容异常复杂的情况下，要想建设智慧露天矿山，为多种先进技术的集成应用提供支持，首先就必须要将完善的基础支撑平台建设起来，依托各类基础设施为智慧露天矿山的各项功能作用发挥提供支撑。从目前来看，智慧露天矿山的基础支撑平台建设，主要可分为网络环境建设、软件基础设施建设与硬件基础设施3 部分。其中网络基础设施通常包括数据通信系统建设与网络安全管理2部分，能够为整个系统内部所有数据信息的高效传输、实时共享提供支持，同时防范系统遭到网络攻击、感染网络病毒等信息安全事故，为系统正常运行与内部数据信息的安全性提供保障[1]；硬件基础设施建设包括数据中心建设、管控指挥中心建设、通信感知设施建设、办公环境建设、高性能计算机配置等，能够为采矿生产过程中的各类数据信息采集、存储、传输、分析以及整个智慧露天矿山系统的统一管控提供硬件支持；软件基础设施建设包括专家知识库建设、大数据分析平台建设、智能终端系统建设等，主要是为大数据分析、采矿生产管理智能决策与优化及各业务单元应用的有效实现提供支持。

1.2 矿山模拟系统建设

从露天矿的全生命周期管理来看，由于露天矿山的开采周期普遍较长，考虑矿山的地质水文条件、矿产资源储量、潜在安全隐患等因素，因此要想有效建成智慧露天矿山，同样还需要以面向露天矿全生命周期的动态化管理为目标，开展矿山模拟系统建设，根据矿山开采生产的实际情况来构建数字化矿山模型，对露天矿穿孔、爆破、采掘、运输、排弃等生产环节进行三维时空演化，进而为工艺系统布局、生产规划、设备选用、安全管理等工作的有效展开提供重要参考[2]。

在矿山某一区域的矿石开采完毕后，为保证后续采矿生产的科学性、规范性，可以根据地质、测量、安全、生产等方面的数据信息来构建现阶段矿山模型，全面了解采矿生产的各方面信息，并通过对各方面因素的综合考虑，制定出针对性的后续采矿生产计划方案。得到生产计划方案后，则需要按照生产计划对后续采矿生产进行三维时空演化，通过模型来真实模拟后续采矿生产情况，以全面了解生产计划存在的不足，为生产计划方案的优化提供重要参考。在某一阶段的采矿生产计划执行完毕后，则可以根据采矿生产过程中采集到的数据信息来进行历史生产状况回溯，并通过与生产计划方案的对比分析找出生产计划执行中出现的问题，分析生产计划执行不到位的原因，为生产管理的持续优化提供帮助。

1.3 设备管理系统建设

智慧露天矿山具有无人化（少人化）的特点，如生产计划、采矿方案、车铲调度、安全管理等方面的很多工作都是由系统控制完成，而要想实现设备的自动化、智能化控制，则需要建立完善的设备管理系统，用于对钻机、混装炸药车、电铲、自卸卡车、排土机、破碎站、带式输送机等设备进行集中管控与远程智能控制[3]。一般来说，智慧露天矿山的设备管理系统都是依靠物联网、传感器设备与中央控制系统来实现。实际采矿生产通常会由中央控制系统按预定程序发出控制指令，控制各机械设备完成规范生产动作，同时借助传感器来获取设备运行、设备周边环境条件等方面的数据信息；待中央控制系统对多个设备采集的数据信息进行综合分析后，再依托知识库中储存的信息来迅速做出针对性控制决策，使机械设备的自动化控制能够灵活应对各种生产状况，并实现多个机械设备间的有效协同配合。

在采掘设备的作业控制中，系统就会借助矿用传感器来获取电铲当前位置、岩石块度、卡车位置、车斗内物料堆积形状等方面的数据信息，根据这些信息来完成采掘设备下一步操作，发送电铲移动幅度与方向、铲斗挖掘方式、铲斗移动悬停位置、铲斗悬停时间等控制指令，使采掘设备能够根据实际生产情况自动完成物料挖掘、装车等生产作业，并实现与装载卡车的有效协调配合。

在排土设备的作业控制中，系统则会借助传感器及卫星导航定位系统来采集铲刀状态、机械臂状态、周边区域地面情况、推土机实时位置等数据信息，根据这些数据来发出设备移动距离、移动速度、移动方向、铲刀动作方式、机械臂动作方式等相应控制指令，使排土设备能够根据现场情况完成绕开障碍物行驶、正常排土等生产作业活动。

1.4 生产管理系统建设

在智慧露天矿山建设中，由于采矿生产并非是单纯的煤炭或矿石开采，而是要综合考虑生产成本、总体产能、开采效率等多方面因素，因此为保证生产管理决策的科学性，同样还需以矿山模拟系统为基础，建立面向爆破、采装、运输、排弃等生产环节的生产管理系统，用于对局部生产作业细节进行推演分析，并以控制生产成本、提高开采效率等目标为导向，完成各生产环节的智能化设计决策。例如在穿孔爆破环节中，就需要根据岩层条件、矿石分布情况等数据信息，对最佳钻孔位置、钻孔深度、钻孔孔径、炸药用量等参数进行测算，得出最佳的穿孔爆破设计参数组合，以达到降低爆破对环境影响、减少单耗等目的。

1.5 综合管理系统建设

露天矿的生产经营工作十分复杂，除采矿生产方面的管理工作外，管理因素对采矿生产成本、效率、安全性等产生很大影响，而要想提升露天矿生产经营管理水平，为采矿生产成本控制、采矿生产效率提升、安全生产等目标的实现提供更大支持，则需要在智慧露天矿山的建设中将综合管理系统建立起来，用于对人员管理、财务管理、物资管理、安全生产管理等各项管理工作的智能化集中管控提供支持。例如在安全管理方面，综合管理系统就会依托终端传感器、监控设备对矿山各区域展开全面实时监控，以及时发现机械设备运行异常、工人危险操作、粉尘浓度过高、露天矿边坡不稳定等安全隐患，并迅速发出警报，通知有关安全管理人员前往查看，采取设备维修、暂停工人作业、粉尘清理、边坡支护加固等处理措施[4]。

2 智慧露天矿山建设发展的具体路径

1）明确智慧矿山层级。在智慧露天矿山的建设实践中，由于智慧露天矿山系统本身就具有着业务层次多、覆盖领域广的特点，很难在短时间内迅速实现从传统管理模式向智慧化管理的转变，相关基础设施的建设也需要较长时间，因此要想将智慧露天矿山建设起来，首先就必须要将智慧矿山的层级划分明确下来，按照循序渐进的策略逐层推进智慧矿山建设。一般来说，智慧露天矿山系统可分为智慧单元、智慧系统与智慧大系统3 个层级，智慧单元应面向露天矿山生产经营管理的各个领域，并对多个智慧单元进行集成管理与应用，以逐渐推进至智慧系统建设层次，甚至是将多个智慧系统整合为智慧大系统。在智慧单元层级的建设中，通常需要完成各类传感器、测量仪表、通信设备、监控设备的安装改造，同时对相应的终端软件进行应用，以构成最基本的数据自动流动闭环，将最小智慧单元构建起来[5]。在智慧系统层级的建设中，则需要依托物联网技术来构建联通多个智慧单元的通信网络，使其能够实现相互通讯、协同配合，形成相对完整的智慧系统，同时依托智慧系统来实现对各智慧单元的状态感知、信息交互与实时分析，进而达到生产资源自配置、生产管理自决策目的。在智慧大系统建设中，需要将统一的智能服务平台建立起来，与爆破、采掘、运输、设备管理等各个领域的子系统建立连接，同时通过数据共享与数据信息的综合分析，使各个智慧系统能够集成为智慧大系统，为露天矿全局生产经营管理信息感知、深度分析、科学决策、精确执行提供支持。

2）科学设定建设目标。为保证智慧露天矿山建设的持续、稳定推进，避免因智慧单元、智慧系统过多而使建设工作陷入混乱，矿山企业同样还需从基础支撑平台建设、设备管理系统建设、生产管理系统建设等多方面入手，制定出符合矿山实际情况的建设目标，使各项智慧露天矿山建设工作能够拥有明确方向与依据。例如在基础支撑平台的建设中，需要先从各个业务应用系统的数据通信需求出发，先设定网络环境建设目标，将全覆盖的4G 无线专网或5G 工业网络建立起来，为信息化办公及各系统间的数据传输共享提供支持。网络环境布设完善后，再设定软硬件基础设施建设目标，积极引入高性能计算机、服务器等应硬件设备，借此完成相关硬件基础设施及数据库、大数据分析平台、专家知识库等软件基础设施的建设[6]。在设备管理方面，则需要按照露天矿采矿生产工艺流程，设立面向穿孔、爆破、采装、运输、洗选加工等各个生产环节的设备智能化管理目标，并开展设备智能化更新或改造工作，使生产各环节逐渐实现设备远程智能控制。

3）重视先进技术应用。在智慧露天矿山集成云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等多种技术的情况下，对于各种先进技术的合理应用同样是十分重要的，要建立完善的智慧露天矿山系统，保证系统各项功能均能够满足矿山生产经营管理的实际需求，就必须要提高对先进技术应用的重视，根据设备管理、数据分析等各方面的建设需求，确定具体的技术应用思路。例如在智慧单元建设阶段，应注意利用单元通讯技术来实现不同智慧单元组件间的高效联通，并借此对不同单元组件所产生的实时数据信息进行统一管理与集中整合[7]。在基础支撑平台建设阶段，则需要利用大数据技术来建立大数据分析系统，用于对各智能终端采集到的数据进行分类整合与综合分析，以便于做出设备投入、安全管控、生产管理等各方面管理决策。

4）系统功能合理开发。在智慧露天矿山建设中，由于不同露天矿山企业的生产条件、经营管理情况存在明显差异，因此矿山企业还需根据实际情况来对智慧露天矿山系统的功能进行合理设计开发，确保系统功能能够与矿山实际相符合。在露天矿山自动化、智能化装备及系统建设的基础上，生产设计所形成的施工计划直接推送至工程机械上，实现机械作业的智能引导、辅助操作、甚至无人操作等功能[8]，应该是智能露天矿山的首要考虑的基础功能设计。

3 结语

智慧露天矿山的建设虽然比较复杂，但矿山企业，只要能够从基础支撑平台建设、矿山模拟系统建设、设备管理系统建设、生产管理系统建设、综合管理系统建设等方面入手，对智慧露天矿山系统的建设进行合理规划，将相关建设思路明确下来，同时在分层建设、建设目标设定、先进技术应用、系统功能开发等方面采取合适的建设发展策略，就能逐步实现露天矿的智慧、绿色、安全与高效开采，不断提升矿山生产经营管理水平，实现企业高质量发展。