我国矿山智能化转型升级分析与探索

2024-04-01毛锐覃聪张阳

新型工业化 2024年3期

毛锐覃聪张阳

（1.息烽县工业和信息化局，贵州贵阳 550000；2.遵义铝业股份有限公司，贵州遵义 563000;3.黔东南州工业和信息化局，贵州黔东南 556000）

采矿业是现代经济基础，是工业生产的能源与原材料来源，矿山开采是农业之外人类经济生产活动中最古老的行业[1]。通过开采各类矿产资源，提供大量工业生产所需要的原材料和资源，是社会其他经济生产活动得以顺利开展的基础和前提。矿山智能化建设直接关系我国国民经济和社会智能化的进程，将人工智能、工业物联网、云计算等ICT技术与现代矿产资源开发利用深度融合，对提升我国矿山行业的安全生产水平、保障矿产资源稳定供应具有重要意义。

一、矿山行业智能化发展现状

（一）国外矿山智能化发展现状

国际上把矿山的智能化分为五个阶段，分别是原始阶段、机械化阶段、信息化阶段、数字化阶段和智能化阶段（表1）。

表1 国外矿山智能化发展阶段

（二）国内矿山智能化发展现状

1. 智能矿山建设各具特色

我国矿山智能化建设各具特色，如陕煤白水煤矿运用5G技术，模拟实地采矿场景，创新了矿产资源开采新模式，形成矿业发展新引擎。江铜德兴铜矿运用“互联网+”技术，在“采、装、运、支”等关键环节实现了智能化，减少了开采环节的作业工人，实现了无人化和少人化，大大提高了井下开采的安全性。山东能源集团引入华为Stack大模型，满足“数据不出企”的要求，初步实现了采矿行业从人工管理到智能化管理、从被动管理到主动管理的转变。

国际上，智能采矿已被广泛认为是矿山未来的发展方向，在采矿过程中运用智能化技术和设备可以极大地提高生产力、保障从业人员的安全、减少财产损失，因此智能矿山是矿山技术变革、生产方式创新的必然趋势。经过长久的发展和探索，发达国家在矿业领域的智能化建设已经日渐成熟，并广泛运用。我国近年来对矿山智能化技术的研究也愈发重视，以安全、绿色、高效、经济、安全为目标，引导矿山企业构建智能化系统，并在政策、技术、资金等方面给予大力支持。国内近年来对智能采矿的政策支持情况见表2。

表2 国内近年来对智能采矿的政策支持情况

2. 智能化发展战略持续推进

2023年2月，中共中央、国务院印发的《数字中国建设整体布局规划》（以下简称《规划》），提出要做强做优做大数字经济，培育壮大数字经济核心产业，研究制定推动数字产业高质量发展的措施，打造具有国际竞争力的数字产业集群[2]。在国家战略和政策的指引下，国家相关部委、矿山行业协会也颁布了一系列矿山数字化转型的相关政策及指导意见，为矿山数字化转型提供指引以及营造良好的政策环境，加快推动矿山企业数字化转型，给矿业发展注入新动能，为矿山企业转型升级、创新发展开拓新领域。

（三）降本增效效果明显

矿企对智能化建设的投入，一方面是出于政策安全监管方面的要求；另一方面则是出于矿山生产经营降本增效方面的需求。智能矿山系统对矿山生产提质增效的效果已经开始显现，对不合规、有风险的行动进行及时预警，减少安全事故发生概率，避免因停产整顿产生的巨额亏损。精细化管理整个生产流程，避免过往传统、粗放的流程导致的浪费，实现降本增效；智能决策系统与智能化设备有效降低了矿山作业场景对人力的需求，并实现流程规范化，降低劳动力雇佣成本与管理成本（图1）。

图1 煤矿智能化提升投资回报

（四）产学研深度融合

矿山智能化建设迫切需要既理解矿山业务又掌握信息技术的复合型人才；尽管中国正处于工程师红利期，但能够实现数字技术与矿山实际场景深度融合的高端技术人员仍相对稀缺。在采矿工程类本科生稳定招生1.2万人的背景下，2022年智能采矿专业招生数量较2021年增长4倍多，该趋势有助于矿山“产学研用”协同创新体系的打造。

二、智能矿山建设路径探索

智能矿山是把地质勘探监测、矿产资源储量摸底、采矿、选矿、冶炼、生态修复、环境保护等各要素结合起来，共同实现数字化、自动化、信息化和系统化管控，使矿山运行系统具有报警、分析、判断和处理的能力，实现智能化生产和管理。

（一）大力建设通信设施

稳定的5G通信网络是智能矿山运行必要的数据基础设施。5G专网是当下矿山场景中无线基础网络的最优选择，能够解决当下Wi-Fi、3G/4G、WIA-PA/FA工业无线网络等通信技术标准的多种问题，提供大带宽、高可靠、低时延、可移动的通信网络，赋能智能矿山应用[3]（表3）。

表3 矿山通信设施类型

（二）构建矿山数字孪生

数字孪生是矿山智能化转型的主要途径，也是矿山无人化运营的数字基础。数字孪生的原理是通过对矿山地质、地表、设备、人员的数字孪生化，让管理人员进入“人身安全环境”下的数字孪生矿山闭环中，逐步达到可视化、实时同步和互操作的运行水平，实现矿山经营少人化、无人化的最终目标（图2）。

图2 数字孪生架构

矿山数字孪生需要经历多个发展阶段，想要实现实时可操作的“完全体”，还有待矿山智能化进程的进一步发展（表4）。

表4 数字矿山发展阶段

（三）打造无人矿山

对于露天矿场开采而言，矿石与废料土方运输占据整个矿山生产成本的大头，部分露天矿山运输成本高达50%（运输基建成本占比更高），因此降低土方运输成本是智慧无人化矿山建设的重要切入点。从作业环节看，无人驾驶在露天矿山的落地，不仅实现了无人化安全作业与经营效益提升，也为后续的矿山智能化建设打好了地基，使基于人工智能与大数据技术的智慧决策系统具有可行性（图3）。

图3 矿山无人驾驶系统

由图4可知，无人驾驶在2012年实现了规模化应用，同时降本效应明显，达到了50%。

图4 矿山无人驾驶系统降本增效

（四）形成智能矿山

从生产作业工序出发，通过数字孪生与AI技术推动矿山作业的智能化与无人化。通过对地质测量、矿产资源储量、采矿、选矿、资源节约与综合利用、生态环境保护等各要素实现智能化、自动化、信息化和协同化管控，建设具备感知、分析、推理、判断、决策能力的现代化智能矿山（图5）。

图5 矿山升级改造与生产经营整合

三、矿山智能化转型的保障措施

（一）政策指引

虽然国家和地方均出台了针对矿山安全生产和智能化建设的相关政策要求，但是对于“从哪些维度建设”“建设到什么程度”“有哪些具体指标”这些具体问题仍然缺乏相应的标准规范，矿山智能化建设难以做到有的放矢，标准体系建设需求迫切。目前，国家矿山安全监察局已经着手推动智能矿山标准体系，为未来矿山的智能化建设提供标准指引[4]。

（二）建设资金投入

矿山的开采是一项长周期的投入，根据矿山及矿储量的规模，一般矿山的生命周期短则10年，长则30年。这意味着前期的项目整体规划至关重要，需要全面涵盖矿山基建、智能化设施的投入、生产采掘的规划等。

从长期视角看，要形成观念上的转变，即矿山数字化、智能化的建设投入不应被视为单纯的财务支出，而更应该是一种资产投入，其目的在于帮助矿业企业以更低的成本、更高的效率、更安全的方式进行生产运营，带来持续的管理和经营效益（表5）。

表5 矿山智能化支出与投入对比

（三）规范市场秩序

产业智能化、数智化发展是一个循序渐进的过程，细枝末节的环节很多，搭建一个能够真正“跑起来”，对业务有实质性提质增效的产品，还是需要时间和耐心去打磨[5]。市场过热的现象可能会引起“劣币驱逐良币”的问题，比如重复性建设、打造“面子工程”，或是热钱涌入或导致投机者横行（而用户企业在实施前缺乏辨识度），让从业者费心费力培育起来的市场信心又一次受到重创，导致行业发展陷入停滞甚至倒退（图6）。