科技新进展：智慧矿山关键技术研究及应用

一、研究的背景与问题

采矿业属于生产环境复杂、人机密集协调的重工业领域，对其进行数字化转型是采矿业高效发展的必然选择，也是数字经济时代矿业生存发展的必然要求。近年来，随着互联网、人工智能、大数据、物联网、云计算等先进技术的飞速发展，国内外许多矿山企业相继进行了智慧矿山建设,虽然取得了一些成绩和效果,但在智慧矿山的顶层设计、数据标准、管理模式等方面仍存在着制约行业发展的关键技术亟待突破，主要面临如下难题：

1、缺少顶层设计，系统互联互通性差

矿山行业具有复杂性、系统性等特点，其流程长、工艺环节多，是一个多专业相互渗透、多学科共同支撑、多系统协同优化的复杂工程。有些矿山只对多个工序或环节进行了智能化建设，不能实现智能联动。因此需要做好顶层设计，统筹考虑矿山各系统和各要素，统揽全局，最终建设成适用于本矿山的智慧化系统。

2、数据标准不一，信息孤岛现象严重

目前，矿山开采对应的设计系统和管控系统众多，而不同的系统通常又由不同的公司进行研发，这些系统软件标准不一、数据不通、兼容性和可移植性较差，很容易造成信息孤岛，难以实现不同系统之间的有效联合和综合管控。

3、管理系统相互隔离，协调和联控不足

目前，国内有些矿山的技术管理、生产管理、安全管理等工作基本上是通过人工线下完成，过程复杂、繁琐，效率不高，并且，各管理流程之间相对孤立，相互关联性差，一个部门调整生产设计或生产计划后不能及时反馈到其他相关部门，不能实现动态、实时、精准的更新和关联，管理过程中容易出现主观性工作失误，导致生产安全性和劳动生产率降低，直接影响矿山的综合效益。

二、解决问题的思路与技术方案

中冶北方基于六十余年来在矿山领域积累的设计工程经验，在为矿山企业提供不间断技术支持和服务的过程中，对矿山企业在实际生产中的问题与诉求进行深入研究，自主研发了一套适用于矿山生产全链条的智慧矿山管控平台，该平台将采掘工艺、“矿石流”管控、生产流程再造和矿山各数据进行整合，可以有效提高矿山资源开采利用率，提升管理运营能力，维持发展韧性，同时真正将“安全、绿色、高效、智慧”的理念渗透到矿山生产的各个环节之中，为矿山设计、生产、管理、安全提供决策支持。

图1 智慧矿山建设总体架构

智慧矿山管控平台以“基于生产、服务生产、赋能生产”为理念，致力于突破矿山资源开发和采矿工艺相关业务壁垒，统筹解决系统集成与数据融合打通难题；通过统一的生产管控目标与边界、统一的数据维度与管理标准，实现企业降本、增效、本质化安全和绿色可持续发展目标。

图2  基于生产、服务生产、赋能生产的矿山智能化建设

智慧矿山管控平台通过对矿山大规模多源异构（空间）数据进行智能采集、标准化处理、深加工和分析，使各部门、各专业的生产作业数据有效联通，为生产作业层各类应用系统提供共享数据服务接口；平台所提供的业务应用能够更加深刻的支撑冶金矿山的长工艺链、离散作业特性；平台秉持生态共享原则，支持无缝集成自动化厂商OT系统、各类智能终端设备、边缘智能平台、云资源平台、各类数据管理平台、业主自有或伙伴提供的工业PaaS等平台，实现矿山全连接，帮助矿企解决“平台繁多、承建方分歧”等问题，规避冗余建设，减少投资浪费。

三、主要创新性成果

智慧矿山管控平台以生产效率提升、精细化生产管控为出发点，打造横向贯穿于全工艺流程，纵向打通各层业务间的数据壁垒，为矿山提供一系列专精业务系统。具体如下：

1、地测采生产执行系统

系统支持三维正向建模，对地质资源进行数字化表达及分析，实现地质资源信息的准确把握；支持三维优化设计，可实现批量高效制图，提升设计工作效率；提供对生产工程设计、施工图纸管理的规范化、标准化的管控功能，为矿山生产提供基础条件；基于云端生产设计图纸，结合采集或移动APP上报的生产数据，系统自适应提供生产作业的施工状态图，直观展示井下各工序的作业位置、施工状态及生产数据；基于施工状态图，技术人员通过操作鼠标或触摸屏，以点、选、滑动等方式即可在施工状态图中高效快速完成采准、中深孔凿岩和回采作业的计划排产工作。

图3 地质资源数字化

图4计划编制

2、生产管控系统

系统支持严格按照生产流程、工艺流程将排产计划自动拆解为各班组施工作业任务，并下发到对应作业人员的移动终端或电脑终端中，提升长工艺流程、离散施工的管控效率，实现各生产组织单元协同作业；支持工序自动衔接，根据生产流程模型，当前工序完成后自动生成下一工序工单并通知对应班组衔接作业；支持异常工单智能调度，如当前作业出现异常，系统自动推荐符合工艺逻辑的接续作业面；提供APP接收工作和上报任务结果；APP支持无网络环境下离线缓存，接入网络后续传。

图5 采准任务管理

图6 计划管理

图7 作业工单按工艺流程智能流转

3、三维可视化管控系统

系统基于虚拟空间内1:1还原的矿山生产实景，实现在“指挥中心”即可对生产全工艺、各工序进行调度、管控，将传统的“作业区调度”、“现场管理”转变为“透明管理”、“集中管控”；同时系统接入、解析地下精准定位系统数据，为矿区提供一套基于实时位置信息的“沙盘”，直观、可视化的展现采矿井巷工程的空间拓扑，以数字图形的方式展现地下基础设施全貌，打破生产“黑箱”，为生产管控提供定位、轨迹、兴趣点搜索与坐标确认等服务。

图8 智能指挥调度图

图9 作业位置管控图

图10 中深孔作业管控图

4、采矿生产协同APP

采矿生产协同APP是“生产管控系统”的移动应用。利用移动互联技术，实现移动化数据采集、查看，办公流程的协同，生产过程的一览和生产报表的移动管理。

图11  APP工单页面

四、应用情况与效果

本技术成果在八钢矿业蒙库铁矿智慧矿山建设项目中应用。该系统的应用为矿山在管理方面带来数量级的提升，包括优化地质、测量及采矿工序的工作流程，降低其工作强度，提高工作效率；提升矿山管理人员对井下生产全貌的实时把控能力；工作管理便捷化、流程化、规范化；增强生产过程数据记录的完整性、真实性和时效性；生产过程中的所有设计、计划和数据都可以实时共享和展示；各工序审批流程全部通过计算机在线实现，并且支持手机APP审批，简单快捷。

图12 智慧矿山全信息可视化图

应用本技术成果可有效减少现场作业人员15%，提高全员劳动生产率10%；可以有效降低能耗3%（主要为电耗）；通过相关手段和措施，回采率可提高至87%，废石混入率可降低至13%，提升矿石采出品位，提高矿山原矿生产规模约10%；有效降低成本费用，大幅提高利润水平。

本技术已申请专利15项，已获得授权专利4项、软件著作权4项。本成果的应用，实现了矿山生产的全流程管控和过程数据融合，为矿山设计、计划、生产、安全等提供优化管理和决策支持，推动了矿山企业“智能制造”和“绿色矿山”建设的进程。

信息来源：中冶北方工程技术公司