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论文精选 | 智能化在绿色矿山建设中的探索

发布日期：2022-07-01 浏览次数：次

论文精选 | 智能化在绿色矿山建设中的探索

编者按：

从1981年起，中国砂石协会历经40载，四十年来，协会和行业共同成长。四十年来，砂石行业发生了翻天覆地的可喜变化，恰逢协会40周年纪念活动和“第八届中国国际砂石骨料大会”举办之际，为交流各国砂石及装备科学技术研究成果和新理念、新模式，探讨砂石和装备新工艺的发展方向，把握行业发展态势和区域市场变化，推动全球砂石产业低碳发展和高质量发展，促进各国砂石行业的交流与合作，激励行业同仁为全球砂石行业高质量发展努力奋斗，协会秘书处编制了《论文集》。中国砂石协会融媒体中心将陆续推出精选论文，以飨行业同仁。今天推出的是浙江交通资源投资集团有限公司总工程师林春撰写的《智能化在绿色矿山建设中的探索》，原文如下：

智能化在绿色矿山建设中的探索

（浙江交通资源投资集团有限公司总工程师林春）

【摘要】作为2021年浙江省自然资源厅智能化绿色矿山试点示范建设单位，同时为满足自身高质量绿色发展和数字化改革的需求，浙江交投矿业有限公司以国家绿色矿山建设行业技术规范为基础，按照生产经营全流程数字化、智控化、无人化、可视化的总体思路，形成“一个中心+一套模型+四大平台+N个系统”的智能化管理体系。通过智能化绿色矿山建设，浙江交投矿业有限公司实现了矿山资源管理数字化，生产过程自动化，安全环保监测实时化，管理决策智慧化，产销协同一体化。有效提升企业精细化管理水平，实现降本增效目标，为矿山行业向精细化、数字化、智能化转型提供了借鉴和参考。

【关键词】智能化，绿色矿山，砂石骨料

【英文摘要及关键词】（略）

1.引言

中国共产党第十九次全国代表大会上明确要求：“加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”。当前我国正处于加快推进工业化进程阶段，随着“新基建、5G建设”、“中国制造2025”、“互联网+”和 “人工智能+”、“国有企业数字化转型”等国家行动计划的实施，传统的生产方式正在不可避免地发生着变化[1, 2]。为全面贯彻落实新发展理念和党中央国务院决策部署，加强矿业领域生态文明建设，加快矿业转型和绿色发展，国土资源部、财政部、环境保护部、国家质检总局、银监会、证监会联合要求，加大政策支持力度，加快绿色矿山建设进程，形成符合生态文明建设要求的矿业发展新模式[3, 4]。浙江省自然资源厅发布《浙江省自然资源厅关于开展智能化绿色矿山建设试点工作的通知》浙自然资厅函（2020）946号，浙江交投矿业有限公司大皇山建筑用石料（凝灰岩）矿被选为先行开展试点建设企业之一，为全省智能化绿色矿山建设探索模式、积累经验、树立标杆。

浙江交投矿业有限公司为浙江交通资源投资集团有限公司下属子公司，位于舟山市定海区册子岛北部，矿区面积1.0481k㎡，资源储量1.84亿吨，为华东地区单体矿产储量最大的凝灰岩矿；矿山采用露天开采，汽车运输方案，采矿场自上而下按15m的台阶逐层开采；采矿工序为采用潜孔钻机穿孔、中深孔爆破、机械二次破碎、挖掘机装载、汽车运输；生产调度主要以人工为主，由现场根据生产任务要求安排挖掘、卡车等设备；矿山现有系统包括三维数字采矿系统、大屏展示系统、边坡监测系统、环境监测系统、视频监控系统、地磅无人值守称重系统、集散控制系统等。

浙江交投矿业有限公司依托当前数字化、信息化相关技术，将5G、物联网、大数据、自动控制等先进技术、先进设备与现代矿山生产管理深度融合，形成全面感知、实时监测、互联互通、分析决策、协同管控的完整智能系统和跨场景应用，以建成集矿山资源管理数字化、生产智能管控、智慧决策于一体的本质安全、资源集约、绿色高效的5G智慧矿山和生产车间“无人化、少人化”矿山为目标，开展智能化绿色矿山建设。

2. 智能化绿色矿山建设主要框架和内容

2.1 主要框架

根据企业自身现状和管理发展实际需求，结合自然资源等上级部门要求，浙江交投矿业有限公司以国家绿色矿山建设行业技术规范为基础，按照生产管理全流程数字化、智控化、无人化、可视化的总体思路，重点在四个方面开展探索，形成“一个中心+一套模型+四大平台+N个系统”的建设框架体系。即，1个企业指挥调度中心；1套“数字孪生矿山”基础模型；管理决策、精准智控、场景应用、大数据管理四大平台；N个系统则为解决企业从资源、规划、设计、开采、加工、出运、质量、安全、环保等环节的信息化、自动化与数字化的业务系统，分别有业财一体化ERP系统、数字物流系统、资源储量动态管理系统、资源越界开采系统、环境在线检测系统、边坡雷达检测系统、出运管理系统、人员及车辆定位系统、全方位视频监控系统、5G及AR/VR可视和远程协助系统、安全隐患排查系统、智能开采车辆调度系统、质量在线检测系统和绿色矿山管理系统等。

图1 智能化绿色矿山建设主要框架

2.2主要内容

2.2.1 一个中心

智能化绿色矿山决策指挥调度中心。以矿山生产和安全、环境监测数据及空间数据库为基础，以VR虚拟环境为平台，利用地理信息系统（Geographic Information System, GIS）、地表倾斜摄影、三维激光扫描等技术手段，将矿山地上场景、地下矿床地质体、采矿工艺过程及其引起的相关现象进行三维数字化建模，实现对矿山生产环境、生产状况、安全与环境监测、人员和设备状态的实时显示，在真三维环境中集成矿山开发与运行的相关信息，在指挥调度中心的大屏展示端集成矿山生产与决策提供重要的过程数据。管理人员可以通过个人日常电脑办公的Web端及现场检查及移动办公的手机端将指令迅速下达到一线，以此实现调度中心的快速决策与指挥。

2.2.2 一套模型

矿产资源三维地质孪生模型。集合多种虚拟现实技术构建透明化三维模型（包含地质模型、生产车间及设备模型），实现矿山、厂区、车间、工艺各环节的实时模拟，提高矿山开采及生产效率。以多维模型和融合数据为驱动，利用数字技术对物理实体的组成、行为、特征和形成过程进行描述，在虚拟空间中形成物理实体的镜像，反映、刻画、优化和控制物理实体的全生命周期过程被称为数字孪生技术[5]。数字孪生技术在应用后可以对原有的工业模式进行优化，同时可以给产品服务模式进行革新，充分满足消费者对数字孪生产品数据资源的需求[6]。可以说，数字孪生技术也是矿山工业智能化发展的必然之路。

2.2.3 四大平台

1）资源决策管理服务平台。决策管理服务平台集成有资源管理、生产管理、销售管理、安全管理、环保管理、成本管理、设备管理等多项数据模块。管理者可以通过平台实现设计阶段的生产仿真与模拟、生产阶段的监测与管控、技改阶段的生产回放与过程分析、灾变发生时的可视化应急指挥等矿山关键业务过程支持，为矿山生产与决策提供重要的过程数据，同时进行信息集成管理，对各子系统实时数据统一存储、实时分析、集中监控、集中发布、智能管控，实现对矿山开发与运行的科学预测、规划、控制和决策指挥，提高矿山企业的生产效率和安全管理水平。

2）生产精准智控平台。借助集散控制系统（Distributed Control System, DCS），有效提高设备运行效率，提升产品质量，减少矿石加工过粉碎现象，降低生产成本[7]。通过在生产车间部署DCS软件，在生产设备上安装传感器，将生产过程数据和工艺数据通过DCS进行实时采集和集中管理。生产过程中各设备的运控数据接入三维VR场景应用展示平台进行集成监控，能够查看采矿和破碎加工、筛分全流程，技术人员在控制系统集中下达调度和控制指令，实现了生产车间无人化、少人化。

3）三维场景应用平台。通过倾斜摄影测量技术，使用无人机、传感器从不同的角度进行数据的采集，快速、高效获取丰富的数据信息，真实地反映地面的客观情况[8]。依据此应用平台，一方面可以实现对三维场景的漫游操作，以及矿山生产环境、安全与环境监测、人员和设备状态的实时VR显示，解决矿山信息化建设过程中基础信息不足、信息孤岛等方面的问题，加强信息融合，实现设计阶段的生产仿真与模拟、生产阶段的监测与管控、灾变发生时的可视化应急指挥等矿山关键业务过程支持。

4）手机移动端平台。搭建手机APP应用，完成员工信息实时推送，将数据维护、安全隐患分类处理、跟踪整改、台账整理及设备检修等任务细化到个人。这种建立动态耦合的网络化协同管控机制，将传统各自独立的“采、掘、机、运、通”监测控制转变为物联网实时接入和感知的方法，是实现矿山物联网的实时接入、精确定位、有机整合、深度利用的切实可行的道路，是实现智慧矿山绿色生产、安全生产和高产高效的关键[9]。

2.2.4 N个系统

1）矿山越界开采预警系统。通过三维GIS、虚拟现实等技术，在系统中以矿山采矿权界线设置虚拟电子围栏作为越界开采警戒线，钻挖机等越界开采时，后台将会收到越界警示，系统触发感应报警，防止越界开采。

2）矿山粉尘在线实时监测系统。砂石骨料生产线的开采、破碎、筛分、制砂等过程均在露天完成，产生粉尘污染大气[10]。矿山环境监测系统是绿色生产的保障[11]。通过一体化光散射法环境空气监测仪实时监测矿山空气悬浮颗粒物（TSP、PM10、PM2.5）、噪声、温度、风向、风速、大气压等数据，数据通过可视化仪表盘的形式集成展现在平台中，并能实现数据异常预警。

3）人员车辆实时定位跟踪系统。建立人员车辆电子监控体系，利用基于北斗+蓝牙的室内外融合定位系统对矿山人员、车辆的位置及行进轨迹进行精确定位。人员车辆进行危险操作时便可进行声光预警，防患于未然；当事故发生时，通过人员实时定位、智能巡检、一键报警等功能来提高应急救援效率.矿山一般较为偏僻，人员沟通困难，安装定位跟踪系统还可以实现作业人员的实时调度，加强员工管理。

4）全方位视频监控系统。各类自动化、监测和监控系统是智慧矿山建设的重要组成部分，在矿山安全生产管理过程中发挥着重要作用[13]。设立全方位视频监控系统，通过平台接入各路视频数据，实现摄像头位置的可视化。员工可以在中控平台进行视频浏览，亦可通过手机APP查看监控摄像头画面并实时进行喊话，提高警示效果。通过视频监控技术可以实时监控矿山指定地点的安全动态信息，有效提高生产的安全系数；发生事故时，采用视频监控技术有助于矿山紧急救援决策。

5）智能开采车辆调度系统。建设智能运营系统将极大地提高设备的使用效率，减少人为误操作以及倒班时间，降低劳动成本，是提高矿山现场生产调度指挥效率的关键[14]。在数字采矿软件中，根据产量目标划定采掘条带（即爆堆的设计模型）并进行穿孔爆破设计，后将爆堆信息和生产计划导入生产调度系统。采场完成爆破后，管理人员依据爆堆的位置、矿量等数据，基于日生产目标，结合矿车设备产能信息，创建日生产计划并将生产任务推送到相关挖机运车司机的手机APP上。系统还能通过集成地磅数据，进行车载计量统计分析，实时监控矿石挖运情况，完成产运售统筹精细化。

6）骨料质量在线检测系统。对砂石骨料质量的检测是矿山工业领域中不可或缺的一环[15]。在矿山生产运输带上安装骨料质量在线检测系统，通过图形识别、计算软件等实现对骨料粒径、级配、针片状、含水量等指标在线检测，将实时数据及质量报告及时传送给化验等相关人员，对产品质量进行实时检测及反馈和预警，便于对生产工艺进行改进、优化和质量控制；有效提高检测效率和检测频率，可实现装船（车）时产品一船（车）一检。

3.建设成效及未来展望

3.1 建设成效

通过智能化绿色矿山建设，浙江交投矿业有限公司大皇山（凝灰岩）矿山实现了矿山生产可视化，监测系统实时化，数据的高度集成化和智能化，完成矿山降本、增效，有效实现矿山资源精细化管理，较大地提高了生产效率和安全管理水平。具体成效有：一是实现矿山本质安全管理。全厂区虚拟现实增强视频监控（200个视频监测点）、越界开采自动报警（越界报警区域设置14个）、矿山环境指标自动监测、边坡移位监测、人员佩戴安全帽工作识别预警、人员和车辆厂区实时定位越界预警（2车辆定位69台，人员定位513个）等应用，通过对违规作业实时提醒、实现了人员伤亡与环境污染0案次。二是实现数字孪生资源开采管理。通过数字建模、智能化开采技术等，全面掌握矿山资源总储量、剩余储量、岩体分布、开采计划和年限等，全方位有效利用国家矿产自然资源，综合利用率达99%以上。三是实现生产智控化管理。实现从爆破后母料运输、计量、生产、质检、发运等全过程数据自动采集和控制，系统间数据自动采集率超过95%，基本实现数据实时同步，保证业务和数据高效协同和自动化，生产综合效率提升8-10%，产品质量检测时间由原来的半天变成实时。四是实现业财一体化经营管控。通过打通财务与采购、营销、生产、库存等业务之间的信息流，实现财务相关凭证自动生成，业财全面协同和集中一体化管控。五是实现远程指挥控制。通过移动应用和指挥调度中心随时监控矿区一线的生产、销售、设备运行、工人在岗情况、安全管控情况，单次可以节约20分钟来回上下矿区时间。六是所有平台可复制、可推广、可接入。安全监测系统可随时接入政府监管系统，供政府实时监测，公司其他矿的智能化需求可以通过舟山智能化绿色矿山系统和平台快速部署实现。

3.2 未来展望

智慧矿山是采矿业转变发展方式、提升行业发展质量的核心驱动力，是矿山企业发展的必然需求，实现矿产采掘、运输、洗选、生产管理、安全保障、生态保护等全过程智能化运行是未来必定的发展路径[16]。以5G+远程操控和无人化系统、大数据、智能化决策系统的建立，实现矿山设备远程操控、矿车无人驾驶技术的研发与应用、智慧决策等是未来矿山重要发展方向。

参考文献：

[1] 李梅, 杨帅伟, 孙振明, 等. 智慧矿山框架与发展前景研究 [J]. 煤炭科学技术, 2017, 45(01): 121-8+34.

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[4] 王琼杰. 让金山银山变成绿水青山——中国国土资源经济研究院绿色矿业发展指导中心副主任侯华丽谈砂石行业绿色矿山建设 [J]. 国土资源, 2018, (09): 28-31.

[5] 陈继文, 魏文胜, 李鑫, 等. 基于数字孪生的工程机械产品健康检测方法研究 [J]. 中国工程机械学报, 2020, 18(04): 371-6.

[6] 刘慧莉. 数字孪生:工业智能发展新趋势 [J]. 数字技术与应用, 2020, 38(10): 216-8.

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[10] 胡幼奕. 创新绿色合作共享构建砂石骨料工业新体系 [J]. 混凝土世界, 2017, (05): 16-24.

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