淺談數(shù)字礦山在露天礦的發(fā)展

賀 君

(中國(guó)廣核電力股份有限公司， 廣東 深圳市 518000)

0 引 言

數(shù)字礦山是礦業(yè)領(lǐng)域的熱門(mén)研究?jī)?nèi)容。我國(guó)《“十三五”資源領(lǐng)域科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》提出：為全面提升我國(guó)礦山行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平，推動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，充分利用現(xiàn)代通信、傳感、信息與通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、智能監(jiān)測(cè)、智能控制與智慧調(diào)度，有效提高礦山資源綜合回收利用率、勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益收益率[1]。毋庸置疑，采礦工具與技術(shù)的變革是我國(guó)礦山企業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路[2]。

上世紀(jì) 80年代起，我國(guó)露天礦山的比重逐漸增加，露天礦較之地下礦山具有運(yùn)用大量大型自動(dòng)化設(shè)備、工藝先進(jìn)、產(chǎn)量高的特點(diǎn)[3]。基于以上特點(diǎn)，我國(guó)露天礦山十分注重安全高效科學(xué)管理，數(shù)字礦山可以為其提供一個(gè)很好的平臺(tái)。目前，國(guó)內(nèi)外高校、科研單位、礦業(yè)公司已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，并在一些礦山建立了數(shù)字化體系，取得了一定的成果，但與真正意義上的數(shù)字礦山依然相差較大。

鑒于此，筆者擬從工程應(yīng)用的角度，從數(shù)字礦山軟件、硬件、發(fā)展趨勢(shì)等方向開(kāi)展相關(guān)分析和研究，為露天礦山數(shù)字化發(fā)展提供助力。

1 數(shù)字礦山的含義

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)“數(shù)字礦山”進(jìn)行了定義并提出了自己的見(jiàn)解，但并沒(méi)有統(tǒng)一的定義。綜合之前學(xué)者的相關(guān)研究，數(shù)字礦山首先是將礦山各個(gè)時(shí)期的每個(gè)地點(diǎn)每個(gè)崗位甚至每臺(tái)機(jī)器的全部信息進(jìn)行采集，在此基礎(chǔ)上建立起一個(gè)信息化數(shù)字化的礦山，人們通過(guò)這個(gè)虛擬的礦山可以了解礦山的全貌，更加科學(xué)的知道生產(chǎn)決策，實(shí)現(xiàn)集中管控[4]。數(shù)字礦山以高度的信息化為表現(xiàn)形式，高效率的自動(dòng)化采礦為最終目標(biāo)[5]。

2 數(shù)字礦山的發(fā)展

從工程建設(shè)的角度來(lái)看，數(shù)字礦山的建設(shè)包含硬件和軟件兩方面的內(nèi)容[6]。在軟件方面，研究的主要內(nèi)容包括通過(guò) 3DGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維可視化建模，通過(guò)掌握整個(gè)礦山的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析和科學(xué)管控等；在硬件方面，數(shù)字礦山的關(guān)鍵內(nèi)容主要有海量數(shù)據(jù)的集成平臺(tái)、高速網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、智能檢測(cè)設(shè)備或無(wú)人設(shè)備等。數(shù)字礦山是一個(gè)多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的復(fù)雜研究課題。

2.1 軟件發(fā)展

2.1.1 三維可視化建模

礦業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)始于上世紀(jì) 90年代，首先在國(guó)外礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行。目前主流的礦業(yè)軟件包括:英國(guó)礦山計(jì)算有限公司（MICL）開(kāi)發(fā)的 Datamine采礦軟件系統(tǒng)、澳大利亞Supac國(guó)際軟件公司開(kāi)發(fā)的 Surpac軟件、澳大利亞 MAPTEK公司開(kāi)發(fā)的Vulcan軟件、加拿大Kirkham Geosystems公司研發(fā)的 MicroLynx、澳大利亞 Micromine公司開(kāi)發(fā)的Micromine軟件、北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司開(kāi)發(fā)的 3Dmine、長(zhǎng)沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司的DIMINE軟件等，各軟件的應(yīng)用領(lǐng)域見(jiàn)表1。

盡管有許多國(guó)家的軟件公司開(kāi)發(fā)了眾多的礦業(yè)軟件，但其功能大同小異，主要還是集中在礦井三維可視化的功能上，即：提供地質(zhì)數(shù)據(jù)分析和地質(zhì)的三維展示，以及三維的采礦設(shè)計(jì)等。并且隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的真三維開(kāi)采模擬。

表1 主流礦業(yè)軟件

2.1.2 決策分析

目前露天礦的生產(chǎn)決策研究主要集中于以三維可視化模型為基礎(chǔ)的卡車(chē)調(diào)度和配礦優(yōu)化。

隨著GPS定位及通訊技術(shù)的發(fā)展，使得露天礦卡車(chē)科學(xué)自動(dòng)化調(diào)度成為可能。露天礦卡車(chē)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)最早在上世紀(jì)六七十年代開(kāi)始探索。美國(guó)Modular公司于八十年代成功研發(fā)出 DISPATH系統(tǒng)，其他國(guó)家也開(kāi)始引進(jìn)其系統(tǒng)，用于露天礦山降本增效。國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始也逐步進(jìn)行了許多嘗試，并在一些礦山取得了不錯(cuò)的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

自上世紀(jì) 60年代以來(lái)，許多學(xué)者運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)知識(shí)進(jìn)行配礦問(wèn)題分析，線性規(guī)劃被認(rèn)為是最快速有效的求解辦法，但其考慮問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，且并不能真正和地質(zhì)圖結(jié)合。隨著3S（GPS，GIS，RS）技術(shù)的發(fā)展和三維可視化軟件的成熟，露天礦山初步實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃和配礦的智能化，可精確實(shí)現(xiàn)多礦種、多區(qū)域的品位控制，能夠顯著的提升礦山經(jīng)濟(jì)效益（見(jiàn)圖1）。

推進(jìn)《黑龍江省節(jié)約用水條例》《黑龍江省地下水管理辦法》立法，印發(fā)《黑龍江省“十三五”節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃》《縣域節(jié)水型社會(huì)達(dá)標(biāo)建設(shè)工作實(shí)施方案(2017—2020年)》，節(jié)水規(guī)劃體系進(jìn)一步完善。

2.1.3 管理和控制

數(shù)字露天礦山最終應(yīng)該展現(xiàn)為一個(gè)綜合的管控平臺(tái)，可以對(duì)露天礦山的各個(gè)方面進(jìn)行智能管理和控制。其主要內(nèi)容包括：安全管理、調(diào)度管理、計(jì)劃管理、設(shè)備管理、供電管理、采礦管理、水文地質(zhì)管理、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化管理、文檔管理、財(cái)務(wù)管理、材料管理[4]。

圖1 自動(dòng)化配礦效果[2]

目前這方面的研究仍處于各個(gè)部分單獨(dú)的管控研究，并未形成真正的整體信息管理平臺(tái)。

2.2 硬件發(fā)展

2.2.1 集成平臺(tái)

集成平臺(tái)是一個(gè)用于各類(lèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的軟件平臺(tái)[7]，此平臺(tái)能夠提供各類(lèi)信息的接口，用以實(shí)現(xiàn)不同部門(mén)的數(shù)據(jù)交換。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)大型存儲(chǔ)設(shè)備的發(fā)展十分迅速，為礦山信息集成平臺(tái)的建立提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2.2 高速網(wǎng)絡(luò)

高速網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)露天礦通訊和遠(yuǎn)程管控的前提。最早以太網(wǎng)被引入一些工業(yè)領(lǐng)域，近些年信息技術(shù)迎來(lái)大發(fā)展時(shí)代，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)和同步數(shù)字體系等其他信息技術(shù)也逐漸應(yīng)用于工業(yè)并取得了成功,礦山企業(yè)也順勢(shì)引進(jìn)了這些信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展成了礦山高速信息網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)在礦山信息傳輸方面發(fā)揮著巨大作用[8]。

除此之外，數(shù)字礦山建設(shè)依托網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山的集團(tuán)化管理。

2.2.3 智能設(shè)備

無(wú)人機(jī)因其簡(jiǎn)單易行且精度高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于露天礦監(jiān)測(cè)和測(cè)繪等工作，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作時(shí)間。

早在上世紀(jì)八九十年代，美國(guó)的卡特彼勒和日本的小松公司運(yùn)用 GPS和雷達(dá)探測(cè)露天礦無(wú)人駕駛礦用汽車(chē)，減少了人力并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。

3 發(fā)展趨勢(shì)

（1）在軟件方面，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)露天礦山的管控一體化，其基礎(chǔ)是以3DGIS技術(shù)支持的數(shù)字礦山海量信息集成平臺(tái)。而目前行業(yè)內(nèi)并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)的兼容性差，容易產(chǎn)生信息孤島。因此必須將各類(lèi)信息標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)接口，并保證數(shù)據(jù)的安全性。

（2）在硬件方面，今后的研究重點(diǎn)在于智能設(shè)備的研制和高速網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。設(shè)備智能化是指設(shè)備可進(jìn)行自身運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行線路的檢測(cè)，并能夠自動(dòng)控制完成預(yù)設(shè)的采礦任務(wù)，其接口亦可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[8]。通過(guò)研發(fā)新型傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)礦井信息網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定傳輸和全覆蓋是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。目前，我國(guó)礦山的智能化程度較低，距離實(shí)現(xiàn)真正的智能化礦山還有很長(zhǎng)的路要走。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)論從資源日益枯竭的形勢(shì)來(lái)看還是從政策導(dǎo)向來(lái)說(shuō)，礦山數(shù)字化都是礦業(yè)企業(yè)的必然趨勢(shì)。數(shù)字礦山意在通過(guò)建立整個(gè)礦山的海量信息集成平臺(tái)，對(duì)整個(gè)礦山實(shí)行科學(xué)決策和統(tǒng)一管控，大大提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

數(shù)字礦山的建設(shè)需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，經(jīng)過(guò)幾十年的研究，雖然已初步形成一定規(guī)模，但距離真正實(shí)現(xiàn)智慧礦山還有很長(zhǎng)路要走。在當(dāng)今科技和信息大變革的時(shí)代，礦業(yè)企業(yè)只有順應(yīng)浪潮不斷革新，才能煥發(fā)出新的生機(jī)。