露天礦綠色智能礦山系統(tǒng)建設(shè)研究

＊劉占中 陳善成 李慧穎

（1.兗州中材建設(shè)有限公司 山東 272000 2.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院 安徽 241000 3.安徽理工大學(xué) 安徽 241000）

傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源開采方式以露天開采、地下開采為主，但以傳統(tǒng)的開采后缺乏合理的收尾工作，對周圍的環(huán)境與生態(tài)產(chǎn)生眾多的污染與破壞，原始的生產(chǎn)方式嚴(yán)重影響礦業(yè)乃至地區(qū)的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)。近幾年，綠色礦山建設(shè)已成為礦業(yè)行業(yè)發(fā)展的重點，數(shù)字化、智能化礦山更是綠色礦山建設(shè)的有效方式和必然趨勢。為了全面貫徹落實國家新發(fā)展理念，推進自然資源開采與生態(tài)文明建設(shè)，加快礦產(chǎn)資源走向綠色開采之路，國家個部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快建設(shè)綠色礦山的實施意見》要求，旨在通過增強政策支持力度，推進綠色礦山建設(shè)進程，建設(shè)符合新時代生態(tài)文明建設(shè)要求的礦業(yè)發(fā)展新模式[1-4]。

當(dāng)下，國內(nèi)外有關(guān)綠色礦山建設(shè)的研究資料以機器智能化與綠色開采兩方面為主，在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用也在快速更新。趙威等學(xué)者[5]利用三山島金礦的自然現(xiàn)狀，提出“過程控制+經(jīng)營決策+綠色礦山理念”的設(shè)計架構(gòu)，進一步形成適宜的智能綠色礦山建設(shè)體系，增加了礦產(chǎn)資源的高效開發(fā)與利用，促進智能礦山的發(fā)展；魏東[6]以酒鋼西溝礦為例，從礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理、節(jié)能減排、科技創(chuàng)新與智能礦山等方面進行綠色礦山建設(shè)，引進5G+互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新型自動化技術(shù)，進行礦山企業(yè)與自動化技術(shù)的“兩化融合”，推進智能礦山的建設(shè)。本次研究以環(huán)保智能礦山為主題，依托于平陰山山水水泥有限公司，圍繞“一個中心、兩個平臺、多個系統(tǒng)”的方案，將綠色環(huán)保理念融入礦山開采當(dāng)中，通過數(shù)字智能化的手段來引導(dǎo)資源開采走向低污染，希望在未來智能化礦山綠色開采領(lǐng)域有一定的研究意義。

1.智能礦山建設(shè)背景

平陰山水水泥有限公司響應(yīng)國家政策指導(dǎo)，于2018年11月份開始轉(zhuǎn)型建設(shè)綠色礦山建設(shè)。截至當(dāng)下平陰山水水泥有限公司已經(jīng)在其礦山建設(shè)了石灰石品位分析系統(tǒng)和露天礦車輛智能調(diào)度管理系統(tǒng)，為企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟效益。如圖1所示，利用露天礦車輛智能調(diào)度管理系統(tǒng)的可視化，實時監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度礦山生產(chǎn)作業(yè)車輛、工程車輛等設(shè)備，形成一種快速智能可視化的新型現(xiàn)代礦山調(diào)度指揮系統(tǒng)。兗州中材建設(shè)有限公司通過在行業(yè)內(nèi)多年的經(jīng)驗和技術(shù)積累，為實現(xiàn)水泥礦山現(xiàn)代化建設(shè)，結(jié)合平陰山水水泥有限公司的現(xiàn)場情況，設(shè)計了平陰山水水泥有限公司數(shù)字化智能礦山系統(tǒng)解決方案，建設(shè)方案共包含幾個部分內(nèi)容：三維可視化管控平臺、智能管控軟件平臺、視頻及環(huán)境監(jiān)測智能感知系統(tǒng)。通過綠色礦山建設(shè)，平陰山水在礦容礦貌、環(huán)境保護、生態(tài)修復(fù)等方面得到顯著改善與提升，有力促進了企業(yè)的長期健康、穩(wěn)定發(fā)展，大大提升了企業(yè)帶的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。

圖1 平陰山水水泥礦山范圍圖

2.綠色環(huán)保智能礦山總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用Spring Boot+VUE的開發(fā)框架，實現(xiàn)系統(tǒng)的分布式部署、負載均衡、前后端分離、高安全性、數(shù)據(jù)快速讀取、網(wǎng)頁自由繪制。系統(tǒng)能夠進行快速部署開發(fā)和平滑系統(tǒng)擴展，采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)（Redis）和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（Mysql）結(jié)合實現(xiàn)，集成各種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，對采礦生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的存儲、統(tǒng)計、管理。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

建立應(yīng)用服務(wù)層，系統(tǒng)提供Restful規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)接口，方便同其他信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互；實際應(yīng)用展示，主要是智能管控平臺（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)），包括PC端和手機端，該系統(tǒng)采用自主研發(fā)自有知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字礦山管理平臺，平臺集成了報表引擎、審批工作流、預(yù)警服務(wù)等功能，對采礦生產(chǎn)、設(shè)備、資源儲量等進行科學(xué)化的管理。數(shù)字采礦軟件平臺，采用國際先進的數(shù)字采礦軟件，在礦體模型建立、境界優(yōu)化、儲量計算方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位。數(shù)據(jù)層，通過通用采集程序，對各個通訊模塊的通訊狀態(tài)進行監(jiān)控，采集實時數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)中心平臺，對數(shù)據(jù)進行存儲、處理、統(tǒng)計、分析、發(fā)布，并負責(zé)同其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊及各種事件的觸發(fā)和交互[7-8]。

3.建設(shè)內(nèi)容

針對平陰山水泥有限公司數(shù)字化智能礦山建設(shè)規(guī)劃，研究設(shè)計了“一個中心、兩個平臺、多個系統(tǒng)”的方案，以完善平陰山水礦山數(shù)字化智能化建設(shè)內(nèi)容，進一步提高信息化建設(shè)水平，助力平陰山水打造成國內(nèi)領(lǐng)先的數(shù)字化智能化礦山。一個中心是礦山云數(shù)據(jù)中心：通過建立礦山云數(shù)據(jù)中心，用以接收來自不同軟件平臺、系統(tǒng)、硬件設(shè)備及生產(chǎn)管理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，同時所存儲的數(shù)據(jù)為各個系統(tǒng)平臺所應(yīng)用。兩個平臺包括：三維可視化管控平臺、智能管控軟件平臺。

（1）三維可視化管控平臺。三維可視化管控平臺以礦山安全、高效管理為目標(biāo)，通過將地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合作為基礎(chǔ)，對礦山復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)進行精確建模、實時感知、仿真模擬，從而提高日常生產(chǎn)過程中的響應(yīng)速度。三維可視化管控平臺包括三維GIS平臺、自動化數(shù)據(jù)集成、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)集成、安全管理等多個方面[9-10]。

（2）智能管控軟件平臺。智能管控平臺是礦山生產(chǎn)及日常管理數(shù)字化的一個重要集成；平臺通過數(shù)字化的手段將生產(chǎn)及管理過程中所需要的設(shè)備、工具、物資、能源等結(jié)合起來，進行集中的管理。簡化企業(yè)管理流程，實現(xiàn)管理信息指令智能化傳遞，大大提高區(qū)域管理效率[11]。

（3）多個系統(tǒng)。①全天候邊坡監(jiān)測系統(tǒng)：是一套全新智能自動化遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測點對坡體多因素變化進行全天候連續(xù)監(jiān)測，實時處理邊坡性狀變化的特征信息。同時將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至云端，利用分析軟件處理進行處理，根據(jù)實時處理的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行綜合分析，為邊坡的災(zāi)害發(fā)生提供預(yù)警。②綠色礦山企業(yè)自評估系統(tǒng)：綠色礦山企業(yè)自評估系統(tǒng)主要供參加遴選綠色礦山建設(shè)的企業(yè)使用，包含企業(yè)用戶登錄、企業(yè)申報、綠色巡檢等功能模塊。旨在幫助企業(yè)自身依據(jù)綠色礦山建設(shè)規(guī)范高標(biāo)準(zhǔn)進行生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。該系統(tǒng)中的評價指標(biāo)分為先決條件和評分表兩部分：A.先決條件屬于否決項，需全部達到要求否則直接淘汰出局；B.評分表需要企業(yè)自身進行自我評價，主要包括：自然環(huán)境、生產(chǎn)方式、資源綜合利用、節(jié)能減排、科技創(chuàng)新與智能礦山、企業(yè)管理與企業(yè)形象、企業(yè)自評等相關(guān)指標(biāo)。

圖3 邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)

4.建設(shè)效果與分析

綠色智能礦山充分融合兗州中材建設(shè)有限公司在大數(shù)據(jù)采集和處理、采礦工藝、生產(chǎn)管控、三維展示等方面智能礦山建設(shè)經(jīng)驗，具有實際的指導(dǎo)性、具體性與安全性。系統(tǒng)建成以后將達到如下建設(shè)效果。

（1）有效支持公司戰(zhàn)略落地。保證智能礦山建設(shè)與企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略相融合，為企業(yè)戰(zhàn)略措施的有效執(zhí)行提供支持。通過平臺化建設(shè)、數(shù)據(jù)集中化建設(shè)、應(yīng)用協(xié)同化建設(shè)將采礦資源管理、優(yōu)化調(diào)度與生產(chǎn)管控系統(tǒng)、三維展示平臺全面融合，杜絕了信息孤島現(xiàn)象，同時，通過建立大數(shù)據(jù)平臺，把露天礦山企業(yè)原有的信息系統(tǒng)以數(shù)據(jù)的形式進行有效的融合和管理，避免了系統(tǒng)的冗余和重復(fù)建設(shè)。

（2）增強高效的管控能力、支持重點業(yè)務(wù)管理改進。大幅提升企業(yè)管理水平和業(yè)務(wù)運作效率，確保智能礦山建設(shè)與業(yè)務(wù)需求高度吻合，有效支持礦山綠色、環(huán)保、快速的發(fā)展，為大型企業(yè)的信息系統(tǒng)建設(shè)提供平臺支撐，并可以支持源代碼級的高度定制化開發(fā)任務(wù)，因此為企業(yè)后續(xù)各類開發(fā)工作提供了無限制的技術(shù)支持。建立高效的生產(chǎn)管控與治理模式，提高效率，幫助企業(yè)建立科學(xué)的生產(chǎn)管控機制和運營管理方法，有效提高企業(yè)的生產(chǎn)管理效率。

（3）提供可靠依據(jù)。保證生產(chǎn)和經(jīng)營數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，加快信息傳遞效率，為管理者的決策提供數(shù)據(jù)支撐。利用人工智能技術(shù)幫助礦區(qū)建立有效的礦山實時監(jiān)測平臺，可通過收集的數(shù)據(jù)支撐政府決策，使用戶能夠高效的處理礦山數(shù)據(jù)。礦山數(shù)據(jù)內(nèi)容涵蓋礦山資源、開采、運輸、破碎的整個生產(chǎn)過程，礦山數(shù)據(jù)中心將礦山生產(chǎn)過程中的各項數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，通過統(tǒng)一的硬件與軟件實現(xiàn)礦山各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，為綠色生態(tài)建設(shè)提供安全可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5.結(jié)論

本次研究以綠色環(huán)保智能礦山為主題，依托于平陰山山水水泥有限公司，采用Spring Boot+VUE的開發(fā)框架，論述了“一個中心、兩個平臺、多個系統(tǒng)”的方案，包括礦山云數(shù)據(jù)中心、三維可視化管控平臺、智能管控軟件平臺、邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)、綠色礦山企業(yè)自評估系統(tǒng)等，將礦山建設(shè)與綠色開采理念相結(jié)合，既符合新形勢下國家對礦業(yè)開采的政策要求，又符合礦山企業(yè)升級轉(zhuǎn)型的趨勢，在綠色環(huán)保智能礦山建設(shè)的總體架構(gòu)下，科學(xué)、合理推進智能礦山建設(shè)，順應(yīng)科技與社會進步，為其他礦山企業(yè)實施提供有效的實踐示范經(jīng)驗，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)打下堅實基礎(chǔ)。

未來在“雙碳”背景下，中國礦業(yè)急需進行系統(tǒng)性的戰(zhàn)略調(diào)整，綠色環(huán)保智能礦山建設(shè)以綠色開采為理念，以高新技術(shù)為手段，實現(xiàn)國家產(chǎn)業(yè)政策的發(fā)展要求，推進礦山可持續(xù)性發(fā)展，踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明理念。同時在露天礦綠色智能礦山化建設(shè)方面，雖然取得一些成果，但仍存在很多不足需要在下一步中繼續(xù)努力：按照國家政策，全面推廣應(yīng)用智能化技術(shù)，達到智能化在礦業(yè)領(lǐng)域大范圍應(yīng)用；智能產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速，加快智能礦山技術(shù)的研發(fā)力度，不斷進行技術(shù)的更新與創(chuàng)新。