淺談數字礦山在露天礦的發展

賀 君

(中國廣核電力股份有限公司， 廣東 深圳市 518000)

0 引 言

數字礦山是礦業領域的熱門研究內容。我國《“十三五”資源領域科技創新專項規劃》提出：為全面提升我國礦山行業的生產技術水平，推動傳統行業的轉型升級，充分利用現代通信、傳感、信息與通訊技術，實現礦山生產過程的自動檢測、智能監測、智能控制與智慧調度，有效提高礦山資源綜合回收利用率、勞動生產率和經濟效益收益率[1]。毋庸置疑，采礦工具與技術的變革是我國礦山企業升級轉型的必經之路[2]。

上世紀 80年代起，我國露天礦山的比重逐漸增加，露天礦較之地下礦山具有運用大量大型自動化設備、工藝先進、產量高的特點[3]。基于以上特點，我國露天礦山十分注重安全高效科學管理，數字礦山可以為其提供一個很好的平臺。目前，國內外高校、科研單位、礦業公司已經進行了大量研究，并在一些礦山建立了數字化體系，取得了一定的成果，但與真正意義上的數字礦山依然相差較大。

鑒于此，筆者擬從工程應用的角度，從數字礦山軟件、硬件、發展趨勢等方向開展相關分析和研究，為露天礦山數字化發展提供助力。

1 數字礦山的含義

國內外許多學者都對“數字礦山”進行了定義并提出了自己的見解，但并沒有統一的定義。綜合之前學者的相關研究，數字礦山首先是將礦山各個時期的每個地點每個崗位甚至每臺機器的全部信息進行采集，在此基礎上建立起一個信息化數字化的礦山，人們通過這個虛擬的礦山可以了解礦山的全貌，更加科學的知道生產決策，實現集中管控[4]。數字礦山以高度的信息化為表現形式，高效率的自動化采礦為最終目標[5]。

2 數字礦山的發展

從工程建設的角度來看，數字礦山的建設包含硬件和軟件兩方面的內容[6]。在軟件方面，研究的主要內容包括通過 3DGIS技術實現三維可視化建模，通過掌握整個礦山的數據進行決策分析和科學管控等；在硬件方面，數字礦山的關鍵內容主要有海量數據的集成平臺、高速網絡建設、智能檢測設備或無人設備等。數字礦山是一個多學科、多領域交叉的復雜研究課題。

2.1 軟件發展

2.1.1 三維可視化建模

礦業軟件的開發始于上世紀 90年代，首先在國外礦業發達國家進行。目前主流的礦業軟件包括:英國礦山計算有限公司（MICL）開發的 Datamine采礦軟件系統、澳大利亞Supac國際軟件公司開發的 Surpac軟件、澳大利亞 MAPTEK公司開發的Vulcan軟件、加拿大Kirkham Geosystems公司研發的 MicroLynx、澳大利亞 Micromine公司開發的Micromine軟件、北京三地曼礦業軟件科技有限公司開發的 3Dmine、長沙迪邁數碼科技股份有限公司的DIMINE軟件等，各軟件的應用領域見表1。

盡管有許多國家的軟件公司開發了眾多的礦業軟件，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：提供地質數據分析和地質的三維展示，以及三維的采礦設計等。并且隨著虛擬現實技術的發展，又出現了基于虛擬現實技術的真三維開采模擬。

表1 主流礦業軟件

2.1.2 決策分析

目前露天礦的生產決策研究主要集中于以三維可視化模型為基礎的卡車調度和配礦優化。

隨著GPS定位及通訊技術的發展，使得露天礦卡車科學自動化調度成為可能。露天礦卡車優化調度系統最早在上世紀六七十年代開始探索。美國Modular公司于八十年代成功研發出 DISPATH系統，其他國家也開始引進其系統，用于露天礦山降本增效。國內從上世紀九十年代開始也逐步進行了許多嘗試，并在一些礦山取得了不錯的生產效益和經濟效益。

自上世紀 60年代以來，許多學者運用運籌學知識進行配礦問題分析，線性規劃被認為是最快速有效的求解辦法，但其考慮問題比較簡單，且并不能真正和地質圖結合。隨著3S（GPS，GIS，RS）技術的發展和三維可視化軟件的成熟，露天礦山初步實現了生產計劃和配礦的智能化，可精確實現多礦種、多區域的品位控制，能夠顯著的提升礦山經濟效益（見圖1）。

推進《黑龍江省節約用水條例》《黑龍江省地下水管理辦法》立法，印發《黑龍江省“十三五”節水型社會建設規劃》《縣域節水型社會達標建設工作實施方案(2017—2020年)》，節水規劃體系進一步完善。

2.1.3 管理和控制

數字露天礦山最終應該展現為一個綜合的管控平臺，可以對露天礦山的各個方面進行智能管理和控制。其主要內容包括：安全管理、調度管理、計劃管理、設備管理、供電管理、采礦管理、水文地質管理、質量標準化管理、文檔管理、財務管理、材料管理[4]。

圖1 自動化配礦效果[2]

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

2.2 硬件發展

2.2.1 集成平臺

集成平臺是一個用于各類數據存儲的軟件平臺[7]，此平臺能夠提供各類信息的接口，用以實現不同部門的數據交換。近年來，計算機大型存儲設備的發展十分迅速，為礦山信息集成平臺的建立提供了物質基礎。

2.2.2 高速網絡

高速網絡是實現露天礦通訊和遠程管控的前提。最早以太網被引入一些工業領域，近些年信息技術迎來大發展時代，無源光網絡和同步數字體系等其他信息技術也逐漸應用于工業并取得了成功,礦山企業也順勢引進了這些信息網絡技術發展成了礦山高速信息網絡,該網絡在礦山信息傳輸方面發揮著巨大作用[8]。

除此之外，數字礦山建設依托網絡，可以實現對礦山的集團化管理。

2.2.3 智能設備

無人機因其簡單易行且精度高的特點，廣泛應用于露天礦監測和測繪等工作，大大減輕了工人的勞動強度和工作時間。

早在上世紀八九十年代，美國的卡特彼勒和日本的小松公司運用 GPS和雷達探測露天礦無人駕駛礦用汽車，減少了人力并實現遠程遙控。

3 發展趨勢

（1）在軟件方面，未來的發展趨勢是實現整個露天礦山的管控一體化，其基礎是以3DGIS技術支持的數字礦山海量信息集成平臺。而目前行業內并沒有一個統一的信息標準，數據的兼容性差，容易產生信息孤島。因此必須將各類信息標準化，設計合理的數據接口，并保證數據的安全性。

（2）在硬件方面，今后的研究重點在于智能設備的研制和高速網絡建設。設備智能化是指設備可進行自身運行參數和運行線路的檢測，并能夠自動控制完成預設的采礦任務，其接口亦可實現人機交互[8]。通過研發新型傳感設備實現礦井信息網絡的穩定傳輸和全覆蓋是當今的研究熱點。目前，我國礦山的智能化程度較低，距離實現真正的智能化礦山還有很長的路要走。

4 結 語

無論從資源日益枯竭的形勢來看還是從政策導向來說，礦山數字化都是礦業企業的必然趨勢。數字礦山意在通過建立整個礦山的海量信息集成平臺，對整個礦山實行科學決策和統一管控，大大提高工作效率和經濟效益。

數字礦山的建設需要一個漫長的過程，經過幾十年的研究，雖然已初步形成一定規模，但距離真正實現智慧礦山還有很長路要走。在當今科技和信息大變革的時代，礦業企業只有順應浪潮不斷革新，才能煥發出新的生機。