酒鋼西溝礦智能礦山建設規劃的編制

許守信，呂 化，任 毅，王軍宏，喬 敏

1酒鋼集團甘肅西溝礦業有限公司 甘肅嘉峪關 735100

2遼寧聚進科技有限公司 遼寧沈陽 110000

西溝礦是酒鋼唯一的石灰石礦，礦區平均海拔2 800 m，占地面積 25 km2，是一座現代化大型山坡露天礦山。西溝礦一直注重數字化、信息化礦山的建設，目前已經建成帶式輸送機和破碎無人值守系統、電動機車無人駕駛系統、自動計量系統、自動取制樣系統、汽運磅房無人值守系統、SKF 設備在線監控系統等。西溝礦雖然在數控化建設方面取得了較好的成績，但仍存在各系統數據不能互聯互通、采礦工藝生產流程數控化率低等問題。建設綠色智能礦山，是礦山可持續發展的基石，是化解高危行業風險的根本途徑，是提高生產效率和解決未來勞動力危機的重要手段。為了緊跟或趕超國內智能礦山建設的步伐，達到綠色礦山建設規范要求[1]，西溝礦提出了將綠色智能礦山建設作為今后一段時期的重點工作任務。

智能礦山是集信息化、自動化、數字化等為一體的礦山運營新模式[2]，是一套復雜的系統性工程，不僅僅是單純的信息化或數字化建設，更伴隨著組織機構、管理模式的全方位變革。因此，在沒有成熟經驗可借鑒的情況下，編制西溝礦智能礦山建設規劃，并按照統一規劃實施智能礦山建設任務，顯得十分重要。

1 規劃編制原則

為了使編制的智能礦山建設規劃具有合規性、時效性、先進性和實用性，在廣泛征求酒鋼相關技術專家意見的基礎上，明確了規劃編制過程必須遵守的原則。

(1)按照合理投資、追求回報、分期實施的原則編制智能礦山建設規劃。

(2)依據國內外智能礦山建設現狀和前瞻性先進技術，結合西溝礦實際情況，高起點、高標準進行智能礦山建設的頂層設計，指導智能礦山建設有序進行。

(3)智能礦山建設規劃文本內容要全面、結構要完整、重點要突出。規劃不但要包含國內外智能礦山發展現狀綜述、項目建設背景、編制依據、生產和管理現狀分析、系統設計、組織機構與人力資源配置、投資估算、技術經濟評價等內容，而且要制訂詳細的安全、環保、消防、職業衛生防控措施，使之符合現行國家、行業規范和強制性標準。

(4)礦山智能管控系統應與酒鋼現有 ERP 系統、安全環保管理系統、視頻會議系統、物資計量系統、理化檢驗系統、電量采集系統等信息系統對接兼容，并可以在原有的系統基礎上進行功能擴充和升級，不能重復建設。

(5)為了保證數據的互聯互通，智能礦山采礦三維模型和數據應在酒鋼三維電子地理門戶上展示，并定期更新。

(6)智能管控平臺要將礦山已建成的破碎和帶式輸送機遠程集控系統、電機車無人駕駛系統、設備在線監測系統、遠程放礦系統、自動過磅系統等集中接入，消除信息孤島，實現數據的互聯互通。

(7)智能礦山建設所需硬件設備要在滿足基本需求的前提下進行數量最小化采購，避免資源浪費。所有服務器、無線路由器、交換機等網絡設備要選用正規廠家的產品和正版系統軟件，應符合酒鋼集團公司準入目錄要求。

2 建設目標

“西溝礦智能礦山建設項目”擬將先進的信息技術與礦山工程、管理理念、管理方式和管理手段緊密結合起來，建設高效、綠色、智慧的礦山新生產管理體系，實現礦山管理模式和方法上的突破和創新，提高生產效率[3]，創造更大的經濟效益和社會效益。

(1)組織管理 建設生產指揮中心，優化管理層級，完善生產過程數據采集、生產過程控制、工業網絡、生產指揮決策等軟硬件系統，實現從生產指揮中心到崗位的垂直管理，精簡崗位，縮短管理流程，提高管理效率，提升勞動生產率。

(2)智能生產 分階段實施，逐步實現智能化、無人化的生產作業。在第一階段，圍繞西溝礦礦石生產全流程，解決各個生產環節的礦石質量跟蹤和配礦問題，并實現生產指揮的智能化、自動化，實現鉆、鏟、車的智能調度；第二至第四階段，對牙輪鉆機打孔、挖掘機鏟裝和礦用汽車運輸等作業內容研制智能化操作算法，實現智能化遠程操作和無人駕駛。

(3)智能管理 分階段實施，第一階段實現設備點檢、維修、備品備件管理、安全巡檢標準化管理、安全教育管理以及能源管理，提高后勤保障水平，保證生產安全，降低能源消耗；第二至第四階段，實現作業人員管理和智能化辦公，并能夠精準核算設備、能源、人力資源成本，精準計算產品單耗，能根據市場價格趨勢，反向優化生產策略，實現財務成本可逆關聯，實現全局效益最大化。

3 總體架構

為了實現智能礦山建設目標，擬定了西溝礦智能礦山建設總體架構[4-6]。西溝礦智能礦山建設總體架構如圖 1 所示，主要圍繞 4 個平臺或作業系統進行，即：公共管控平臺、采礦智慧生產平臺、采礦智能管理平臺以及鉆機、挖掘機、礦用汽車智能化作業系統(遠期)。各平臺 (系統)之間的大數據統一采集，統一存儲，互聯互通。

3.1 公共管控平臺

公共管控平臺是實現信息化集成、數字化顯示和設備遠程智能控制的基礎性平臺。主要建設內容包括：生產指揮中心建設，包含場地裝修、供配電設計、安全防護措施、數據中心服務器和網絡設施建設，指揮調度室和遠程操控室大屏幕、調度臺、工作站等設施建設、視頻會議系統、語音對講調度系統、網絡系統、視頻監控系統和自動化系統集控。

圖1 智能礦山建設總體架構Fig.1 Overall structure of intelligent mine construction

3.2 智慧生產平臺

智慧生產平臺主要針對礦山生產工藝各個環節，建設子系統，實現生產全流程的智能管理和指揮。主要建設內容包括：綜合調度指揮管理系統、采礦技術綜合管理系統、鉆機生產智能指揮系統、鏟裝品位智能跟蹤系統、采運生產智能指揮系統、溜井生產智能指揮系統、成品輸出計量管控系統和采礦成本智能優化系統。

3.3 智能管理平臺

通過智能管理平臺建設，實現生產運行數據、設備管理信息、安全檢測信息的實時顯示。主要建設內容包括：能源計量管控系統、智能化設備管控系統、安全標準化管理系統、排土場安全監控與預警系統、作業人員管理系統和智能化辦公系統。

3.4 鉆機、挖掘機、礦用汽車智能化作業系統

采場主體設備的智能化作業系統建設是智能化礦山建設內容中實現難度最大的環節，需要采取循序漸進的建設方案。擬定實施步驟為：對鉆機、挖掘機、礦用汽車智能化作業提出實施方案并進行充分論證；對鉆機打孔、挖掘機鏟裝和礦用汽車運輸等作業內容研制智能化操作算法；引入日趨成熟的人工智能技術，結合大量模擬試驗，初步實現采場生產作業的智能化。

4 分期建設

依據國內外智能礦山建設現狀、發展趨勢及技術成熟度，結合西溝礦實際情況，在智能礦山建設總體架構下，分為 4 期建設，逐步實現智能化礦山建設目標。

4.1 一期建設

借鑒國內現有的數字化、智能化礦山建設領域的成熟技術和經驗，建設包含數據中心、指揮調度室、遠程操控室、視頻監控系統和三維可視化顯示系統等內容的公共管控平臺，同時進行采礦智慧生產平臺下相關管理系統的軟件開發，全面實現數字化礦山建設目標，達到綠色礦山建設評價體系數控化率不低于70% 的要求[7-8]。

(1)生產指揮中心基礎設施和硬件設施 主要包括電教樓樓體加固、場地裝修、供配電設計、數據中心、大屏幕系統、操作控制臺、工作站、音響系統、視頻會議系統、語音對講調度系統、網絡系統、視頻監控系統和自動化系統集控。

(2)綜合調度指揮管理系統 主要包括組織機構數字化模塊、生產信息集成模塊、采礦三維數字管控模塊和移動管理終端。

(3)采礦技術綜合管理系統 主要包括礦巖三維地質建模模塊、地質取樣化檢及地質模型自動更新、生產計劃輔助設計、爆破輔助設計和智能驗收模塊[9]。

(4)鉆機生產智能指揮系統 具備自動分配鉆孔作業功能；具備孔深孔位等生產作業信息、設備重要運行參數采集功能，自動分析設備運行狀態，故障、異常時自動報警；鉆機司機能通過智能管控終端接受調度指令，上傳故障信息和異常信息；生產報表自動生成，能對機臺、班組產量、故障率和作業率等信息進行統計，為績效核算提供數據支持。

(5)鏟裝品位智能跟蹤系統 具備鏟裝區域監督、管理功能；具備鏟斗礦石品位跟蹤功能，為質量配礦提供依據；自動記錄挖掘機工作區域軌跡。

(6)采運生產智能指揮系統 在配礦及產量、運量最大化的基礎上，實現挖掘機、礦用汽車智能調度；采場車輛具備防碰撞智能預警功能；具備油耗自動檢測核算功能，自動核算單耗和周轉量；具備車輛信息顯示、采集及故障診斷、超限自動報警功能；具備采場道路信息自動更新功能；具備車輛導航功能，指導司機按照最近的路線行駛；自動統計司機違規操作信息和機臺產量信息。

(7)溜井生產智能指揮系統 主要包括智能放礦管控模塊、完善無人駕駛功能和溜井料位監測模塊。

(8)能源計量管控系統 對鉆機、挖掘機、電動機車、帶式輸送機、除塵和辦公系統電量實時采集；采集各個用水區域的日用水量消耗明細，自動生成統計報表與分析圖表；具備生產汽車、工程車輛、通勤車油耗檢測和統計分析功能，油耗異常智能報警，自動生成統計報表和分析圖表。

(9)安全標準化管理系統 自動生成巡檢計劃；巡檢人員通過智能管控終端上傳隱患的圖像、語音和文字描述；隱患整改流程化；借助智能管控終端很方便地進行上崗前安全教育和安全考試；具備安全管理信息綜合查詢分析功能。

4.2 二期建設

主要對一期新開發的采礦技術綜合管理系統、安全標準化管理系統以及排土場安全監控與預警系統進行升級，同時進行采礦智慧生產平臺下成品輸出計量管控系統和智能化設備管控系統的軟件開發，全面實現生產工藝流程的智能化管控。

(1)采礦技術綜合管理系統 (智能設計部分)主要包括生產月計劃智能生成、智能爆破設計及爆破優化。

(2)化驗室自動取樣化驗分析系統 實現功能：取樣、制樣、化驗、數據上傳全自動運行。

(3)成品輸出計量管控系統 將磅房無人值守系統數據統一采集到數據中心，并建設一套火車智能計量管控系統，實現數據的互聯互通，對產品輸出進行實時統計，生產報表自動生成。

(4)智能化設備管控系統 主要包括：斯凱孚在線監測系統集成；設備點檢、維修和庫房管理系統的擴充；潤滑、固定資產、折舊、采購智能分析、智能申請、維護和檔案管理系統的擴建。

(5)安全標準化管理系統改進 主要對法規制度和應急救援進行持續改進。

(6)排土場安全監控與預警系統升級 在排土場周圍設立多部智能攝像頭及高音喇叭，實現排土場24 h 實時監控和危險報警。當有外來人員、車輛或動物等進入排土場，系統能夠自動報警。

(7)作業人員管理系統 實現作業人員日常管理的信息化 (包括考勤、出差)。

(8)智能化辦公系統擴展 通過手機、平板電腦實現公文一鍵分發，實現移動端快速審批；通過移動終端實現會議申請、會議信息推送、會議紀要、公文和考勤系統的智能化管理。

4.3 三期建設

主要進行采礦智慧生產平臺下部分功能模塊的完善，在已建成鉆機生產智能指揮系統的基礎上，完成鉆機遠程遙控自主化智能作業系統的建設，實現除電鏟和大車以外其他主體設備的遠程智能操作。

(1)采礦成本智能優化系統 通過對智能生產和智能管理系統采集上來的數據進行匯總，實現成本智能核算；計算出單位產品的成本后，能夠根據市場價格的變動，反推每一道工序的成本控制指標和生產計劃。

(2)作業人員管理系統 完善合同、薪酬、人員需求、培訓管理、人力資源成本核算和工作績效考核等統一管理，實現績效自動核算。

(3)智能化辦公系統 完善黨務、技術、采購、差旅管理流程，實現計算機精細化智能管理。

(4)建設鉆機遠程遙控自動化智能作業系統第一步：鉆機具備遠程遙控行走、鉆孔位置輔助定位、自主調平、單孔自主鉆孔、卡鉆自動調整、接桿換桿、水壓水量控制、液壓傳動控制、風壓操作控制、運行狀態監測與故障診斷、智能集中潤滑控制、視頻監控采集、GPS 定位 (鉆機模型建立)、障礙物識別和防碰撞等功能；第二步：實現有人操作、遠程遙控和無人駕駛三級控制模式。

4.4 四期建設

在總結牙輪鉆遠程遙控智能作業系統建設經驗的基礎上，全力實施電鏟遠程操作和礦用汽車無人駕駛技術改造，打通全面建成智能礦山的“最后一公里”。

(1)建設電鏟智能化作業系統 第一階段：電鏟具備遠程遙控行走、鏟裝位置輔助定位、水平信息采集調平、推壓操作控制、提升操作控制、旋轉操作控制、風壓操作控制、液壓傳動控制、運行狀態監測與故障診斷、視頻監控采集、GPS 定位 (電鏟模型建立)、障礙物識別和防碰撞等功能；第二階段：實現有人操作、遠程遙控和無人駕駛三級控制模式。

(2)建設礦用汽車智能化作業系統 礦用汽車具備遠程操作啟停，根據路徑規劃及避障算法自動轉向、換擋，根據指令遠程控制液壓翻斗舉升下降，遠程運行狀態監測與故障診斷，智能集中潤滑控制，視頻監控采集、GPS 定位 (礦用汽車模型建立)及障礙物識別和防碰撞等功能。

4.5 分期建設工期

從技術現狀、施工條件、資金狀況及經濟效益等多角度考慮，建設絕對工期分別為：一期 18 個月、二期 18 個月、三期 18 個月、四期 24 個月。

5 經濟效益分析

智能礦山建設項目投資較大，直接經濟效益產出情況是決策該項目是否可行、能否立項的重要依據之一。因此，掌握全面、科學合理的分析方法顯得尤為重要。

(1)一期效益 公共管控平臺、智慧生產平臺、采礦技術綜合管理系統投運后，相關崗位減員帶來的人工成本效益；實現科學配礦和穩定產品質量產生的綜合經濟效益；地質建模、鉆機精準鉆孔和電鏟精準鏟裝使回采率提高所帶來的經濟效益；鉆、鏟、車、溜井和電動機車的實現智能調度，作業效率提高創造的效益；鉆機、電鏟、電動機車和帶式運輸系統的電耗精細管理所節省的電費；車輛油耗精細管理所節省的油耗費用。

(2)二期效益 設備智能管理系統、安全綜合管理系統、自動取樣化驗分析系統和成品裝礦系統投入運行后，相關崗位減員帶來的人工成本效益；智能化設備管控系統使設備故障率降低所減少的維修費用和備件采購成本。

(3)三期效益 智能管理平臺及鉆機智能化作業系統投入運行后，相關崗位減員帶來的人工成本效益；采礦成本智能優化系統投運后，采礦各個工序單位生產成本降低所創造的經濟效益。

(4)四期期效益 電鏟、礦用汽車智能化作業系統建成，值班長、電鏟司機、大車司機減員所節省的人力資源成本；人為因素造成的設備故障減少所節省的外委維修費用；電鏟和礦用汽車智能化作業使生產效率大幅度提高所創造的經濟效益。

6 結語

(1)西溝礦提出的智能礦山建設規劃編制方案被咨詢設計單位采納，《西溝礦智能礦山建設規劃》文本及可行性研究報告已通過酒鋼集團公司審查，并從2020 年起分期實施。

(2)規劃的編制為西溝礦有條不紊地推進智能礦山建設項目提供了根本遵循，有助于將西溝礦打造成為行業領先的新型智能化礦山。

(3)鑒于信息技術、智能制造技術呈現日新月異、不斷發展變化的趨勢，在一期項目建設完成后，需要對二、三、四期的可行性研究報告的時效性、有效性進行再評價，根據評價結果修訂完善可行性研究設計內容，以確保每一期建設內容利用最先進、最前沿的技術。

(4)一、二、三期建設內容有成熟技術作支撐，在建設期內實現目標的可能性很大。四期建設內容由于電鏟、礦用汽車的無人化或遠程操作在國內外仍然處于研究試驗階段，因此，能否在規劃建設工期內實現目標存在不確定性，暫且只能作為礦山全面實現智能化的奮斗目標。