某高寒高海拔礦山智能化建設(shè)探討①

黃 毅， 張 燕， 黎常青

（1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410019； 2.中鋁環(huán)保節(jié)能科技（湖南）有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410019； 3.華楚智能科技（湖南）有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410019）

隨著全球礦產(chǎn)資源開采難度不斷加大、安全環(huán)保要求進(jìn)一步加強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外礦業(yè)公司都在積極探索開發(fā)礦山智能化建設(shè)［1-4］。 云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、無人駕駛、人工智能等新一代信息技術(shù)發(fā)展日趨成熟，正在不斷推動(dòng)傳統(tǒng)礦山行業(yè)的智慧化轉(zhuǎn)型［5-7］。與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)礦山智能化建設(shè)還存在一定差距［8］，仍處于智能化建設(shè)的初級(jí)階段。 當(dāng)建設(shè)項(xiàng)目處于高寒高海拔地區(qū)時(shí)，為了保障工作人員安全、提高生產(chǎn)效率，建設(shè)少人甚至無人智能礦山是必然選擇。本文對(duì)某高寒高海拔地區(qū)大型有色礦山智能化建設(shè)的可行性進(jìn)行了探討。

1 項(xiàng)目概況

我國(guó)某大型有色金屬礦山位于青藏高原，海拔5 000～5 800 m，礦區(qū)5 400 m 以上常年積雪。 項(xiàng)目建設(shè)主要包括礦山開采與礦石碎磨、長(zhǎng)距離礦漿管道輸送和冶煉3 大部分。 根據(jù)礦體賦存條件，礦山采用全露天開采模式；礦石經(jīng)破碎磨礦處理后，制備成礦漿，通過長(zhǎng)距離管道輸送到冶煉廠區(qū)，壓濾后堆存作為冶煉原料；冶煉廠位于山下工業(yè)園區(qū)，距離礦區(qū)直線距離約300 km，海拔約1 400 m。

由于礦山地處高原，土壤發(fā)育較差，植被覆蓋率極低，具有高寒高海拔、含氧率低（空氣中氧氣含量為內(nèi)陸的40%～45%）的特點(diǎn)，礦山及管道沿線的人工作業(yè)難以長(zhǎng)時(shí)間開展，按常規(guī)礦山建設(shè)無法維持正常的運(yùn)營(yíng)。 針對(duì)該資源儲(chǔ)量大、品位高的大型金屬礦山，建設(shè)條件的限制迫使建設(shè)方及設(shè)計(jì)方開展智能化、少人化甚至無人化建設(shè)方案的研究，最大程度地降低高海拔現(xiàn)場(chǎng)人員的數(shù)量、作業(yè)強(qiáng)度和作業(yè)時(shí)間，同時(shí)在礦山配備制氧站以確保人員的健康和安全，最終目標(biāo)是建成一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、綠色智能的大型礦山及冶煉企業(yè)。

2 智能化建設(shè)頂層設(shè)計(jì)

2.1 智能化建設(shè)目標(biāo)

該智能礦山／冶煉廠建設(shè)總體目標(biāo)是“無人、少人、遠(yuǎn)程操作、高質(zhì)高效、安全可靠、綠色環(huán)保”，以地測(cè)、采剝、碎礦、礦漿輸送、冶煉工藝為核心，數(shù)字化與自動(dòng)化為基礎(chǔ)，信息化為紐帶，ICT 支撐平臺(tái)為支撐底座，打造智能礦山／冶煉廠。

2.2 智能化建設(shè)設(shè)計(jì)

以信息化和工業(yè)化“兩化”融合為出發(fā)點(diǎn)，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工作環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化管理、少人操作、“無人”操作為建設(shè)目標(biāo)，基于數(shù)字化、模型化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、信息化服務(wù)之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，智能化建設(shè)設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面：

1） 整體規(guī)劃、分步實(shí)施、試點(diǎn)先行。 根據(jù)智能化總體建設(shè)目標(biāo)，充分考慮工程實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)智能化建設(shè)進(jìn)行整體規(guī)劃，分步推進(jìn)建設(shè)進(jìn)程，優(yōu)先進(jìn)行礦山采礦、碎磨及管道運(yùn)輸智能化建設(shè)，后期建設(shè)冶煉廠智能化。

2） 統(tǒng)一平臺(tái)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、互聯(lián)互通。 統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一組織方案設(shè)計(jì)，明確業(yè)務(wù)流程，梳理信息流程，統(tǒng)一技術(shù)平臺(tái)，統(tǒng)一模型，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。 通過智能網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及服務(wù)與服務(wù)之間互聯(lián)互通，以及橫向、縱向和端到端的高度集成。

3） 效益優(yōu)先、持續(xù)優(yōu)化。 以解決生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和企業(yè)管理的實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵控制技術(shù)的升級(jí)、突破；并在生產(chǎn)運(yùn)行中不斷完善、持續(xù)提升。

4） 技術(shù)與管理同步推進(jìn)，共同提升。 智能化建設(shè)需考慮技術(shù)提升與管理制度相匹配，必須從組織機(jī)構(gòu)、定員、定責(zé)出發(fā)，依據(jù)技術(shù)管理要求，對(duì)管理流程進(jìn)行優(yōu)化集成，建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與知識(shí)庫(kù)，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與知識(shí)庫(kù)融入到智能制造的系統(tǒng)之中。

5） 堅(jiān)持以工藝為核心，從生產(chǎn)工藝的需求出發(fā)，對(duì)工藝進(jìn)行分解與數(shù)字化建模，提供建設(shè)方案，在現(xiàn)有技術(shù)條件下盡可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，通過信息化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，集中統(tǒng)一協(xié)同管理。

3 智能化建設(shè)方案

3.1 ICT 平臺(tái)建設(shè)

ICT 支撐平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容包括ICT 基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字化使能平臺(tái)、智能運(yùn)營(yíng)中心等3 大部分。 旨在建設(shè)本工程運(yùn)營(yíng)管理統(tǒng)一的數(shù)字平臺(tái)，平臺(tái)向下通過物聯(lián)網(wǎng)、ROMA 實(shí)現(xiàn)所有子系統(tǒng)的接入管理，向上通過服務(wù)方式為應(yīng)用提供數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)開放的訪問接口，打造統(tǒng)一、開放、可靈活擴(kuò)展的園區(qū)管理應(yīng)用底座；進(jìn)行園區(qū)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)治理，形成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)主題庫(kù)（人、車、物、事件等）；業(yè)務(wù)上實(shí)現(xiàn)園區(qū)綜合態(tài)勢(shì)、綜合安防、人員車輛管理、資產(chǎn)管理、能耗管理、環(huán)境空間及設(shè)備設(shè)施管理等智慧化應(yīng)用。

IT 基礎(chǔ)設(shè)施分為模塊化機(jī)房、基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)、IT 基礎(chǔ)平臺(tái)3 個(gè)部分，其總體布置示意見圖1。 礦山區(qū)域移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)采用LTE 4G 專網(wǎng)方案，TDD 模式，頻率1.8 GHz，自建局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的主要區(qū)域有生活區(qū)、采礦區(qū)、車載運(yùn)輸區(qū)以及礦區(qū)內(nèi)主要辦公區(qū)，覆蓋范圍約5 km2，為礦區(qū)集群通信、無線視頻監(jiān)控、移動(dòng)辦公、監(jiān)測(cè)設(shè)備等數(shù)據(jù)提供穩(wěn)定可靠的無線傳輸通道。 礦區(qū)無線專網(wǎng)架構(gòu)見圖2。

圖1 IT 基礎(chǔ)設(shè)施總體布置示意

圖2 礦區(qū)無線專網(wǎng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)使能平臺(tái)包括數(shù)據(jù)融合集成平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)集成平臺(tái)、集成通信平臺(tái)、GIS 平臺(tái)、視頻云平臺(tái)、位置服務(wù)、單點(diǎn)登錄。

智能運(yùn)營(yíng)中心以領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙作為目標(biāo)，基于大屏展現(xiàn)實(shí)現(xiàn)綜合態(tài)勢(shì)、園區(qū)安防、應(yīng)急管理、設(shè)備運(yùn)維、能耗分析、信息發(fā)布等。

3.2 智能化支撐系統(tǒng)建設(shè)

智能化支撐系統(tǒng)建設(shè)圍繞本采冶工程智能化技術(shù)支持服務(wù)展開，按照技術(shù)服務(wù)專業(yè)化的建設(shè)思想規(guī)劃打造企業(yè)技術(shù)支持與創(chuàng)新發(fā)展平臺(tái)；從生產(chǎn)工藝技術(shù)支撐出發(fā)，智能化建設(shè)包括業(yè)務(wù)主數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建模、數(shù)字化設(shè)計(jì)與優(yōu)化、生產(chǎn)與作業(yè)計(jì)劃編制與排程、模擬仿真分析、大數(shù)據(jù)分析等。 智能化支撐系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)見圖3。

圖3 智能化支撐系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)

3.3 生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)

生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)以生產(chǎn)操作無人化或少人化、提高生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率、節(jié)能環(huán)保、降低勞動(dòng)強(qiáng)度與生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全作為建設(shè)目標(biāo)，圍繞地測(cè)、采剝、碎磨、礦漿管道輸送、冶煉和公輔工程進(jìn)行建設(shè)。 其建設(shè)內(nèi)容主要包括以下幾方面：

1） 地測(cè)采自動(dòng)化。 礦山地處高海撥、高寒地帶，作業(yè)環(huán)境十分惡劣，礦山測(cè)量采用無人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)；高原型高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)利用先進(jìn)鉆機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)、鉆孔導(dǎo)航系統(tǒng)，輔助定位控制功能，實(shí)現(xiàn)潛孔鉆機(jī)自動(dòng)布孔；基于5G 網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、大帶寬的優(yōu)勢(shì)，利用ADAS技術(shù)，開展礦山無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員；鏟裝設(shè)備、炸藥混裝車及其他輔助設(shè)備通過固定網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、遠(yuǎn)程操控臺(tái)、控制服務(wù)器、車載無線通信終端、車輛定位裝置、車載控制器、數(shù)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)、無線視頻攝像頭、電纜、光纜、接線盒、避雷器、軟件等，實(shí)現(xiàn)視距遙控與地表遠(yuǎn)程遙控。

2） 碎磨自動(dòng)化。 碎磨車間位于海拔5 000 m 以上，碎磨自動(dòng)化以無人值守作為基礎(chǔ)目標(biāo)、碎磨流程優(yōu)化作為遠(yuǎn)景目標(biāo)，打造碎磨DCS 自動(dòng)控制系統(tǒng)與碎磨APC 先進(jìn)過程控制系統(tǒng)。 碎礦及磨礦控制流程見圖4和圖5。

圖4 破碎篩分流程優(yōu)化控制流程

圖5 磨礦分級(jí)流程優(yōu)化控制流程

3） 礦漿管道輸送自動(dòng)化。 礦漿管道輸送約450 km，起點(diǎn)海拔5 600 m，終點(diǎn)標(biāo)高1 400 m，距離遠(yuǎn)、高差大，線路環(huán)境復(fù)雜，交通通信不便，智能化建設(shè)內(nèi)容包括加壓泵房、壓力監(jiān)測(cè)站、管道等無人值守系統(tǒng)，SCADA 管道數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，管道DCS 控制系統(tǒng)和管道專家顧問系統(tǒng)。

4） 冶煉自動(dòng)化。 冶煉廠位于山下工業(yè)園區(qū)，工作環(huán)境較好。 冶煉自動(dòng)化建設(shè)基于經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)的全流程優(yōu)化作為建設(shè)目標(biāo)，從配料、回轉(zhuǎn)窯氧化、濕法和火法冶煉、配套的綜合回收生產(chǎn)工藝入手，打造冶煉DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)、冶煉APC 先進(jìn)過程控制系統(tǒng)，并于MES 系統(tǒng)集成融合，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化與精益化管理。

5） 公輔工程自動(dòng)化。 公輔工程包括礦區(qū)、冶煉工業(yè)園區(qū)以及連接二者的供電線路、交通線路、礦漿管道線路的公輔工程與設(shè)備。 公輔工程自動(dòng)化建設(shè)從綜合安防、人員通行、車輛通行、資產(chǎn)管理、設(shè)施管理、能效管理、環(huán)境空間7 個(gè)管理域入手，建設(shè)內(nèi)容包括工程車輛監(jiān)控系統(tǒng)、供電無人值守系統(tǒng)、供水無人值守系統(tǒng)、壓氣無人值守系統(tǒng)、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、過磅計(jì)量無人值守系統(tǒng)。

3.4 管理信息化系統(tǒng)建設(shè)

生產(chǎn)管理信息化為生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成、集中管理、透明可視、優(yōu)化分析等提供統(tǒng)一平臺(tái)，旨在實(shí)現(xiàn)管控一體化、精準(zhǔn)化管理，全方位提高效率、降低成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、保障安全和質(zhì)量，并通過ROMA 數(shù)據(jù)集成融合平臺(tái)與上級(jí)公司ERP 及其他信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成管理。 其建設(shè)架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 管理信息化系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)

4 智能化建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)

目前國(guó)內(nèi)外礦山均朝智能化建設(shè)方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)礦山智能化建設(shè)略晚于國(guó)外，仍處于智能化建設(shè)初級(jí)階段，且目前為止還沒有高寒高海拔礦山成功實(shí)現(xiàn)智能化建設(shè)，故本項(xiàng)目在高寒高海拔礦山智能化建設(shè)施工、智能礦山平臺(tái)建設(shè)、智能化設(shè)備的選擇、智能礦山的資金投入、運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)和高素質(zhì)人才培養(yǎng)等各方面均面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。 本項(xiàng)目建設(shè)面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)如圖7 所示。

圖7 項(xiàng)目智能化建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)

5 結(jié) 語

1） 對(duì)于開采條件困難、建設(shè)條件復(fù)雜的礦山，智能化建設(shè)是必然選擇。 本文提出礦山開采-物料輸送-冶煉一體化項(xiàng)目的智能化建設(shè)方案，通過提高整個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備的智能化、自動(dòng)化程度，最大程度克服礦山外部建設(shè)條件不足等不利因素，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該國(guó)家級(jí)大型礦山的開發(fā)。

2） 與礦山常規(guī)建設(shè)方案相比，本項(xiàng)目智能化建設(shè)新增投資約3 億元人民幣，減少定員約60%，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)人員的工作強(qiáng)度，能有效實(shí)現(xiàn)企業(yè)降本增效，是具有可實(shí)施空間、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的智能化建設(shè)方案，可供同行交流和探討。

3） 我國(guó)礦山智能化建設(shè)任重道遠(yuǎn)，本項(xiàng)目實(shí)施雖存在一定風(fēng)險(xiǎn)，但隨著國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G 通訊、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)日新月異的發(fā)展以及國(guó)家政策的大力支持，相信在未來幾年能實(shí)現(xiàn)對(duì)該項(xiàng)目的智能化建設(shè)，成功打造國(guó)家級(jí)開發(fā)基地，并大力推動(dòng)國(guó)內(nèi)礦山和冶煉廠智能化建設(shè)的步伐。