露天礦綠色智能礦山系統(tǒng)建設研究

＊劉占中 陳善成 李慧穎

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

傳統(tǒng)的礦產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)產生眾多的污染與破壞，原始的生產方式嚴重影響礦業(yè)乃至地區(qū)的經濟可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)文明建設。近幾年，綠色礦山建設已成為礦業(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，加快礦產資源走向綠色開采之路，國家個部委聯(lián)合印發(fā)《關于加快建設綠色礦山的實施意見》要求，旨在通過增強政策支持力度，推進綠色礦山建設進程，建設符合新時代生態(tài)文明建設要求的礦業(yè)發(fā)展新模式[1-4]。

當下，國內外有關綠色礦山建設的研究資料以機器智能化與綠色開采兩方面為主，在實際生產中的應用也在快速更新。趙威等學者[5]利用三山島金礦的自然現(xiàn)狀，提出“過程控制+經營決策+綠色礦山理念”的設計架構，進一步形成適宜的智能綠色礦山建設體系，增加了礦產資源的高效開發(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，引進5G+互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網等新型自動化技術，進行礦山企業(yè)與自動化技術的“兩化融合”，推進智能礦山的建設。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中，通過數(shù)字智能化的手段來引導資源開采走向低污染，希望在未來智能化礦山綠色開采領域有一定的研究意義。

1.智能礦山建設背景

平陰山水水泥有限公司響應國家政策指導，于2018年11月份開始轉型建設綠色礦山建設。截至當下平陰山水水泥有限公司已經在其礦山建設了石灰石品位分析系統(tǒng)和露天礦車輛智能調度管理系統(tǒng)，為企業(yè)帶來了明顯的經濟效益。如圖1所示，利用露天礦車輛智能調度管理系統(tǒng)的可視化，實時監(jiān)控和優(yōu)化調度礦山生產作業(yè)車輛、工程車輛等設備，形成一種快速智能可視化的新型現(xiàn)代礦山調度指揮系統(tǒng)。兗州中材建設有限公司通過在行業(yè)內多年的經驗和技術積累，為實現(xiàn)水泥礦山現(xiàn)代化建設，結合平陰山水水泥有限公司的現(xiàn)場情況，設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，建設方案共包含幾個部分內容：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，平陰山水在礦容礦貌、環(huán)境保護、生態(tài)修復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設計

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，采用非關系型數(shù)據(jù)（Redis）和關系型數(shù)據(jù)庫（Mysql）結合實現(xiàn)，集成各種數(shù)據(jù)標準協(xié)議接口，對采礦生產的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、地質勘測數(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

建立應用服務層，系統(tǒng)提供Restful規(guī)范標準接口，方便同其他信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互；實際應用展示，主要是智能管控平臺（生產執(zhí)行系統(tǒng)），包括PC端和手機端，該系統(tǒng)采用自主研發(fā)自有知識產權的數(shù)字礦山管理平臺，平臺集成了報表引擎、審批工作流、預警服務等功能，對采礦生產、設備、資源儲量等進行科學化的管理。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.建設內容

針對平陰山水泥有限公司數(shù)字化智能礦山建設規(guī)劃，研究設計了“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)字化智能化建設內容，進一步提高信息化建設水平，助力平陰山水打造成國內領先的數(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)、硬件設備及生產管理過程中產生的數(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，通過將地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實技術及物聯(lián)網等技術相結合作為基礎，對礦山復雜的生產系統(tǒng)進行精確建模、實時感知、仿真模擬，從而提高日常生產過程中的響應速度。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)字化的手段將生產及管理過程中所需要的設備、工具、物資、能源等結合起來，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，為邊坡的災害發(fā)生提供預警。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)綠色礦山建設規(guī)范高標準進行生產轉型。該系統(tǒng)中的評價指標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)自評等相關指標。

圖3 邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)

4.建設效果與分析

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

（1）有效支持公司戰(zhàn)略落地。保證智能礦山建設與企業(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、數(shù)據(jù)集中化建設、應用協(xié)同化建設將采礦資源管理、優(yōu)化調度與生產管控系統(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)的冗余和重復建設。

（2）增強高效的管控能力、支持重點業(yè)務管理改進。大幅提升企業(yè)管理水平和業(yè)務運作效率，確保智能礦山建設與業(yè)務需求高度吻合，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，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支持。建立高效的生產管控與治理模式，提高效率，幫助企業(yè)建立科學的生產管控機制和運營管理方法，有效提高企業(yè)的生產管理效率。

（3）提供可靠依據(jù)。保證生產和經營數(shù)據(jù)準確性，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)內容涵蓋礦山資源、開采、運輸、破碎的整個生產過程，礦山數(shù)據(jù)中心將礦山生產過程中的各項數(shù)據(jù)進行標準化建設，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)建設提供安全可靠的數(shù)據(jù)基礎。

5.結論

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，將礦山建設與綠色開采理念相結合，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)升級轉型的趨勢，在綠色環(huán)保智能礦山建設的總體架構下，科學、合理推進智能礦山建設，順應科技與社會進步，為其他礦山企業(yè)實施提供有效的實踐示范經驗，為實現(xiàn)“雙碳”目標打下堅實基礎。

未來在“雙碳”背景下，中國礦業(yè)急需進行系統(tǒng)性的戰(zhàn)略調整，綠色環(huán)保智能礦山建設以綠色開采為理念，以高新技術為手段，實現(xiàn)國家產業(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，全面推廣應用智能化技術，達到智能化在礦業(yè)領域大范圍應用；智能產品更新?lián)Q代迅速，加快智能礦山技術的研發(fā)力度，不斷進行技術的更新與創(chuàng)新。