王李管，陳 鑫

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數(shù)字礦山技術(shù)進(jìn)展

王李管1, 2，陳 鑫1, 2

(1. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙410083；2. 中南大學(xué)數(shù)字礦山研究中心，長沙410083)

數(shù)字礦山概念作為國家戰(zhàn)略“兩化融合”在礦產(chǎn)資源行業(yè)的應(yīng)用，對新常態(tài)下礦山企業(yè)發(fā)展影響越來越深。本文結(jié)合礦山企業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，給出數(shù)字礦山的具體概念，并以數(shù)字礦山領(lǐng)先技術(shù)和應(yīng)用為線索，概述了礦山資源評價(jià)與建模、開采規(guī)劃與優(yōu)化、數(shù)字化采礦設(shè)計(jì)，以及生產(chǎn)管理與安全管控的新技術(shù)與新發(fā)展，指出信息化智能化發(fā)展的技術(shù)革新以及應(yīng)用前景，對礦山企業(yè)的未來發(fā)展提供了富有成效的建議。

數(shù)字礦山；三維可視化；資源模型；規(guī)劃與優(yōu)化；數(shù)字化設(shè)計(jì)；智能管控

礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，自20世紀(jì)90年代中期以來，我國礦產(chǎn)資源產(chǎn)量與GDP保持正相關(guān)同步增長。隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的深度優(yōu)化，資源再利用水平的逐步提高，未來數(shù)十年中，我國原生礦產(chǎn)資源的消耗強(qiáng)度將達(dá)到最高峰，隨后將緩慢降低并維持在一定水平。由于我國主要金屬礦產(chǎn)資源總體賦存條件差、單體資源規(guī)模小、品位低，再加上近十年來以投資和價(jià)格拉動為主要特征的經(jīng)營模式，導(dǎo)致礦山開采技術(shù)并未取得實(shí)質(zhì)性的突破。目前，在市場價(jià)格低迷的情況下，我國礦業(yè)行業(yè)面臨產(chǎn)能過剩、效益低下，安全和環(huán)保形勢嚴(yán)峻。

從發(fā)達(dá)國家采礦業(yè)的發(fā)展歷程來看，采礦技術(shù)進(jìn)步起始于作業(yè)工具的機(jī)械化，發(fā)展于單臺設(shè)備的自動化、獨(dú)立系統(tǒng)的自動化，完成于整個礦山生產(chǎn)過程的自動化[1]。從1892年以來，對不同采礦技術(shù)條件下勞動生產(chǎn)率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，從人工生產(chǎn)到全自動化生產(chǎn)演變過程中，全員人均勞動生產(chǎn)率從1000 t/a將增長到7500 t/a。毋庸置疑，采礦工具與技術(shù)的變革是我國礦山企業(yè)升級轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路。

近年來，盡管政府、企業(yè)、大學(xué)和各類研究機(jī)構(gòu)在數(shù)字礦山技術(shù)領(lǐng)域開展了大量的研究工作，并取得了可喜的進(jìn)展，但從系統(tǒng)性、實(shí)用性等方面來看，仍處于起步階段[2]。數(shù)字礦山技術(shù)從資源評價(jià)與建模上著重研究結(jié)構(gòu)建模、屬性建模和模型更新關(guān)鍵技術(shù)，從開采規(guī)劃與優(yōu)化上涵蓋開采單元優(yōu)化布置、境界優(yōu)化、中長期計(jì)劃和短期計(jì)劃優(yōu)化，從數(shù)字化采礦設(shè)計(jì)上主要解決損失貧化控制和數(shù)字化開采設(shè)計(jì)，從生產(chǎn)管理與智能管控上沿著按需通風(fēng)與調(diào)控、虛擬管控、生產(chǎn)執(zhí)行和智能調(diào)度的軌跡提升，以改變企業(yè)的運(yùn)營模式，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型與升級。

1 數(shù)字礦山體系結(jié)構(gòu)

與加工制造行業(yè)相比，礦山企業(yè)生產(chǎn)過程具有如下特點(diǎn)[3]：第一，對生產(chǎn)對象(資源)的認(rèn)識是一個循序漸進(jìn)的過程，礦石資源的空間形態(tài)、品位分布、控制程度、市場價(jià)格等對企業(yè)的生產(chǎn)過程和經(jīng)濟(jì)效益具有重大的影響；其次，生產(chǎn)場地分散、生產(chǎn)工序繁多、作業(yè)過程不連續(xù)，新的作業(yè)點(diǎn)不斷形成的同時(shí)老的作業(yè)點(diǎn)也在不斷消失，危險(xiǎn)源分布范圍廣、風(fēng)險(xiǎn)高、突發(fā)事件難以預(yù)測，經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全之間的矛盾十分突出；最后，開發(fā)過程產(chǎn)生的廢料多，無害化處理難度大，開采本身對環(huán)境造成的破壞難以避免，環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)高。

礦山企業(yè)生產(chǎn)過程的獨(dú)特性，決定了礦山信息化過程的復(fù)雜性和難度，也衍生出了礦山信息化的專有概念—數(shù)字礦山。數(shù)字礦山是指以礦產(chǎn)資源開采過程相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對資源、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理進(jìn)行數(shù)字化的建模、仿真、評估和優(yōu)化，并持續(xù)應(yīng)用于礦山生產(chǎn)全過程的新型礦山技術(shù)體系和生產(chǎn)組織方式。

數(shù)字礦山綜合考慮礦山地質(zhì)、測量、采礦等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn)，借助地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論、最優(yōu)化方法、可視化仿真技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動化技術(shù)，構(gòu)建三維地質(zhì)模型和資源價(jià)值模型，優(yōu)化開采方案、采礦設(shè)計(jì)和生產(chǎn)計(jì)劃，監(jiān)控和管理采礦生產(chǎn)過程，保障礦山生產(chǎn)安全，降低礦山經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)，提升礦山綜合競爭力。數(shù)字礦山的出現(xiàn)給礦山的生產(chǎn)技術(shù)和管理模式注入了新的活力，帶動了技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、流程和方法的革新。

2 資源評價(jià)與建模

2.1 結(jié)構(gòu)建模技術(shù)

數(shù)字化采礦設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)建模主要對地表、礦體、井巷和空區(qū)等實(shí)體進(jìn)行幾何建模，以準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)體的外部輪廓邊界、表達(dá)實(shí)體間空間關(guān)系，從而做到準(zhǔn)確設(shè)計(jì)、精確出圖的目的。結(jié)構(gòu)建模涉及到的關(guān)鍵技術(shù)與算法主要有DTM建模技術(shù)、輪廓線拼接建模技術(shù)、體數(shù)據(jù)等值面建模技術(shù)、基于中心線—斷面三維構(gòu)模技術(shù)和基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維表面重建技術(shù)等。通過以上一種或幾種算法和技術(shù)的綜合應(yīng)用可以解決礦山三維表面模型構(gòu)建的絕大部分問題，如地面模型建立、復(fù)雜礦體建模、井巷工程建模、巖層建模、斷面建模、露天礦坑建模，及采場和采空區(qū)建模等。

約束Delaunay三角剖分(CDT)是實(shí)現(xiàn)DTM建模的基本算法，CDT是指對點(diǎn)集進(jìn)行剖分時(shí)，應(yīng)滿足某種約束條件，如對象重建中的模型邊界、地表模型中的山脊線、山谷線、斷裂線等。構(gòu)建CDT的算法通常采用兩步法：第一步構(gòu)建常規(guī)DT剖分，第二步再將約束邊強(qiáng)行嵌入到三角剖分中。JONATHAN等[4]采用連續(xù)的對角線交換算法實(shí)現(xiàn)約束邊的嵌入；PAUL等[5]提出的算法是在所有點(diǎn)Delaunay三角化完成后，對約束邊通過的三角形進(jìn)行調(diào)整，使之滿足約束Delaunay三角形的條件；JOACHIM等[6]采用增量式方法構(gòu)建三角網(wǎng)，然后對“受影響”三角形區(qū)域進(jìn)行三角形重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)約束Delaunay三角剖分。綜合各算法的技術(shù)特點(diǎn)，可歸納出其建模步驟主要包括增量式Delaunay三角剖分、恢復(fù)約束邊和建立地性特征線約束，建模效果如圖1所示[7]。

圖1 DTM建模效果圖[7]

礦體建模算法主要包括輪廓線拼接法和體數(shù)據(jù)等值面法。輪廓線拼接法通過輪廓線關(guān)鍵點(diǎn)為頂點(diǎn)的三角面片，將每層輪廓線連接起來，拼接出物體的表面[8]。該方法首先遇到的問題是輪廓線對應(yīng)問題，即確定相鄰層面上的輪廓對應(yīng)關(guān)系。由于約束不足，輪廓對應(yīng)存在很大的任意性。當(dāng)相鄰層面上輪廓之間的錯位很大時(shí)，對應(yīng)問題就變得愈發(fā)難以解決，輪廓拼接的關(guān)鍵在于確定對應(yīng)輪廓線上點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，該對應(yīng)關(guān)系主要包括兩類形式，一類是對應(yīng)輪廓線上每個點(diǎn)的出度與入度均為1，如圖2(a)所示；另一類如圖2(b)所示，即對應(yīng)輪廓線上某個頂點(diǎn)的出度與入度不為1，其他各頂點(diǎn)的出度與入度均為1。大多數(shù)應(yīng)用中一般只接受第一類對應(yīng)關(guān)系，對應(yīng)關(guān)系確定后用三角形面片拼接表面。

圖2 輪廓線頂點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系

輪廓線拼接法對于較為復(fù)雜的礦體輪廓線都可以得到較為理想的結(jié)果，并且可以與輪廓線嚴(yán)格吻合。但這種方法每次都是通過兩兩輪廓線重建表面模型，沒有從整體上把握礦體的形態(tài)；而且在處理不同層面上的輪廓線之間的對應(yīng)問題和分支復(fù)合問題大都通過人工交互的方式進(jìn)行，比較費(fèi)時(shí)，且隨意性很大，難以實(shí)現(xiàn)自動三維表面重建。GLANZING等[9]提出的體數(shù)據(jù)等值面法，將輪廓線間的表面重建問題轉(zhuǎn)化為體數(shù)據(jù)中的等值面構(gòu)造問題，得到的重建表面能精確地呈現(xiàn)相鄰層面間對應(yīng)輪廓線的形狀的漸變；而且該算法可以避免輪廓對應(yīng)、分支關(guān)系的判斷；其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量和計(jì)算量較大，在輪廓線突變出不能很好吻合。在實(shí)際應(yīng)用中，如果對礦體表面的重建精度要求較高、相鄰層面上的輪廓形狀相差比較大、分支復(fù)合的情況較多時(shí)，或者要求自動三維表面重建時(shí)，可以采用體數(shù)據(jù)等值面法來完成表面重建。

通過等值面和場函數(shù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體自動建模技術(shù)，解決分支復(fù)合比較嚴(yán)重的復(fù)雜地質(zhì)體自動建模難題，基本建模步驟為：通過輪廓線和場函數(shù)構(gòu)造體數(shù)據(jù)；基于體數(shù)據(jù)構(gòu)建規(guī)則體數(shù)據(jù)場，并提取規(guī)則體數(shù)據(jù)場等值面；根據(jù)等值面建模形成最終三維表面模型。針對其計(jì)算量較大、表面重建速度慢的缺點(diǎn)，在分析產(chǎn)生這些缺點(diǎn)原因的基礎(chǔ)上，采用距離函數(shù)作為場函數(shù)，并采用距離變換中的構(gòu)造體數(shù)據(jù)，通過掃描法及距離傳遞加快計(jì)算速度，同時(shí)采用分治法滿足輪廓線間距不一致的特點(diǎn)，以及降低內(nèi)存需求，選擇移動立方體算法進(jìn)行等值面構(gòu)造，并對重建的表面模型通過邊折疊算法進(jìn)行簡化處理。

由于每個體素有8個頂點(diǎn)，每個頂點(diǎn)可能有0、1兩個狀態(tài)，分別表示頂點(diǎn)為于等值面外和位于等值面內(nèi)，因此每個體素按其8個頂點(diǎn)的0、1分布而言，共有256個不同的狀態(tài)。分析立方體體素兩種不同的對稱性，可以將256種不同的情況簡化為15種，如圖3所示[10]。

圖3 體素中等值面的15種基本構(gòu)型[10]

CONGOTE等[11]]通過分析基本體元狀態(tài)模型，提出在立方體的一個面上，如果位于等值面內(nèi)外的頂點(diǎn)分別分布在對角線的兩端，就存在兩種連接方式；當(dāng)相鄰的兩個立方體在公共面上采取不同的連接時(shí)，就會出現(xiàn)孔洞。相鄰的兩個體元，它們的鄰接面存在二義性，如果在各自體元內(nèi)，面與等值線的交線不一致，所構(gòu)造的等值面會出現(xiàn)孔隙。

四面體剖分算法能夠解決拓?fù)涠x性，但CIGNONI等[12]提出四面體剖分算法中等值面的構(gòu)造與剖分方式有關(guān)，如果相鄰立方體單元剖分不一致同樣會產(chǎn)生裂縫。另外，在立方體內(nèi)的等值面沒有二義性時(shí)，立方體也會被剖分處理，大大增加了算法的時(shí)間復(fù)雜度，因此較少應(yīng)用。

NIELSON等[13]提出使用雙曲線漸近線算法來解決面上的二義性，等值面與立方體某一面的交線是一組雙曲線或者其中的一支。當(dāng)兩支雙曲線都與立方體表面相交時(shí)，就會出現(xiàn)二義性，此時(shí)兩支雙曲線將立方體表面分成3個區(qū)域?？梢宰C明，雙曲線漸近線的交點(diǎn)總是和其中一對交點(diǎn)落在同一個區(qū)域，比較漸近線交點(diǎn)和等值面的標(biāo)量值，若漸近線交點(diǎn)的標(biāo)量值大于等值面的標(biāo)量值，則標(biāo)量值大于等值面標(biāo)量值的一對頂點(diǎn)與該交點(diǎn)落在同一個區(qū)域；反之亦然?；隗w數(shù)據(jù)等值面法建模效果如圖4所示[14]。

圖4 體數(shù)據(jù)等值面法建模[14]

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域有一類物體，可通過一系列的輪廓線來建模，這一系列的輪廓線每個都有自己的變換，并逐個連線框形成管狀的三維實(shí)體，該理論奠定了井巷工程建模的基礎(chǔ)。如圖5所示，沿中心線在每個選中的點(diǎn)上建立局部坐標(biāo)系：局部軸指向沿著中心線方向，局部軸和局部軸指向與軸垂直。輪廓線在平面上，需要確定每個輪廓線的頂點(diǎn)。采用局部坐標(biāo)系和空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法，其關(guān)鍵是計(jì)算局部坐標(biāo)系到空間坐標(biāo)系的變換矩陣。

圖5 沿中心線建立局部坐標(biāo)系

當(dāng)中心線上控制點(diǎn)處輪廓線生成好后，就可以將這些斷面輪廓線拼接為不規(guī)則三角網(wǎng)。由于巷道的斷面形狀比較規(guī)則，因此，生成斷面輪廓線之間的三角網(wǎng)格相對比較簡單。

地下巷道建模的難點(diǎn)在于交叉處的處理，如圖6所示，交岔點(diǎn)的平面尺寸主要根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備的類型、線路的布置及人行安全等要求確定，在設(shè)計(jì)前，各分支巷道斷面及主巷與支巷的關(guān)系已經(jīng)確定。因此，交岔點(diǎn)平面尺寸的已知條件應(yīng)為：所選道岔的參數(shù)、、、，支巷對主巷的轉(zhuǎn)角，各分支的凈寬度1、2、3及其軌道中心線至柱墩一側(cè)邊墻的距離2、3等值，采用固定斜墻斜率的方法確定擴(kuò)大部分墻的位置。

圖6 巷道分岔點(diǎn)示意圖

交叉處建模關(guān)鍵過程為：根據(jù)中心線的斷面屬性，獲取斷面的墻高、拱高/底寬比，并以、、、為底邊，建立斷面輪廓線0、1、2和3；采用單一巷道實(shí)體的建模方法，生成輪廓線0和1之間的巷道實(shí)體，效果示意圖見圖7；連接，分別對多邊形、和實(shí)現(xiàn)快速多邊形網(wǎng)格三角化；合并所有的三角網(wǎng)格，生成交岔點(diǎn)三維實(shí)體模型。

圖7 巷道交岔點(diǎn)三角化

近年來，隨著激光測距技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也逐步應(yīng)用于礦山領(lǐng)域，它是一種采用非接觸式的高速激光測量方式，以點(diǎn)云形式獲取被測對象表面的陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)，針對礦山采空區(qū)的探測，三維激光掃描儀掃描的結(jié)果只是采空區(qū)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在應(yīng)用中需要更具有實(shí)際意義的三維實(shí)體表面模型，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的直接建模算法主要分為三類：隱式曲面法[15]、區(qū)域生長法[16]和Delaunay三角剖分法[17]，直接建模算法由于未考慮掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特性，故在實(shí)際應(yīng)用中效率較低。

結(jié)合三維激光掃描的特性來研究間接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模算法，鄭順義等[18]提出了將局部鄰近點(diǎn)投影到切平面進(jìn)行建模，再拼接成整體，該方法的結(jié)果依賴于鄰域大小的選取，且容易造成表面空洞和面片重疊等構(gòu)網(wǎng)錯誤；張帆等[19]提出了基于球面投影的構(gòu)網(wǎng)算法，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影在球面上對其構(gòu)網(wǎng)，該方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且時(shí)效性有待改進(jìn)，本文作者[20]提出了一種基于半球面-平面聯(lián)合投影的激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模算法，可較好的解決空區(qū)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模問題，其算法流程及建模效果如圖8和圖9所示。

圖8 半球面?平面聯(lián)合投影

圖9 采空區(qū)建模效果圖

2.2 屬性建模技術(shù)

屬性模型通過體元記錄礦山地質(zhì)體內(nèi)部物化信息，體元模型的數(shù)據(jù)量與其分辨率成正比，數(shù)據(jù)量大及處理時(shí)間長是體元模型的共有特征。地學(xué)領(lǐng)域的研究范圍或?qū)ο蠖急容^大，分辨率高，而且屬性分布不均勻，通常采用八叉樹模型進(jìn)行結(jié)點(diǎn)合并與壓縮，其結(jié)點(diǎn)數(shù)量十分龐大，因此，海量數(shù)據(jù)是真三維地學(xué)建模遇到的關(guān)鍵問題之一。近年來，隨著三維地學(xué)屬性數(shù)據(jù)獲取與生成手段的快速發(fā)展，海量數(shù)據(jù)問題日益突出。八叉樹模型一般在內(nèi)存中構(gòu)造，將指針概念推廣到外存，采用外存指針對海量八叉樹結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理。屬性建模技術(shù)主要研究外存八叉樹模型的構(gòu)建技術(shù)、基于屬性模型的結(jié)構(gòu)模型的快速柵格化算法、屬性模型的查詢技術(shù)、屬性模型的可視化技術(shù)，其中屬性模型的構(gòu)建算法與結(jié)構(gòu)模型的柵格化算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型與屬性模型之間的轉(zhuǎn)換。

基于八叉樹的塊段模型不同于傳統(tǒng)塊段模型，其建立過程中不需要對原型進(jìn)行初始柵格化，只是對三維目標(biāo)的空間位置進(jìn)行柵格化，這樣可以大大避免冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，同時(shí)沒有基本單元塊的限制，這樣不同的地質(zhì)目標(biāo)可以有不同的體元粒度，實(shí)現(xiàn)多分辨率的要求。構(gòu)建過程分為構(gòu)造原型和目標(biāo)賦屬性兩個步驟，如圖10所示[21]，其中目標(biāo)賦屬性就是對屬性模型中目標(biāo)范圍內(nèi)的三維空間柵格化，對每個體元賦上相應(yīng)的屬性，體元的大小可以根據(jù)目標(biāo)的規(guī)模以及屬性記錄的精度要求而定。

圖10 基于外存八叉樹的屬性模型[21]

基于屬性模型的結(jié)構(gòu)模型柵格化是區(qū)域?qū)傩圆樵兊幕A(chǔ)算法，也是屬性模型可視化表達(dá)的重要手段。在數(shù)字采礦軟件實(shí)際應(yīng)用中涉及到大量的屬性查詢及可視化表達(dá)，對于數(shù)據(jù)量可能達(dá)到TB級的屬性模型，速度、內(nèi)存及正確性是應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題。

結(jié)構(gòu)模型柵格化源于多面體離散化，所謂離散化就是用有限個三維單元體將多面體完整的充填起來。根據(jù)采用的單元體不同，目前常用的充填方法有六面體充填和四面體充填，分別稱為六面體化與四面體化。為了很好的擬合結(jié)構(gòu)模型的邊界和表達(dá)屬性模型的屬性值，可以將六面體規(guī)格取得很小，但這樣會大大增加數(shù)據(jù)量，實(shí)際上在模型內(nèi)部可能存在相鄰體素屬性值一樣或在某一個較小容差范圍之內(nèi)，因此可以將它們合并處理，從而減少數(shù)據(jù)量；另外，如果一個結(jié)構(gòu)模型所表示的礦體范圍很大，則柵格化以后六面體個數(shù)很多，如果用傳統(tǒng)的六面體表示法，每個六面體用8個坐標(biāo)點(diǎn)表示，需要大量內(nèi)存空間?；谝陨显颍瑸榱四軌蛴行У剡M(jìn)行合并處理及降低結(jié)果數(shù)據(jù)量，畢林等[22]提出自適應(yīng)虛擬八叉樹的概念并引入一種新的三維數(shù)據(jù)類型?半結(jié)構(gòu)化格網(wǎng)，六面體尺寸分別為4 m×4 m×4 m、2 m×2 m×2 m和1 m×1 m×1 m時(shí)，柵格化耗時(shí)相應(yīng)為2.51、5.95及32.59 s，不同尺寸柵格化效果如圖11所示。

圖11 基于屬性模型的結(jié)構(gòu)模型柵格化[22]

2.3 模型更新技術(shù)

由于采礦對資源的認(rèn)識是一個循序漸進(jìn)的過程，伴隨著開采過程中獲取的更加精確的資源分步信息，需要將其更新至已有工程，從而保障信息的一致性及實(shí)時(shí)性。

井巷工程的模型更新方法主要有步距法、斷面法和雙線法。采用步距法測量巷道時(shí)，首先以具有精確三維坐標(biāo)的兩點(diǎn)布設(shè)工程的施測主線，然后在不同主距刻度上以垂直主距方向量取左、右?guī)途嗟臏y圖方法，對于工程交叉位置，量取一邊幫距，另一邊幫距沿用上一步距同邊幫距。在能得到測量主距起止坐標(biāo)的工程一般多采用步距法。根據(jù)步距法實(shí)測數(shù)據(jù)建立地下巷道三維模型的基本原理是：兩測點(diǎn)以及兩測點(diǎn)的連線確定了巷道的走向，通過左幫、右?guī)途嚯x、巷道高度以及提供的斷面屬性信息，擬合出各斷面輪廓線，然后采用單一巷道體建模方法實(shí)現(xiàn)實(shí)測巷道的三維建模，如圖12所示[23]。

圖12 步距法示意圖[23]

采用斷面法進(jìn)行巷道測量時(shí)，將全站儀放置在巷道不同位置，測量各斷面輪廓線上的點(diǎn)。斷面法測量巷道過程見圖13，圖中黑點(diǎn)表示測量的點(diǎn)。根據(jù)斷面法實(shí)測數(shù)據(jù)建立地下巷道三維模型的基本原理是：判斷哪些實(shí)測點(diǎn)處于同一斷面上，并根據(jù)同一斷面上的實(shí)測點(diǎn)建立斷面輪廓線，然后采用單一巷道體建模方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)測巷道的三維建模。

圖13 斷面法示意圖

雙線法是多數(shù)金屬礦山較常采用地下巷道測量方法，通過測量巷道底板邊界線，來形象描述各中段巷道底板寬度信息和巷道間的貫通情況，基于實(shí)測底板邊界線的巷道三維建模更接近實(shí)際情況，建模相對復(fù)雜且更具一般性。譚正華等[24?25]采用約束三角剖分的方法生成巷道模型的上下底盤面，利用兩段成面法生成巷道模型的側(cè)面，最后將這些面組合成巷道模型，該方法難以解決常見的圓弧拱、三心拱等斷面的巷道建模問題，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)測底板邊界線和斷面形狀三維巷道實(shí)體建模算法。巷道的邊界將所在的中段面劃分為若干封閉區(qū)域，如圖14(a)所示。采用區(qū)域樹形式化表達(dá)和存儲底板邊界所劃分的區(qū)域，區(qū)域樹的每個結(jié)點(diǎn)代表一條有方向的多邊形；然后采用約束三角剖分的方法將各區(qū)域網(wǎng)格三角化，如圖14(b)所示，提取三角形中表示出口和斷面底板的邊，根據(jù)給定斷面生成斷面輪廓線，然后均勻離散化各斷面輪廓線，生成表示實(shí)體巷道的特征點(diǎn)，最后分層提取特征點(diǎn)，生成巷道實(shí)體的分層輪廓線，并對相鄰輪廓線和頂、底輪廓線分別網(wǎng)格三角化，如圖14(c)所示。

圖14 基于實(shí)測底板邊界線和斷面形狀三維巷道實(shí)體建模

礦體模型主要通過平剖面輪廓線信息實(shí)現(xiàn)模型更新，通過平剖面輪廓線網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格曲面構(gòu)建和網(wǎng)格曲面拼接等技術(shù)，可解決基于生產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)的地質(zhì)體自動建模與更新，基本建模步驟為：計(jì)算輪廓線質(zhì)心和法向量，確定輪廓線剖面；建立輪廓線包圍盒，使用輪廓線剖面切割包圍盒得到若干切割體，提取各切割體上附著的輪廓線作為網(wǎng)格；使用CONS曲面或NULLBS曲面技術(shù)實(shí)現(xiàn)單個網(wǎng)格的建模；將各建模后的網(wǎng)格拼接形成最終三維表面模型，如圖15所示[26]。

圖15 基于網(wǎng)格的礦體模型更新[26]

3 開采規(guī)劃與優(yōu)化

3.1 開采單元優(yōu)化布置

開采單元是指礦床開采方案優(yōu)化時(shí)，將礦床在空間上按垂直方向和水平方向劃分成離散的單元。從幾何層面上，開采單元是按一定的尺寸粒度在空間上對礦床的離散化；從屬性層面上，開采單元承載著礦巖性質(zhì)、礦量、巖量、品位、開采價(jià)值和成本等信息；從經(jīng)濟(jì)層面上，開采單元是礦山開采進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化的基本單元。

地下開采過程中開采單元布置的合理與否，不僅影響著礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的合理性，還影響著礦山生產(chǎn)規(guī)模、貧化損失指標(biāo)、采礦效率等方面的效益。對開采單元進(jìn)行優(yōu)化布置，以實(shí)現(xiàn)資源有效利用、提高經(jīng)濟(jì)效益的過程。劉佳等[27]提出的地下采場布置優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1) 地下采場布置優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，包含礦體模型、品位模型，它們主要用于計(jì)算經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)；

2) 確定礦體走向、傾向等參數(shù)；

3) 定義地下采場布置優(yōu)化設(shè)計(jì)的開采水平和分段高度信息，設(shè)置最小開采單元的尺寸；

4) 定義采礦單元布置的起始基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)自定義的采礦單元詳細(xì)參數(shù)快速布置，根據(jù)劃分情況自動快速生成采礦單元布置圖，如圖16所示；

圖16 開采單元布置

5) 根據(jù)采礦單元布置情況，快速建立礦房、礦柱三維實(shí)體模型，在生成采礦單元三維模型過程中，使用塊段模型進(jìn)行礦石量、金屬量、巖石量和出礦品位等指標(biāo)計(jì)算，并將結(jié)果存儲到模型屬性中；

6) 以初始基準(zhǔn)點(diǎn)作為起始點(diǎn)，以指定的步距為單位向主軸或次軸方向偏移形成多個采礦單元布置方案；

7) 擬合形成各種方案的經(jīng)濟(jì)效益趨勢，根據(jù)趨勢選擇出最佳采場布置方案，如圖17所示。

圖17 開采方案經(jīng)濟(jì)效益趨勢

3.2 境界優(yōu)化

境界優(yōu)化指在露天礦山實(shí)體模型、塊體模型和相應(yīng)經(jīng)濟(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上、運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)理論或最優(yōu)化方法方法進(jìn)行最終境界優(yōu)選的過程。由于露天開采的對象是復(fù)雜多變的地質(zhì)巖體、無序的品位分布及多變的經(jīng)濟(jì)參數(shù)等一系列非線性動態(tài)問題，從而提出露天境界優(yōu)化理論。露天境界優(yōu)化方法主要包括：浮動圓錐法、動態(tài)規(guī)劃法、LG圖論法和網(wǎng)絡(luò)最大流法等。

1951年，BELLMAN等[28]提出解決多階段決策問題的動態(tài)規(guī)劃理論和方法；20世紀(jì)60年代起，動態(tài)規(guī)劃廣泛應(yīng)用于礦山系統(tǒng)工程。動態(tài)規(guī)劃確定最優(yōu)開采境界的思路為：將露天礦分割為許多開采塊段，然后將每個開采塊段視為決策過程的階段，進(jìn)行多階段決策；在決策序列中求的總盈利最大的最優(yōu)策略，即最優(yōu)開采境界。

LG圖論法是LERCHS和GROSSMAN最初在1965年提出的[29]，是具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)邏輯的最終境界優(yōu)化方法，從露天開采的角度，構(gòu)成一個可行的開采境界需滿足幾何約束條件，即從被開采節(jié)點(diǎn)出發(fā)引出的弧的所有節(jié)點(diǎn)也屬于被開采之列。形成可行的開采境界的子圖稱為可行子圖，也稱為閉包。以閉包內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)為始點(diǎn)的所有弧的終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)也在閉包內(nèi)。最大閉包是具有最大開采價(jià)值的開采境界，因此求最優(yōu)開采境界實(shí)質(zhì)上就是在價(jià)值模型所對應(yīng)的圖中求最大閉包，如圖18所示。

圖18 LG圖論法露天境界優(yōu)化

1956年，F(xiàn)ORD和FULKERSON指出最大流的流值等于最小割集的容量，并根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)了用標(biāo)號法求最大流的方法[30]；20世紀(jì)60年代以來，網(wǎng)絡(luò)最大流方法開始應(yīng)用于露天最優(yōu)境界圈定。使用網(wǎng)絡(luò)最大流法求解最優(yōu)開采境界的方法為：根據(jù)礦床經(jīng)濟(jì)模型將露天礦離散為礦巖塊段模型；構(gòu)建礦巖網(wǎng)絡(luò)圖，利用網(wǎng)絡(luò)最大流算法尋找盈利最大的塊段組合，即最優(yōu)開采境界。

上述境界優(yōu)化算法均屬于靜態(tài)經(jīng)濟(jì)計(jì)算方法，未能考慮價(jià)值的時(shí)間因素，其結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中未必能使企業(yè)獲得最大利潤，且企業(yè)無法對其投資的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效評估，在境界優(yōu)化的過程中考慮價(jià)值的時(shí)間因素，對影響境界優(yōu)化的各因素進(jìn)行敏感性分析等，以確定最經(jīng)濟(jì)合理的露天境界，如圖19所示[31]。在實(shí)際應(yīng)用中考慮時(shí)間因素的動態(tài)方法較靜態(tài)方法更具適用性。

圖19 最優(yōu)境界敏感性分析[31]

3.3 礦山中長期計(jì)劃

礦山開采中長期計(jì)劃是指確定一個技術(shù)上可行，能夠使礦床開采的總體經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大的，貫穿整個礦山開采周期的開采順序。露天采剝計(jì)劃優(yōu)化方法主要包括地質(zhì)最優(yōu)開采體序列法和運(yùn)籌學(xué)方法。地質(zhì)最優(yōu)采場序列的生成采用浮錐排除法，構(gòu)造一個錐面傾角等于工作幫坡角的正錐體，將錐頂點(diǎn)置于經(jīng)濟(jì)塊段模型最底層上，計(jì)算錐體的總體積、金屬量、剝離量和剝采比，如果總體積小于或等于預(yù)先設(shè)定的境界增量Δ，則將錐體按照剝采比從大到小的順序放入一個錐體數(shù)組中，否則不做任何處理；將錐頂點(diǎn)移至上一層，重復(fù)上述處理，直至考慮完經(jīng)濟(jì)塊段模型的所有層，就得到一個錐體序列數(shù)組。從該數(shù)組中選出滿足錐體聯(lián)合體總體積接近或者等于境界增量Δ的前個錐體，刪除這些錐體，將受錐體影響的經(jīng)濟(jì)塊段模型的底部標(biāo)高提升到錐面最高的標(biāo)高處，得到的一個新的采場體積比上一個采場小Δ。重復(fù)上述方法，直至得到的新的采場體積等于或者接近預(yù)先設(shè)定的最小采場，就得到了一個滿足要求的地質(zhì)最優(yōu)開采序列，如圖20所示[32]。

圖20 露天礦生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化[32]

運(yùn)籌學(xué)方法主要是運(yùn)用線性規(guī)劃法建立露天采剝計(jì)劃優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，從而求解得到最優(yōu)計(jì)劃。運(yùn)籌學(xué)方法[33?34]也是地下礦采掘計(jì)劃優(yōu)化的主要方法，中長期計(jì)劃優(yōu)化數(shù)學(xué)模型內(nèi)容包括：1) 集合，主要包括經(jīng)濟(jì)塊段的集合和開采周期的集合；2) 參數(shù)，包括在時(shí)期開采礦塊的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、礦塊中所包含的礦石量和周期時(shí)的開采能力范圍等；3) 決策變量，即若礦塊在周期時(shí)被開采，則取值為1；否則取值為0；4) 目標(biāo)函數(shù)，即實(shí)現(xiàn)礦山開采的凈現(xiàn)值最大化；5) 約束條件，主要包括空間位置約束、生產(chǎn)能力約束和選場處理能力約束等。

3.4 礦山開采短期計(jì)劃

短期計(jì)劃通常指編制月、周或日計(jì)劃，其中配礦計(jì)劃是短期計(jì)劃中研究的核心問題，隨著市場競爭加劇，礦山已由粗放式生產(chǎn)管理向精細(xì)化生產(chǎn)管理模式轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的配礦模式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足礦山的需求。為了提高配礦效率，運(yùn)籌學(xué)優(yōu)化的思想開始廣泛運(yùn)用于配礦研究中來。王克讓等[35]提出了基于0?1整數(shù)規(guī)劃的配礦優(yōu)化模型，以實(shí)現(xiàn)對各礦點(diǎn)礦堆的整體取舍，簡化配礦和運(yùn)輸?shù)墓芾?；楊珊等[36]建立了堆積型鋁土礦的配礦LP數(shù)學(xué)模型，并引入了運(yùn)籌學(xué)優(yōu)化軟件Xpress-MP對數(shù)學(xué)優(yōu)化模型求解，能較快速得到配礦結(jié)果；GU等[37]根據(jù)拋擲爆破下各排炮孔礦巖的覆蓋規(guī)律，建立了爆堆品位分布的預(yù)測模型，以此為基礎(chǔ)結(jié)合配礦優(yōu)化模型，計(jì)算出電鏟的作業(yè)點(diǎn)和產(chǎn)量，上述各方法在實(shí)際配礦生產(chǎn)中，均存在不適用性，主要原因在于將各爆堆或出礦點(diǎn)看作品位均勻的優(yōu)化對象，對爆堆內(nèi)礦石品位難以精確預(yù)知，難以保證配礦結(jié)果的準(zhǔn)確性，此外，當(dāng)選廠品位要求比較苛刻時(shí)，而實(shí)際參與供礦爆堆品位達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，數(shù)學(xué)模型難以收斂，得不到近優(yōu)的配礦方案，HUANG等[38]提出了一種基于目標(biāo)規(guī)劃的自動化配礦方案，將爆堆劃分成若干個離散單元塊，然后根據(jù)炮孔巖粉數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)估值，然后以品位波動最小為目標(biāo)函數(shù)，建立基于目標(biāo)規(guī)劃的露天礦配礦優(yōu)化數(shù)學(xué)模型求解，配礦效果如圖21和表1所示。

圖21 自動化配礦效果

表1 自動配礦結(jié)果

4 數(shù)字化采礦設(shè)計(jì)

4.1 損失貧化控制

礦床開采始終伴隨著損失貧化，尤其是工程進(jìn)行至礦巖分界處，損失貧化對礦山的經(jīng)濟(jì)效益影響較大，主要體現(xiàn)在露天臺階爆破設(shè)計(jì)礦巖分界處的后沖線位置確定和地下進(jìn)路炮排設(shè)計(jì)礦巖分界處的首排炮位置確定，兩者原理基本類似。

露天臺階爆破設(shè)計(jì)中，在礦巖分界處通常采用分爆分采的方式，在礦體一側(cè)布置炮孔時(shí)，需要先確定爆破后沖線的位置，然后根據(jù)后沖距離確定最后一排炮孔的位置，因此爆破后沖線位置的設(shè)定直接關(guān)系到爆破設(shè)計(jì)的損失率和貧化率，從而影響著礦山的經(jīng)濟(jì)效益。在露天爆破中，根據(jù)爆破后沖線位置和爆破漏斗原理，產(chǎn)生的爆破緩沖面是一個具有一定傾角的斜面，結(jié)合礦體邊界的空間形態(tài)，分析出爆破損失的礦石和混入的廢石情況，如圖22所示。在此基礎(chǔ)上計(jì)算損失率和貧化率，并判斷爆破后沖線在該位置時(shí)是否滿足損失貧化要求，若不滿足，調(diào)整爆破后沖線位置重新計(jì)算，直至滿足要求。因此礦巖分界處爆破后沖線位置的確定是個非常復(fù)雜的過程。

圖22 礦巖交界面與爆破緩沖面不同空間位置類型

為實(shí)現(xiàn)三維空間下的損失貧化計(jì)算，建立露天坑及礦體三維模型。在礦巖交界處的爆破區(qū)域內(nèi)布置炮孔設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行損失貧化控制。李金玲等[39]提出露天臺階爆破礦巖交界處損失貧化控制系統(tǒng)，爆破后沖線初始位置及采樣集如圖23所示；三維空間中計(jì)算各采樣位置下的損失貧化如圖24和25所示。在此基礎(chǔ)上，對爆破后沖線位置及其相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行最小二乘法擬合，根據(jù)損失貧化變化趨勢及爆破設(shè)計(jì)要求決策最佳爆破后沖線位置。

圖23 爆破后沖線初始位置

圖24 礦巖交界處爆破設(shè)計(jì)損失貧化

圖25 動用地質(zhì)礦石及采出礦石品位分布

4.2 開采設(shè)計(jì)

數(shù)字化開采設(shè)計(jì)以礦床地學(xué)數(shù)字化模型為基礎(chǔ)、三維可視化軟件為工具、計(jì)算機(jī)模擬為手段、安全高效低成本實(shí)現(xiàn)資源的開采為目標(biāo)，進(jìn)行礦山開采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程。地下礦山數(shù)字化開采設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有：井巷工程設(shè)計(jì)、單體設(shè)計(jì)和回采爆破設(shè)計(jì)；露天礦山數(shù)字化開采設(shè)計(jì)主要包括以下4個方面：露天開采境界設(shè)計(jì)、露天開拓設(shè)計(jì)和穿孔爆破設(shè)計(jì)等，效果如圖26所示[9]。

圖26 數(shù)字化開采設(shè)計(jì)效果圖[10]

礦山開采設(shè)計(jì)是一個充分發(fā)揮專家經(jīng)驗(yàn)和主觀能動性的創(chuàng)造性活動。數(shù)字化是將許多復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型，進(jìn)行統(tǒng)一處理的客觀而具有科學(xué)性的過 程。數(shù)字化開采設(shè)計(jì)是兩者的融合與統(tǒng)一，是采礦技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的交叉、融 合、發(fā)展與應(yīng)用的結(jié)果，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式相比，其在過程、方法、效率和效果等方面將發(fā)生巨大的改變和提高。

5 生產(chǎn)管理與安全管控

5.1 按需通風(fēng)與調(diào)控

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是指根據(jù)建立的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型及其基礎(chǔ)參數(shù)，模擬計(jì)算風(fēng)量分配情況以及主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的過程，其實(shí)質(zhì)是求解一組大型非線性方程組的解。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算可分為自然分風(fēng)解算和按需分風(fēng)解算。礦井通風(fēng)研究時(shí)一般將復(fù)雜的礦井通風(fēng)系統(tǒng)抽象為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析可以揭示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各種內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)解算的基本原理都必須遵循風(fēng)流流動的三個基本定律：風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律和礦井通風(fēng)阻力定律。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算作為礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)最核心的理論，一直受到通風(fēng)研究工作者的普遍關(guān)注。以模擬法、試算法、解析法、圖解法、等效法和漸近法(數(shù)值法)等為代表，其中尤以漸近法為代表的數(shù)值模擬方法為最重要的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法。

目前通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算采用數(shù)值法[40]比較多，尤其是牛頓法、節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓法、Scot-Hinsley法、線性代換法等幾種方法，它們又可歸納為三類：迭代法、斜量法和直接代入法。其中Scot-Hinsley法屬于迭代法；擬牛頓法是近似的牛頓法，采用一階導(dǎo)數(shù)來近似牛頓法的二階導(dǎo)數(shù)，屬于斜量法；平均風(fēng)量逼近法則屬于直接代入法。各種解算方法之間既有聯(lián)系又有區(qū)別，其區(qū)別主要體現(xiàn)在兩方面，一是選取的基本未知量不同；二是求解非線性方程組的迭代計(jì)算方法不同。回路風(fēng)量解算法和節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓解算法分別是風(fēng)量法和風(fēng)壓法這兩大類算法中的代表，結(jié)算結(jié)果如圖27所示[41]。

圖27 三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算[41]

為了滿足采、掘工作面和硐室等需風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)量，通過增減通風(fēng)構(gòu)筑物、調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)等措施調(diào)節(jié)風(fēng)量分配情況，實(shí)現(xiàn)礦井按需分風(fēng)的手段。具體調(diào)節(jié)方式包括風(fēng)窗調(diào)節(jié)、風(fēng)門調(diào)節(jié)和風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)等。當(dāng)自然分配風(fēng)量小于需風(fēng)量時(shí)，對該分支或其串聯(lián)分支進(jìn)行降阻或增壓調(diào)節(jié)，或?qū)υ摲种У牟⒙?lián)分支進(jìn)行增阻調(diào)節(jié)；相反，當(dāng)自然分配風(fēng)量大于需風(fēng)量時(shí)，則在該分支及其串聯(lián)分支上進(jìn)行增阻調(diào)節(jié)，或在其并聯(lián)分支上進(jìn)行降阻或增壓調(diào)節(jié)。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)方法[42]分為定流法調(diào)節(jié)、回路法調(diào)節(jié)和通路法調(diào)節(jié)，以及非線性規(guī)劃等方法。從宏觀的角度看，定流法調(diào)節(jié)直接在設(shè)置固定風(fēng)量的分支上進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有很多的局限性；回路法主要是局部回路中的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)礦井按需分風(fēng)，從而無法控制其對其他通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)以及整個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響；通路法則是從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)全局的角度出發(fā)，可根據(jù)通風(fēng)巷道的客觀條件和能耗情況，選擇合適的調(diào)節(jié)點(diǎn)位置與調(diào)節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5.2 虛擬管控

虛擬管控是指以礦山安全、高效生產(chǎn)為目標(biāo)，通過地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對礦山安全六大系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、稱重計(jì)量系統(tǒng)等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可視化展示、查詢分析、預(yù)警決策、培訓(xùn)演練等應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)透明、集中的可視化管控。

礦山生產(chǎn)可視化管控系統(tǒng)目標(biāo)包括[43]：

1) 實(shí)現(xiàn)地下礦山的三維可視化。地下礦開采環(huán)境危險(xiǎn)惡劣，生產(chǎn)系統(tǒng)多，通過信息化技術(shù)提高安全生產(chǎn)的水平是礦山的必由之路。安全管理的基礎(chǔ)是對井下現(xiàn)場情況的了解，包括環(huán)境狀況、設(shè)備工況、人員工作地點(diǎn)等等信息，這些也是調(diào)度指揮和生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)，只有清楚掌握井下情況了，才能有效的預(yù)防事故、指揮生產(chǎn)，即“可視才能可控”。

2) 高度集成的虛擬開采環(huán)境及模型為安全生產(chǎn)、調(diào)度決策提供基礎(chǔ)信息服務(wù)。礦山開采是人類在復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行的復(fù)雜生產(chǎn)活動。生產(chǎn)的空間環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)的規(guī)則和管理措施都有其獨(dú)特之處。隨著礦山調(diào)度管理工作信息化水平的提高，各種輔助決策功能將為管理者所需要，其中大部分功能都將要利用基于空間數(shù)據(jù)模型的空間分析功能。

3) 實(shí)現(xiàn)可視化管控系統(tǒng)與實(shí)際礦山的信息同步。作為“人工礦山系統(tǒng)”的可視化管控系統(tǒng)，它管理的所有對象要與實(shí)際礦山保持一致，通過它能查詢礦山開采狀況、生產(chǎn)狀態(tài)和人員設(shè)備信息。同時(shí)，利用可視化管控系統(tǒng)輔助制定調(diào)度指揮策略，通過各種通訊手段下達(dá)命令或者報(bào)警信息，調(diào)節(jié)實(shí)際礦山系統(tǒng)內(nèi)的生產(chǎn)活動。

在此技術(shù)構(gòu)架上的露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)和地下礦安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)應(yīng)用效果如圖28和29所示[44]。

圖28 三維露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)[44]

圖29 三維地下礦山生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)[44]

5.3 生產(chǎn)執(zhí)行

生產(chǎn)執(zhí)行是指以生產(chǎn)計(jì)劃為依據(jù)，采集和收集采礦、選礦、冶煉生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)工藝信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，提供計(jì)劃執(zhí)行與修正、資源合理利用、產(chǎn)量與質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析、平衡工況的優(yōu)化調(diào)度、異常工況的動態(tài)調(diào)度、輔助生產(chǎn)調(diào)度決策等一體化解決方案的信息化系統(tǒng)。

生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)[45]是美國AMR公司在20世紀(jì)90年代初提出，使用了MES概念，AMR倡導(dǎo)用三層模型表示制造業(yè)信息化，逐步形成兩庫(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫)、三層(ERP、MES、PCS)的體系結(jié)構(gòu)，MES是位于上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)。MES系統(tǒng)已在石化、化工、食品、制藥、煉鋼、造紙等行業(yè)得到了廣泛的實(shí)施與應(yīng)用，并逐步應(yīng)用到礦山企業(yè)。

礦山生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)是以采掘計(jì)劃、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)劃為線索管理采礦、選礦、冶煉、質(zhì)檢、調(diào)度等礦山生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備工況、材料能源、安全環(huán)保、計(jì)質(zhì)量、生產(chǎn)調(diào)度、現(xiàn)場作業(yè)、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)與分析的協(xié)同管理，并實(shí)時(shí)監(jiān)管DCS生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，經(jīng)過分析處理，形成管理中需要的各種報(bào)表及分析結(jié)果。

生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)貫穿于整個礦山生產(chǎn)的全過程，做到“實(shí)時(shí)監(jiān)控、平衡協(xié)調(diào)、動態(tài)調(diào)度、資源優(yōu)化”，從而最大化的規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，挖掘設(shè)備的生產(chǎn)潛力，降低生產(chǎn)成本，改善企業(yè)生產(chǎn)狀況，持續(xù)提高生產(chǎn)力和勞動生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)，為企業(yè)的生產(chǎn)組織和管理工作帶來全面提升、增添新的價(jià)值。

5.4 智能調(diào)度

采礦生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，如設(shè)備的工況、狀態(tài)、采場的道路情況、天氣情況、礦石廢石的性質(zhì)等因素，都對生產(chǎn)效率的發(fā)揮，及生產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起著制約作用，如何在眾多的約束下，取得最高的設(shè)備作業(yè)效率，就需要每時(shí)每刻實(shí)時(shí)地對整個參加生產(chǎn)的設(shè)備的搭配進(jìn)行調(diào)整，使之最大限度地發(fā)揮作用，提高整個采礦作業(yè)的臺時(shí)效率，這就是一個動態(tài)控制過程，實(shí)際應(yīng)用中的主要包括露天卡車調(diào)度和地下礦列車運(yùn)行調(diào)度。

實(shí)時(shí)調(diào)度[46]是卡車調(diào)度的核心問題，它是在車流規(guī)劃的基礎(chǔ)上，針對露天礦當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)變化，對收到的卡車分派請求，進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度決策，將最佳卡車分配到最需車的電鏟線路上去。從而以最高的設(shè)備作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃生產(chǎn)目標(biāo)，卡車調(diào)度系統(tǒng)如圖30所示。國內(nèi)外許多專家學(xué)者作了大量的研究工作，提出了一些實(shí)時(shí)調(diào)度準(zhǔn)則和方法。按照優(yōu)化調(diào)度準(zhǔn)則所追求的目標(biāo)不同，可將現(xiàn)有的實(shí)時(shí)調(diào)度劃分為兩大基本類型：第一類主要以提高電鏟、卡車的效率從而提高全礦產(chǎn)量為主要目標(biāo)。主要包括最早裝車法、最大卡車法、最大電鏟法、最小飽和度法。第二類實(shí)時(shí)調(diào)度準(zhǔn)則所追求的目標(biāo)是盡可能實(shí)現(xiàn)貨流規(guī)劃的結(jié)果為主要目標(biāo)，主要有兩階段算法、最小比值方差算法、比率法等。

圖30 卡車調(diào)度系統(tǒng)圖示

運(yùn)行圖[47]是地下礦軌道運(yùn)輸計(jì)劃編制和行車組織安排的基礎(chǔ)，規(guī)定了機(jī)車不同時(shí)刻在區(qū)間的位置、在裝載點(diǎn)的裝載作業(yè)時(shí)間、在卸載點(diǎn)的卸載作業(yè)時(shí)間、在節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間以及在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間和機(jī)車的交路情況。機(jī)車運(yùn)行圖實(shí)質(zhì)上是礦山企業(yè)進(jìn)行運(yùn)輸工作的生產(chǎn)計(jì)劃，它規(guī)定了每輛機(jī)車需要前往的裝載點(diǎn)以及卸載點(diǎn)。地下礦運(yùn)輸?shù)倪^程相當(dāng)復(fù)雜，需要軌道、道岔、信號、供電、通訊以及監(jiān)控等各部分相互配合；機(jī)車運(yùn)行圖詳細(xì)標(biāo)明了機(jī)車前往的裝載點(diǎn)、卸載點(diǎn)、以及運(yùn)行路徑、時(shí)刻、次數(shù)，如圖31所示，為人工編制運(yùn)輸計(jì)劃提供了一定的依據(jù)，也為企業(yè)從事運(yùn)輸工作的管理者節(jié)約了大量的編制機(jī)車運(yùn)輸計(jì)劃的時(shí)間；對指導(dǎo)礦山實(shí)際運(yùn)輸工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖31 地下礦列車運(yùn)行圖

6 結(jié)語

礦業(yè)是一個古老而具有傳統(tǒng)的行業(yè)，觀念的革新是行業(yè)進(jìn)步的基礎(chǔ)。隨著國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的深度調(diào)整，礦業(yè)行業(yè)所面臨的“低增長、低效益、低價(jià)格和高壓力”將成為未來一段時(shí)期的新常態(tài)，也使其生存和發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。從長遠(yuǎn)的角度來看，只有在理念、商業(yè)模式、管理、技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新，才能使礦山企業(yè)走出困局。最近國家連續(xù)推出的“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”和“一帶一路”等新政策為礦山企業(yè)轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)大的政策支持，信息技術(shù)和制造技術(shù)的快速發(fā)展，為礦山企業(yè)加速技術(shù)革新提供技術(shù)保障，給礦山企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展帶來了前所未有的機(jī)遇。

無論再過多長時(shí)間，我們擁有的資源條件都不會發(fā)生根本性的變化，而市場和需求卻永遠(yuǎn)在變。當(dāng)市場價(jià)格高漲時(shí)，無論采用何種工具和技術(shù)，企業(yè)都可能盈利，這時(shí)技術(shù)看上去只是錦上添花。而當(dāng)市場價(jià)格低迷時(shí)，我們即使竭盡全力也常常會在盈虧平衡點(diǎn)附近徘徊，這時(shí)只有創(chuàng)新的技術(shù)才能給我們雪中送炭。加工制造業(yè)可以通過不斷地創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)來平衡市場價(jià)格的變化對企業(yè)效益的影響，而礦山企業(yè)只能通過生產(chǎn)工具的進(jìn)步和技術(shù)與管理模式的創(chuàng)新來提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、減小價(jià)格波動對企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益帶來的影響。盡管目前我國的數(shù)字礦山技術(shù)還不能徹底解決礦山企業(yè)所面臨的困境，但行業(yè)的共同努力一定會縮短礦山企業(yè)擺脫困境、邁向成功的時(shí)間。

REFERENCES

[1] TRUDEL B, NADEAU S, ZARAS K, DESCHAMPS I. Managing equipment innovations in mining: A review[J]. Work, 2015, 51(4): 731?746.

[2] 吳立新, 殷作如, 鐘亞平. 再論數(shù)字礦山: 特征、框架與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2003, 28(1): 1?7. WU Li-xin, YIN Zuo-ru, ZHONG Ya-ping. Restudy on digital mine: characteristics, frame work and key technologies[J]. Journal of China Coal, 2003, 28(1): 1?7.

[3] Darling, Peter. SME mining engineering handbook[M]. Englewood, Colo: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 2011, 0?1840.

[4] JONATHAN R S, BRIELIN C B. Fast segment insertion and incremental construction of constrained Delaunay triangulations [J]. Computational Geometry, 2015, 48(8): 554?574.

[5] PAUL M, JU J Z. Triangle refinement in a constrained Delaunay triangulation skeleton[J]. Pattern Recognition, 2007, 40(10): 2754?2765.

[6] JOACHIM G, HERMAN J H, MARC V K. Constrained higher order Delaunay triangulations[J]. Computational Geometry, 2015, 30(3): 271?277.

[7] 畢 林, 王李管, 陳建宏, 徐志強(qiáng). 基于CDT與布爾運(yùn)算的露天礦三維建模[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 28(4): 529?532. BI Lin, WANG Li-guan, CHEN Jian-hong, XU Zhi-qiang. A 3D model of surface mine based on CDT and Boolean operation[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science), 2009, 28(4): 529?532.

[8] 陳學(xué)工, 黃 偉, 季 興, 李 楠. 一種由輪廓線重建物體表面的方法[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2011, 47(14): 157?159. CHEN Xue-gong, HUANG Wei, JI Xing, LI Nan. Solution to surface reconstruction from contours[J]. Computer Engineering and Applications, 2011, 47(14): 157?159.

[9] GLANZING M, MALIK M M, GROLLER M E. Locally adaptive marching cubes through iso-value variation[C]// Proceedings of 17th International Conference in Central Europe on Computer Graphics, Visualization and Computer Vision, Tschechien: Eurographics Association, 2009: 33?40.

[10] 畢 林. 數(shù)字采礦軟件平臺關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2010. BI Lin. Study of key technology of platform of digital mining software system[D]. Changsha: Central South University, 2010.

[11] CONGOTE J, MORENO A, BARANDIARAN I. Extending marching cubes with adaptative methods to obtain more accurate iso-surfaces[J]. Communications in Computer and Information Science, 2010, 68(1): 35?44.

[12] CIGNONI P, GANOVELLI F, MONTANI F, SCOPIGNO F. Reconstruction of topologically correct and adaptive trilinear isosurfaces[J]. Computers & Graphics, 2000, 24(3): 399?418.

[13] NIELSON G M. On marching cubes[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2003, 9(3): 283?297.

[14] 楊鴻翼, 劉亮明, 趙義來. 基于Kriging和Marching cube算法的地學(xué)3維形態(tài)模擬[J]. 中國圖象圖形學(xué)報(bào), 2008, 13(3): 531?535. YANG Hong-yi, LIU Liang-ming, ZHAO Yi-lai. 3D geological modelling based on Kriging and Marching cube algorithm[J]. Journal of Image & Graphics, 2008, 13(3): 531?535.

[15] HOPPE H, DEROSE T, DUCHAMP T. Surface reconstruction from unorganized points[C]// Proceedings of the 19th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, SIGGRAPH. Chicago:Chemical Rubber Company Press, 1992: 71?78.

[16] DAVID C S. A greedy Delaunay based surface reconstruction algorithm[J]. The Visual Computer, 2004, 20(1): 4?16.

[17] GRAZIELA G, MICHAEL M H. Surface reconstruction using Delaunay triangulation for applications in life sciences[J]. Computer Physics Communications, 2011, 182(4): 967?977.

[18] 鄭順義, 蘇國中, 張祖勛. 三維點(diǎn)集的自動表面重構(gòu)算法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2005, 20(2): 154?157. ZHANG Shun-yi, SU Guo-zhong, ZHANG Zu-xun. Automatic reconstruction of 3D surface model with 3D irregular points based on projection constrain[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2005, 20(2): 154?157.

[19] 張 帆, 黃先鋒, 李德仁. 基于球面投影的單站地面激光掃描點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)方法[J]. 測繪學(xué)報(bào), 2009, 38(1): 48?54. ZHANG Fan, HUANG Xian-feng, LI De-ren. Spherical projection based triangulation for one station terrestrial laser scanning point cloud[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2009, 38(1): 48?54.

[20] 陳 鑫, 王李管. 礦山采空區(qū)單站激光等距掃描與高效三維重建方法[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 45(4): 1?7. CHEN Xin, WANG Li-guan. 3D laser equidistant scanning method from single station and efficient modeling algorithm for mine goaf[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2016, 45(4): 1?7.

[21] 荊永濱, 王李管, 畢 林, 陳建宏. 復(fù)雜礦體的塊段模型建模算法[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 38(2): 97?100. JING Yong-bin, WANG Li-guan, BI Lin, CHEN Jian-hong. Robust creation of block model from complex orebody model[J]. Journal of Huazhong University of Science & Technology, 2010, 38(2): 97?100.

[22] 畢 林, 王李管, 陳建宏, 馮興隆. 基于八叉樹的復(fù)雜地質(zhì)體塊段模型建模技術(shù)[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 37(4): 532?537. BI Lin, WANG Li-guan, CHEN Jian-hong, FENG Xing-long. Study of octree-based block model of complex geological bodies[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008, 37(4): 532?537.

[23] 譚正華. 三維可視化環(huán)境下采礦設(shè)計(jì)與生產(chǎn)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2010. TAN Zheng-hua. Study on key technology of mining design and production planning based on 3D visualization system[D]. Changsha: Central South University, 2010.

[24] 譚正華, 王李管, 熊書敏, 劉任任. 基于實(shí)測邊界線的地下巷道三維建模方法[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 43(2): 626?631. TAN Zheng-hua, WANG Li-guan, XIONG Shu-min, LIU Ren-ren. 3D modeling method for laneway entities based on measured boundary lines[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(2): 626?631.

[25] 譚正華, 王李管, 畢 林, 陳建宏. 平面連通巷道三維實(shí)體分層建模方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2010, 35(3): 360?364. TAN Zheng-hua, WANG Li-guan, BI Lin, CHEN Jian-hong. A hierarchical modeling method for plane connected three-dimensional laneway entity based on media curves[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2010, 35(3): 360?364.

[26] 楊 洋, 潘 懋, 吳耕宇, 孫 穎, 李魁星. 一種新的輪廓線三維地質(zhì)表面重建方法[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 17(3):253-259. YANG Yang, PAN Mao, WU Geng-yu, SUN Ying, LI Kui-xing. High quality geological surface reconstruction from planar contours[J]. Journal of Geo-Information Science, 2015, 17(3):253?259.

[27] 劉 佳, 王李管, 朱利晴. 金屬礦山采礦單元布置多方案優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 黃金科學(xué)技術(shù), 2016, 24(2): 14?20. LIU Jia, WANG Li-guan, ZHU Li-qing. Optimization design of metal mine’s multi-layout program[J]. Gold Science and Technology, 2016, 24(2): 14?20.

[28] 蔣中一, 曹 乾. 動態(tài)最優(yōu)化基礎(chǔ)[M]. 北京: 中國人民大學(xué)出版社, 2015: 28?37. JIANG Zhong-yi, CAO Qian. Elements of dynamic optimization[M]. Beijing: Renmin University of China Press, 2015: 28?37.

[29] LERCHS H, GROSSMANN I F. Optimum design of open-pit mines[J]. Transactions of The Institution of Mining and Metallurgy, 1965, 68(1):17?24.

[30] 甘應(yīng)愛, 田 豐, 李維錚. 運(yùn)籌學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005: 268?276.GAN Ying-ai, TIAN Feng, LI Wei-zheng. Operations research[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2005: 268?276.

[31] GHOLAMNEJAD J, MOJAHEDFAR A R. Determination of the largest pit with the non-negative net profit in the open pit miners[J]. Journal of Mining and Environment, 2010, 2(1): 45?52.

[32] 黃俊歆, 郭小先, 王李管, 譚正華, 畢 林, 李 德, 陳建宏. 一種新的用于編制露天礦生產(chǎn)計(jì)劃開采模型[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 42(9): 2819?2824. HUANG Jun-xin, GUO Xiao-xian, WANG Li-guan, TAN Zheng-hua, BI Lin, CHEN Jian-hong. A novel mining model for open-pit mine production scheduling[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(9): 2819?2824.

[33] 高永濤, 吳順川. 露天采礦學(xué)[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2008: 320?325. GAO Yong-tao, WU Shun-chuan. Open-pit mine engineering[M]. Changsha: Central South University Press, 2008: 320?325.

[34] ALEXANDRA M N. ENRIQUE R. RODRIGO C, ANDRéS W. KELLY E. A review of operations research in mine planning[J]. Interfaces, 2010, 40(3): 222?245.

[35] 王克讓, 陸厚華, 杜雅君. 利用0?1整數(shù)規(guī)劃法進(jìn)行原礦配礦[J]. 輕金屬, 1997(12): 13?15. WANG Ke-rang, LU Hou-hua, DU Ya-jun. Using 0?1 integer programming for ore mine[J]. Light Metal, 1997(12): 13?15.

[36] 楊 珊, 陳建宏, 楊海洋, 劉 霽, 永學(xué)艷. 基于Xpress-MP堆積型鋁土礦堆場配礦優(yōu)化研究[J]. 金屬礦山, 2010, 39(3): 9?11. YANG Shan, CHEN Jian-hong, YANG Hai-yang, LIU Ji, YONG Xue-yan. Optimization research of accumulated bauxite ore blending in yard based on Xpress-MP[J]. Metal Mine, 2010, 39(3): 9?11.

[37] GU Qing-hua, LU Cai-wu, LI Fa-ben, WAN Chang-yong. Dynamic management system of ore blending in an open pit mine based on GIS/GPS/GPRS[J]. Mining Science & Technology, 2010, 20(1): 132?137.

[38] HUANG Jun-xin, WANG Li-guan, XIONG Shu-min, XU Shao-you, TAN Zheng-hua, WANG Hai-qiao. Circle geometric constraint model for open-pit mine ore-matching and its applications[J]. Journal of Central South University, 2012, 19(9): 2598?2603.

[39] 李金玲, 王李管, 陳 鑫. 露天臺階爆破礦巖交界處損失貧化控制系統(tǒng)[J]. 黃金科學(xué)技術(shù), 2016,24(3):14?20. LI Jin-ling, WANG Li-guan, CHEN Xin. Ore loss and dilution control system at ore-rock border for open pit bench blasting[J]. Gold Science and Technology, 2016, 24(3):14?20.

[40] CHEN K, SI J, ZHOU F B, ZHANG R W, SHAO H, ZHAO H M. Optimization of air quantity regulation in mine ventilation networks using the improved differential evolution algorithm and critical path method[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2015, 25(1): 79?84.

[41] 鐘德云, 王李管, 畢 林, 王晉淼, 朱忠華. 基于回路風(fēng)量法的復(fù)雜礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2015, 40(2): 365－370. ZHONG De-yun, WANG Li-guan, BI Lin, WANG Jin-miao, ZHU Zhong-hua. Algorithm of complex ventilation network solution based on circuit air-quantity method[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(2): 365－370.

[42] ACU?A, ENRIQUE I, LOWNDES, IAN S. A review of primary mine ventilation system optimization[J]. Interfaces, 2014, 44(2): 163?175.

[43] 熊書敏. 地下礦生產(chǎn)可視化管控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長沙:中南大學(xué), 2012. XIONG Shu-min. Study on key technologies of underground mine production 3D visual management and control system[D]. Changsha: South Central University, 2012.

[44] 熊書敏, 王李管, 黃俊歆, 陳建宏. 地下礦可視化生產(chǎn)管控系統(tǒng)參數(shù)化數(shù)據(jù)模型[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 43(1): 272?277. XIONG Shu-min, WANG Li-guan, HUANG Jun-xin, CHEN Jian-hong. Parametric data model for underground mine 3D visual production management and control system[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2012, 43(1): 272? 277.

[45] 沈清泓. 企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)和關(guān)鍵性能指標(biāo)評估技術(shù)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2013. SHEN Qing-hong. Research on manufacturing execution system and key performance indicator evaluation technology of enterprise[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013.

[46] SOUZA M J F, COELHO I M, RIBAS S, SANTOS H G, MERSCHMANN L H C. A hybrid heuristic algorithm for the open-pit-mining operational planning problem[J]. European Journal of Operational Research, 2010, 207(2): 1041?1051.

[47] 譚期仁, 王李管, 鐘德云. NSGA-Ⅱ算法在井下多目標(biāo)運(yùn)輸路徑優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 黃金科學(xué)技術(shù), 2016, 24(2): 95?100. TAN Qi-ren, WANG Li-guan, ZHONG De-yun Application of NSGA-II in multi-objective route optimization of under-ground mine’s transportation[J]. Gold Science and Technology, 2016, 24(2): 95?100.

Advancing technologies for digital mine

WANG Li-guan1, 2, CHEN Xin1, 2

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Research Center of Digital Mine, Central South University, Changsha 410083, China)

The application of "digital mine" as the national strategy of the two fusion in the mineral resources industry, influenced the new normal development of mine enterprises increasingly. Combined with the characteristic of the mining enterprise production process, the concept of digital mine was proposed. With the advancing technologies and application clues, the new technologies and development of mine resource evaluation and modeling, production planning and optimization, digital mine design, production management and safety control were introduced, and the technical innovation and application prospect of informatization and intelligentization, which provided fruitful suggestions for the future development of mining enterprises, were pointed out.

digital mine; 3D visualization; resource model; production planning and optimization; digital design; intelligent management and control

Project(2016zzts090) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University; Project(2015CX005)supported by Innovation Driven Plan of Central South University

2016-02-28; Accepted date:2016-06-25

WANG Li-guan; Tel: +86-13808478410; E-mail: liguan_wang@163.com

1004-0609(2016)-08-1693-18

P208

A

中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2016zzts090)；中南大學(xué)“創(chuàng)新驅(qū)動計(jì)劃”項(xiàng)目資助(2015CX005)

2016-02-28；

2016-06-25

王李管，教授，博士；電話：13808478410；E-mail: liguan_wang@163.com

(編輯 何學(xué)鋒)