付恩三 劉光偉 王新會(huì) 姜 琳 邸 帥

(1.應(yīng)急管理部信息研究院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100029；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧省阜新市，123000)

隨著我國(guó)露天煤礦事業(yè)的不斷發(fā)展，露天煤炭產(chǎn)量逐漸增加。2018年，我國(guó)露天煤炭產(chǎn)量約占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的20%左右，露天礦山開采也從粗放型向機(jī)械化方向發(fā)展，間斷工藝、半連續(xù)工藝、連續(xù)工藝以及綜合工藝相繼投入使用，豐富了我國(guó)露天礦山開采技術(shù)。近年來，露天礦山開采從單一的開采模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅仄髽I(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、充分利用資源、不斷延伸產(chǎn)業(yè)鏈條、構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式，建設(shè)新型的現(xiàn)代化露天礦山企業(yè)成為現(xiàn)階段露天礦建設(shè)的主導(dǎo)思想。隨著“兩化融合”的逐步推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，將高新科技與傳統(tǒng)的露天礦山開采相融合，實(shí)現(xiàn)露天煤礦產(chǎn)業(yè)升級(jí)，在新型現(xiàn)代化露天礦山的基礎(chǔ)上構(gòu)建智慧露天礦山成為趨勢(shì)[1-5]。

我國(guó)露天煤礦發(fā)展先后經(jīng)歷了機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化等階段，當(dāng)前正逐步由數(shù)字化走向智慧化。由于露天煤礦開采與井工煤礦開采的差異性，使得智能化露天煤礦建設(shè)具有獨(dú)特性。露天煤礦受自然氣候影響明顯，季節(jié)性剝采排工程交替進(jìn)行，主要涉及采掘、運(yùn)輸、排土、爆破、疏干、復(fù)墾等多個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，每一個(gè)系統(tǒng)都猶如人體器官，相互協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，支撐著露天礦山安全平穩(wěn)發(fā)展。近年來，我國(guó)露天礦山世界先進(jìn)設(shè)備逐漸投入使用，但受限于礦山安全管理、科技創(chuàng)新和人才儲(chǔ)備等因素的制約，以及對(duì)當(dāng)前露天礦山信息化、自動(dòng)化、智能化投入力度不夠，造成我國(guó)露天礦山信息化建設(shè)工作相對(duì)滯后，露天煤礦總體信息化程度還需進(jìn)一步提高。如何將生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)和信息有效關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程監(jiān)控、安全風(fēng)險(xiǎn)防控、生態(tài)環(huán)保管控，構(gòu)建智慧露天礦山的“智慧大腦”，全方位動(dòng)態(tài)支配露天礦山各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，成為構(gòu)建智慧露天礦山的主要核心。

圖1 “互聯(lián)網(wǎng)+”露天煤礦總體架構(gòu)

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)智慧礦山(煤炭行業(yè)、金屬礦山、非金屬礦山領(lǐng)域)的建設(shè)開展了一系列研究工作，中國(guó)工程院院士王國(guó)法[6]對(duì)我國(guó)井工煤礦構(gòu)建智慧礦山的目標(biāo)進(jìn)行了研究，給出了構(gòu)建智慧礦山的建設(shè)內(nèi)容；陳曉晶、何敏等人對(duì)智慧礦山的構(gòu)建體系和架構(gòu)進(jìn)行了研究；國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出一批構(gòu)建了智慧礦山系統(tǒng)的企業(yè)，但并沒有形成統(tǒng)一的智慧礦山建設(shè)思路和統(tǒng)一的規(guī)范體系[7-10]。智慧礦山建設(shè)是采礦發(fā)展的高級(jí)階段，是推動(dòng)煤炭安全、高效、環(huán)保開發(fā)的新手段，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開采、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)判、多維數(shù)據(jù)綜合分析，打造智慧無人礦山生產(chǎn)模式[11-15]。

本文主要從基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧露天煤礦為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建具有深度學(xué)習(xí)能力的數(shù)字化智能體的露天煤礦，形成礦山感知、互聯(lián)、分析、自學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)、決策、控制的完整智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)露天礦山開采無人化、風(fēng)險(xiǎn)管控智能化、綠色開采一體化的智慧露天礦山。

1 “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧露天礦山總體架構(gòu)

“互聯(lián)網(wǎng)+”露天煤礦總體架構(gòu)采用“5+4”模式，即5個(gè)層級(jí)4個(gè)體系，如圖1所示。5個(gè)層級(jí)分別為應(yīng)用層、支撐層、算法層、數(shù)據(jù)治理層和數(shù)據(jù)層；4個(gè)體系分別為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全保障體系、決策支持體系和運(yùn)維保障體系。

其中，系統(tǒng)應(yīng)用層主要包括：違章行為智能識(shí)別系統(tǒng)、多源數(shù)據(jù)融合的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與防控系統(tǒng)、無人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)。

“互聯(lián)網(wǎng)+”露天煤礦云可實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)平臺(tái)之間的信息互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)云平臺(tái)下屬露天煤礦整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估，指揮調(diào)度露天礦山開采。“互聯(lián)網(wǎng)+”露天煤礦云情景邏輯如圖2所示。

圖2 “互聯(lián)網(wǎng)+”露天煤礦云情景邏輯

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧露天礦山系統(tǒng)建設(shè)

2.1 無人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)

隨著測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步，礦山測(cè)量的方法也在逐步優(yōu)化，方法越來越多，精度也越來越高，如今礦山測(cè)繪采用最多的是全站儀以及GPS-RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，這種技術(shù)具有集成、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，在一定程度上提高了礦山測(cè)繪的精度和效率，但由于傳統(tǒng)測(cè)繪均是采用單點(diǎn)接觸式測(cè)量，數(shù)據(jù)采集需人工徒步進(jìn)行，導(dǎo)致測(cè)量作業(yè)效率低；對(duì)于復(fù)雜地帶的關(guān)鍵特征點(diǎn)，采集難度大、采集人員安全隱患大；成圖誤差大，進(jìn)度慢，增大勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，降低了工作效率，無法真實(shí)準(zhǔn)確反映露天礦山開采狀態(tài)，無法滿足礦山精細(xì)化開采的目標(biāo)。

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將無人機(jī)應(yīng)用在露天礦山測(cè)量中來，成為新的露天礦山測(cè)量模式。無人機(jī)航測(cè)通常低空飛行，空域申請(qǐng)便利，對(duì)起降場(chǎng)地的要求限制較小，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短、可在惡劣條件下工作等特點(diǎn)，利用簡(jiǎn)單條件就可以低空飛行，獲取影像數(shù)據(jù)。目前無人機(jī)已經(jīng)具備影像獲取、影像處理、影像生成等一套完整的航飛體系，能夠在很短時(shí)間達(dá)到多個(gè)地點(diǎn)，滿足各類應(yīng)急測(cè)繪和精準(zhǔn)測(cè)繪需求。無人機(jī)系統(tǒng)成像整體流程如圖3所示。

圖3 無人機(jī)成圖流程

露天礦山無人機(jī)利用技術(shù)的應(yīng)用，將大幅度減少測(cè)量作業(yè)人員數(shù)量和工作量，提高礦山測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)礦山減人增效，為實(shí)現(xiàn)無人化礦山開采提供基礎(chǔ)。無人機(jī)測(cè)量技術(shù)已在國(guó)內(nèi)某露天礦進(jìn)行測(cè)量應(yīng)用。成像效果如圖4所示。

圖4 無人機(jī)成像效果

2.2 智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)

由于露天煤礦開采工藝的特殊性，露天礦山智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)，需考慮礦山開采條件和采運(yùn)排生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)環(huán)節(jié)，從時(shí)空上準(zhǔn)確高效定位設(shè)備，充分發(fā)揮露天礦山自動(dòng)化、智能化、信息化水平，實(shí)現(xiàn)露天礦山開采由勞動(dòng)密集型向具有高科技特點(diǎn)的技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變。

露天礦山智能調(diào)度及物料流開采系統(tǒng)充分利用智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云計(jì)算等技術(shù)作為支撐，優(yōu)化配礦算法、GPS衛(wèi)星定位、無線通信、智能調(diào)度算法、三維激光雷達(dá)卡車裝載方量監(jiān)測(cè)，主要從穿孔、爆破、采掘、運(yùn)輸、排土入手，通過對(duì)礦山巖性識(shí)別，實(shí)時(shí)調(diào)度定位采運(yùn)排系統(tǒng)設(shè)備，對(duì)設(shè)備單位工程作業(yè)實(shí)時(shí)把控，抽取設(shè)備傳感信息數(shù)據(jù)，結(jié)合優(yōu)化礦山開采運(yùn)輸線路、三維地質(zhì)模型信息，實(shí)時(shí)優(yōu)化礦山開采進(jìn)度計(jì)劃，精準(zhǔn)調(diào)度設(shè)備，優(yōu)化運(yùn)輸路徑，智能配礦配采，實(shí)現(xiàn)礦山開采成本控制、能耗控制、系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制。露天礦山精準(zhǔn)開采系統(tǒng)將各開采工藝環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，相互關(guān)聯(lián)，綜合分析調(diào)配，實(shí)現(xiàn)礦山精準(zhǔn)開采。露天礦智能調(diào)度及物料流規(guī)劃開采系統(tǒng)各環(huán)節(jié)邏輯架構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能調(diào)度及物料流規(guī)劃邏輯架構(gòu)

2.3 違章行為智能視頻識(shí)別系統(tǒng)

露天礦山開采是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的系統(tǒng)繁多、工藝復(fù)雜，人機(jī)交互作業(yè)，且各環(huán)節(jié)作業(yè)場(chǎng)所關(guān)聯(lián)度高。我國(guó)露天煤礦基本實(shí)現(xiàn)在露天礦場(chǎng)、機(jī)修車間、調(diào)度室部署了高清攝像頭，采集記錄人員和設(shè)備的作業(yè)行為，但沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)違章行為視頻圖像的智能識(shí)別和結(jié)構(gòu)化處理功能；造成視頻監(jiān)視系統(tǒng)需要存儲(chǔ)空間大、違章行為的識(shí)別完全依靠管理人員事后人工識(shí)別，調(diào)閱視頻信息量大，過程繁瑣，識(shí)別周期長(zhǎng)，違章行為識(shí)別準(zhǔn)確率低；同時(shí)，違章行為不能實(shí)時(shí)識(shí)別，報(bào)警處置信息聯(lián)動(dòng)不及時(shí)。針對(duì)上述問題，應(yīng)用當(dāng)前大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算等手段，構(gòu)建露天礦違章視頻智能識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦山違章行為智能識(shí)別管控。露天煤礦智能視頻識(shí)別系統(tǒng)流程如圖6所示。露天煤礦違章行為視頻智能識(shí)別技術(shù)，采用對(duì)圖片流、視頻流的計(jì)算機(jī)視覺算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦山人員違章行為的自動(dòng)抓拍以及違章信息的自動(dòng)提取。主要可實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦山駕駛?cè)藛T接打電話、抽煙、駕駛室超員、未帶安全帽、調(diào)度室人員脫崗、區(qū)域入侵等行為的智能識(shí)別。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)露天煤礦各類違章視頻行為的分析與研究，通過搭建露天礦山違章視頻分析云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦各類違章視頻信息云上分析、云上存儲(chǔ)、云上調(diào)閱，為煤礦提供云上智能視頻識(shí)別服務(wù)，如圖7所示。通過“互聯(lián)網(wǎng)+VPN”的方式，實(shí)現(xiàn)煤礦視頻傳輸，逐步優(yōu)化云上識(shí)別數(shù)據(jù)算法，為露天煤礦提供高效可用的視頻數(shù)據(jù)行為識(shí)別功能。

圖6 違章視頻識(shí)別流程

圖7 露天煤礦云上違章行為平臺(tái)

2.4 多源數(shù)據(jù)融合預(yù)警防控系統(tǒng)

目前我國(guó)露天煤礦數(shù)據(jù)僅僅停留在統(tǒng)計(jì)和查詢層面，缺乏深層次挖掘，安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用不足，通過接入露天煤礦多源數(shù)據(jù)(傳感器數(shù)據(jù)、歷史事故數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù))，建立煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警防控體系，構(gòu)建一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析模型，對(duì)煤礦海量安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判，找出事故發(fā)生的區(qū)域性、季節(jié)性、周期性、關(guān)聯(lián)性等規(guī)律特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天煤礦精準(zhǔn)管控、精準(zhǔn)生產(chǎn)、精準(zhǔn)施策提供科學(xué)決策的需要。

多源數(shù)據(jù)融合的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與防控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)融合平臺(tái)，可提供數(shù)據(jù)處理分析模型中所需的企業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)平臺(tái)，能夠根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行抽取、清洗、轉(zhuǎn)換，最后形成數(shù)據(jù)處理分析模型數(shù)據(jù)庫(kù)，形成一套數(shù)據(jù)清洗整理體系，前期數(shù)據(jù)通過采集、清洗、反饋、修改、再次采集數(shù)據(jù)循環(huán)，逐步提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。

將煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行云平臺(tái)接收、選擇、存儲(chǔ)，不斷優(yōu)化露天煤礦風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)，應(yīng)用貝葉斯、主成分分析法、基于博弈—可拓理論、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)算法，進(jìn)行預(yù)警分析模型的構(gòu)建。利用深度學(xué)習(xí)不斷優(yōu)化預(yù)警分析模型，利用知識(shí)圖譜，分析各類指標(biāo)關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦整體風(fēng)險(xiǎn)綜合研判。同時(shí)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)信息情況，構(gòu)建預(yù)警專家處置庫(kù)以及預(yù)警物資管理庫(kù)，實(shí)現(xiàn)露天煤礦實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研判，預(yù)警處置信息綜合調(diào)度。多源數(shù)據(jù)融合的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與防控系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與防控系統(tǒng)流程

3 結(jié)論

(1)人工智能、大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)等技術(shù)的發(fā)展，為智慧露天礦山建設(shè)提供了專業(yè)的技術(shù)支撐?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧露天煤礦建設(shè)發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)、高效開采、風(fēng)險(xiǎn)管控、排查隱患。通過構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合平臺(tái)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行各類數(shù)據(jù)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換，融合礦山設(shè)備、生產(chǎn)、視頻等信息，可實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)云平臺(tái)匯總及信息共享。

(2)通過構(gòu)建無人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、智能調(diào)度及物料流規(guī)劃系統(tǒng)、違章行為智能識(shí)別系統(tǒng)以及多源數(shù)據(jù)融合預(yù)警防控系統(tǒng)，從人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)方面利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等手段，對(duì)露天煤礦各開采環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)同，實(shí)時(shí)對(duì)露天礦山風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)露天礦山各生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享、風(fēng)險(xiǎn)知悉，并且能打破現(xiàn)有露天礦山傳輸壁壘，提高露天礦山業(yè)務(wù)系統(tǒng)融合度，實(shí)現(xiàn)露天礦山安全、高效生產(chǎn)。

(3)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧露天煤礦的建設(shè)，為我國(guó)金屬礦山、非金屬礦山構(gòu)建智慧礦山提供了重要借鑒。