雷創(chuàng)杰

（神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300）

“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能、大數(shù)據(jù)等顛覆性技術(shù)的發(fā)展，拉開了第四次工業(yè)革命的序幕，加快了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型。德國提出了工業(yè)4.0，美國提出了智慧地球，中國提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，以發(fā)展智能制造、智能裝備、智能生產(chǎn)為主要內(nèi)容。智能采礦符合國家戰(zhàn)略，是采礦工業(yè)發(fā)展的必然選擇。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其實(shí)際應(yīng)用受到人們的重視。建立和運(yùn)行國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，與國家計(jì)委、經(jīng)貿(mào)委、部委共享信息。省級(jí)礦山安全監(jiān)督局和部分省級(jí)礦務(wù)局,礦業(yè)領(lǐng)域逐漸建立了大量的大型和小型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng),為了實(shí)現(xiàn)信息的開放和交流,實(shí)現(xiàn)更高層次的發(fā)展。管理信息平臺(tái)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如，安全管理信息平臺(tái)、礦山計(jì)劃管理信息平臺(tái)、人事管理信息平臺(tái)、財(cái)務(wù)管理信息平臺(tái)、地勘管理信息平臺(tái)、ERP等都取得了較高的平臺(tái)性發(fā)展，大大提高了礦山開采效率和管理手段。保護(hù)監(jiān)控、皮帶檢測(cè)、工業(yè)視頻、管理信息平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化集成，大大增加了制造和管理工具[1]。如何在不破壞生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，最大限度地提高資源的開發(fā)利用效率，從而保證人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益?近年來的礦山事故推動(dòng)了數(shù)字礦山的發(fā)展和發(fā)展。經(jīng)過多年的信息化建設(shè)，礦山已經(jīng)建立并運(yùn)行了一些相關(guān)的安全管理體系和監(jiān)控體系，但現(xiàn)有的多個(gè)體系存在治理獨(dú)立、數(shù)據(jù)信息分散、利用效率低等問題[2]。因此，迫切需要建立一個(gè)數(shù)字礦山平臺(tái)，整合礦山平臺(tái)之間的信息資源，從而提高管理平臺(tái)的效率。

1 基于大數(shù)據(jù)的礦山智能精準(zhǔn)開采技術(shù)研究

1.1 礦山智能精準(zhǔn)開采流程

從資源評(píng)價(jià)與決策、礦山規(guī)劃與設(shè)計(jì)到礦山生產(chǎn)與安全管理，始終將現(xiàn)代科技成果貫徹落實(shí)并融入礦山精準(zhǔn)開采的全過程，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化礦山開采。精密采礦從下到上依次為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、模型層、仿真優(yōu)化層、設(shè)計(jì)層、執(zhí)行控制層和管理層，如下圖所示。

圖1 精密采礦流程圖

結(jié)合礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀和長(zhǎng)期需求，精準(zhǔn)開采分兩步實(shí)施：第一步是實(shí)現(xiàn)與地面和地下相結(jié)合的遠(yuǎn)程控制精確采礦，即作業(yè)人員在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)遠(yuǎn)程控制設(shè)置和操作，采礦工作面無人作業(yè);第二步是實(shí)現(xiàn)智能(無人)精準(zhǔn)采礦，即采礦機(jī)、液壓支架等設(shè)備的自動(dòng)智能操作和慣性導(dǎo)航。精準(zhǔn)采礦將最終實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的智能化、自動(dòng)化、信息化和可視化遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)采礦量大(無人)、精準(zhǔn)、智能感知和智能監(jiān)測(cè)、預(yù)警和災(zāi)害預(yù)防。

1.2 智能精準(zhǔn)開采的大數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺(tái)所需要的接口規(guī)范是采集各個(gè)礦山業(yè)務(wù)平臺(tái)的空間信息、屬性等基礎(chǔ)信息，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、集成化管理。整個(gè)生產(chǎn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過程包括隧道設(shè)備平臺(tái)、通風(fēng)設(shè)備平臺(tái)、供電設(shè)備平臺(tái)、皮帶監(jiān)控設(shè)備平臺(tái);開采對(duì)象包括井巷、地質(zhì)體、機(jī)械設(shè)施、原件、資源等要素?；A(chǔ)數(shù)據(jù)是以地質(zhì)、測(cè)繪、測(cè)孔、測(cè)試和管理等詳細(xì)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。

在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分層劃分、對(duì)象挖掘和生產(chǎn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行全面、深入的管理和操作，尋求對(duì)象管理中的各種分析算法。整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)后，即可實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)庫的數(shù)字化。二維、三維空間模型的研究與開發(fā)離不開該數(shù)據(jù)庫和3DGIS可視化平臺(tái)的應(yīng)用。利用3DGIS平臺(tái)支持深化礦山引擎可視化，建立基于軟件服務(wù)和軟件結(jié)構(gòu)等主流技術(shù)的計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)二次開發(fā)API，通過以上可以完成數(shù)字礦山應(yīng)用開發(fā)結(jié)構(gòu)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)融合的實(shí)際要求來開展高安全性、高效率的生產(chǎn)等應(yīng)用平臺(tái)。將采礦空間數(shù)據(jù)中心應(yīng)用于基于三維坐標(biāo)的礦區(qū)范圍，實(shí)現(xiàn)井與礦之間的基本地理空間信息共享。它涵蓋了礦層、地層、地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)類型、巷道與機(jī)械設(shè)施、采礦原料與零件、井或巷道或地面的采礦、運(yùn)輸與通信生產(chǎn)平臺(tái)的空間位置與拓?fù)潢P(guān)系。

根據(jù)礦山安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的規(guī)定，安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須與GIS信息相結(jié)合。數(shù)字礦山采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，創(chuàng)建三維模型數(shù)據(jù)庫。在三維礦山三維源庫中，采用關(guān)聯(lián)和拓?fù)涞男问綄?duì)相互關(guān)聯(lián)的源進(jìn)行連接和組合。主要包括拓?fù)洹⑼诰驍?shù)據(jù)信息的收集和利用和處理解決問題,或預(yù)測(cè)未來等。

數(shù)據(jù)挖掘主要利用工程技術(shù)和人工智能技術(shù)，在擁有大量信息的數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)用戶需求查詢相關(guān)數(shù)據(jù)并獲取管理決策和執(zhí)行信息，創(chuàng)建各種物理工程、采礦、生產(chǎn)、應(yīng)用模型的管理和運(yùn)行。數(shù)字礦山的海量信息可以方便沒有經(jīng)驗(yàn)和培訓(xùn)的客戶使用和共享。數(shù)字化礦山基礎(chǔ)信息平臺(tái)必須與礦山基礎(chǔ)信息的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理保持一致。平臺(tái)的基本硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖2 數(shù)字礦山硬件基本構(gòu)成

三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)環(huán)境其中包括VR(虛擬現(xiàn)實(shí))、3DGM(三維地球科學(xué)模型)和虛擬儀器、MGIS(礦山GIS)。根據(jù)不同的應(yīng)用，礦企創(chuàng)建了多個(gè)用戶層次，擁有多功能的礦山開采實(shí)用軟件和控制內(nèi)容，因而擁有大量的數(shù)據(jù)和模型。同時(shí)，利用三維地球科學(xué)仿真構(gòu)建數(shù)據(jù)和虛擬模型。在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，綜合收集地理位置信息和采礦設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了礦山、礦體和回采巷道。采用采礦矢量門集成真三維模型庫，通過虛擬數(shù)字化實(shí)現(xiàn)礦山海量數(shù)據(jù)信息、拓?fù)湫畔⒑吞卣鲾?shù)據(jù)信息。利用VR(虛擬現(xiàn)實(shí))和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，嵌入式虛擬儀器，各種專業(yè)實(shí)用模型，開采沉陷計(jì)算，開采沉陷預(yù)測(cè)，頂板冒落計(jì)算，圍巖移動(dòng)模型，庫容測(cè)量，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)算，瓦斯組織模型，涌水測(cè)量等。工作視圖環(huán)境和業(yè)務(wù)操作流程可以反映整個(gè)OA和CDS的集成。高安全性能體現(xiàn)了整個(gè)應(yīng)用軟件平臺(tái)的安全體系。整個(gè)平臺(tái)的安全運(yùn)行包括:一是硬件平臺(tái)，即三維空間網(wǎng)絡(luò)QoS，提高實(shí)用性和協(xié)調(diào)性;二是軟件平臺(tái)，包括身份一致認(rèn)證、管理、秘密保護(hù)、審計(jì)和監(jiān)控等部分。數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和業(yè)務(wù)管理是應(yīng)用程序處理過程的三個(gè)主要層次。整個(gè)平臺(tái)采用多層結(jié)構(gòu)，每一層結(jié)構(gòu)承載不同的服務(wù)和內(nèi)容，甚至每一層按照一定的規(guī)則相互協(xié)調(diào)、交替影響。這三個(gè)層次貫穿著四級(jí)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。通過各業(yè)務(wù)管理層次之間的平衡和協(xié)調(diào)，形成了三個(gè)具有不同績(jī)效和特點(diǎn)的平臺(tái)。業(yè)務(wù)管理層覆蓋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)層，對(duì)數(shù)據(jù)中心的信息進(jìn)行查看和復(fù)查。礦務(wù)局二級(jí)網(wǎng)絡(luò)將專家支持和決策調(diào)整組成的信息傳遞到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)層。

2 測(cè)試

2.1 傳統(tǒng)采集方法測(cè)試

應(yīng)用傳統(tǒng)開礦采集方式，2018半年礦石回采率指標(biāo)、礦石貧化率和礦石采出總品位統(tǒng)計(jì)見下表。

表1 2018半年礦石統(tǒng)計(jì)表

應(yīng)用傳統(tǒng)開礦采集方式，2019半年礦石回采率指標(biāo)、礦石貧化率和礦石采出總品位統(tǒng)計(jì)見下表。

表2 2019半年礦石統(tǒng)計(jì)表

依據(jù)上表可知，應(yīng)用傳統(tǒng)礦石開采方式，礦石回采率指標(biāo)、礦石采出總品位的半年平均值都為達(dá)到考核值。礦石貧化率雖在標(biāo)準(zhǔn)以下但是數(shù)值偏高。

2.2 智能精準(zhǔn)開采方法測(cè)試

應(yīng)用傳統(tǒng)開礦采集方式，2020半年礦石回采率指標(biāo)、礦石貧化率和礦石采出總品位統(tǒng)計(jì)見下表。

表3 2020半年礦石統(tǒng)計(jì)表

依據(jù)上表可知，應(yīng)用精準(zhǔn)開采礦石方式，礦石回采率指標(biāo)比傳統(tǒng)開采方式高出3個(gè)百分點(diǎn)，并且超過考核值。礦石采出總品位雖未達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)，但是比傳統(tǒng)開采方式高出一個(gè)百分點(diǎn)。礦石貧化率方面比傳統(tǒng)開采方式低了兩個(gè)百分點(diǎn)。所以，應(yīng)用數(shù)字化精準(zhǔn)開采能夠有效提高礦山的開采效率。

3 結(jié)語

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，我國能源開采的信息化建設(shè)取得了初步成效。六套安全規(guī)避系統(tǒng)、高速通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)研究與示范等基礎(chǔ)設(shè)施基本建成。但仍存在缺乏整體產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、缺乏大數(shù)據(jù)分析和利用、統(tǒng)一監(jiān)控與監(jiān)控集成平臺(tái)、自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)薄弱等問題。某礦是以三維綜合管理平臺(tái)、安全生產(chǎn)控制平臺(tái)和三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)為框架，以信息數(shù)字化、生產(chǎn)過程虛擬化、管控集成、決策集成為基礎(chǔ)的示范項(xiàng)目。這對(duì)于促進(jìn)我國數(shù)字礦山的發(fā)展具有一定的意義。隨著技術(shù)的進(jìn)步和管理理念的創(chuàng)新，在已有成果的基礎(chǔ)上，有必要對(duì)大數(shù)據(jù)私有云、大型礦山設(shè)備健康診斷技術(shù)、礦山仿真系統(tǒng)、高性能礦山設(shè)備等基礎(chǔ)支撐技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。數(shù)字礦山以識(shí)別礦山安全隱患判斷感知礦山，并將少采礦或無人采礦的智能化礦山向前推進(jìn)，真正實(shí)現(xiàn)建設(shè)安全、高效、綠色、低耗、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)礦山的目標(biāo)，提升我國數(shù)字礦山建設(shè)水平。