王忠鑫，辛鳳陽(yáng)，宋 波，曾祥玉，劉英璐，王金金，田鳳亮，趙 明，李 杰，李申巖

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引 言

露天開采除了具有生產(chǎn)規(guī)模大、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、資源采出率高、生產(chǎn)安全和職業(yè)健康安全條件好等優(yōu)點(diǎn)之外［1］，還具有產(chǎn)量柔性好，易于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)等特點(diǎn)，幾乎所有采煤國(guó)家都把露天開采作為優(yōu)先選擇的資源開采方式。 近年來(lái)我國(guó)露天采煤量呈逐年上升的趨勢(shì)，由2003 年的0.8 億t 增加到2020 年的近7.0 億t，占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的比例由4.65%提高到17%左右［2］。 隨著我國(guó)煤炭開采重心加速向新疆等西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，露天開采的比重還將進(jìn)一步增大。 但是，我國(guó)露天煤礦單斗-卡車間斷開采工藝的采剝總量占比達(dá)到了85%以上，連續(xù)和半連續(xù)開采工藝應(yīng)用較少，礦山的自動(dòng)化和信息化水平相對(duì)較低，智能化建設(shè)基礎(chǔ)薄弱。 因此，通過(guò)科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)我國(guó)露天煤礦開采技術(shù)、工藝裝備和智能化水平的整體提升，實(shí)現(xiàn)綠色、安全、少人、高效發(fā)展，是落實(shí)國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措，也是推動(dòng)我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)之一。

隨著“云大物移智鏈”等新技術(shù)與礦業(yè)交叉融合，露天煤礦進(jìn)行的智能化建設(shè)的需求日益強(qiáng)烈，但大部分礦山面臨建設(shè)目標(biāo)不清晰、路徑不明確、內(nèi)容不系統(tǒng)、重點(diǎn)不突出、效果不明顯、項(xiàng)目推進(jìn)緩慢等問(wèn)題，究其原因主要是未能將露天礦山的智能化建設(shè)作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程來(lái)整體規(guī)劃和有序推進(jìn)，多數(shù)礦山在“摸著石頭過(guò)河”。 主要存在重“軟”系統(tǒng)建設(shè)，輕“硬”工藝裝備變革；重業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，輕數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘；偏離需求片面追求無(wú)人化，忽視智能化建設(shè)的經(jīng)濟(jì)屬性等誤區(qū)。

因此，研究露天煤礦智能化建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)策略，厘清規(guī)劃設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)，凝練核心設(shè)計(jì)策略，統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)的內(nèi)容要求和通用技術(shù)架構(gòu)，明確建設(shè)技術(shù)路徑，建立科學(xué)的設(shè)計(jì)建設(shè)范式，對(duì)于保障和提升我國(guó)露天煤礦智能化建設(shè)工作效果具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 露天煤礦智能化建設(shè)的總體目標(biāo)

我國(guó)露天煤礦地區(qū)分布區(qū)域廣、開采條件各異、工藝設(shè)備種類繁多、信息化建設(shè)水平參差不齊、市場(chǎng)區(qū)域性差異大、運(yùn)營(yíng)管理模式多樣，智能化建設(shè)必然要堅(jiān)持“因礦施策”的原則［3］，根據(jù)企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)情況統(tǒng)籌規(guī)劃，分級(jí)分步實(shí)施。 特別要結(jié)合企業(yè)需求的緊迫程度、礦山基礎(chǔ)條件和資金承受能力等因素制定露天煤礦智能化建設(shè)總體方案。

露天煤礦智能化建設(shè)的內(nèi)容可以圍繞“人”“設(shè)備”和“系統(tǒng)”這3 條主線來(lái)厘定。 “人”是指圍繞智能化建設(shè)前后減人目標(biāo)的建設(shè)內(nèi)容；“設(shè)備”是指圍繞提升露天開采工藝的先進(jìn)性和設(shè)備運(yùn)行管理的智能化程度有必要實(shí)施的建設(shè)內(nèi)容；“系統(tǒng)”是指完成露天礦生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理等配備的必要的信息系統(tǒng)。智能化露天煤礦的總體建設(shè)目標(biāo)是將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能化裝備系統(tǒng)與現(xiàn)代露天開采技術(shù)深度融合，構(gòu)建露天煤礦泛在連接、數(shù)據(jù)融合、云化服務(wù)、智能決策、自主運(yùn)行、安全高效的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同管控系統(tǒng)，賦能礦山實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、安全、經(jīng)營(yíng)、綜合管理等全要素、全過(guò)程、全生命周期的個(gè)性化安全穩(wěn)定運(yùn)行。 受礦山基礎(chǔ)條件的限制，宜將總體建設(shè)目標(biāo)按智能化程度可分初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)3 個(gè)階段來(lái)分步實(shí)現(xiàn)，3 條主線各分級(jí)的典型特征和階段目標(biāo)情況如圖1所示。

圖1 各分級(jí)的典型特征和階段目標(biāo)Fig.1 Typical characteristics and stage objectives of each level

2 露天煤礦智能化建設(shè)的特點(diǎn)

2.1 露天煤礦的生產(chǎn)特征

露天煤礦的生產(chǎn)特征決定著其智能化建設(shè)的特點(diǎn)，露天煤礦的生產(chǎn)特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）作業(yè)空間廣、場(chǎng)所分散。 露天煤礦與井工煤礦的顯著差異是其生產(chǎn)作業(yè)空間范圍廣，包括采掘場(chǎng)，排土場(chǎng)、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、工業(yè)場(chǎng)地等分區(qū)，占地面積從幾平方公里至十幾平方公里不等，在平面上具有空間范圍廣的特征。 在豎向空間上，我國(guó)露天煤礦絕大多數(shù)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)劃設(shè)計(jì)的二采區(qū)開采，甚至有些礦山已經(jīng)進(jìn)入三采區(qū)（或最后一個(gè)采區(qū)），即已轉(zhuǎn)入了深部區(qū)，平均開采深度已達(dá)200 m。 綜上，我國(guó)各露天煤礦的開采現(xiàn)狀可比喻為一個(gè)“開挖占地范圍大、空間開采深度大”的“敞露型空間實(shí)體”，這一特征是井工煤礦所不具有的，也正是這一特征，對(duì)露天煤礦智能化建設(shè)過(guò)程中的通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備人員定位、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞?lái)了難題。

2）工藝系統(tǒng)呈非線性、工序多且離散。 露天煤礦開采工藝按作業(yè)的連續(xù)性，可分為間斷開采工藝、連續(xù)開采工藝、半連續(xù)開采工藝及無(wú)運(yùn)輸?shù)苟验_采工藝等，每種工藝系統(tǒng)又有多種設(shè)備組合方式。 與井工礦開采工藝系統(tǒng)自工作面至井口呈“線性”分布的特征不同，露天煤礦的工藝系統(tǒng)并非“線性系統(tǒng)”，而是數(shù)量較多的各類移動(dòng)設(shè)備、在相對(duì)開放的空間、在數(shù)量眾多的工作面同時(shí)進(jìn)行穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸、排棄等多種離散作業(yè)活動(dòng)，這是露天煤礦區(qū)別于井工煤礦的又一顯著特征。

3）設(shè)備規(guī)格大、類型多樣。 露天煤礦的生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要包括穿孔、爆破、采掘、運(yùn)輸、排土等，各環(huán)節(jié)已全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。 生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、輔助作業(yè)量大等特點(diǎn)使得露天煤礦設(shè)備種類及數(shù)量繁多；而開采規(guī)模大、作業(yè)空間廣等特點(diǎn)又決定了露天煤礦設(shè)備規(guī)格的大型化。 目前，露天煤礦輪斗挖掘機(jī)、自移式破碎機(jī)、排土機(jī)等大型設(shè)備主要依靠進(jìn)口，設(shè)備購(gòu)買成本高且運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)法獲取，嚴(yán)重制約了設(shè)備所在工藝系統(tǒng)的智能化建設(shè)。 露天煤礦智能化升級(jí)的目標(biāo)不僅體現(xiàn)在單臺(tái)設(shè)備、單個(gè)環(huán)節(jié)上，更主要的是體現(xiàn)在跨設(shè)備、跨工藝環(huán)節(jié)、跨工藝系統(tǒng)、甚至跨業(yè)務(wù)范疇的信息共通共享、高效利用上。 因此，露天煤礦設(shè)備規(guī)格大、類型多的特點(diǎn)給礦山設(shè)備及工藝系統(tǒng)智能化建設(shè)提出了更高的要求。

4）設(shè)備實(shí)時(shí)移動(dòng)、軌跡多變。 露天煤礦設(shè)備主要有輪斗挖掘機(jī)、電鏟、液壓鏟、吊斗鏟等采掘設(shè)備，帶式輸送機(jī)、自卸卡車、礦用寬體車等運(yùn)輸設(shè)備，前裝機(jī)、壓路機(jī)、推土機(jī)、灑水車等輔助設(shè)備，還有轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、排土機(jī)、鉆機(jī)及炸藥車等其他環(huán)節(jié)各種設(shè)備。 其中，除輪斗挖掘機(jī)、帶式輸送機(jī)、排土機(jī)等連續(xù)作業(yè)設(shè)備以外，其他露天煤礦常用設(shè)備都是移動(dòng)設(shè)備。 移動(dòng)設(shè)備機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，除了適應(yīng)性強(qiáng)、受自然氣候影響小等優(yōu)勢(shì)之外，也給露天煤礦智能化建設(shè)過(guò)程中的移動(dòng)設(shè)備無(wú)人駕駛、多機(jī)協(xié)同、安全保障、設(shè)備全生命周期管理等提出了挑戰(zhàn)。

2.2 露天煤礦智能化建設(shè)的特點(diǎn)

根據(jù)露天煤礦的生產(chǎn)特征和智能化建設(shè)的根本的目標(biāo)分析，露天煤礦的智能化建設(shè)有著以下3 方面顯著特征。

1）以信息化為基本手段。 露天礦山是開放的空間，是由人員、設(shè)備、環(huán)境、管理組成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。 傳統(tǒng)露天煤礦生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，各子系統(tǒng)的運(yùn)行管理由“人”主導(dǎo)，主要憑經(jīng)驗(yàn)指揮；而智能化露天礦山要求轉(zhuǎn)變思路，把以人的經(jīng)驗(yàn)和有限知識(shí)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰谥R(shí)積累的智能化自主決策為主導(dǎo)，對(duì)礦山生產(chǎn)運(yùn)行全過(guò)程、全環(huán)節(jié)、全要素的智能管控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)露天煤礦的安全、高效、綠色開采，這對(duì)礦山的信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平提出了要求。

我國(guó)露天煤礦當(dāng)前普遍存在“信息煙囪”的問(wèn)題，即現(xiàn)有的各系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)MIS系統(tǒng)在一定程度上可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，但多限于主要信息的集中顯示，各系統(tǒng)的綜合聯(lián)動(dòng)尚未能實(shí)現(xiàn)。 因此，露天礦的智能化建設(shè)內(nèi)容必須以礦山管理及安全生產(chǎn)的信息化建設(shè)為基本手段和前提，側(cè)重于對(duì)多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境、人等要素信息進(jìn)行實(shí)時(shí)高效采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、可視化展示和規(guī)范化集成等。

2）以設(shè)備和工藝系統(tǒng)智能化為核心。 露天礦的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)主要依賴于設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，因此露天礦智能化的核心就是首先實(shí)現(xiàn)露天礦穿-爆-采-運(yùn)-排設(shè)備的智能化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)的智能化。 國(guó)內(nèi)眾多大型露天煤礦在核心裝備的智能化改造或智能裝備研制方面做了大量工作。 例如，神華準(zhǔn)能公司所屬露天礦［4］、華能伊敏露天礦［5］、國(guó)家電投內(nèi)蒙古能源公司所屬露天礦等均聯(lián)合設(shè)備供應(yīng)商、科研設(shè)計(jì)單位及高校研發(fā)了露天礦用自卸卡車無(wú)人駕駛系統(tǒng)、露天礦電鏟遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)、礦山設(shè)備預(yù)測(cè)性大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、露天礦無(wú)人機(jī)智能航測(cè)及驗(yàn)收系統(tǒng)等。 此外，很多露天礦還圍繞裝備（設(shè)備）的智能化需求，建立了卡車防碰撞、超速報(bào)警等相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)模塊，但目前僅實(shí)現(xiàn)了部分環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，整體尚處于較為初級(jí)的數(shù)字化建設(shè)階段。 未來(lái)重點(diǎn)研究方向?qū)⒓性陉P(guān)鍵核心設(shè)備的研發(fā)、狀態(tài)感知、自主決策、自動(dòng)運(yùn)行及智能診斷等方面，關(guān)鍵核心設(shè)備主要包括鉆機(jī)、裝藥車、電鏟、卡車、輪斗挖掘機(jī)、推土機(jī)、排土機(jī)、破碎站、堆取料機(jī)、帶式輸送機(jī)和各類機(jī)器人等。

3）以“設(shè)計(jì)-施工”一體化管控為目標(biāo)。 礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)智能化的主要特征為地質(zhì)數(shù)據(jù)精確化、設(shè)計(jì)方法精細(xì)化、設(shè)計(jì)表達(dá)方式三維全息化等［6］。在地質(zhì)測(cè)繪方面，當(dāng)前激光掃描儀、無(wú)人機(jī)傾斜攝影等地表建模手段已經(jīng)在國(guó)內(nèi)大型露天礦山及科研設(shè)計(jì)單位得到了應(yīng)用。 在設(shè)計(jì)軟件及方法方面，礦床地質(zhì)模型及輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)基本普及，例如Minex、Surpac、Vulcan、3Dmine 等軟件，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)大多數(shù)露天煤礦有所應(yīng)用［7］，但本質(zhì)上仍是基于礦床模型的土石方算量，對(duì)于生產(chǎn)計(jì)劃的優(yōu)化、智能設(shè)計(jì)決策、設(shè)備實(shí)際作業(yè)特性模擬、生產(chǎn)中存在的隨機(jī)事件等考慮相對(duì)較少，與國(guó)外的開采設(shè)計(jì)方案預(yù)演仿真方法相比差距較大。中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司研發(fā)了“露天礦工程BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)及三維數(shù)字化交付技術(shù)及平臺(tái)”［6］，實(shí)現(xiàn)了對(duì)露天礦工程全生命周期信息的集中有效管理、傳遞、共享、三維可視化展示、虛擬仿真等，可實(shí)現(xiàn)礦山工程“設(shè)計(jì)-施工”的一體化綜合管控，設(shè)計(jì)交付的三維全息模型亦是構(gòu)建智能化露天礦數(shù)字孿生體的通用數(shù)字底座。 露天礦工程BIM 協(xié)同工作平臺(tái)功能架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 露天礦工程BIM 協(xié)同工作平臺(tái)功能架構(gòu)Fig.2 BIM collaborative work platform functional architecture of open?pit mine project

3 智能化露天煤礦總體設(shè)計(jì)策略

3.1 工藝為本策略

露天煤礦智能化建設(shè)的根本目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色開采，而并非單純追求少人或無(wú)人。 其發(fā)展路徑應(yīng)首先從開采工藝的優(yōu)化和改造開始，以連續(xù)或半連續(xù)開采工藝部分替代優(yōu)于單斗-卡車間斷開采工藝，以帶式輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)輸替代卡車運(yùn)輸，以相對(duì)成熟可靠的連續(xù)系統(tǒng)智能控制技術(shù)彌補(bǔ)尚不成熟的單斗挖掘機(jī)和卡車無(wú)人駕駛技術(shù)，以連續(xù)系統(tǒng)的輔助機(jī)器人作業(yè)替代單斗-卡車工藝的人工操作或遠(yuǎn)程駕駛。 露天煤礦的智能化建設(shè)以工藝作為基本的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，攻克連續(xù)和半連續(xù)開采工藝核心裝備的系列卡脖子難題，早日實(shí)現(xiàn)裝備的國(guó)產(chǎn)化替代，根據(jù)露天礦的具體情況和各工藝系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)建立工藝機(jī)理模型，應(yīng)用泛在連接技術(shù)全面連接設(shè)備群和采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，再進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和智能決策，是我國(guó)露天煤礦智能化建設(shè)的核心任務(wù)和關(guān)鍵目標(biāo)。

3.2 分級(jí)建設(shè)策略

露天煤礦智能化建設(shè)以實(shí)現(xiàn)開采環(huán)境數(shù)字化、采掘裝備智能化、生產(chǎn)過(guò)程自主化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化和經(jīng)營(yíng)管理信息化為主要目標(biāo)。 受技術(shù)和煤礦條件約束限制，智能化建設(shè)必然是一個(gè)逐步發(fā)展的過(guò)程，總體建設(shè)目標(biāo)按智能化程度可分初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)3個(gè)階段，在總體設(shè)計(jì)過(guò)程中要分別對(duì)3 個(gè)階段的智能化運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行刻畫，并確定相應(yīng)的建設(shè)內(nèi)容，提出各項(xiàng)內(nèi)容的主要技術(shù)要求等，在實(shí)施過(guò)程中分級(jí)建設(shè)和管理。 結(jié)合我國(guó)露天煤礦的實(shí)際技術(shù)條件，以人、設(shè)備和系統(tǒng)3 大主線確定的各階段智能化作業(yè)場(chǎng)景如下：初級(jí)智能化以單機(jī)、單應(yīng)用系統(tǒng)為主要應(yīng)用場(chǎng)景，作業(yè)模式以“無(wú)人值守+遠(yuǎn)程集控”為主。 中級(jí)智能化以網(wǎng)絡(luò)條件下的系統(tǒng)集成為主要應(yīng)用場(chǎng)景，作業(yè)模式以“遠(yuǎn)程操控+全息映射”為主。 高級(jí)智能化以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)條件下的露天煤礦綜合集成應(yīng)用為主要應(yīng)用場(chǎng)景，作業(yè)模式以“自主運(yùn)行+數(shù)字孿生”為主。 智能化露天煤礦分級(jí)建設(shè)數(shù)據(jù)治理利用策略如圖3 所示。

圖3 分級(jí)建設(shè)應(yīng)用策略Fig.3 Hierarchical construction application strategy diagram

3.3 價(jià)值導(dǎo)向策略

礦山開采屬于一種經(jīng)濟(jì)行為，對(duì)于礦山企業(yè)而言，任何新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的投資均有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)屬性，投入產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)性是必須考慮的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，礦山的智能化建設(shè)也不例外。 露天礦山向智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的目的是在高效、安全、綠色與可持續(xù)發(fā)展的前提下，盡可能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)盈利能力，改善人的工作環(huán)境和職業(yè)健康水平。 然而各礦山的自身?xiàng)l件千差萬(wàn)別，對(duì)智能化的需求各不相同，盲目的高投入反而會(huì)阻礙企業(yè)的智能化發(fā)展道路。 因此，露天礦智能化方案規(guī)劃設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)是結(jié)合礦山資源賦存條件、地理位置、煤質(zhì)條件、剩余服務(wù)年限、現(xiàn)有信息化水平等，以智能化建設(shè)的價(jià)值創(chuàng)造為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，確定相關(guān)建設(shè)內(nèi)容及合理的投入規(guī)模，進(jìn)而確定露天礦合理的智能化程度。

3.4 有序推進(jìn)策略

露天礦山的智能化建設(shè)工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，整個(gè)過(guò)程投入大、周期長(zhǎng)、對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的管理模式和既有系統(tǒng)都有較大影響。 露天礦山智能化建設(shè)是從底層到上層的逐步建設(shè)過(guò)程，同一業(yè)務(wù)單元會(huì)在不同的智能化建設(shè)項(xiàng)目中被涉及，會(huì)以不同的智能化場(chǎng)景為目標(biāo)被改造；另外，也會(huì)出現(xiàn)不同的智能化系統(tǒng)或平臺(tái)間數(shù)據(jù)邊界交織、層級(jí)邏輯不清、功能各自獨(dú)立的情況。 因此，露天礦智能化方案規(guī)劃設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要內(nèi)容是科學(xué)確定各項(xiàng)規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容的實(shí)施時(shí)序，避免出現(xiàn)重復(fù)建設(shè)、重復(fù)投入、超前投入、滯后產(chǎn)出等不合理的情況。 如各項(xiàng)內(nèi)容的建設(shè)時(shí)序不合理，某一系統(tǒng)的建設(shè)可能非但沒有達(dá)到智能化建設(shè)的目標(biāo)，反而可能影響礦山的綜合效益水平，顯然是不合理的。 因此在開展智能化露天礦山建設(shè)工作前，一方面必須依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求在宏觀上設(shè)定合理的階段建設(shè)目標(biāo)；另一方面還需要確定階段內(nèi)各項(xiàng)智能化建設(shè)內(nèi)容的先后次序，有序推進(jìn)智能化礦山建設(shè)規(guī)劃的各項(xiàng)工作。

3.5 虛實(shí)共生策略

數(shù)字孿生礦山是智能化礦山發(fā)展到高級(jí)階段的必然結(jié)果，露天礦智能化方案規(guī)劃設(shè)計(jì)要以礦山實(shí)現(xiàn)虛實(shí)共生、全息映射為主要目標(biāo)。 數(shù)字孿生體主要是由端側(cè)各子系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)通過(guò)5G 技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建礦山物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型，精確表征數(shù)字孿生模型的時(shí)空演化特性與映射重構(gòu)性能，了解露天礦各要素的狀態(tài)和響應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過(guò)程遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)、設(shè)備性能實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)場(chǎng)景三維可視化。 主要包括：開采工藝數(shù)字孿生、開采過(guò)程數(shù)字孿生、設(shè)備性能數(shù)字孿生、生產(chǎn)管理數(shù)字孿生和安全監(jiān)管數(shù)字孿生等。通過(guò)數(shù)字孿生場(chǎng)景對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋，提前發(fā)現(xiàn)邊坡滑坡、設(shè)備沖突、人員違章及行為異常等事故征兆，自動(dòng)執(zhí)行預(yù)警和相關(guān)安全措施預(yù)案，從而提前避免事故發(fā)生，保證露天礦的生產(chǎn)安全性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。 礦山數(shù)字孿生的分層架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 礦山數(shù)字孿生分層架構(gòu)Fig.4 Mine digital twin layered structure diagram

4 智能化露天煤礦平臺(tái)架構(gòu)

傳統(tǒng)的IT 架構(gòu)已經(jīng)難以支撐海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、管理和有序流動(dòng)，制約了露天煤礦的智能化發(fā)展［8-9］，而基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚與建模分析、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)軟件化與模塊化、各類創(chuàng)新應(yīng)用開發(fā)與運(yùn)行，從而支撐生產(chǎn)智能決策、業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置、產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育。 智能化露天煤礦的技術(shù)架構(gòu)應(yīng)采用基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的“云、邊、端”架構(gòu)，采用一套標(biāo)準(zhǔn)體系、構(gòu)建一張全面感知網(wǎng)絡(luò)、建設(shè)一條高速數(shù)據(jù)傳輸通道、形成一個(gè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，面向不同業(yè)務(wù)部門實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)。 目前，煤礦企業(yè)已建成大量基于傳統(tǒng)IT 架構(gòu)的信息系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可作為平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源（端側(cè)），繼續(xù)發(fā)揮系統(tǒng)剩余價(jià)值，并逐步推進(jìn)傳統(tǒng)信息化業(yè)務(wù)的云化部署，解決企業(yè)傳統(tǒng)系統(tǒng)向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)遷移、單個(gè)企業(yè)與行業(yè)平臺(tái)對(duì)接等難題。 張建中等［10］提出了智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)，主要面向井工煤礦的需求。 智能化露天煤礦的平臺(tái)架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 智能化露天煤礦平臺(tái)架構(gòu)Fig.5 Platform structure of intelligent open-pit coal mine

智能化露天煤礦平臺(tái)架構(gòu)主要由5 層組成，分別為：感知層、接入層、邊緣層、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層和綜合管控平臺(tái)層。

感知層布設(shè)不同類型的傳感器和執(zhí)行感知系統(tǒng)，采集露天礦生產(chǎn)環(huán)境、作業(yè)設(shè)備、人員和管理等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天煤礦“人-機(jī)-環(huán)-管”信息的全面感知。

接入層利用智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)模塊技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，主要包括OPC、MODBUS、MQTT、WIFI、4G／5G、ZigBee 等。 感知設(shè)備的無(wú)源、無(wú)線傳輸方法將是智能化露天煤礦的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。

邊緣層通過(guò)各類通信手段接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，進(jìn)行大范圍、深層次的海量數(shù)據(jù)采集。 依托協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換、歸一化和邊緣集成。 利用邊緣計(jì)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的邊緣處理，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向云端平臺(tái)的集成，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 邊緣計(jì)算采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺(tái)，就近提供端側(cè)服務(wù)，滿足礦山在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。

智能化煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層基于通用PaaS疊加大數(shù)據(jù)處理、工業(yè)數(shù)據(jù)分析、工業(yè)微服務(wù)等創(chuàng)新功能，構(gòu)建可擴(kuò)展的開放式云操作系統(tǒng)。 平臺(tái)層由物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)、云計(jì)算平臺(tái)和技術(shù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)和數(shù)據(jù)中臺(tái)等3 大中臺(tái)組成。 物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)是將邊緣層設(shè)備信息數(shù)據(jù)接入與管理，為云計(jì)算平臺(tái)提供數(shù)據(jù)傳輸方法；云計(jì)算平臺(tái)是利用礦山大數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建、分析和優(yōu)化，為邊緣層提供可靠的計(jì)算模型；3 大中臺(tái)包括技術(shù)、業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)中臺(tái)，其中：技術(shù)中臺(tái)提供移動(dòng)應(yīng)用、視頻接入、GIS、區(qū)塊鏈、微服務(wù)、人工智能等平臺(tái)底層的技術(shù)資源和能力的支持；業(yè)務(wù)中臺(tái)將礦山穿爆、采剝、運(yùn)輸、排土、災(zāi)害預(yù)警和輔助生產(chǎn)等全周期的業(yè)務(wù)沉淀到業(yè)務(wù)中臺(tái)，減輕前臺(tái)壓力，形成“大中臺(tái)，小前臺(tái)”，減少礦山類似業(yè)務(wù)的重新開發(fā)；數(shù)據(jù)中臺(tái)是依據(jù)礦山既有的業(yè)務(wù)模式和組織架構(gòu)形成的數(shù)據(jù)綜合管理平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚、開發(fā)、體系、服務(wù)、安全和運(yùn)營(yíng)層，構(gòu)建一套持續(xù)不斷把數(shù)據(jù)變成資產(chǎn)并服務(wù)于業(yè)務(wù)的機(jī)制。

綜合管控平臺(tái)即為應(yīng)用層，形成滿足露天煤礦行業(yè)、不同場(chǎng)景的工業(yè)SaaS 和工業(yè)APP，形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的最終價(jià)值。 該層提供了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等一系列創(chuàng)新性業(yè)務(wù)應(yīng)用。 各類業(yè)務(wù)應(yīng)用既可以共用數(shù)據(jù)信息，又可利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行獨(dú)立決策與控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、單一系統(tǒng)的獨(dú)立決策及系統(tǒng)間的智能聯(lián)動(dòng)，還可以提供數(shù)據(jù)的對(duì)外商業(yè)服務(wù)。

5 露天煤礦智能開采技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、邊緣計(jì)算等前沿技術(shù)在露天煤礦取得了初步應(yīng)用［11-22］，但與露天開采基礎(chǔ)理論及工藝機(jī)理結(jié)合的深度和廣度尚遠(yuǎn)且不夠。 由上述可得智能化技術(shù)驅(qū)動(dòng)的露天煤礦智能開采技術(shù)主要應(yīng)用場(chǎng)景如下：①采礦智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)穿爆智能設(shè)計(jì)、短期及中長(zhǎng)期智能排產(chǎn)；②基于間斷工藝生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)，建立智能卡車調(diào)度管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛基礎(chǔ)信息管理、車輛監(jiān)控、自動(dòng)計(jì)量、集中優(yōu)化調(diào)度、單斗挖掘機(jī)的遠(yuǎn)程操控、無(wú)人駕駛、油耗監(jiān)測(cè)等的研究，建成智能化間斷工藝系統(tǒng)；③圍繞半連續(xù)工藝系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與開發(fā)、智能控制與監(jiān)測(cè)技術(shù)、帶式輸送機(jī)的智能調(diào)速、隱患識(shí)別、故障診斷及預(yù)測(cè)等方面開展研究，建成無(wú)人值守、機(jī)器人巡檢的智能化半連續(xù)工藝系統(tǒng)；④突破連續(xù)開采工藝系統(tǒng)的輪斗挖掘機(jī)切削機(jī)理、高壽命斗齒等關(guān)鍵元部件、整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大跨度重型設(shè)備姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)整、大跨度設(shè)備多履帶移動(dòng)路徑規(guī)劃、自移式大傾角帶式輸送機(jī)成套裝備研制等重大科學(xué)技術(shù)難題，建成露天煤礦智能無(wú)人化連續(xù)開采工藝系統(tǒng)；⑤研發(fā)高精度北斗定位模塊、防碰撞安全預(yù)警系統(tǒng)、設(shè)備數(shù)據(jù)采集、數(shù)字孿生、自動(dòng)駕駛等技術(shù)，使各類露天開采工藝系統(tǒng)具有智能感知和自主決策功能，實(shí)現(xiàn)露天礦坑下少人或無(wú)人化開采，系統(tǒng)安全高效協(xié)同自主運(yùn)行；⑥面向露天礦實(shí)現(xiàn)少人和無(wú)人化智能開采后的實(shí)際需求，加強(qiáng)露天礦智能化綜合保障技術(shù)與裝備研發(fā)，基于視頻監(jiān)測(cè)、數(shù)字孿生等技術(shù)，開發(fā)露天礦大型裝備故障自診斷與健康管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)露天礦主要設(shè)備的在線診斷與遠(yuǎn)程運(yùn)維，建成露天煤礦主要設(shè)備的智能維修管理系統(tǒng)。

6 露天煤礦智能化建設(shè)內(nèi)容

露天煤礦智能化建設(shè)在不斷發(fā)展過(guò)程中，但是各大中小型露天煤礦均沒有形成統(tǒng)一的建設(shè)內(nèi)容，目前形成共識(shí)的是“根據(jù)每個(gè)露天礦的實(shí)際情況分級(jí)建設(shè)是必要的”，由此筆者根據(jù)國(guó)內(nèi)主要露天煤礦目前的工藝和開采現(xiàn)狀情況，結(jié)合各礦山的自動(dòng)化和信息化基礎(chǔ)條件，嘗試提出了智能化露天煤礦按照初、中、高三級(jí)的建設(shè)內(nèi)容，以期為我國(guó)露天煤礦的智能化建設(shè)工作提供一定的參考。

初級(jí)智能化建設(shè)內(nèi)容如下：①智能穿爆方面，研發(fā)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)爆區(qū)的地測(cè)信息進(jìn)行三維地質(zhì)建模、鉆孔設(shè)計(jì)、火工品計(jì)算；結(jié)合高精度定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自主導(dǎo)航，并能通過(guò)指令引導(dǎo)鉆機(jī)鉆頭定位、對(duì)孔及鉆進(jìn)，滿足高效、精確要求；鉆機(jī)具備行走速度、鉆進(jìn)速度、回轉(zhuǎn)壓力等數(shù)據(jù)精確感知功能。②間斷開采工藝方面，采用車規(guī)級(jí)北斗差分定位系統(tǒng)和車身定位技術(shù)裝備，進(jìn)行多傳感器融合，實(shí)現(xiàn)采剝及輔助設(shè)備精準(zhǔn)定位；建立卡車調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)卡車基礎(chǔ)信息管理、車輛監(jiān)控、自動(dòng)計(jì)量、集中調(diào)度等功能。 ③半連續(xù)開采工藝方面，破碎站和帶式輸送機(jī)硬件設(shè)置保護(hù)裝置，給料機(jī)配置變頻電機(jī)，控制信號(hào)引入集控PLC 中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控和保護(hù)功能。 ④連續(xù)開采工藝方面，輪斗控制系統(tǒng)具有控制器分布式IO、總線與傳感器數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，通過(guò)布設(shè)視頻監(jiān)控、定位傳感器等，實(shí)現(xiàn)輪斗自動(dòng)控制、監(jiān)控、防碰撞等功能。 ⑤災(zāi)害預(yù)警方面，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)邊坡地表位移。 ⑥輔助工藝方面，應(yīng)用具有三維可視化等功能的地質(zhì)建模軟件，構(gòu)建露天礦三維地質(zhì)模型；基于無(wú)人機(jī)和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行露天礦三維數(shù)據(jù)采集、場(chǎng)景三維模型構(gòu)建和動(dòng)態(tài)更新。

在初級(jí)智能化的基礎(chǔ)上，中級(jí)智能化建設(shè)內(nèi)容如下：①智能穿爆方面，開發(fā)具備智能分析、設(shè)計(jì)、模擬、預(yù)測(cè)功能的軟件，實(shí)現(xiàn)爆破設(shè)計(jì)中的炸藥品種自動(dòng)選擇，藥量自動(dòng)計(jì)算，裝藥結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)、延期時(shí)間自動(dòng)設(shè)計(jì)、文檔輸出等功能；裝藥車控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級(jí)，從尋、測(cè)、裝3 個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)裝藥車自動(dòng)裝藥控制。 ②間斷開采工藝方面，改造采剝及輔助設(shè)備的線控系統(tǒng)，采集駕駛室座椅手柄操作信號(hào)、駕駛臺(tái)控制按鈕等人工操作信號(hào)，打通通訊控制協(xié)議；建立設(shè)備故障預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。 ③半連續(xù)開采工藝方面，破碎站料斗安裝雙視目攝像頭及雷達(dá)料位計(jì)，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示料位狀態(tài)，帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、張緊單元的智能自適應(yīng)調(diào)控、主動(dòng)低能耗、低損耗輸送。 ④連續(xù)開采工藝方面，構(gòu)建“遠(yuǎn)程操控-采運(yùn)排協(xié)同”的作業(yè)模式，連續(xù)工藝實(shí)現(xiàn)多機(jī)智能協(xié)同作業(yè)的開采模式。 ⑤災(zāi)害預(yù)警方面，建立地表位移和深層位移綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具備漸變過(guò)程有效分析的能力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警等功能。 ⑥輔助方面，在地、測(cè)、采三維模型基礎(chǔ)上，增加地面生產(chǎn)系統(tǒng)的全息模型，兼顧時(shí)間維度實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)露天礦工程的五維（時(shí)間+空間+屬性）一體化表達(dá)及動(dòng)態(tài)展示。

在中級(jí)智能化的基礎(chǔ)上，高級(jí)智能化建設(shè)內(nèi)容如下：①智能穿爆方面，建立礦山地質(zhì)信息與火工品智能匹配數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)鉆孔的優(yōu)化布置、火工品的逐孔精確計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果、三維可視等功能；②間斷開采工藝方面，建立自動(dòng)感知、傳輸、決策、執(zhí)行全過(guò)程控制系統(tǒng)，卡車等移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛；③半連續(xù)開采工藝方面，破碎站建立噪聲、粉塵等監(jiān)測(cè)預(yù)警聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主巡檢；④連續(xù)開采工藝方面，構(gòu)建“自主開采-智能決策”的無(wú)人化開采模式；⑤災(zāi)害預(yù)警方面，建立邊坡地質(zhì)災(zāi)害天-地一體化在線智能監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，完成邊坡監(jiān)測(cè)多源數(shù)據(jù)的融合解算，形成智能監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)；⑥輔助生產(chǎn)方面，重點(diǎn)解決露天礦數(shù)字孿生體的構(gòu)建、設(shè)備智能維修、坑下道路維護(hù)、工作面及道路粉塵治理、無(wú)人測(cè)繪等方面的智能化和少人化問(wèn)題。

7 結(jié) 論

1）露天煤礦智能化建設(shè)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全要素、全過(guò)程、全生命周期的個(gè)性化智能運(yùn)行，核心是解決個(gè)性化生產(chǎn)和資源高效配置的難題，本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)科學(xué)采礦。

2）露天煤礦生產(chǎn)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：①作業(yè)空間廣、場(chǎng)所分散；②工藝系統(tǒng)呈非線性、工序多且離散；③設(shè)備規(guī)格大、類型多樣；④設(shè)備實(shí)時(shí)移動(dòng)、軌跡多變等。 生產(chǎn)的特殊性決定了其智能化建設(shè)的特征主要是：①以信息化為基本手段；②以設(shè)備和工藝系統(tǒng)智能化為核心；③以“設(shè)計(jì)-施工”一體化管控為目標(biāo)。

3）智能化露天煤礦總體方案設(shè)計(jì)要以工藝為本，分級(jí)建設(shè)，價(jià)值導(dǎo)向、有序推進(jìn)、虛實(shí)共生為基本策略和指導(dǎo)原則，以人、設(shè)備和系統(tǒng)3 大主線確定的各階段智能化作業(yè)場(chǎng)景，以投入產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)性作為合理性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，合理確定各項(xiàng)智能化建設(shè)內(nèi)容的先后次序，終極目標(biāo)是全面建成數(shù)字孿生礦山。

4）智能化露天煤礦總體方案設(shè)計(jì)要基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)思想，文章提出了智能化露天煤礦的5 層平臺(tái)架構(gòu)，并對(duì)5 層架構(gòu)的功能設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了闡述。

5）智能化露天煤礦總體方案設(shè)計(jì)要聚焦露天煤礦智能開采關(guān)鍵核心技術(shù)和裝備的研發(fā)，并根據(jù)各露天煤礦的具體條件構(gòu)建智能應(yīng)用場(chǎng)景，提供設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等一系列創(chuàng)新性業(yè)務(wù)應(yīng)用，形成智能化礦山建設(shè)的最終價(jià)值。