林 淋

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

隨著云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等先進技術對傳統(tǒng)產業(yè)的積極引導與融合，為煤炭行業(yè)注入澎湃動力的同時也為以創(chuàng)新、發(fā)展、智慧型為標志型的露天煤礦轉型升級帶來了新的契機。

大力加深煤炭行業(yè)智能化建設進程，客觀上對構建智慧化露天煤礦提出了越來越高的要求。智慧型露天煤礦是集采礦技術、信息處理、人工智能、計算機技術高度結合的產物，智慧化露天煤礦的本質是實現(xiàn)安全、高效、生態(tài)、清潔、智能型露天礦山。智慧化露天煤礦是一個復雜系統(tǒng)，如果對其認知不足，易引起露礦企業(yè)的盲目建設，不僅消耗大量的資源，還會導致智慧礦山建設的停滯不前。為此，基于“6S”理論明確了智慧化露天煤礦的建設重點與建設方向，并涵蓋其主要智能體系與技術要求。

1 6S 理論概述

6S 法源于20 世紀80 年代由國外引入的6S 管理發(fā)展理論[1]。該理論自被引入后應用到了國內各個生產領域，在質量、服務、環(huán)境及生產效率等方面成效顯著。6S 理論以其簡潔、凝練等特點被大多數(shù)企業(yè)與研究機構所引用并發(fā)展，如馮夕文所著的《淺析6S 管理在煤礦生產現(xiàn)場中的應用》將6S 理論應用在煤礦生產現(xiàn)場，并得出實施6S 現(xiàn)場管理后煤礦現(xiàn)場生產所取得的效果；郭潤澤所著的《煤炭企業(yè)6S 管理應用的痛點與對策研究》是將6S 理論深入到煤炭企業(yè)的內部管理，對組織機構、人員職責、企業(yè)文化標準進行分析研究；楊志雄在《淺談6S 管理在神維分公司安全管理中的應用》文章中構建了6S安全管理應用模型，以宏觀角度分析了該模型在安全管理中的實施過程、實踐經驗和實施效果。

以此可以看出6S 理論涉獵范圍廣，應用靈活多樣，是一種行之有效的發(fā)展理論與管理方法。同時，也可以發(fā)現(xiàn)上述對6S 理論的應用僅限于對管理方面的柔性應用，但6S 理論有其更大發(fā)展空間，尤其在現(xiàn)今以構建智慧化露天礦為核心的創(chuàng)新發(fā)展階段。6S 智慧化露天煤礦集透徹感知、深度互聯(lián)與智慧應用于一體，以穩(wěn)固可靠（Stabilization）為基礎，以安全（Safety）為保障，以感知（Sensory）為途徑，以智能化體系（System）為支撐，運用現(xiàn)代先進科技理念，通過專業(yè)智慧化服務（Service）去構建智慧生態(tài)型[2]（Smart－ecotype）露天煤礦，實現(xiàn)煤炭資源的安全化、智慧化與綠色化開采，構建生態(tài)和諧、智慧高效、綠色可持續(xù)的露天開采新模式，使資源與環(huán)境協(xié)調統(tǒng)一、長治發(fā)展。

2 基于6S 的智慧化露天礦體系構建

2.1 穩(wěn) 固

穩(wěn)固可靠是智慧化露天煤礦發(fā)展的基礎。系統(tǒng)可靠性、數(shù)據(jù)可靠性、設備可靠性是智慧化露天煤礦所必須的三要素。智慧化系統(tǒng)的可靠性作為基礎，兼顧著為其他各種智能化的高效實現(xiàn)奠定穩(wěn)固的基石。

露天煤礦開采系統(tǒng)可以劃分為包含地質勘查、爆破、剝離、采掘、運輸、排土、復墾等多個分系統(tǒng)，各系統(tǒng)涉及因素眾多且關聯(lián)機制復雜。眾多的分支綜合構成了完整的露天開采系統(tǒng)，而系統(tǒng)鏈接的任何一個環(huán)節(jié)如果出現(xiàn)問題都會對整體系統(tǒng)產生非常大的影響，所以露天礦系統(tǒng)的穩(wěn)固與可靠對于智慧礦山的高效運行具有十分重要的意義。

由于設備、數(shù)據(jù)、傳感以及軟件系統(tǒng)之間的耦合性[3]導致了智慧型露天煤礦分系統(tǒng)間關聯(lián)機制復雜。針對此問題，露天礦綜合系統(tǒng)應構建穩(wěn)固工程，以保障露天礦綜合系統(tǒng)穩(wěn)定、高效的運行。穩(wěn)固工程主要包括系統(tǒng)的可靠性設計、適應性試驗、穩(wěn)定性生產和智能化管理等方面。設計方案可以對系統(tǒng)的穩(wěn)固性進行早期的預估，在初始階段尋找易引起穩(wěn)固性薄弱的環(huán)節(jié)，對其影響進行危害性分析（FMECA）和故障樹分析（FTA）[4]；此外，對于露天煤礦綜合系統(tǒng)管理過程選擇適宜的管理體系，例如，建立質量保證體系[5]、穩(wěn)固性工作計劃、制定可靠性標準等，從而保證綜合系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)可以有效控制并解決，避免因分系統(tǒng)的故障影響整個綜合系統(tǒng)的穩(wěn)固性。

保證數(shù)據(jù)可靠性要在露天煤礦智能化建設過程中，構建數(shù)據(jù)全生命周期管理，實現(xiàn)露天煤礦數(shù)據(jù)智慧化與生態(tài)化。以礦山數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，制定數(shù)據(jù)核查與監(jiān)控機制，以數(shù)據(jù)實時服務的模式使數(shù)據(jù)可以達到實時提供、實時管控的快捷數(shù)據(jù)共享服務。

設備可靠性，需要以系統(tǒng)維護損失最小、總成本率最低以及總維修時間最少為優(yōu)化目標[6]，智能識別生產狀態(tài)與設備狀態(tài)，自動生成生產與維護的聯(lián)合驅動開采系統(tǒng)決策方案，建立基于生產與維護相協(xié)調的雙層預知決策機制，以實現(xiàn)對設備的壽命評估、故障預測及性能趨勢分析監(jiān)控等，完成對設備全生命周期故障發(fā)生規(guī)律及其預防、控制與修復，大幅提高設備的可靠性，降低企業(yè)運行成本，實現(xiàn)設備智慧化的跨越發(fā)展，提升競爭力。

2.2 安 全

高效安全開采是露天煤礦遵循的第一準則。智慧化露天煤礦安全管理有賴于對礦山各安全要素透徹、詳實、全面、細致地掌握。

露天開采的安全受環(huán)境、技術裝備、人員以信管理水平等因素的綜合影響。伴隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展及其在露天煤礦的推廣滲入，使得智慧化露天煤礦得以在安全監(jiān)測、信息采集、傳輸方式等方面得到巨大提升。實時安全監(jiān)測數(shù)據(jù)及時、全面采集，推動形成了基于物聯(lián)網的露天礦山安全數(shù)據(jù)庫[7]，以此為基礎充分挖掘安全數(shù)據(jù)蘊含的規(guī)律加以有效利用，實現(xiàn)露天煤礦的安全預測預警雙重預防機制。

智慧露天煤礦安全預測預警雙重預防機制[8]將技術與預防機制有機融合，在露天煤礦個性化安全管理全面兼容的基礎上，實現(xiàn)從風險辨識、評價、管控、排查、治理等全過程的智能化。

安全預測預警雙重預防機制必須確保每一個環(huán)節(jié)都得以有效落實，每一個易引危險因素都需要得到有效控制，實現(xiàn)安全工作的閉環(huán)管控。智慧化安全閉環(huán)管控系統(tǒng)能夠實現(xiàn)從早期的隱患排查、生成對策、處理執(zhí)行、效果分析的全過程閉環(huán)管控，實時明確并完成各環(huán)節(jié)的責任，確保整個體系各項工作的高效率高質量完成。

2.3 感 知

深度感知是智慧化露天煤礦的重要特點。深度感知以物聯(lián)網、云計算為核心，利用泛在感知[9]、信息傳輸處理技術，來解決實時異構數(shù)據(jù)快速交換、多元數(shù)據(jù)快速接入、分布式協(xié)同處理及服務[10]等，實現(xiàn)對真實露天礦的整體可視化、數(shù)字化與智慧化，使得露天礦物聯(lián)網實現(xiàn)從感知到的應用互聯(lián)互通與智慧化信息交互，這是未來露天礦智慧化建設與生產發(fā)展的必然趨勢。

智慧化露天煤礦感知建設的總體方案是將地質勘查、剝采、運輸、排土、爆破、復墾、管理、礦山安全以及綠色生態(tài)等環(huán)節(jié)的信息全部數(shù)字化，將傳感傳輸技術、信息處理加工、智能云計算、現(xiàn)代信息管理與控制技術等與現(xiàn)代露天采礦技術緊密融合，構建露天礦山人與人、人與物、物與物相關聯(lián)的當代物聯(lián)網絡，詳盡形象地描述并控制露天礦的安全生產與動態(tài)管理的全過程。

秉承感知建設總體規(guī)劃原則，將露天煤礦感知系統(tǒng)劃分為感知整合、感知拓展、感知提升3 個層次。3 個層次通過先進的物聯(lián)網絡實現(xiàn)全面、直觀覆蓋；利用3DGIS[11]系統(tǒng)實現(xiàn)露天礦的全息展示。感知整合主要是相關信息的集成與基礎數(shù)據(jù)的收集，是感知系統(tǒng)建設的核心與基石；感知拓展主要是集成信息的傳輸與延展；感知提升主要是與其他系統(tǒng)（例如ERP 系統(tǒng)）結合銜接進而提升綜合系統(tǒng)的應用范圍與能力。

露天煤礦感知系統(tǒng)以敏捷、高效、安全、兼容為目標，最終實現(xiàn)露天煤礦的“4 個智慧化”，即基礎數(shù)據(jù)智慧化、開采過程智慧化、管理控制智慧化、決策處理智慧化，以此構建完善的露天煤礦感知系統(tǒng)。

2.4 體 系

露天煤礦智慧化體系是將新一代信息技術與露天煤炭開采進行深度融合，建立以數(shù)字化、物聯(lián)網為基礎、智慧化賦能的多層次露天煤炭開采模式。

體系架構中的“頂層設計”[12]是構造智慧化露天煤礦的關鍵核心?！绊攲釉O計”是針對主體結構和主要模式的設計。頂層設計是大局觀，是從宏觀維度對智慧化露天煤礦建設的全局性的把握。頂層設計不僅歸納了總體目標還規(guī)范了各級模型與各層次功能，將露天煤礦的核心問題清晰化。頂層設計詳細分析了智慧化露天煤礦中整合、拓展、提升3 個層次架構，細化出每一層次的具體功能與應用要求，并對智慧化露天煤礦的生產運營模式進行了深入分析。頂層設計是綜合體系的基礎，是構建智慧露天礦體系的關鍵。

在頂層設計的約束下，新技術與露天煤礦開采、運輸、管理等環(huán)節(jié)進行深度融合是建設智慧化露天煤礦體系的基礎。物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈等技術以其特有的高效率、低延時、廣連接等優(yōu)勢，不僅為露天煤礦智能化建設構建了穩(wěn)固的數(shù)據(jù)傳輸媒介，同時為礦山綜合體系提供了精準的數(shù)據(jù)算法支撐與響應模型。

露天礦智慧化體系搭建了靈活的傳輸通道，可以確保數(shù)據(jù)信息高效、完整、可靠地傳輸。運用先進的物聯(lián)網大數(shù)據(jù)平臺可以對露天煤礦進行全方位多維度實時安全監(jiān)測，從而實現(xiàn)露天煤礦的智慧增效、智慧增安、智慧運營，使智慧型露天煤礦實質名歸。

2.5 服 務

露天煤礦大數(shù)據(jù)服務模式，主要包含云服務、專業(yè)化礦企內部服務、專業(yè)化社會服務3 個方面。

1）云服務。利用構建的露天煤礦云基礎設施，圍繞露天開采自身特點，以資源共享為核心，搭建開發(fā)者與應用單位之間共享平臺[13]，協(xié)調兩者間的互聯(lián)互通，徹底解決露天煤礦生產系統(tǒng)信息孤島問題，真正將數(shù)字與算法價值最大化。云服務匯聚了露天煤炭開采全產業(yè)鏈資源，集結了數(shù)據(jù)與應用等服務的共性接口，將各系統(tǒng)應用共性服務模塊化，再將模塊以接口形式輻射各方，進而支持其他應用的調用訪問，加速了應用系統(tǒng)的快速開發(fā)，實現(xiàn)了服務間的高效互通。

2）專業(yè)化礦企內部服務。針對露天煤礦實際工作而構建的全生命周期數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，將原有點對點數(shù)據(jù)服務，轉換為專業(yè)化大數(shù)據(jù)共享服務，智慧感知、自主決策，疏通了信息壁壘以數(shù)據(jù)共享服務的形式支撐各級體系。此外，在頂層的云數(shù)據(jù)中心構建協(xié)同關系分析系統(tǒng)，運用人工智能建立智慧化數(shù)據(jù)引擎，構建大數(shù)據(jù)知識庫以保證服務有針對性的落實。礦企內部專業(yè)化服務在技術架構上，利用微服務架構和開放API 形式[14]對外提供，同時具備權限控制和授權功能，可以持續(xù)面向對象提供不同的專業(yè)數(shù)據(jù)服務。

3）專業(yè)化社會服務。當前露天煤礦智能化技術與設備的維護主要是由設備廠商進行，隨之而來的是維護不及時、溝通偏差、兼容性差等問題凸顯，嚴重影響了智慧化露天礦設備與系統(tǒng)的穩(wěn)固性與可靠性。為了解決此類問題，需從信息化系統(tǒng)實時監(jiān)測維護的角度，通過物聯(lián)網云平臺構建統(tǒng)一遠程信息運維專線體系[15]，遵循“一切資源化、資源數(shù)據(jù)化”的原則，實現(xiàn)將所有基礎設施資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、應用資源、服務資源等進行統(tǒng)一的運營維護管理。例如，針對設備系統(tǒng)的運營維護，可以從設備設計到其應用建立完整的生命周期運維模式，從而實現(xiàn)對露天礦設備的智慧化健康管理，將服務數(shù)據(jù)生態(tài)化，使數(shù)據(jù)與服務化成有機整體。

2.6 智慧生態(tài)

智慧化露天煤礦以智慧生態(tài)為構建目標，以智慧環(huán)境保護為約束，以智慧科技為保障。智慧型露天煤礦的開采應與生態(tài)治理并舉，以生產促進生態(tài)環(huán)境的改善。加強智慧露天礦山的建設與區(qū)域經濟一體化協(xié)調發(fā)展，強化資源配置，打造全方位智慧運行、科學綠色的新型露天礦生態(tài)圈。

建立露天煤礦智慧化綠色生態(tài)系統(tǒng)，采用新一代5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、云計算、區(qū)塊鏈等信息技術對露天煤礦的人、材、機、管、環(huán)進行全面系統(tǒng)感知、數(shù)據(jù)傳輸、分析決策、處理控制，利用云平臺與數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)露天煤礦生態(tài)數(shù)據(jù)的云存儲與三維展現(xiàn)，提高智慧化生態(tài)系統(tǒng)的智能性與可靠性；采用智慧綠色露天開采與生態(tài)復墾一體化技術，可實現(xiàn)露天煤礦高質量的綠色可持續(xù)開發(fā)；在露天礦區(qū)域打造集開采技術、生態(tài)技術、數(shù)字技術于一體的綠色智慧空間，深化露天礦區(qū)與周圍社會的雙向互動，將能源開發(fā)與綠色生態(tài)、數(shù)字產業(yè)相融匯，建立一種新型模式的露天礦特色文化區(qū)，為開采、生態(tài)與社會三者的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展注入新的動力。此外，綠色生態(tài)系統(tǒng)還可加強推進煤與其他伴生資源的協(xié)同勘查與開發(fā)利用，在露天礦區(qū)附近構建智能化選采加工業(yè)，延伸煤炭產業(yè)鏈及價值鏈[16]。

3 結語

1）基于當前露天煤礦智能化現(xiàn)狀與智慧化發(fā)展需求，從智慧露天煤礦系統(tǒng)規(guī)劃角度出發(fā)，提出露天煤礦智慧化建設核心：穩(wěn)固可靠（Stabilization）、安全（Safety）、感知（Sensory）、體系（System）、服務（Service）和智慧生態(tài)型（Smart－ecotype）。根據(jù)這6個方面的內容及特點，指明了露天煤礦智慧化建設的重心及關注點。按照6S 建設要求，對系統(tǒng)規(guī)劃進行設計，確保露天煤礦系統(tǒng)的智能性、可靠性、安全性與生態(tài)性，打造出智能高效、和諧有序、協(xié)調一致、綠色可持續(xù)的新型智慧化露天煤礦開采模式。

2）智慧化發(fā)展是露天煤礦的必然方向，6S 理論是智慧化發(fā)展的核心驅動力。未來露礦企業(yè)的比較優(yōu)勢在根本上完全取決于其智慧化發(fā)展創(chuàng)新程度，通過6S 理論，可以助力露礦企業(yè)在智慧礦山建設中，正確認識自己的優(yōu)劣態(tài)勢，引領露天煤礦企業(yè)找到適合自身發(fā)展的智慧型礦山建設方向。