為打造智能化礦業(yè)大國貢獻一份力

   “當前，國內(nèi)外礦業(yè)已進入了一個智能化業(yè)務高速發(fā)展的最佳時期?！北本┑V冶研究總院礦山工程研究設計所副所長張達日前在接受記者采訪時如是說。據(jù)了解，礦山工程研究設計所在礦山安全、高效、清潔開采技術的研究與開發(fā)方面代表國家水平，而礦山智能化開采技術、裝備與工程應用，已成為該所的主要研究方向。

　　記者：智能開采技術是在怎樣的背景下發(fā)展起來的？其發(fā)展有何意義？

　　張達：隨著全球?qū)ΦV產(chǎn)資源需求量的增加,來自國際市場的高產(chǎn)、高效、高質(zhì)量、低成本礦產(chǎn)品的進入，以及國內(nèi)部分非常規(guī)掠奪式礦產(chǎn)品開采，使礦業(yè)企業(yè)間資源、管理與市場的競爭日益激烈，迫使礦山企業(yè)在資源利用、環(huán)境保護、開采工藝、技術裝備、安全管理等方面必須進行變革，以應對當前的嚴峻挑戰(zhàn)。

　　我國金屬礦山以地下開采為主，許多礦山逐步由淺層開采轉(zhuǎn)向深部開采。由于地下金屬礦山的資源稟賦條件、開采工藝、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)裝備的差異，以及資源的不確定性和動態(tài)性、工作場所的離散型、生產(chǎn)力要素的移動性、生產(chǎn)環(huán)境的高危險性等特點，形成了諸多難題，致使礦山企業(yè)生產(chǎn)效率低下，事故頻發(fā)。在這種情況下，為了提高我國礦山的技術實力，開展以安全、高效、經(jīng)濟為目標的地下金屬礦山智能開采技術研究就顯得尤為重要。

　　智能開采是指以智能化、自動化采礦裝備為核心，以高速、大容量、雙向綜合數(shù)字通信網(wǎng)絡為載體，以智能設計與生產(chǎn)管理軟件系統(tǒng)為平臺，通過對礦山生產(chǎn)對象和過程進行實時、動態(tài)、智能化監(jiān)測與控制，實現(xiàn)礦山開采的安全、高效和經(jīng)濟效益最大化。

　　礦山的智能開采技術是由一系列互相依存、彼此銜接的功能模塊，通過實時的數(shù)據(jù)流融合在一起，最終形成的有機整體。其核心功能包括礦山生產(chǎn)規(guī)劃、礦山生產(chǎn)系統(tǒng)運行、礦山運行狀態(tài)監(jiān)控和地下開采裝備智能化。

　　智能開采的意義主要在于采用現(xiàn)代高新技術提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，推動我國礦產(chǎn)資源開發(fā)向高效、安全、綠色與可持續(xù)發(fā)展，增強我國礦業(yè)行業(yè)的核心競爭能力。礦山智能開采技術對于推動有色金屬和鋼鐵冶金行業(yè)的振興也具有重要意義。

　　記者：國外智能開采技術經(jīng)歷了哪些發(fā)展階段？

　　張達：現(xiàn)代信息技術的應用與發(fā)展使得礦山的自動化或智能化開采成為可能。從上世紀90年代開始，芬蘭、加拿大、瑞典等國家為取得在采礦工業(yè)中的競爭優(yōu)勢，先后制定了“智能化礦山”和“無人化礦山”的發(fā)展規(guī)劃。

　　芬蘭提出了智能礦山技術研究計劃(IM)，由芬蘭技術開發(fā)中心（TEKES）牽頭，奧托昆普采礦服務公司、坦羅克鑿巖機公司和裝運機公司、諾爾梅特奧利翁公司、洛克莫公司以及赫爾辛基工業(yè)大學巖石研究所共同完成，從1992年至1997年歷時5年。該計劃共分28個研究項目，預算1200萬美元，通過對資源和生產(chǎn)的實時管理、設備自動化和生產(chǎn)維護自動化三個領域的研究，初步建立智能礦山技術體系，提高露天礦和地下礦的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

　　在此基礎上，芬蘭進一步提出了智能礦山實施研發(fā)技術計劃（IMI），從1997年開始，歷時3年，通過實施先進技術技術，開發(fā)出機械裝備與系統(tǒng)，并在奧托昆普公司凱米地下礦進行了開發(fā)試驗，提高了礦山的勞動生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，改善了工作條件。

　　此外，加拿大完成論證并開始實施的采礦自動化項目（MAP）五年計劃，預算接近2000萬美元，由加拿大國際鎳有限公司、鷹橋鎳礦有限公司、加拿大自動化與機器人技術中心等承擔，基于國際鎳公司研發(fā)的地下高頻寬帶通信系統(tǒng)，研發(fā)遙控操作、自主操作和自調(diào)整系統(tǒng)等核心技術，礦體圈定機器人裝置通過通信系統(tǒng)與智能地質(zhì)模型連接，開拓過程則是根據(jù)礦體圈定結果建立模型。自動化工程開拓模型向進行工作的遙控設備直接提供信息，遙控設備的信息也同時提供給礦山模型，并作用于生產(chǎn)過程。實現(xiàn)上述功能的裝置是采礦機器人控制器，它既是一個連接監(jiān)控傳感器與局部遙控執(zhí)行器的計算裝置，又是一個射頻調(diào)制解調(diào)器。另一方面，建立了礦山基本輔助系統(tǒng)，如通風、泵送、地層控制、配電、礦山排水、壓縮空氣以及工藝用水等。在這些輔助系統(tǒng)中，布設在現(xiàn)場的傳感器將信息通過與通信系統(tǒng)相連接的控制裝置發(fā)送到中心控制計算機，該計算機按照模型處理數(shù)據(jù)，并給各個水平的遠距遙控執(zhí)行機構發(fā)送信號進行調(diào)節(jié)。通過上述內(nèi)容的研究開發(fā)，使加拿大在采礦自動化技術方面處于國際領先地位，保持了采礦工業(yè)的競爭優(yōu)勢，并形成了新的支柱技術產(chǎn)業(yè)。加拿大還制定出一項擬在2050年實現(xiàn)的遠景規(guī)劃，即在加拿大北部邊遠地區(qū)建設一個無人化礦山，通過衛(wèi)星操控礦山的所有設備，實現(xiàn)機械破碎和自動采礦。

　　加拿大國際鎳公司研制出一種地下通信系統(tǒng)，此系統(tǒng)建立在有線電視和無線電發(fā)射技術相結合的技術基礎上，并在斯托比（Stobie）礦試用。這種功能很強的寬帶網(wǎng)絡與礦山各中段的無線電單元相結合，可傳輸多頻道的視頻信號，操作每臺設備。該礦除了固定設備已實現(xiàn)自動化外，鏟運機、鑿巖臺車、井下汽車均已實現(xiàn)了無人駕駛，工人在地面遙控這些設備，整個井下基本上不需要設置工作人員。

　　同時，其他國家也在同步開展礦山自動化和智能化的戰(zhàn)略，瑞典為此也制訂了戰(zhàn)略計劃，著力提高礦山自動化水平。澳大利亞Micromine公司針對采礦應用，開發(fā)出基于Web的在線遠程采礦控制系統(tǒng)PITRAM，實現(xiàn)縮減采礦成本10%。美國賓夕法尼亞Rajant公司開發(fā)出惡劣環(huán)境下的高彈性、寬帶移動目標無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡，實現(xiàn)了移動目標的可靠、快速接入。

　　近10年來，國際著名的幾家采礦設備公司均在大力發(fā)展智能采礦裝備及相關技術，如瑞典的山特維克公司、阿特拉斯科普柯公司等，不僅開發(fā)的大量采礦設備具有很好的自動化或智能化功能，而且開發(fā)了多種智能礦山的技術與裝備系統(tǒng)，如AotoMine系統(tǒng)、OptiMine系統(tǒng)和MineLan系統(tǒng)，利用這些技術，這些公司正逐步由原來單一的設備供應商向技術解決方案供應商轉(zhuǎn)變。

　　記者：請您談談我國智能開采技術發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題？

　　張達：西方發(fā)達國家從上世紀90年代就開始研究智能開采技術，與之相比，我國的相關技術研究落后了很長時間。但同時也應該看到，由于以網(wǎng)絡信息技術為代表的高新技術迅速發(fā)展，我國目前打下了很好的信息化技術基礎，在這方面與國外的差距并不大，至少遠高于國外當年的技術水平，因此我國完全是在一個新的起點開展智能開采技術研究，也完全有可能在短時間內(nèi)達到或趕超國際先進水平。

　　近些年來，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展和礦業(yè)的復蘇，與智能開采相關的許多高新技術應用得到了長足進步。例如，我院開發(fā)了BLSS-PE礦用三維激光掃描儀、礦山高帶寬無線通信系統(tǒng)及礦山智能化調(diào)度與控制系統(tǒng)，可為智能采礦提供技術支撐。我國的礦山六大系統(tǒng)等信息化建設，多數(shù)已建成了井下光纖主干通信網(wǎng)絡，視頻監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、自動化控制已在部分大中型礦山應用，以進口設備為主的遙控鏟運機得到大量應用，一些先進的人員與設備定位系統(tǒng)和井下地壓災害監(jiān)控系統(tǒng)得到應用，先進的礦業(yè)軟件如國外的DataMine、Surpac和國內(nèi)的Dimine、3Dmine等也得到了推廣應用。國家立項開展了多項與智能化采礦相關的重點或?qū)ｍ椏萍脊リP項目，如“數(shù)字化采礦關鍵技術與軟件開發(fā)”、“地下無人采礦設備高精度定位技術和智能化無人操縱鏟運機的模型技術研究”、“井下（無人工作面）采礦遙控關鍵技術與裝備的開發(fā)”、“千米深井地壓與高溫災害監(jiān)控技術與裝備”等項目，都奠定了良好基礎。

　　目前，我國智能化發(fā)展存在的主要問題是：國內(nèi)采礦裝備的技術水平相對落后，尤其是其自動化及信息化水平尚不能滿足智能開采要求；缺少具有自主知識產(chǎn)權的井下綜合通信、定位導航等實現(xiàn)智能開采的支撐技術與軟件平臺；相關技術研究力量分散，未能形成強大的研發(fā)團隊。

　　智能開采技術研究是一項龐大的系統(tǒng)工程，從國外的經(jīng)驗來看，均是由國家出資設立專項，組織多家研究機構和相關企業(yè)聯(lián)合攻關，然后再由企業(yè)深入完善。

　　記者：智能開采技術的發(fā)展趨勢是什么？

　　張達：國外在地下智能開采方面的整體趨勢是井下寬帶通信網(wǎng)絡化、井下數(shù)據(jù)采集實時化、井下生產(chǎn)裝備自動化、井下生產(chǎn)管理信息化，實現(xiàn)礦山大規(guī)模智能化、自動化綜合優(yōu)化調(diào)度與生產(chǎn)管理，從而實現(xiàn)經(jīng)濟、安全、高效的目標。

　　智能開采技術的總體發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下10個特點：一是礦山地表、礦床及工程環(huán)境模型的三維可視化系統(tǒng)；二是有效的生產(chǎn)經(jīng)營管理信息系統(tǒng)，包括礦山規(guī)劃、開采方案、生產(chǎn)計劃、統(tǒng)計調(diào)度、生產(chǎn)監(jiān)控、地測管理、經(jīng)營管理等，并形成企業(yè)局域網(wǎng)絡；三是視頻和數(shù)據(jù)同網(wǎng)傳輸?shù)木W(wǎng)絡體系，以光纖或無線電通信為主體的多媒體通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)分布式共享；四是實現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)自動采集與處理，采用傳感器網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)生產(chǎn)過程、礦山安全、設備運轉(zhuǎn)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)自動采集和可視化處理；五是實現(xiàn)礦山生產(chǎn)系統(tǒng)集中控制，通過智能控制系統(tǒng)，對提升、運輸、通風、排水等進行集中遙控；六是采用計算機軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)礦山資源、設計優(yōu)化、生產(chǎn)計劃與開采環(huán)境的數(shù)字化、模型化與可視化；七是基于數(shù)字礦山平臺的采礦爆破一體化設計系統(tǒng)和過程監(jiān)控系統(tǒng)；八是運用多媒體、模擬、仿真、虛擬技術，再現(xiàn)礦山整體與生產(chǎn)活動過程，包括調(diào)度、過程監(jiān)控、災害預警等；九是通過整個生產(chǎn)過程實時動態(tài)響應的信息集成，實現(xiàn)主體采礦設備的集中控制，或無人駕駛的程式化控制；十是采用智能化采礦設備自動定位與導航系統(tǒng)，使礦山從單一工序到整個系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的遠程操作。

　　記者：在礦山智能開采方面，北京礦冶研究總院主要開展了哪些研究？

　　張達：我院是國內(nèi)首批開展地下金屬礦山智能開采技術研究的單位。“十二五”期間，我院牽頭開展了國家“863”主題項目“地下金屬礦智能開采技術”研究，針對地下金屬礦山的特殊性，以信息采集、井下高頻寬帶實時通信網(wǎng)絡、井下定位技術、調(diào)度與控制系統(tǒng)等為技術手段，以井下鏟運鑿巖爆破裝備為控制對象，通過多層次、在線實時調(diào)度與控制，優(yōu)化礦山生產(chǎn)過程，形成具備行業(yè)性和通用性的地下金屬礦山智能開采平臺，為地下金屬礦的高效、安全、綠色與可持續(xù)開采奠定基礎。該項目的任務設置既考慮以解決地下金屬礦智能開采的關鍵技術問題為目標，同時也考慮在有限的資金和時間內(nèi)實現(xiàn)項目的可行性。

　　經(jīng)專家多次研討和論證，該項目最終擬定以智能化井下裝備、泛在信息的采集及高頻寬帶通信、礦山高仿真三維展示信息平臺及基于該平臺的智能化導航、調(diào)度和控制等具備典型性、緊迫性的應用為研究對象，具體確定了智能中深孔全液壓鑿巖臺車、地下高氣壓智能潛孔鉆機、地下智能鏟運機、地下智能礦用汽車、地下金屬礦山智能精細化采礦爆破技術與裝備研究、智能開采的泛在信息采集與通信系統(tǒng)、智能開采的支撐軟件及智能化調(diào)度與控制系統(tǒng)、井下設備的精確定位與智能導航共計8項研究開發(fā)任務。

　　目前，項目研究成果正在國內(nèi)礦山進行現(xiàn)場工業(yè)試驗，相關成果已開始在國內(nèi)礦山推廣應用。應該看到，在不遠的將來，我國礦業(yè)將借“兩化深度融合”之勢，逐步從機械化、信息化、數(shù)字化、自動化走向智慧化快速發(fā)展，打造屬于中國的智能化礦業(yè)大國。