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数字矿山技术与我国矿山技术升级思考

2015-11-18 11:02:37 作者:王李管

摘要:“数字矿山”概念作为国家战略两化融合在矿产资源行业的应用,对新常态下矿山企业发展影响越来越深,本文以国内数字矿山领先技术和应用为线索,概述了矿山信息化智能化发展的技术革新以及应用前景,对矿山企业的未来发展提供了富有成效的建议。关键词:数字矿山 智能管控 物联网 三维可视化

1.我国矿山企业面临的问题与世界采矿技术的发展趋势矿业作为个国民经济发展的支柱产业,自20世纪90年代中期以来,我国矿产资源产量与GDP保持正相关同步增长。随着经济的持续发展,产业结构的深度优化,资源再利用水平的逐步提高,未来数十年中,我国原生矿产资源的消耗强度将达到最高峰,随后将缓慢降低并维持在一定水平。由于我国主要金属矿产资源总体赋存条件差、单体资源规模小、品位低,再加上近十年来以投资和价格拉动为主要特征的经营模式,导致矿山开采技术并未取得实质性的突破。目前,在市场价格低迷的情况下,我国矿业行业面临产能过剩、效益低下,安全和环保形势严峻。矿业开发是人类自农业之后形成的最古老的行业之一,其历史悠久、经营管理手段相对落后、近年来行业所遵循的技术标准、规范和方法更新缓慢,生产过程中机械化、自动化、信息化水平普遍较低。综观我国矿业行业的发展历程,影响行业进步的核心问题是传统的思维和观念,整个行业一直在“改变很痛苦,不改变更痛苦”境界中徘徊。从发达国家采矿业的发展历程来看,采矿技术进步起始于作业工具的机械化,发展于单台设备的自动化、独立系统的自动化,完成于整个矿山生产过程的自动化,如图1。从1892年以来,对不同采矿技术条件下劳动生产率的统计(见图2)结果表明,从人工生产到全自动化生产演变过程中,全员劳动生产率从1000t/人年将增长到7500t/人年。毋庸置疑,采矿工具与技术的变革是我国矿山企业升级转型的必经之路。

图1采矿技术发展过程

图2不同技术条件下劳动生产率变化

2.矿山企业生产的典型流程与数字矿山技术特点矿山企业一般为采、选联合体,其开采对象为矿石资源,销售产品为经过矿物加工后的精矿产品。矿山企业典型生产流程及作业内容如图3所示,从图中可以看出,资源评价、开采规划与设计、工程项目实施、矿物加工过程控制和企业经营管理是矿山企业生产经营活动中核心关注的问题,而对这些问题的关注结果是通过成本、效率和效益来进行评价的。与加工制造行业相比,矿山企业生产过程具有如下特点:

(1)对生产对象(资源)的认识是一个循序渐进的过程,矿石资源的空间形态、品位分布、控制程度、市场价格等对企业的生产过程和经济效益具有重大的影响;

(2)生产场地分散、生产工序繁多、作业过程不连续,新的作业点不断形成的同时老的作业点也在不断消失,危险源分布范围广、风险高、突发事件难以预测,经济效益和生产安全之间的矛盾十分突出;

(3)开发过程产生的废料多,无害化处理难度大,开采本身对环境造成的破坏难以避免,环保风险高。

图3矿山企业典型生产流程

矿山企业生产所过程的独特性,决定了矿山信息化过程的复杂性和难度,也衍生出了矿山信息化的专有概念——数字矿山。数字矿山技术的特点在于:

(1)从生产技术层面,它涵盖地质、测量、采矿三大专业所涉及全部理论、技术和方法;

(2)从规划设计层面,它包含了几乎所有的与空间信息、过程控制相关联的优化理论与技术;

(3)从生产过程控制层面,它对生产装备、通讯、定位与导航等技术的安全性、可靠性、实用性和耐久性提出了更高的要求;

(4)从生产管理层面,它需要从构建企业数据中心的高度,从庞杂的多源异构数据中提取各种指标信息,为管理者决策提供支持。总之,数字矿山技术的发展不仅需要传统信息技术,更需要矿业专门知识的支撑。

3.数字矿山技术体系结构与实现技术近十年来,尽管政府、企业、大学和各类研究机构在数字矿山技术领域开展了大量的研究工作,并取得了可喜的进展,但从系统性、实用性等方面来看,仍处于起步阶段。未来数字矿山技术从深度上将会沿着技术业务处理、生产与安全管控、管理和商务事务处理智能化轨迹提升,回答管理者发生了什么?为什么会发生和将要发什么等问题;从广度上构建涵盖生产技术、生产过程和生产管理全部信息的企业数据中心,拓展企业内部业务信息化领域,实现企业应用系统的高度集成,同时向企业外延信息化触角,以支撑与客户和供应商的业务活动,改变企业的商业模式,实现行业的技术转型与升级。

3.1数字矿山技术体系结构目前,虽然业界和学者对数字矿山技术体系尚无完全统一的定义,但从IT技术本身的特点和矿山企业业务逻辑构建如图4所示的数字矿山技术体系结构的到了业界的普遍认可。

图4数字矿山技术体系结构

设备控制层包括各种安全和环境状态感知单元,生产装备和系统姿态、工况、状态监测和控制单元;过程控制层包括各种监测监控和生产自动化系统;生产执行层包括各种规划设计、生产执行和智能管控应用系统;经营管理层包括包括ERP应用系统和企业办公自动化系统;决策层包括各种数据挖掘与决策支持系统;行业特点决定了数字矿山技术开发和应用的难点和重点在于设备控制层、过程控制层和生产执行层。

3.2设备控制层主要技术与装置随着国家“安全避险六大系统”建设工作的推进,矿山安全与生产监测技术、高带宽矿山无线通讯技术及泛在信息采集技术等在矿山企业得到了迅速推广与应用。目前,用于矿山安全生产监测的传感器与装置主要包括:压力与变形、物料位置、人员与设备位置、有害气体监测、井下风速监测及相关智能化数据采集装置,如图5所示。“十二五”期间国家863计划重点支持了“地下金属矿智能开采关键技术研究”课题的研究,对包括凿岩台车、深孔钻机、地下铲运机、矿用卡车和装药台车五大类地下矿用关键装备的智能化进行了技术攻关,解决了设备高精度定位与导航、自主行驶、故障诊断、工况与姿态智能监测与控制等技术难题。

图5用于矿山设备控制层主要技术与装置

3.3过程控制的主要系统与技术

图6基于PC技术的移动设备自动化控制技术

随着工业自动化控制技术的发展,矿山主要生产环节的自动化控制系统在我国大中型矿山得到了比较广泛的应用。用于生产过程自动化的系统主要包括:矿井提升系统、铲运机遥控系统、电机车无人驾驶系统、皮带自动控制系统、风机自动控制系统、井下破碎自动化系统、选厂自动化系统、水系统自动控制系统和电力自动化系统;用于安全与环境监测的系统主要包括:环境在线监测、人员定位、溜井料位监测、尾矿库在线监测、地压监测和视频监控系统等。目前,固定设备的自动化控制技术在我国矿山应用比较成熟,而移动设备的远程自动化控制系统的研究与开发相对滞后,仍未形成相对成熟可靠的技术和系统,图6为目前应用与发达矿业国家的基于PC技术的移动设备远程自动化控制系统技术架构。

3.4生产执行层主要软件开发技术生产执行层由各种规划设计软件系统、生产执行软件系统和综合调度指挥中心构成。

(1)三维数字采矿软件系统国际上用于矿山地质、测量、采矿和生产计划的三维矿业软件已经有二十多年的开发和应用历史。国内在十年前也开始了三维矿业软件的开发研究与应用推广工作,由长沙迪迈数码科技股份有限公司开发的Dimine数字矿山软件平台以其优异的性能得到了业界的广泛认可。目前,在我国冶金、有色、黄金、煤炭、化工、建材和核工业等行业的矿山企业、大专院校、科研院所拥有300余个企业用户,其功能涵盖了地质、测量、采矿和生产计划编制工作中的全部业务内容。与国外同类产品相比,虽然国内三维矿业软件的开发起步较晚,但技术起点高、功能集成度高、更适应中国矿山特点,特别在地下开采优化设计方面,具有独特的优势。Dimine数字矿山软件平台的主要功能包括:矿床地质建模、储量计算(地质统计学与传统地质)、资源管理、开采方案优化、开采设计(露天与地下)、工程测量、计划编制(露天与地下)、风网解算、通风系统优化和生产配矿等,部分功能的应用案例如图7所示。系统采用平台+插件的开发模式,并为二次开发提供了丰富的接口。

图7 Dimine数字矿山软件平台部分功能应用案例

(2)三维可视化集控平台与生产执行系统在矿山信息化系统的建设过程中,多数企业在不同时期由不同开发商基于不同开发技术建立了多种独立的应用系统,这些独立、分散、数据标准不统一的系统逐渐成为企业信息化升级的难题。基于矿山企业生产过程的特殊性,建立以物联网技术为基础,以3DGIS和虚拟现实(VR)技术为核心的矿山企业三维可视化集控平台,在此基础上构建生产作业计划、安全环保管理、设备管理、生产调度、应急救援指挥生产执行系统,最终形成矿山可视化综合信息平台已成为数字矿山技术领域共同关注的课题。正是基于这种考虑,中南大学数字矿山研究中心和长沙迪迈数码科技股份有限公司于2008年在国内率先开展了这方面的研究工作,并推出了矿山平行系统(DM MPS),以此为基础,2011年起承担了国家863“地下金属矿智能调度与控制”课题的研究。矿山可视化综合信息平台的技术构架如图8所示,这种技术构架充分将矿山生产安全监控系统、三维数字采矿系统和生产管理系统有效链接成为一个有机整体,实现了业务、数据和技术的高度集成。

图8矿山可视化综合信息平台的技术构架

在此技术构架基础上的矿山平行系统(DM MPS)以成功用于露天矿卡车调度系统(图9)和地下矿安全避险六大系统(图10)的开发中。

图9三维露天矿山卡车调度系统

图10三维地下矿山生产安全监控系统

(3)智能管控中心矿山企业智能管控中心建设根据企业构架和管理需要可以采用集中管控或分级管控模式。通常情况下可以采用在矿部建立集中通讯和数据中心,在各作业区形成独立次级局域网,实现本区信息采集、汇聚、并向核心区传输和业务应用,各作业区各类业务信息在数据中心集中存储、分析和管理。矿部核心机房与数据中心主要由基于云计算的服务器集群系统、交换机和安全系统、集中运维管理系统、语音中控系统和视频会议中控系统组成。矿山井下通讯网络主要采用有线/无线综合通信平台。环网交换机和光纤部署于主要生产作业水平,无线综合基站信号全面覆盖主要人行、设备运输巷道和各种作业硐室,如铲运机出矿巷道、机车运输巷道、辅助斜坡道、皮带运输巷道和破碎站等主要生产场所;综合通信平台为各种生产自动化控制系统和生产安全监控系统提供硬件接口,如铲运机遥控、电机车无人驾驶、放矿管理、皮带控制、风机控制、安全避险六大系统等。智能管控中心作为矿山的生产安全综合调度指挥平台,与企业安全生产过程相关的监控系统均应布置在其中运行,图11为在智能管控中心运行的矿山企业主要监控系统。

图11矿山智能管控中心运行的主要监控系统三维露天矿山卡车调度系统

3.5经营管理层与决策层数字矿山技术体系结构中位于较高层次的经营管理层和决策层所涉及的技术与其他行业的信息化体系中所涉及的技术基本相同,目前,在国内已有大量的成熟技术、产品和供应商,尽管这些技术也是数字矿山技术领域不可或缺的组成部分,但并不是技术难点,因此本文在此不再讨论。

4.我国数字矿山技术创新与发展我国数字矿山技术研究虽然起步较晚,但在政府、企业和科研机构的共同推动下,近年来有了长足的发展,逐步建立起了持久稳定的研究开发团队和良好的市场氛围。目前,我国在数字矿山技术领域的创新体现在与生产技术、生产过程和生产管理相关的理论、方法和产品方面,主要包括:

(1)研发的基于大数据和多维可视化技术的高效智能数字采矿软件平台总体性能已达到国际先进水平;

(2)开发了基于线框、不规则网格、等值面、趋势面等复杂地质体建模技术,提高建模精确性、效率和智能化水平。建立了以我国传统储量计算方法和国际上通行的地质统计学储量计算方法相结合的矿产资源准确高效预测、评价与估算集成化方法;

(3)实现了以开采单元、采切工程和回采爆破为基础构件单元的三维采矿设计模型和方法,采用参数化、可视化和智能化技术革新了传统采矿设计技术和方法;

(4)采用现代项目管理理论、网络规划技术和模拟开采技术,创新了矿山采掘生产计划编制模型和方法;

(5)以三维设计平台为基础,集成创新了矿井通风网络解算技术,解决了风机优选和风网调控的技术难题实现了通风网络和风机工况的动态调控;

(6)基于3DGIS、VR和物联网技术,构建虚拟矿山,开发了矿山平行系统,实现了矿山安全生产可视化集中管控。总体而言,我国数字矿山技术优势在于软件技术,而劣势在于智能化装备以及建立在此基础之上的配套控制技术。未来数字矿山技术的发展需要集中全社会的力量重点突破关键智能化生产装备的研发、制造与推广应用,逐步形成具有自主知识产权的成套技术,同时,强化传统思维观念的改变,实现矿业行业技术转型与升级。

5.思索

矿业是一个古老而具有传统的行业,观念的革新是行业进步的基础。随着国家经济结构的深度调整,矿业行业所面临的“低增长、低效益、低价格和高压力”将成为未来一段时期的新常态,也使其生存和发展面临挑战。从长远的角度来看,只有在理念、商业模式、管理、技术等方面实现转型与创新,才能使矿山企业走出困局。最近国家连续推出的“中国制造2025”、“互联网+”和“一代一路”等新政为矿山企业转型提供了强大的政策支持,信息技术和制造技术的快速发展,为矿山企业加速技术革新提供技术保障,给矿山企业创新发展带来了前所未有的机遇。无论再过多长的时间,我们拥有的资源条件都不会发生变化,而市场却永远在变。当市场价格高涨时,无论采用何种工具和技术,企业都能盈利,这时技术看上去只是锦上添花。而当市场价格低迷时,我们即使竭尽全力也常常会在盈亏平衡点附近徘徊,这时只有创新的技术才能给我们雪中送炭。矿业行业所面临的不是“要不要改变”,而是“必须改变”。尽管目前我国的数字矿山技术还不能彻底解决矿山企业所面临的困境,但大家的共同努力一定会缩短矿山企业摆脱困境、迈向成功的时间。

编辑:宫莉

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