許守信，呂 化，任 毅，王軍宏，喬 敏

1酒鋼集團甘肅西溝礦業(yè)有限公司 甘肅嘉峪關(guān) 735100

2遼寧聚進科技有限公司 遼寧沈陽 110000

西溝礦是酒鋼唯一的石灰石礦，礦區(qū)平均海拔2 800 m，占地面積 25 km2，是一座現(xiàn)代化大型山坡露天礦山。西溝礦一直注重數(shù)字化、信息化礦山的建設(shè)，目前已經(jīng)建成帶式輸送機和破碎無人值守系統(tǒng)、電動機車無人駕駛系統(tǒng)、自動計量系統(tǒng)、自動取制樣系統(tǒng)、汽運磅房無人值守系統(tǒng)、SKF 設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)等。西溝礦雖然在數(shù)控化建設(shè)方面取得了較好的成績，但仍存在各系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能互聯(lián)互通、采礦工藝生產(chǎn)流程數(shù)控化率低等問題。建設(shè)綠色智能礦山，是礦山可持續(xù)發(fā)展的基石，是化解高危行業(yè)風險的根本途徑，是提高生產(chǎn)效率和解決未來勞動力危機的重要手段。為了緊跟或趕超國內(nèi)智能礦山建設(shè)的步伐，達到綠色礦山建設(shè)規(guī)范要求[1]，西溝礦提出了將綠色智能礦山建設(shè)作為今后一段時期的重點工作任務(wù)。

智能礦山是集信息化、自動化、數(shù)字化等為一體的礦山運營新模式[2]，是一套復雜的系統(tǒng)性工程，不僅僅是單純的信息化或數(shù)字化建設(shè)，更伴隨著組織機構(gòu)、管理模式的全方位變革。因此，在沒有成熟經(jīng)驗可借鑒的情況下，編制西溝礦智能礦山建設(shè)規(guī)劃，并按照統(tǒng)一規(guī)劃實施智能礦山建設(shè)任務(wù)，顯得十分重要。

1 規(guī)劃編制原則

為了使編制的智能礦山建設(shè)規(guī)劃具有合規(guī)性、時效性、先進性和實用性，在廣泛征求酒鋼相關(guān)技術(shù)專家意見的基礎(chǔ)上，明確了規(guī)劃編制過程必須遵守的原則。

(1)按照合理投資、追求回報、分期實施的原則編制智能礦山建設(shè)規(guī)劃。

(2)依據(jù)國內(nèi)外智能礦山建設(shè)現(xiàn)狀和前瞻性先進技術(shù)，結(jié)合西溝礦實際情況，高起點、高標準進行智能礦山建設(shè)的頂層設(shè)計，指導智能礦山建設(shè)有序進行。

(3)智能礦山建設(shè)規(guī)劃文本內(nèi)容要全面、結(jié)構(gòu)要完整、重點要突出。規(guī)劃不但要包含國內(nèi)外智能礦山發(fā)展現(xiàn)狀綜述、項目建設(shè)背景、編制依據(jù)、生產(chǎn)和管理現(xiàn)狀分析、系統(tǒng)設(shè)計、組織機構(gòu)與人力資源配置、投資估算、技術(shù)經(jīng)濟評價等內(nèi)容，而且要制訂詳細的安全、環(huán)保、消防、職業(yè)衛(wèi)生防控措施，使之符合現(xiàn)行國家、行業(yè)規(guī)范和強制性標準。

(4)礦山智能管控系統(tǒng)應與酒鋼現(xiàn)有 ERP 系統(tǒng)、安全環(huán)保管理系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、物資計量系統(tǒng)、理化檢驗系統(tǒng)、電量采集系統(tǒng)等信息系統(tǒng)對接兼容，并可以在原有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行功能擴充和升級，不能重復建設(shè)。

(5)為了保證數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，智能礦山采礦三維模型和數(shù)據(jù)應在酒鋼三維電子地理門戶上展示，并定期更新。

(6)智能管控平臺要將礦山已建成的破碎和帶式輸送機遠程集控系統(tǒng)、電機車無人駕駛系統(tǒng)、設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、遠程放礦系統(tǒng)、自動過磅系統(tǒng)等集中接入，消除信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

(7)智能礦山建設(shè)所需硬件設(shè)備要在滿足基本需求的前提下進行數(shù)量最小化采購，避免資源浪費。所有服務(wù)器、無線路由器、交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要選用正規(guī)廠家的產(chǎn)品和正版系統(tǒng)軟件，應符合酒鋼集團公司準入目錄要求。

2 建設(shè)目標

“西溝礦智能礦山建設(shè)項目”擬將先進的信息技術(shù)與礦山工程、管理理念、管理方式和管理手段緊密結(jié)合起來，建設(shè)高效、綠色、智慧的礦山新生產(chǎn)管理體系，實現(xiàn)礦山管理模式和方法上的突破和創(chuàng)新，提高生產(chǎn)效率[3]，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

(1)組織管理 建設(shè)生產(chǎn)指揮中心，優(yōu)化管理層級，完善生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)過程控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)指揮決策等軟硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)從生產(chǎn)指揮中心到崗位的垂直管理，精簡崗位，縮短管理流程，提高管理效率，提升勞動生產(chǎn)率。

(2)智能生產(chǎn) 分階段實施，逐步實現(xiàn)智能化、無人化的生產(chǎn)作業(yè)。在第一階段，圍繞西溝礦礦石生產(chǎn)全流程，解決各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的礦石質(zhì)量跟蹤和配礦問題，并實現(xiàn)生產(chǎn)指揮的智能化、自動化，實現(xiàn)鉆、鏟、車的智能調(diào)度；第二至第四階段，對牙輪鉆機打孔、挖掘機鏟裝和礦用汽車運輸?shù)茸鳂I(yè)內(nèi)容研制智能化操作算法，實現(xiàn)智能化遠程操作和無人駕駛。

(3)智能管理 分階段實施，第一階段實現(xiàn)設(shè)備點檢、維修、備品備件管理、安全巡檢標準化管理、安全教育管理以及能源管理，提高后勤保障水平，保證生產(chǎn)安全，降低能源消耗；第二至第四階段，實現(xiàn)作業(yè)人員管理和智能化辦公，并能夠精準核算設(shè)備、能源、人力資源成本，精準計算產(chǎn)品單耗，能根據(jù)市場價格趨勢，反向優(yōu)化生產(chǎn)策略，實現(xiàn)財務(wù)成本可逆關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)全局效益最大化。

3 總體架構(gòu)

為了實現(xiàn)智能礦山建設(shè)目標，擬定了西溝礦智能礦山建設(shè)總體架構(gòu)[4-6]。西溝礦智能礦山建設(shè)總體架構(gòu)如圖 1 所示，主要圍繞 4 個平臺或作業(yè)系統(tǒng)進行，即：公共管控平臺、采礦智慧生產(chǎn)平臺、采礦智能管理平臺以及鉆機、挖掘機、礦用汽車智能化作業(yè)系統(tǒng)(遠期)。各平臺 (系統(tǒng))之間的大數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，統(tǒng)一存儲，互聯(lián)互通。

3.1 公共管控平臺

公共管控平臺是實現(xiàn)信息化集成、數(shù)字化顯示和設(shè)備遠程智能控制的基礎(chǔ)性平臺。主要建設(shè)內(nèi)容包括：生產(chǎn)指揮中心建設(shè)，包含場地裝修、供配電設(shè)計、安全防護措施、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)，指揮調(diào)度室和遠程操控室大屏幕、調(diào)度臺、工作站等設(shè)施建設(shè)、視頻會議系統(tǒng)、語音對講調(diào)度系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)集控。

圖1 智能礦山建設(shè)總體架構(gòu)Fig.1 Overall structure of intelligent mine construction

3.2 智慧生產(chǎn)平臺

智慧生產(chǎn)平臺主要針對礦山生產(chǎn)工藝各個環(huán)節(jié)，建設(shè)子系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)全流程的智能管理和指揮。主要建設(shè)內(nèi)容包括：綜合調(diào)度指揮管理系統(tǒng)、采礦技術(shù)綜合管理系統(tǒng)、鉆機生產(chǎn)智能指揮系統(tǒng)、鏟裝品位智能跟蹤系統(tǒng)、采運生產(chǎn)智能指揮系統(tǒng)、溜井生產(chǎn)智能指揮系統(tǒng)、成品輸出計量管控系統(tǒng)和采礦成本智能優(yōu)化系統(tǒng)。

3.3 智能管理平臺

通過智能管理平臺建設(shè)，實現(xiàn)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、設(shè)備管理信息、安全檢測信息的實時顯示。主要建設(shè)內(nèi)容包括：能源計量管控系統(tǒng)、智能化設(shè)備管控系統(tǒng)、安全標準化管理系統(tǒng)、排土場安全監(jiān)控與預警系統(tǒng)、作業(yè)人員管理系統(tǒng)和智能化辦公系統(tǒng)。

3.4 鉆機、挖掘機、礦用汽車智能化作業(yè)系統(tǒng)

采場主體設(shè)備的智能化作業(yè)系統(tǒng)建設(shè)是智能化礦山建設(shè)內(nèi)容中實現(xiàn)難度最大的環(huán)節(jié)，需要采取循序漸進的建設(shè)方案。擬定實施步驟為：對鉆機、挖掘機、礦用汽車智能化作業(yè)提出實施方案并進行充分論證；對鉆機打孔、挖掘機鏟裝和礦用汽車運輸?shù)茸鳂I(yè)內(nèi)容研制智能化操作算法；引入日趨成熟的人工智能技術(shù)，結(jié)合大量模擬試驗，初步實現(xiàn)采場生產(chǎn)作業(yè)的智能化。

4 分期建設(shè)

依據(jù)國內(nèi)外智能礦山建設(shè)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及技術(shù)成熟度，結(jié)合西溝礦實際情況，在智能礦山建設(shè)總體架構(gòu)下，分為 4 期建設(shè)，逐步實現(xiàn)智能化礦山建設(shè)目標。

4.1 一期建設(shè)

借鑒國內(nèi)現(xiàn)有的數(shù)字化、智能化礦山建設(shè)領(lǐng)域的成熟技術(shù)和經(jīng)驗，建設(shè)包含數(shù)據(jù)中心、指揮調(diào)度室、遠程操控室、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和三維可視化顯示系統(tǒng)等內(nèi)容的公共管控平臺，同時進行采礦智慧生產(chǎn)平臺下相關(guān)管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)，全面實現(xiàn)數(shù)字化礦山建設(shè)目標，達到綠色礦山建設(shè)評價體系數(shù)控化率不低于70% 的要求[7-8]。

(1)生產(chǎn)指揮中心基礎(chǔ)設(shè)施和硬件設(shè)施 主要包括電教樓樓體加固、場地裝修、供配電設(shè)計、數(shù)據(jù)中心、大屏幕系統(tǒng)、操作控制臺、工作站、音響系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、語音對講調(diào)度系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)集控。

(2)綜合調(diào)度指揮管理系統(tǒng) 主要包括組織機構(gòu)數(shù)字化模塊、生產(chǎn)信息集成模塊、采礦三維數(shù)字管控模塊和移動管理終端。

(3)采礦技術(shù)綜合管理系統(tǒng) 主要包括礦巖三維地質(zhì)建模模塊、地質(zhì)取樣化檢及地質(zhì)模型自動更新、生產(chǎn)計劃輔助設(shè)計、爆破輔助設(shè)計和智能驗收模塊[9]。

(4)鉆機生產(chǎn)智能指揮系統(tǒng) 具備自動分配鉆孔作業(yè)功能；具備孔深孔位等生產(chǎn)作業(yè)信息、設(shè)備重要運行參數(shù)采集功能，自動分析設(shè)備運行狀態(tài)，故障、異常時自動報警；鉆機司機能通過智能管控終端接受調(diào)度指令，上傳故障信息和異常信息；生產(chǎn)報表自動生成，能對機臺、班組產(chǎn)量、故障率和作業(yè)率等信息進行統(tǒng)計，為績效核算提供數(shù)據(jù)支持。

(5)鏟裝品位智能跟蹤系統(tǒng) 具備鏟裝區(qū)域監(jiān)督、管理功能；具備鏟斗礦石品位跟蹤功能，為質(zhì)量配礦提供依據(jù)；自動記錄挖掘機工作區(qū)域軌跡。

(6)采運生產(chǎn)智能指揮系統(tǒng) 在配礦及產(chǎn)量、運量最大化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)挖掘機、礦用汽車智能調(diào)度；采場車輛具備防碰撞智能預警功能；具備油耗自動檢測核算功能，自動核算單耗和周轉(zhuǎn)量；具備車輛信息顯示、采集及故障診斷、超限自動報警功能；具備采場道路信息自動更新功能；具備車輛導航功能，指導司機按照最近的路線行駛；自動統(tǒng)計司機違規(guī)操作信息和機臺產(chǎn)量信息。

(7)溜井生產(chǎn)智能指揮系統(tǒng) 主要包括智能放礦管控模塊、完善無人駕駛功能和溜井料位監(jiān)測模塊。

(8)能源計量管控系統(tǒng) 對鉆機、挖掘機、電動機車、帶式輸送機、除塵和辦公系統(tǒng)電量實時采集；采集各個用水區(qū)域的日用水量消耗明細，自動生成統(tǒng)計報表與分析圖表；具備生產(chǎn)汽車、工程車輛、通勤車油耗檢測和統(tǒng)計分析功能，油耗異常智能報警，自動生成統(tǒng)計報表和分析圖表。

(9)安全標準化管理系統(tǒng) 自動生成巡檢計劃；巡檢人員通過智能管控終端上傳隱患的圖像、語音和文字描述；隱患整改流程化；借助智能管控終端很方便地進行上崗前安全教育和安全考試；具備安全管理信息綜合查詢分析功能。

4.2 二期建設(shè)

主要對一期新開發(fā)的采礦技術(shù)綜合管理系統(tǒng)、安全標準化管理系統(tǒng)以及排土場安全監(jiān)控與預警系統(tǒng)進行升級，同時進行采礦智慧生產(chǎn)平臺下成品輸出計量管控系統(tǒng)和智能化設(shè)備管控系統(tǒng)的軟件開發(fā)，全面實現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的智能化管控。

(1)采礦技術(shù)綜合管理系統(tǒng) (智能設(shè)計部分)主要包括生產(chǎn)月計劃智能生成、智能爆破設(shè)計及爆破優(yōu)化。

(2)化驗室自動取樣化驗分析系統(tǒng) 實現(xiàn)功能：取樣、制樣、化驗、數(shù)據(jù)上傳全自動運行。

(3)成品輸出計量管控系統(tǒng) 將磅房無人值守系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集到數(shù)據(jù)中心，并建設(shè)一套火車智能計量管控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，對產(chǎn)品輸出進行實時統(tǒng)計，生產(chǎn)報表自動生成。

(4)智能化設(shè)備管控系統(tǒng) 主要包括：斯凱孚在線監(jiān)測系統(tǒng)集成；設(shè)備點檢、維修和庫房管理系統(tǒng)的擴充；潤滑、固定資產(chǎn)、折舊、采購智能分析、智能申請、維護和檔案管理系統(tǒng)的擴建。

(5)安全標準化管理系統(tǒng)改進 主要對法規(guī)制度和應急救援進行持續(xù)改進。

(6)排土場安全監(jiān)控與預警系統(tǒng)升級 在排土場周圍設(shè)立多部智能攝像頭及高音喇叭，實現(xiàn)排土場24 h 實時監(jiān)控和危險報警。當有外來人員、車輛或動物等進入排土場，系統(tǒng)能夠自動報警。

(7)作業(yè)人員管理系統(tǒng) 實現(xiàn)作業(yè)人員日常管理的信息化 (包括考勤、出差)。

(8)智能化辦公系統(tǒng)擴展 通過手機、平板電腦實現(xiàn)公文一鍵分發(fā)，實現(xiàn)移動端快速審批；通過移動終端實現(xiàn)會議申請、會議信息推送、會議紀要、公文和考勤系統(tǒng)的智能化管理。

4.3 三期建設(shè)

主要進行采礦智慧生產(chǎn)平臺下部分功能模塊的完善，在已建成鉆機生產(chǎn)智能指揮系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成鉆機遠程遙控自主化智能作業(yè)系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)除電鏟和大車以外其他主體設(shè)備的遠程智能操作。

(1)采礦成本智能優(yōu)化系統(tǒng) 通過對智能生產(chǎn)和智能管理系統(tǒng)采集上來的數(shù)據(jù)進行匯總，實現(xiàn)成本智能核算；計算出單位產(chǎn)品的成本后，能夠根據(jù)市場價格的變動，反推每一道工序的成本控制指標和生產(chǎn)計劃。

(2)作業(yè)人員管理系統(tǒng) 完善合同、薪酬、人員需求、培訓管理、人力資源成本核算和工作績效考核等統(tǒng)一管理，實現(xiàn)績效自動核算。

(3)智能化辦公系統(tǒng) 完善黨務(wù)、技術(shù)、采購、差旅管理流程，實現(xiàn)計算機精細化智能管理。

(4)建設(shè)鉆機遠程遙控自動化智能作業(yè)系統(tǒng)第一步：鉆機具備遠程遙控行走、鉆孔位置輔助定位、自主調(diào)平、單孔自主鉆孔、卡鉆自動調(diào)整、接桿換桿、水壓水量控制、液壓傳動控制、風壓操作控制、運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、智能集中潤滑控制、視頻監(jiān)控采集、GPS 定位 (鉆機模型建立)、障礙物識別和防碰撞等功能；第二步：實現(xiàn)有人操作、遠程遙控和無人駕駛?cè)壙刂颇Ｊ健?/p>

4.4 四期建設(shè)

在總結(jié)牙輪鉆遠程遙控智能作業(yè)系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，全力實施電鏟遠程操作和礦用汽車無人駕駛技術(shù)改造，打通全面建成智能礦山的“最后一公里”。

(1)建設(shè)電鏟智能化作業(yè)系統(tǒng) 第一階段：電鏟具備遠程遙控行走、鏟裝位置輔助定位、水平信息采集調(diào)平、推壓操作控制、提升操作控制、旋轉(zhuǎn)操作控制、風壓操作控制、液壓傳動控制、運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、視頻監(jiān)控采集、GPS 定位 (電鏟模型建立)、障礙物識別和防碰撞等功能；第二階段：實現(xiàn)有人操作、遠程遙控和無人駕駛?cè)壙刂颇Ｊ健?/p>

(2)建設(shè)礦用汽車智能化作業(yè)系統(tǒng) 礦用汽車具備遠程操作啟停，根據(jù)路徑規(guī)劃及避障算法自動轉(zhuǎn)向、換擋，根據(jù)指令遠程控制液壓翻斗舉升下降，遠程運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，智能集中潤滑控制，視頻監(jiān)控采集、GPS 定位 (礦用汽車模型建立)及障礙物識別和防碰撞等功能。

4.5 分期建設(shè)工期

從技術(shù)現(xiàn)狀、施工條件、資金狀況及經(jīng)濟效益等多角度考慮，建設(shè)絕對工期分別為：一期 18 個月、二期 18 個月、三期 18 個月、四期 24 個月。

5 經(jīng)濟效益分析

智能礦山建設(shè)項目投資較大，直接經(jīng)濟效益產(chǎn)出情況是決策該項目是否可行、能否立項的重要依據(jù)之一。因此，掌握全面、科學合理的分析方法顯得尤為重要。

(1)一期效益 公共管控平臺、智慧生產(chǎn)平臺、采礦技術(shù)綜合管理系統(tǒng)投運后，相關(guān)崗位減員帶來的人工成本效益；實現(xiàn)科學配礦和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟效益；地質(zhì)建模、鉆機精準鉆孔和電鏟精準鏟裝使回采率提高所帶來的經(jīng)濟效益；鉆、鏟、車、溜井和電動機車的實現(xiàn)智能調(diào)度，作業(yè)效率提高創(chuàng)造的效益；鉆機、電鏟、電動機車和帶式運輸系統(tǒng)的電耗精細管理所節(jié)省的電費；車輛油耗精細管理所節(jié)省的油耗費用。

(2)二期效益 設(shè)備智能管理系統(tǒng)、安全綜合管理系統(tǒng)、自動取樣化驗分析系統(tǒng)和成品裝礦系統(tǒng)投入運行后，相關(guān)崗位減員帶來的人工成本效益；智能化設(shè)備管控系統(tǒng)使設(shè)備故障率降低所減少的維修費用和備件采購成本。

(3)三期效益 智能管理平臺及鉆機智能化作業(yè)系統(tǒng)投入運行后，相關(guān)崗位減員帶來的人工成本效益；采礦成本智能優(yōu)化系統(tǒng)投運后，采礦各個工序單位生產(chǎn)成本降低所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益。

(4)四期期效益 電鏟、礦用汽車智能化作業(yè)系統(tǒng)建成，值班長、電鏟司機、大車司機減員所節(jié)省的人力資源成本；人為因素造成的設(shè)備故障減少所節(jié)省的外委維修費用；電鏟和礦用汽車智能化作業(yè)使生產(chǎn)效率大幅度提高所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)語

(1)西溝礦提出的智能礦山建設(shè)規(guī)劃編制方案被咨詢設(shè)計單位采納，《西溝礦智能礦山建設(shè)規(guī)劃》文本及可行性研究報告已通過酒鋼集團公司審查，并從2020 年起分期實施。

(2)規(guī)劃的編制為西溝礦有條不紊地推進智能礦山建設(shè)項目提供了根本遵循，有助于將西溝礦打造成為行業(yè)領(lǐng)先的新型智能化礦山。

(3)鑒于信息技術(shù)、智能制造技術(shù)呈現(xiàn)日新月異、不斷發(fā)展變化的趨勢，在一期項目建設(shè)完成后，需要對二、三、四期的可行性研究報告的時效性、有效性進行再評價，根據(jù)評價結(jié)果修訂完善可行性研究設(shè)計內(nèi)容，以確保每一期建設(shè)內(nèi)容利用最先進、最前沿的技術(shù)。

(4)一、二、三期建設(shè)內(nèi)容有成熟技術(shù)作支撐，在建設(shè)期內(nèi)實現(xiàn)目標的可能性很大。四期建設(shè)內(nèi)容由于電鏟、礦用汽車的無人化或遠程操作在國內(nèi)外仍然處于研究試驗階段，因此，能否在規(guī)劃建設(shè)工期內(nèi)實現(xiàn)目標存在不確定性，暫且只能作為礦山全面實現(xiàn)智能化的奮斗目標。