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智能礦山的中國道路

       智能礦山不再只是墻上的遠景美圖，其建設已邁出堅實的步伐。智能礦山建設不僅令人炫目，也能交出漂亮的經(jīng)濟賬。

       近日舉行的2019中國國際礦業(yè)大會特開辟持續(xù)兩天的智能礦山論壇。與往屆技術論壇不同的是，此次智能礦山論壇，不再是只有技術人員，礦山企業(yè)負責人明顯增多，在一定程度反映了企業(yè)負責人越來越重視智能礦山建設。

國家電力投資集團貴州遵義產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司副總經(jīng)理邵國君在智能礦山論壇現(xiàn)場答問

       礦卡升級跟著礦山發(fā)展趨勢走

       論壇上，濰柴動力上海研發(fā)中心副主任李福軍表示，礦山生產(chǎn)模式發(fā)展要經(jīng)歷原始、機械化、數(shù)字化、智能化４個階段。目前，我國礦山生產(chǎn)模式處于數(shù)字化階段進程中，主要表現(xiàn)在硬件的投入與使用上，在數(shù)據(jù)整合與共享方面還處在較低水平，“數(shù)據(jù)孤島”問題突出。其中，大中型礦山數(shù)字化程度高，小型礦山還處在機械化階段，數(shù)字化程度偏低。

       在他看來，礦山未來的發(fā)展趨勢是綠色、安全、智慧、高效。綠色發(fā)展成為礦山的基本要求。安全生產(chǎn)仍然是采礦工作中的最大威脅，如何強調(diào)安全的重要性都不為過。技術自動化、數(shù)字化的推進仍以安全性為前提。科技創(chuàng)新的加快推進，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、遙感探測等新技術與礦業(yè)交叉融合，數(shù)字化、智能化技術和裝備不斷深入應用，礦業(yè)發(fā)展新動能日益增加，為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展開辟了新領域。智慧礦山主要通過礦山的云中心的智能決策模型自動決策，保障生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)的自動高效運行，并通過反饋信息主動進行決策再優(yōu)化，從而保證礦山經(jīng)營管理經(jīng)濟高效運行。

       李福軍介紹，目前我國智慧礦山已完成階段性目標規(guī)劃，并列出了時間進度表。2021年，我國將建成100個初級智能化示范煤礦，基本實現(xiàn)掘進工作面減人提效，綜采工作面少人或者無人操作，實現(xiàn)固定崗位的無人值守和遠程監(jiān)控。2025年，全部大型煤礦要基本實現(xiàn)智能化，形成煤礦智能化建設技術規(guī)范與標準體系，實現(xiàn)開拓設計、地質(zhì)保障、采掘運通、洗選物流等系統(tǒng)的智能化決策和自動化協(xié)同運行，井下重點崗位機器人作業(yè)。2035年，全面實現(xiàn)煤礦智能化開采，構(gòu)建多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的智慧煤礦體系。2050年，全面建成安全綠色、高效智能礦山技術體系，實現(xiàn)安全綠色、高效智能化生產(chǎn)。

       順應礦山發(fā)展趨勢，礦用卡車產(chǎn)品也在不斷創(chuàng)新，朝著安全高效、綠色環(huán)保、智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)柴油礦卡使用中油耗成本占比接近總成本的50%。相比柴油，天然氣的低能耗成本優(yōu)勢明顯，因此燃氣驅(qū)動礦卡成為眾多企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品的新方向。重汽最早推出了天然氣礦用卡車，但由于產(chǎn)品配套使用的基礎設施建設落后等原因沒有形成批量使用?；旌蟿恿ΦV卡相對比較成熟，類型豐富多樣，額定載重集中在100噸～250噸之間，與燃油動力礦卡相比，綜合節(jié)能率普遍超過20%。2018年，各企業(yè)開始陸續(xù)投放純電動礦卡，濰柴、徐工、洛陽鉬業(yè)、宇通等國內(nèi)企業(yè)都已有產(chǎn)品上市，但核心技術仍有待提高，電池壽命和成本仍是主要制約因素。此外，氫能驅(qū)動礦用卡車尚處于產(chǎn)品開發(fā)階段，產(chǎn)業(yè)鏈各項技術有待進一步提高完善。2018年，濰柴集團與國家能源集團開始共同開發(fā)200噸級氫能重載礦用卡車。預計2035年我國礦卡將全面進入燃料電池時代。目前，各項智能化技術正在礦用卡車上快速應用，無人駕駛技術也在不斷成熟。

       無人駕駛在露天礦應用廣闊

       雖然無人駕駛商用已有10多年時間，但由于路權、道路復雜，及擔心被黑客困住等問題，即使像谷歌、百度這樣的魔獸企業(yè)，投巨資打造的無人駕駛汽車仍然不能在公共道路上行駛，但在露天礦由于沒有路權障礙、環(huán)境相對單一、經(jīng)濟效益顯著、運貨不載人等特點，卻迎來了發(fā)展機遇。

       礦區(qū)運輸主要存在招工難、成本高、事故頻發(fā)這3個突出的痛點問題，年輕人從業(yè)意愿低，司機操作不規(guī)范造成的車輛維修、油耗等成本高居不下，礦卡車型大、盲區(qū)多，傷亡事故頻發(fā)，無人駕駛成為礦區(qū)根本的解決手段。

       北京踏歌智行科技有限公司創(chuàng)始人、國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才余貴珍教授表示，露天礦封閉無人，運輸線路固定、點對點、低速，最適合無人駕駛落地的場景，能實現(xiàn)機器替人的經(jīng)濟價值、無人駕駛的本質(zhì)安全，并且更加穩(wěn)定可靠。

       據(jù)其介紹，從國外無人駕駛的發(fā)展來看，卡特彼勒20世紀70年代開始研發(fā)無人駕駛礦車，小松、別拉斯等公司也陸續(xù)推出無人駕駛礦車。澳大利亞、加拿大和巴西等國家也陸續(xù)推出了近300輛無人駕駛礦車投入運營，與人工駕駛相比，總體成本降低了15%以上，而且每年還增加500小時的工作時間。我國除了有大型礦車的市場需求外，礦區(qū)自卸車和寬體車的需求量也特別大。由于我國人工成本低，需要開發(fā)更低成本的露天礦運輸系統(tǒng)。針對我國礦區(qū)工藝和環(huán)境更加復雜的實際，還有混行無人運輸系統(tǒng)的市場需求。

       余貴珍認為，建立特定場景無人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)，像業(yè)務調(diào)度系統(tǒng)、運行監(jiān)控系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)這三個系統(tǒng)必不可少，對應的有大數(shù)據(jù)分析平臺、高精定位服務平臺、車路協(xié)同平臺、高精度地圖平臺，通過云端調(diào)度與運營服務，礦卡與挖掘機、推土機實現(xiàn)裝卸、運輸協(xié)同作業(yè)，除有礦卡的無人駕駛，還需要推土機、挖掘機指引礦卡在什么地點裝、卸，運用監(jiān)控平臺、通信大數(shù)據(jù)等技術，實現(xiàn)設定的作業(yè)場景。無人駕駛比人工操作速度更快，視頻、激光雷達等應用需要傳輸大量數(shù)據(jù)，還要實現(xiàn)實時監(jiān)控，5G因其高寬帶、低延時，在露天礦可以很好地應用，遠比打電話更有應用價值。

       余貴珍總結(jié)指出，礦區(qū)無人運輸系統(tǒng)涉及感知、控制、車路協(xié)同、智能調(diào)度、大數(shù)據(jù)5個方面的核心關鍵技術。感知，是指非結(jié)構(gòu)化道路路面檢測與融合感知技術，針對礦區(qū)的非結(jié)構(gòu)化道路，不僅要檢測車道線、行人，還要檢測路面石頭，道路兩側(cè)的懸崖、山坡，甚至是灰塵；控制，是指特種車無人駕駛軌跡跟蹤與精準停靠控制技術，因為礦區(qū)運輸使用的是大載量的大型車輛，重載上坡和重載下坡等控制與常規(guī)車輛不同；車路協(xié)同，是指基于V2X的車路協(xié)同控制技術，只有應用了車路協(xié)同技術，才能完成裝和卸的協(xié)同作業(yè)；智能調(diào)度，是指無人運輸協(xié)同作業(yè)智能運營調(diào)度技術，光有單個礦卡的自動化遠遠不夠，還需要多臺礦卡編組作業(yè)的智能調(diào)度技術；無人運輸?shù)恼{(diào)度也包括應用大數(shù)據(jù)分析，此外基于大數(shù)據(jù)的分析還能發(fā)現(xiàn)瓶頸，實現(xiàn)無人運輸能耗與效率的優(yōu)化，減少油耗和車損，提高整體效益。

       北京踏歌智行科技有限公司（以下簡稱“踏歌智行”）無人駕駛項目目前做得是風生水起。該公司董事、副總裁李慶社介紹，為落實國家智慧礦山、綠色礦山、安全礦山發(fā)展行動，踏歌智行經(jīng)過一年多在露天礦區(qū)的科技試驗和試運營，于今年8月20日通過了行業(yè)專家評審，標志著踏歌智行無人駕駛技術從科技試驗階段進入到批量推廣階段。9月26日，踏歌智行與國家電投霍林河露天煤業(yè)簽署無人駕駛科技項目合同；9月29日，踏歌智行與包鋼集團正式簽署白云鐵礦礦用車無人化系統(tǒng)項目合同，雙方緊密合作共同打造無人駕駛露天礦示范樣板工程。截至目前，我國公開招標的兩個露天礦礦用車無人駕駛項目踏歌智行已中標并簽訂合同。此外，7月4日踏歌智行還與北方股份簽訂了兩臺（套）220噸級新車無人駕駛系統(tǒng)供應合同；9月19日，踏歌智行與內(nèi)蒙古中環(huán)協(xié)力礦業(yè)有限公司簽訂礦區(qū)寬體車無人駕駛系統(tǒng)及服務合同，將為后者提供200套無人駕駛礦卡系統(tǒng)，并成為其無人駕駛產(chǎn)品惟一供應商，共同推進礦用車無人駕駛在露天礦區(qū)落地。踏歌智行一系列合同的簽訂，合同總金額超過億元，也體現(xiàn)了踏歌智行過硬的技術研發(fā)能力和精準的市場戰(zhàn)略定位得到了市場的回饋。

       丹東東方測控技術股份有限公司軟件部部長吳耀昕在論壇上表示，該公司在馬鋼集團鐵礦山實現(xiàn)了井下有軌電車無人駕駛，不需要人工遙控，是完全自主駕駛，同時還增加了障礙物和危險情況的自主識別及自動鉆探，真正實現(xiàn)了無人駕駛。

       智慧礦山算出漂亮經(jīng)濟賬

       甘肅金徽礦業(yè)有限責任公司建設綠色礦山在業(yè)內(nèi)頗負盛名，郭家溝鉛鋅礦已成為綠色礦山建設的典范，但顯然公司并不滿足于此。該公司董事張世新在本屆中國國際礦業(yè)大會智能礦山論壇上提出，踐行生態(tài)理念，創(chuàng)建智能礦山，為綠色礦山建設提出了更高的目標，明確了建設“中國一流世界領先”的生態(tài)型、環(huán)保型、綠色礦山的奮斗目標。據(jù)其介紹，金徽礦業(yè)高度重視科技創(chuàng)新與人才培養(yǎng)，引進技術專家和經(jīng)驗豐富的技術人員，形成了探、采、選3個技術團隊，組建了金徽礦業(yè)研究院，并與中國地質(zhì)大學、中南大學等院校開展技術合作，建立產(chǎn)學研基地。建立院士專家工作站，先后實施了數(shù)十項技術攻關和技術創(chuàng)新項目，取得了顯著的研究成果。其中，已授權發(fā)明專利1項、實用新型專利11項、軟件著作權4項。

       郭家溝鉛鋅礦自勘查開發(fā)以來，先后有白春禮、王志珍、蔡美峰、莫宣學、毛景文、湯中立、武強、袁亞湘、田剛、古德生、張平文、江松等院士專家前來調(diào)研和指導工作。眾多院士專家在調(diào)查研究的基礎上，對綠色礦山建設及探采選工藝提出了寶貴的意見和建議，為其技術研發(fā)工作注入了活力。

       金徽礦業(yè)智能礦山建設主要在兩個方面發(fā)力：

       一方面，注重技術創(chuàng)新，打造數(shù)字化礦山。積極推進“采掘作業(yè)和機械化、生產(chǎn)管理一線化、施工隊伍小型化、質(zhì)量管理標準化”，先后引進鑿巖臺車、撬毛臺車、無人駕駛有軌電機車等設備，經(jīng)過多次工業(yè)調(diào)試，將選礦設計工藝由常規(guī)浮選工藝改造為電位調(diào)控浮選工藝，并研發(fā)了適合該礦的高效藥劑，應用選礦全流程自動控制系統(tǒng)的集成技術，使選礦過程控制達到可視化、信息化和網(wǎng)絡化，各項工藝參數(shù)實現(xiàn)了實時在線檢測。鉛鋅回收率分別達到了93.16%和95.57%；鉛精礦伴生銀的回收率達到89.46%，鉛鋅銀選礦綜合回收率達到國際領先水平。通過研究電位對尾礦沉降的影響規(guī)律，在國內(nèi)外首次開發(fā)利用電位調(diào)控改善細粒脈石沉降屬性的新技術，攻克了提高磨礦細度與提高尾砂充填利用率不能兼顧的技術難題，尾砂利用率達到70%以上，既解決了充填用尾砂的問題，又減少了尾礦庫固廢排放量、延長了尾礦庫使用壽命。利用電位調(diào)控技術和特效藥劑制度，研發(fā)出浮選過程同步凈化提高回水水質(zhì)的新技術，回水中殘余有害離子和有害成分被選擇性絡合沉淀，保留了對浮選有益的藥劑成分，使選礦回水不需凈化處理即可直接循環(huán)利用，解決了國內(nèi)外浮選回水循環(huán)利用率低的難題，每噸原礦新水消耗量降低到0.2立方米以下，從而使選礦回水循環(huán)利用達到100%，具有廣泛的推廣應用價值。

       另一方面，加快轉(zhuǎn)型升級，創(chuàng)建智能礦山。實現(xiàn)無人駕駛電機車，逐步將井下自卸運礦卡車和井下鏟運機進行無人駕駛升級改造；積極推進鑿巖臺車、錨桿臺車和撬毛臺車遠程操作升級改造，實現(xiàn)1人多車控制；在高標準建設 “井下安全六大系統(tǒng)”的基礎上，加快實現(xiàn)井下快速定位與自動導航等智能服務。

       丹東東方測控技術股份有限公司軟件部部長吳耀昕以錫鐵山礦山為例，解讀智能礦山如何落地。西部礦業(yè)股份有限公司錫鐵山分公司是國內(nèi)最大的獨立鉛鋅采選聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)，設計能力原礦處理量132萬噸/年。智能礦山建設從采礦、選礦、管礦三方面進行了完整的架構(gòu)設計，并分集團應用和礦山應用兩個層面，全方位地規(guī)劃了整個礦山29個子系統(tǒng)，同時串起來形成一個完整的智慧礦山。在智能采礦方面，實現(xiàn)了無人駕駛、遠程裝礦、采礦數(shù)據(jù)集成、智能通風等，機車駕駛員減員80%，礦工和井下值守崗位減員100%，降低了勞動強度，提升了作業(yè)效率，保障了本質(zhì)安全；在智能選礦方面，磨浮無人化、磨礦專家系統(tǒng)、泵站無人值守等，實現(xiàn)綜合減員30%，提升臺時處理量4.62%；在智能管控方面，通過MES、集中計量、無人計量、能源管理、物資管理等，實現(xiàn)計量、能源相關崗位減員80%，礦山數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作智能化，在線類數(shù)據(jù)全部自動采集，提升企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營執(zhí)行效率50%以上。按綜合總體效率分析，錫鐵山智能礦山投運一年收回建設成本。

       黑科技讓智能礦山更炫

       論壇期間，有專家表示，相對人人皆知的GPS導航，慣性導航顯得備受冷落。但在礦井、隧道、水下這樣的空間，衛(wèi)星信號無法到達，也就無法實現(xiàn)GPS定位，但使用慣性導航可以提供精準的導航和定位信息。慣性導航系統(tǒng)是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統(tǒng)。澳大利亞CSIRO出品的“LASC（拉斯克）”系統(tǒng)是國際公認的具有世界領先水平的礦山智能化系統(tǒng)，率先把慣性導航系統(tǒng)應用在采煤機上。雖然GPS技術已經(jīng)非常成熟，地面上的定位精度也非常高，而且目前大部分智能化傳感系統(tǒng)也都是采用GPS系統(tǒng)，但是在接收不到衛(wèi)星信號或有信號干擾的地方，慣導設備將發(fā)揮決定性作用。慣性導航傳感裝置(INS)作為LASC系統(tǒng)的硬件部分，不需要搭建外部基礎設施，甚至不需要借助磁強計來偵測方向，可以在沒有基站指引的情況下，自行判別方向，自動校正，而且精確度高，能適應惡劣的采礦環(huán)境，所以比GPS更適合井下定位。此外，INS能提供準確的3D位置信息，這是物理數(shù)據(jù)而非模型數(shù)據(jù)。采煤機搭載INS之后，可以進行全自動工作面找直和水平控制，讓采煤機保持理想運行路線，以適應復雜的礦區(qū)地形。相比其他定位系統(tǒng)，穿戴式慣導系統(tǒng)不僅能定位，甚至是有觸覺的，能感知被定位人員的姿勢，是坐著，站著，還是躺著，能及早知道井下人員的異常狀態(tài)。在本屆中國國際礦業(yè)大會上，中國船舶重工集團公司第七O七研究所展出的高精度陀螺經(jīng)緯（全站）儀，就是慣性技術應用的解決方案，相對傳統(tǒng)的導線測量，實現(xiàn)了礦山井筒不停工定向，測量控制點缺失地區(qū)的各種測繪保障工作，而且測量精度高，速度快。

      與會專家認為，智能礦山是一項整體的系統(tǒng)工程，采用智能化系統(tǒng)技術實現(xiàn)礦山系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控、智能化運行，實現(xiàn)高效運行、自動節(jié)能化，簡單地疊加信息技術并不能實現(xiàn)建成智能礦山，其建設理念是在線、融合、智能，涵蓋了露天礦卡車無人駕駛，井下有軌機車無人駕駛、三維地質(zhì)設計與管理、無人值守工廠、專家控制系統(tǒng)應用技術（通過多頻次、小幅度、連續(xù)性調(diào)整，穩(wěn)定生產(chǎn)過程，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高選廠處理量及金屬回收率 ）、三維生產(chǎn)管控技術、大數(shù)據(jù)應用等關鍵技術與裝備。

                                                                （信息來源：中國礦業(yè)報網(wǎng)，中林設計整理，轉(zhuǎn)載注明出處）