為打造智能化礦業(yè)大國貢獻(xiàn)一份力

   “當(dāng)前，國內(nèi)外礦業(yè)已進(jìn)入了一個(gè)智能化業(yè)務(wù)高速發(fā)展的最佳時(shí)期。”北京礦冶研究總院礦山工程研究設(shè)計(jì)所副所長張達(dá)日前在接受記者采訪時(shí)如是說。據(jù)了解，礦山工程研究設(shè)計(jì)所在礦山安全、高效、清潔開采技術(shù)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(shù)、裝備與工程應(yīng)用，已成為該所的主要研究方向。

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

　　張達(dá)：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(jìn)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(hù)、開采工藝、技術(shù)裝備、安全管理等方面必須進(jìn)行變革，以應(yīng)對當(dāng)前的嚴(yán)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(dòng)態(tài)性、工作場所的離散型、生產(chǎn)力要素的移動(dòng)性、生產(chǎn)環(huán)境的高危險(xiǎn)性等特點(diǎn)，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(shù)實(shí)力，開展以安全、高效、經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)的地下金屬礦山智能開采技術(shù)研究就顯得尤為重要。

　　智能開采是指以智能化、自動(dòng)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(luò)為載體，以智能設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理軟件系統(tǒng)為平臺(tái)，通過對礦山生產(chǎn)對象和過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、智能化監(jiān)測與控制，實(shí)現(xiàn)礦山開采的安全、高效和經(jīng)濟(jì)效益最大化。

　　礦山的智能開采技術(shù)是由一系列互相依存、彼此銜接的功能模塊，通過實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流融合在一起，最終形成的有機(jī)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(yùn)行、礦山運(yùn)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(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)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(qiáng)我國礦業(yè)行業(yè)的核心競爭能力。礦山智能開采技術(shù)對于推動(dòng)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(shù)經(jīng)歷了哪些發(fā)展階段？

　　張達(dá)：現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展使得礦山的自動(dòng)化或智能化開采成為可能。從上世紀(jì)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(shù)研究計(jì)劃(IM)，由芬蘭技術(shù)開發(fā)中心（TEKES）牽頭，奧托昆普采礦服務(wù)公司、坦羅克鑿巖機(jī)公司和裝運(yùn)機(jī)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(xué)巖石研究所共同完成，從1992年至1997年歷時(shí)5年。該計(jì)劃共分28個(gè)研究項(xiàng)目，預(yù)算1200萬美元，通過對資源和生產(chǎn)的實(shí)時(shí)管理、設(shè)備自動(dòng)化和生產(chǎn)維護(hù)自動(dòng)化三個(gè)領(lǐng)域的研究，初步建立智能礦山技術(shù)體系，提高露天礦和地下礦的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

　　在此基礎(chǔ)上，芬蘭進(jìn)一步提出了智能礦山實(shí)施研發(fā)技術(shù)計(jì)劃（IMI），從1997年開始，歷時(shí)3年，通過實(shí)施先進(jìn)技術(shù)技術(shù)，開發(fā)出機(jī)械裝備與系統(tǒng)，并在奧托昆普公司凱米地下礦進(jìn)行了開發(fā)試驗(yàn)，提高了礦山的勞動(dòng)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(shí)施的采礦自動(dòng)化項(xiàng)目（MAP）五年計(jì)劃，預(yù)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(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)中心等承擔(dān)，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(shù)，礦體圈定機(jī)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(jié)果建立模型。自動(dòng)化工程開拓模型向進(jìn)行工作的遙控設(shè)備直接提供信息，遙控設(shè)備的信息也同時(shí)提供給礦山模型，并作用于生產(chǎn)過程。實(shí)現(xiàn)上述功能的裝置是采礦機(jī)器人控制器，它既是一個(gè)連接監(jiān)控傳感器與局部遙控執(zhí)行器的計(jì)算裝置，又是一個(gè)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(fēng)、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(shè)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(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)按照模型處理數(shù)據(jù)，并給各個(gè)水平的遠(yuǎn)距遙控執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送信號進(jìn)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(dòng)化技術(shù)方面處于國際領(lǐng)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(shù)產(chǎn)業(yè)。加拿大還制定出一項(xiàng)擬在2050年實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)景規(guī)劃，即在加拿大北部邊遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)一個(gè)無人化礦山，通過衛(wèi)星操控礦山的所有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)械破碎和自動(dòng)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(shù)相結(jié)合的技術(shù)基礎(chǔ)上，并在斯托比（Stobie）礦試用。這種功能很強(qiáng)的寬帶網(wǎng)絡(luò)與礦山各中段的無線電單元相結(jié)合，可傳輸多頻道的視頻信號，操作每臺(tái)設(shè)備。該礦除了固定設(shè)備已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化外，鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖臺(tái)車、井下汽車均已實(shí)現(xiàn)了無人駕駛，工人在地面遙控這些設(shè)備，整個(gè)井下基本上不需要設(shè)置工作人員。

　　同時(shí)，其他國家也在同步開展礦山自動(dòng)化和智能化的戰(zhàn)略，瑞典為此也制訂了戰(zhàn)略計(jì)劃，著力提高礦山自動(dòng)化水平。澳大利亞Micromine公司針對采礦應(yīng)用，開發(fā)出基于Web的在線遠(yuǎn)程采礦控制系統(tǒng)PITRAM，實(shí)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(dòng)目標(biāo)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)目標(biāo)的可靠、快速接入。

　　近10年來，國際著名的幾家采礦設(shè)備公司均在大力發(fā)展智能采礦裝備及相關(guān)技術(shù)，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(shè)備具有很好的自動(dòng)化或智能化功能，而且開發(fā)了多種智能礦山的技術(shù)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(shù)，這些公司正逐步由原來單一的設(shè)備供應(yīng)商向技術(shù)解決方案供應(yīng)商轉(zhuǎn)變。

　　記者：請您談?wù)勎覈悄荛_采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題？

　　張達(dá)：西方發(fā)達(dá)國家從上世紀(jì)90年代就開始研究智能開采技術(shù)，與之相比，我國的相關(guān)技術(shù)研究落后了很長時(shí)間。但同時(shí)也應(yīng)該看到，由于以網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)迅速發(fā)展，我國目前打下了很好的信息化技術(shù)基礎(chǔ)，在這方面與國外的差距并不大，至少遠(yuǎn)高于國外當(dāng)年的技術(shù)水平，因此我國完全是在一個(gè)新的起點(diǎn)開展智能開采技術(shù)研究，也完全有可能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到或趕超國際先進(jìn)水平。

　　近些年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和礦業(yè)的復(fù)蘇，與智能開采相關(guān)的許多高新技術(shù)應(yīng)用得到了長足進(jìn)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(shù)支撐。我國的礦山六大系統(tǒng)等信息化建設(shè)，多數(shù)已建成了井下光纖主干通信網(wǎng)絡(luò)，視頻監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、自動(dòng)化控制已在部分大中型礦山應(yīng)用，以進(jìn)口設(shè)備為主的遙控鏟運(yùn)機(jī)得到大量應(yīng)用，一些先進(jìn)的人員與設(shè)備定位系統(tǒng)和井下地壓災(zāi)害監(jiān)控系統(tǒng)得到應(yīng)用，先進(jìn)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(yīng)用。國家立項(xiàng)開展了多項(xiàng)與智能化采礦相關(guān)的重點(diǎn)或?qū)ｍ?xiàng)科技攻關(guān)項(xiàng)目，如“數(shù)字化采礦關(guān)鍵技術(shù)與軟件開發(fā)”、“地下無人采礦設(shè)備高精度定位技術(shù)和智能化無人操縱鏟運(yùn)機(jī)的模型技術(shù)研究”、“井下（無人工作面）采礦遙控關(guān)鍵技術(shù)與裝備的開發(fā)”、“千米深井地壓與高溫災(zāi)害監(jiān)控技術(shù)與裝備”等項(xiàng)目，都奠定了良好基礎(chǔ)。

　　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(shù)水平相對落后，尤其是其自動(dòng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的井下綜合通信、定位導(dǎo)航等實(shí)現(xiàn)智能開采的支撐技術(shù)與軟件平臺(tái)；相關(guān)技術(shù)研究力量分散，未能形成強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

　　智能開采技術(shù)研究是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，從國外的經(jīng)驗(yàn)來看，均是由國家出資設(shè)立專項(xiàng)，組織多家研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，然后再由企業(yè)深入完善。

　　記者：智能開采技術(shù)的發(fā)展趨勢是什么？

　　張達(dá)：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(luò)化、井下數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)化、井下生產(chǎn)裝備自動(dòng)化、井下生產(chǎn)管理信息化，實(shí)現(xiàn)礦山大規(guī)模智能化、自動(dòng)化綜合優(yōu)化調(diào)度與生產(chǎn)管理，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全、高效的目標(biāo)。

　　智能開采技術(shù)的總體發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下10個(gè)特點(diǎn)：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(jì)劃、統(tǒng)計(jì)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(luò)；三是視頻和數(shù)據(jù)同網(wǎng)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)體系，以光纖或無線電通信為主體的多媒體通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)分布式共享；四是實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與處理，采用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程、礦山安全、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和可視化處理；五是實(shí)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(yùn)輸、通風(fēng)、排水等進(jìn)行集中遙控；六是采用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦山資源、設(shè)計(jì)優(yōu)化、生產(chǎn)計(jì)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(tái)的采礦爆破一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)和過程監(jiān)控系統(tǒng)；八是運(yùn)用多媒體、模擬、仿真、虛擬技術(shù)，再現(xiàn)礦山整體與生產(chǎn)活動(dòng)過程，包括調(diào)度、過程監(jiān)控、災(zāi)害預(yù)警等；九是通過整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的信息集成，實(shí)現(xiàn)主體采礦設(shè)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(shè)備自動(dòng)定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，使礦山從單一工序到整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)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(dá)：我院是國內(nèi)首批開展地下金屬礦山智能開采技術(shù)研究的單位。“十二五”期間，我院牽頭開展了國家“863”主題項(xiàng)目“地下金屬礦智能開采技術(shù)”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(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)、井下定位技術(shù)、調(diào)度與控制系統(tǒng)等為技術(shù)手段，以井下鏟運(yùn)鑿巖爆破裝備為控制對象，通過多層次、在線實(shí)時(shí)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(tái)，為地下金屬礦的高效、安全、綠色與可持續(xù)開采奠定基礎(chǔ)。該項(xiàng)目的任務(wù)設(shè)置既考慮以解決地下金屬礦智能開采的關(guān)鍵技術(shù)問題為目標(biāo)，同時(shí)也考慮在有限的資金和時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的可行性。

　　經(jīng)專家多次研討和論證，該項(xiàng)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(tái)及基于該平臺(tái)的智能化導(dǎo)航、調(diào)度和控制等具備典型性、緊迫性的應(yīng)用為研究對象，具體確定了智能中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車、地下高氣壓智能潛孔鉆機(jī)、地下智能鏟運(yùn)機(jī)、地下智能礦用汽車、地下金屬礦山智能精細(xì)化采礦爆破技術(shù)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(shè)備的精確定位與智能導(dǎo)航共計(jì)8項(xiàng)研究開發(fā)任務(wù)。

　　目前，項(xiàng)目研究成果正在國內(nèi)礦山進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，相關(guān)成果已開始在國內(nèi)礦山推廣應(yīng)用。應(yīng)該看到，在不遠(yuǎn)的將來，我國礦業(yè)將借“兩化深度融合”之勢，逐步從機(jī)械化、信息化、數(shù)字化、自動(dòng)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。