智慧露天矿山体系

智慧露天矿山体系、框架■内容和目标按照系统的递阶式层级将整个智慧矿山系统划分为智慧单元、智慧系统和智慧大系统等三个层级。智慧单元层级一一传感器软硬件技术智慧单元技术需求是构建一个最基本的智慧露天矿单元时需要满足的技术需求，从智慧单元的体系架构看，传感器是智慧露天矿山获取相关数据信息的来源，是实现自动检测和自动控制的首要环节。因此，在智慧单元层级上来看，最为核心的关键技术是包含软件、硬件的传感分析技术。智慧系统层级一一单元通讯技术在智慧单元的技术需求上基础上，参考智慧矿山系统层级架构，需要进一步强调单元组件之间的互联互通，并在此基础上着眼于对不同组件的实时、动态信息控制，实现信息空间与物理空间的协同和统一，同时需要对集成的计算系统、感知系统、控制系统与网络系统进行统一管理，因此，在智慧系统层级上来看，需要单元通讯技术的支持。智慧大系统层级一一系统集成技术在智慧系统的技术需求基础上，参考智慧矿山系统层级架构，智慧大系统的数据更为真实、丰富多样、种类繁多，因此需要新的处理模式对数据进行融合分析提取其中潜在价值，从而提供更强的决策力、洞察力和流程优化能力。进而系统、全面的挖掘矿业数据中潜在的价值。因此，在智慧大系统层级上来看，需要系统集成技术的支持［90-93］。综上所述，智慧露天矿山的层级结构及各层级所需要的核心关键技术见表1。表1智慧露天矿山建设层级及关键技术表1智熟露天矿山建设层级及关键技术系统层级 关键技术智首中元层线 传感分析智昔系统层班 整元通讯智普大系统层皴 系统集成技术组成国件+软件惬件+软件+网络硬件+檄加廨屈/Ir5智慧露天矿山体系、框架■内容和目标5.1系结构智慧露天煤矿这个复杂巨大的工程，由保障体系、标准规范体系、关键技术、决策体系、信息基础支撑体系、时空演化支撑体系、生产设备与环节管控体系、生产计划与施工协作体系、综合应用管理服务体系组成，如图13所示。保障体系、标准规范体系、关键技术是建设的

保障，信息基础支撑体系是建设的支撑，时空演化支撑体系、生产设备与生产环节管控体系、生产计划与工程施工协作体系和综合应用管理服务体系是建设的功能，决策体系是建设的优化度量标准。踪企应用管理服分体系信息基础支撑体系踪企应用管理服分体系信息基础支撑体系图13智慧露天煤矿体系结构1）保障体系。保障体系包括组织流程保障、政策保障、资金保障、人才保障、组织保障、法律保障等智慧露天煤矿的建设保障。2）标准规范体系。标准规范体系包括智慧露天煤矿各个组成部分的建设标准，目前智慧露天煤矿的建设标准还不是很完善，但也有如《GB/T28181-2001安全防范视频监控联网系统信息传输交换控制技术要求》、《智慧露天煤矿建设指南》、《煤炭工业露天矿节能设计规范》等标准可以作为参考依据。3）关键技术。智慧露天煤矿关键技术包括物联网感知相关技术、大数据分析相关技术、GPS或北斗定位技术、网络通讯技术、数据集成技术、空间信息技术、运维管理技术、人工智能技术等。4）信息基础支撑体系。信息基础支撑体系包括感知设施、网络传输、数据仓库、应用支撑、高性能计算、海量存储、信息安全等。5）决策体系。决策体系包括各系统性能优化、生产环节优化、效能优化自决策、准确精细化管理服务等。6）时空演化支撑体系。时空演化支撑体系主要是智慧露天煤矿生产的应用基础支撑，针对露天矿生产前、中、后期各阶段及其重要时间节点的演化管理，作为生产设计、分析、管控的综合支撑。7）生产设备与生产环节管控体系。生产设备与生产环节管控体系是智慧露天煤矿生产的主要应用分支，将生产、管理、自诊断、设备维护和安全等因素结合在一起，形成闭环管控体系。8）生产设计与工程施工协作体系。生产设计与工程施工协作体系是智慧露天煤矿生产的主要应用分支，将生产设计与工程进行有机的结合，主要包括露天矿生产整体最优目标下的穿孔、爆破、采装、运输、排弃主要工艺系统的分目标优化运行及精确、严格、规范的工程施工。9）综合应用管理服务体系。综合应用管理服务体系是智慧露天煤矿生产的主要应用分支，主要包括安全、高效、绿色生产的智慧管理等。智慧露天煤矿总体规划设计是将建设目标、实施目标、知识体系、建设体系、技术应用、实现成果等所需的信息要素集成为总体方案，是智慧露天煤矿纲领性和路线性的建设目标和实施战略。具体矿山的智慧露天煤矿建设总体规划设计要保证同其所属公司的管理和生产任务的总体战略上的一致性，设计出智慧露天煤矿的总体框架结构，并在此基础上开发相应的业务应用平台，制定智慧露天煤矿系统工程分期和分阶段实施的工作内容和任务，以及具体项目实施的策略、措施、方法和计划等。智慧化露天矿总体框架智慧矿山总体框架按照智慧煤矿基本构想进行构思，结合业务数据流及控制流进行设计，如图14所示，主要由五部分构成，分别是露天矿基础支撑智慧化系统、露天矿时空演化智慧化系统、露天矿设备及工艺智慧化系统、露天矿综合管理智慧化系统、露天矿生产计划与工程管理智慧化系统，智慧露天矿总体框架如图15所示。1）露天矿基础支撑智慧化系统。主要是基础硬件环境、网络环境、软件环境的建设，为整个智慧矿山的运营提供基础保障。2）露天矿时空演化智慧化系统。主要是基于地质、测量、采矿等的数据及可视化模型管理，为生产计划及高效管控提供基础场景模拟等应用。3）露天矿设备及工艺智慧化系统。主要是对现有穿爆、采装、运输、破碎、排弃等生产环节工程设备进行智能化的改造升级，更加精准、高效的采集数据，更加有效的服务于生产，通过对各生产环节衔接的贯通，更进一步的提高工程作业。4）露天矿生产计划与工程智慧化系统。主要是基于露天矿时空演化智慧系统及生产任务指令和各监测监控终端实时的数据采集，进一步的修正生产计划，从而检验工程质量的高低，为生产计划与工程匹配提高精准匹配。5）露天矿综合管理智慧化系统。主要是针对安全、生产、运营及管理各方面的综合管理系统，将基于各生产环节产生的生产数据、基于安全的各项监测数据、基于运营的管理数据等通过大数据分析平台解析，从安全、高效、绿色、和谐方面进行综合管理应用。

生产冲划作业执行嫖合屣赤任务下达爆含分祈 模中构建号天犷设务录工艺智君化系等,中产精助作：业’氤地亩卬一暮，统)其霄据初叫.八用..瞿也拼

生产由仃散州

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大产首城苞蛭露天犷基础支探智薰化系统[ 大数据？析平台 J : 忸新时1:数据中心 )图14智慧露天矿总体框架整个流程设计1)由计划部门接收生产计划任务起，生产设计部门基于时空模型演化模型系统制定生产计划，通过生产仿真推演形成生产计划成果数据。2)生产计划成果数据经露天矿综合管理系统形成调度指令，由调度室根据生产计划下达到各作业生产工程单位，工程施工单位根据计划任务及现场获取的作业环境参数进行工程作业，进一步由工况参数、环境监测、安全监测等传感设备采集数据。3）工程设备作业过程中，实时获取的数据上传到大数据分析平台，由最初建立的专家知识库及分析诊断模型，对当前生产作业过程进行分析诊断［18］，给出诊断结果，诊断分析结果又将实时传到生产作业设备终端，进一步的指导工程作业。4）生产作业工程作业结束后，对其工程质量进行评估确认，将质量检测数据上传至数据中心，通过露天矿综合管理系统进行生产设计与工程施工的对比分析，进一步的优化生产设计和指导工程施工。以上的业务数据流及控制流主要是围绕生产环节进行设计，基于数据流的走向，结合业务控制流，通过五大主要系统形成闭环管理，从而形成智慧矿山总体框架。5.3建设内容根据目前智能化技术发展及规划构想，智慧露天矿山可分二期规划建设，露天矿基础支撑智慧化系统、露天矿时空演化智慧化系统、露天矿设备及工艺智慧化系统、露天矿生产计划与工程管理智慧化系统、露天矿综合管理智慧化系统建设主要内容如图15—图17所示。

琼台_L程 +-1琼台_L程 +-1生产汁充白工但相受标准数字化生产生理智茎化1 : 行窥看理自的就1陆单甭祥苴廿#一百管/番理化1钻机盘刮紧城爆破寸身航等统:地热岩性i丽电奈林雅机智齿作匕不建者'军工艺工制条殳息/作坦达恻击茫;花的车皆竺作生桑光砧机昔黑作包累铁电斤”量斤重鼻优嗔辟玷而密||爆犍廉♦评伊霸点电俨田修作上弃物［推土机自罚非业紧烧.心蒂漏气机生片军赢1席而理.〕卡车燃油.«K£H«K惊帝机襦/•、巡检，有片才-机可过拄制;惟金机智司系疏弋单哥厘作上号合射的期就研二期视邸图15露天矿智慧化分期建设规划内容概览图基础支撑智慧化系统规划目标：(1)一期目标实现整个智慧矿山建设基础支撑智慧化系统的搭建，为后期各业务系统的建设全方位服务，保证数据的采集、传输、存储、应用等工作，使生产、运营及管理在规范、绿色、安全、高效的环境下良好运行，起到承上启下的作用。1）实现企业4G无线专网的全覆盖，承载多个业务应用系统的通信，满足语音调度、视频接入、数据传输、设备遥控等业务需求，同时也能够适应未来5G工业网络建设发展。2）实现企业数据通信协议及格式标准规范的制定。3）实现专家知识库基础信息储备，为智能决策提供分析模型基础。4）实现企业生产大数据分析应用。（2）二期目标实现矿山5G工业网络的部署及应用，使整个矿山的生产在新一代网络下良好的有序开展；实现办公环境的智能化，提升工作人员良好的办公环境及其工作效率。

E•无线网络图16露天矿基础支撑智慧化系统规划概览大数据分析平台专家知识库、数据仓库数据中心数据接口规范网络信息安全翻据通信IH■平F办公环境智能化管拽指挥中心数据返文规范机房改造政钻拓巾蜕位体系数据共享交换|内外网居圜防火墙一期规划出II路由设置防捕毒软件入侵楂测上网疔为管现二期规划大数据引用基晒支撑子平行E•无线网络图16露天矿基础支撑智慧化系统规划概览大数据分析平台专家知识库、数据仓库数据中心数据接口规范网络信息安全翻据通信IH■平F办公环境智能化管拽指挥中心数据返文规范机房改造政钻拓巾蜕位体系数据共享交换|内外网居圜防火墙一期规划出II路由设置防捕毒软件入侵楂测上网疔为管现二期规划大数据引用基晒支撑子平行大数据资源分析处理子平价空产环节羲宝臬如山底~~|，谬呼笺鹿鹭考察封妲库生产环节基础数据集市 11生产环节高成教掘集市图例无相应内容斯忽■化向密rWcrrre回可常利侑息化内容|亘［［也「•闺diF蝮内容集散型捏制系统M能汇的.•而以心不境.变频节隹系统企业主干网陪4G无线网络调度中心犬解幕显示系缢体系架构前置累统安全防驻系统・多用功能一卡通办公垓济Q息牝殆理与维力、系统,计入控制系统数据资通管理5.3.2时空演化智慧化系统规划目标:(1)一期规划目标实现包含露天矿主要生产信息的简单时空演化模型的构建、更新、修正及应用，用于演化露天矿的实际生产与计划，可视化展示、应用分析、查询露天矿主要生产信息，为基于时空演化模型的智慧化管控做准备，能够半自动化的指导生产；实现勘探、测量作业的自动化控制，提高勘探、测量的效率和质量，缩短时空演化模型的构建周期。（2）二期规划目标实现包含露天矿所有生产信息的精细时空演化模型的全自动构建、更新、修正与应用，基于时空演化模型实现对生产的智慧管控；实现勘探、测量的智慧化作业，即利用勘探、测量产生数据，再结合其他生产环节产生的实时数据，用于构建实时的时空演化模型，用于智慧管控露天矿的生产。分所信息参考小箪小为执行时空默据库所有兼统高精境模型图17露天矿时空演化智慧化系统规划概览期探基于时空演化模型的智髯管控时空演北模型可视化支撑平台时空信息管理一期期划二期规划国度|军才胡冉升段内容率成化国用规仁聚任内济节自动■I.■■■■■,而然由斐眼统士止化呼共享便榛 ； 分所信息参考小箪小为执行时空默据库所有兼统高精境模型图17露天矿时空演化智慧化系统规划概览期探基于时空演化模型的智髯管控时空演北模型可视化支撑平台时空信息管理一期期划二期规划国度|军才胡冉升段内容率成化国用规仁聚任内济节自动■I.■■■■■,而然由斐眼统士止化呼共享便榛 ； M 1可祖化时空数据首理 专业化管理地面巡区漏量验收殂生产管理一相 1（___ 「「痴洛理高精度摸空亚芬成用支料 ： 二三辘••体环境泯集安全监控皆辟比H 智1'泗业吗进分所任徒巾.送施耗耗材追跳爱享便犍电业化部理「I劭成图[•…]七明道内密|国倡|伴蓝化内容5.3.3露天矿设备及工艺智慧化系统规划目标（1）穿孔设备智慧化多数露天矿现场实际生产中采用人工点放样方式，存在主观性强、测点不精确的问题；采用人工手持皮尺的方式检查钻孔质量，重复简单劳动且作业效率低［22］；一期实现实时采集钻机作业过程数据，实现钻机作业过程的数字化，实现部分操作的自动化，减少现场人员重复性简单工作，实现钻机高效作业；二期实现钻孔环节的远程控制及自动作业，实现设备的科学决策，达到现场少人的目标，实现钻机的高效作业。（2）爆破设备智慧化目前露天矿爆破设备的最佳选择是现场混装炸药车，集运输、生产、装填为一体，提高了生产装填炸药的机械化及自动化水平，爆破设备向大型化、信息化、自动化和无人化的方向发展，智能化爆破设备将是今后爆破设备的发展趋势和技术研究方向。最终实现装药车工艺参数控制及智能装药，实现设备的科学决策，达到现场少人、提高装药效率的目标，实现装药车的高效作业。（3）采装设备智慧化目前我国露天矿电铲未进行信息化改造，相对独立运行，生产效率受限于司机及卡车配合的程度［94］。一期目标实现实时采集电铲作业过程数据，实现电铲作业过程的数字化，满足电铲作业的数字化管理要求，实现电铲的安全、高效作业；二期目标实现电铲的自动挖掘与装载，提高电铲工作效率，实现电铲的高效作业。（4）运输设备智慧化卡车是大型露天矿山主要的运输设备，国内外先进的露天矿山均采用卡车自营方式进行剥离和采煤工作。当前中国特大型露天矿如黑岱沟露天矿、伊敏露天矿等均已实现卡车轮胎监控管理、安全预警系统、燃油监控等数字化系统。随着时代的发展智能调度优化、卡车辅助驾驶系统以及无人卡车将成为露天矿卡车智慧化的主流趋势。最终实现卡车安全、油耗、胎压数据的实时采集，达到卡车作业过程的数字化，在此基础上实现卡车智能调度、智能辅助驾驶以及智慧作业，达到现场少人的目标，实现卡车运输的高效作业。（5）排土设备智慧化排土作业主要配合电铲、卡车进行采运作业后对物料的平整压实以及排土台阶的扩展。当前排土机作业主要问题有人员操作不当导致排土位置以及高度与计划不符，操作人员工作环境较差［95］。一期目标为实现排土作业过程的信息化，实现部分操作的自动化，减少现场人员凭借经验操作导致的排土问题，实现推土机的高效作业。二期目标为实现排土环节的远程遥控作业，实现设备操作的精准执行及远程控制，并改善司机作业环境，实现推土机的高效作业。（6）原煤地面生产系统智慧化露天矿地面生产系统担负着破碎外运任务，由一次破碎、二次破碎、输煤、储煤、配煤和装车外运6个子系统组成。信息化建设内容：破碎站盲区视频监测、考勤机巡检质量考核、堆取料机盲区监测、胶带机控系统、胶带输送机视频监控。一期目标为实现地面生产系统的自动化以及智慧化，破碎站实现无人值守，胶带输送机实现集控及机器人巡检，堆取料机实现远程控制，提高生产效率、减少现场工作人员的劳动强度及重复性工作，实现原煤地面生产系统的高效作业。（7）露天矿生产工艺系统智慧化露天矿自移破碎机及转载机每班约花费25〜40分钟进行对接，耗费时间较长；卡车装载时，电铲缺乏引导信息，装载难度大。一期目标为实现多台大型装备智能快速对接，提高对接的效率、缩短对接时间，实现生产工艺的高效作业。二期目标为实现自动识别和定位卡车，自动计算最佳挖掘位置和倾倒位置，完成自动化卡车快速装载任务，提高电铲装车效率，降低人员操作难度，实现生产工艺的高效作业。（8）设备故障实时诊断智慧化露天矿环境条件恶劣，露天矿设备的各个结构受到的冲击和振动较大，因此矿山设备会时常出现各种故障，而且故障率较高、故障诊断与排除周期较长，导致设备和人员的工作效率低下［96］。一期目标为

实现钻机、电铲、破碎机、胶带输送机、推土机的故障诊断。二期目标为实现装药车、卡车等设备故障的高效诊断。具体各环节子系统分期目标如图18所示。面产统

地生系排弃堆取料机远程控制安全管理胎压监控运输采装爆破电铲（乍业监测电铲计量称重燃油监控辅助驾驶卡车调度|无人驾驶爆堆评价||自主装服3D图纸作业:「j主恰掘

工艺痴|面产统

地生系排弃堆取料机远程控制安全管理胎压监控运输采装爆破电铲（乍业监测电铲计量称重燃油监控辅助驾驶卡车调度|无人驾驶爆堆评价||自主装服3D图纸作业:「j主恰掘

工艺痴|炮孔展位|故障诊断无相应内容钻机爆破孔定位穿孔国阳乍如£控一期规划二期规划智慧化内容常规信息化内容图18露天矿设备及工艺智慧化系统规划概览露天矿生产计划与工程管理智慧化系统规划目标（1）一期规划目标实现穿爆、采装、运输和排弃等环节的智能化设计，局部作业过程的推演和分析；对作业环节关键点进行细化和量化［97］,规范施工标准［98］，班组生产成本的自动核算以及绩效的自动考核，矿山施工质量的智能管控［99］，提高作业效率，保证安全生产，降低生产作业成本。（2）二期规划目标实现开采过程的动态仿真，开采设计和施工的交互分析和优化，最终达到智能决策的目的［100-101］；在设备智能化基础上，实现生产目标最优下各工艺环节自动决策和施工。具体如图19所示。工综管程合理作业智能决策自动考核质量自动对比管理自动脱收数据自动分析1 I班组

管理成本分析作业标准生产计划计划自动编制计划仿真模慰计划自动编制 计划动态调整;I计划仿真模拟计划实时评怙一期规划二期规划工综管程合理作业智能决策自动考核质量自动对比管理自动脱收数据自动分析1 I班组

管理成本分析作业标准生产计划计划自动编制计划仿真模慰计划自动编制 计划动态调整;I计划仿真模拟计划实时评怙一期规划二期规划图19露天矿生产计划与工程管理智慧化系统规划概览露天矿综合管理智慧化系统规划目标:(1)一期实现目标实现露天矿的综合管理智慧化，从根本上杜绝危险源的危害，降低疏干水再利用的成本，提高疏干水的利用率，提高生态复垦的的质量、降低生态复垦的成本，初步实现生态恢复的价值；实现少人作业，减少露天矿本身的安全隐患，逐步实现露天矿的本质安全；为露天矿综合管理所有的生产决策提供支撑，实现生产效能的全自动化分析，提高各环节的生产效能，提高生产成本管控水平以及对生产成本信息的利用效率和绩效考核的效率，降低露天矿的生产成本并提高绩效考核的质量。实现生产过程自动化与企业生产、经营管理信息化的一体化、集成化；实现设计、生产、经营管理诸环节的柔性化、敏捷化、虚拟化；实现科研、设计、工程、生产、经营和决策的数字化、自动化、网络化、协同化。（2）二期实现目标提高生态复垦的的质量、降低生态复垦的成本，实现生态恢复的价值，实现露天开采的本质绿色；进一步实现少人作业，减少甚至杜绝露天矿本身的安全隐患，实现露天矿的本质安全；实现所有生产环节的生产效能高级智慧管控，实现设备的实时最优化运行，保证生产效能的最大化；实现生产成本的实时管控、绩效考核的无处不在，最大化程度降低露天矿的生产成本；实现生产设备智慧指挥、矿山工程智慧管理以及工艺系统智慧优化，为露天矿生产设备、矿山工程的管理提供可视化智慧支撑。具体如图20所示。

高效生产安全生产绿色生产高效生产安全生产绿色生产图20露天矿综合管理智慧化系统规划概览5.4建设目标智慧露天矿山的本质是将信息化技术与露天矿山深度融合，通过生产、安全、管理、设计等工作的信息化和矿山装备及系统的智能化，进而实现露天矿山劳动生产率的大幅度提高，整体生产成本的大幅度降低，达到整个矿山的少人化，实现矿山的绿色、安全、高效。智慧露天矿山建设以云计算、大数据、物联网及矿业工程专