一、研究的背景與問題
鞍鋼礦業(yè)是集勘探、采礦、選礦、資源綜合利用、礦山設備制造、工程技術(shù)輸出和貿(mào)易為一體，國內(nèi)規(guī)模最大并具有完整產(chǎn)業(yè)鏈的特大型礦業(yè)集團，現(xiàn)有8座鐵礦山、8個選礦廠、1個燒結(jié)廠、2個球團廠、5座輔料礦山，是國內(nèi)唯一的億噸級鐵礦山企業(yè)。雖然其在信息化建設方面取得了重大進展，在設備大型化、自動化運行等方面得到了較大提升，但是，生產(chǎn)管控信息技術(shù)相對落后，存在大量數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，不能整體化管控，各工序缺乏協(xié)同聯(lián)動，采場新技術(shù)應用滯后，采場業(yè)務缺少聯(lián)動。為此鞍鋼礦業(yè)積極落實“兩化”深度融合戰(zhàn)略，積極探索推進智能化發(fā)展，開展智能化礦山建設，并選擇亞洲第一大露天鐵礦山—齊大山鐵礦作為試點，開展大型金屬露天礦全流程智能安全開采技術(shù)研究與示范基地建設。
國外露天礦智能開采實踐主要以裝備無人化為主，而國內(nèi)起步較晚，工藝系統(tǒng)規(guī)劃與協(xié)同應用不足，研究主要集中在單工序、單設備的數(shù)字化和信息化方面，如邊坡監(jiān)測、混裝炸藥車、數(shù)字爆破、無人駕駛礦車等，缺少整體頂層設計，沒有統(tǒng)籌露天礦開采生產(chǎn)中穿孔、爆破、采裝、運輸、排卸五大工序，未實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化。當前行業(yè)亟需解決露天礦智能開采的如下共性關鍵技術(shù)：
1、在智能感知方面，露天礦開采的鐵運環(huán)節(jié)、汽運環(huán)節(jié)仍缺乏共性的自我感知和環(huán)境感知技術(shù)，難以針對性地指導露天礦的智能開采。
2、在智能規(guī)劃方面，露天礦開采的穿孔環(huán)節(jié)、汽運環(huán)節(jié)仍缺乏針對性、統(tǒng)一化的路徑?jīng)Q策、行為決策和動作規(guī)劃。
3、在智能控制方面，露天礦開采的穿孔環(huán)節(jié)、汽運環(huán)節(jié)仍需要針對露天礦生產(chǎn)環(huán)境的核心控制算法與控制策略。
鑒于此，鞍鋼集團礦業(yè)有限公司聯(lián)合北京科技大學、鞍鋼集團北京研究院、東北大學、中國科學院沈陽自動化研究所等單位開展了科技攻關。從2005年開始，鞍鋼礦業(yè)陸續(xù)進行數(shù)字礦山、智慧礦山建設，取得了豐富的成果，建立了以系統(tǒng)工程重大創(chuàng)新為主線的“五品聯(lián)動”模式，以追求“安全生產(chǎn)、綠色環(huán)保、資源利用、企業(yè)效益”的動態(tài)平衡為發(fā)展目標，以實現(xiàn)“全程動態(tài)可控、工序精準協(xié)同、單體性能最優(yōu)、全局效益最大”為建設策略，通過將“云大物移智”等先進信息技術(shù)與企業(yè)生產(chǎn)相融合，建成了具有智慧創(chuàng)新、智慧制造、智慧管理特征的先進礦山信息系統(tǒng)，解決了貧鐵礦大規(guī)模、低成本、高效率開發(fā)利用的世界性難題。北京科技大學、東北大學等單位從2000年以來，一直開展礦山信息化、數(shù)字化、智能化研究工作，在科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)方面均取得了豐碩成果，始終站在智能礦山領域前列，特別是在工藝優(yōu)化、礦山系統(tǒng)工程、智能卡調(diào)與配礦、智能裝備等方面尤為突出，先后獲得相關國家重大項目10余項，國家科技進步獎3項，省部級科技獎勵20余項，獲得發(fā)明專利百余項，發(fā)表sci等論文200余篇，為項目順利實施奠定了堅實的基礎。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
1、總體思路
大型金屬露天礦的智能開采具有生產(chǎn)工序多，各環(huán)節(jié)時空發(fā)展相互關聯(lián)，設備種類多，設備大型化、機械化程度高等特點。近年來，雖然很多露天礦智能開采技術(shù)都取得了良好的應用，但仍然存在系統(tǒng)規(guī)劃難、系統(tǒng)智能難、系統(tǒng)協(xié)同難的問題。為此開展了大型金屬露天礦全流程智能安全開采關鍵技術(shù)研究與應用，基于大型金屬露天礦智能安全開采的全工藝流程，提出了智能開采總體架構(gòu)及五大生產(chǎn)工序全流程智能安全開采框架，提出了多環(huán)節(jié)、系列化的智能感知、智能規(guī)劃和智能控制方法，實現(xiàn)了多場景的智能安全應用，在穿孔、爆破、鏟裝、汽運和鐵運等工序開展智能安全應用與示范，創(chuàng)建了“全流程規(guī)劃→多工序智能→多場景聯(lián)動”的大型金屬露天智能開采模式，解決了露天礦智能開采關鍵共性技術(shù)難題，建成了亞洲最大智能露天鐵礦示范基地。
2、技術(shù)方案
(1)大型金屬露天礦智能開采總體架構(gòu)及全流程智能安全開采框架研究
依據(jù)露天礦智能開采的全流程應用場景，包括穿孔、爆破、采裝、運輸、排卸五大生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提出了與智能采礦裝備和系統(tǒng)相適應的高效露天礦智能開采的全流程工藝，設計了“三大平臺四大層次四大板塊”智能露天礦總體架構(gòu)。在總體架構(gòu)的基礎上，在智能開采的科學問題、關鍵技術(shù)、研究內(nèi)容、實現(xiàn)途徑與主體功能方面，分別對穿孔環(huán)節(jié)、爆破環(huán)節(jié)、采裝環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)和排卸環(huán)節(jié)進行了更為深入的分析和研究。
圖1 項目總體研究思路
(2)大型金屬露天礦開采多工序智能感知、智能規(guī)劃和智能控制方法研究
基于總體框架，分別針對露天礦智能開采的智能感知、智能規(guī)劃和智能控制展開研究：研究智能感知方法，利用衛(wèi)星定位、雷達、圖像識別等技術(shù)，實現(xiàn)了設備多方位的自身感知以及周邊環(huán)境的智能感知;研究開采設備的智能規(guī)劃方法，完成多工序開采設備的智能路徑?jīng)Q策、行為決策和動作規(guī)劃;研究智能裝備核心控制方法，基于5G、邊緣計算技術(shù)，研發(fā)了廣泛應用于各種裝備且模塊化、可配置、軟硬一體的智能開采裝備核心控制算法和控制單元，滿足智能開采設備的控制要求。
(3)大型金屬露天礦多場景的智能安全應用研究
基于提出的智能開采框架和智能感知、智能規(guī)劃與智能控制的方法，在露天礦全流程多場景實現(xiàn)了智能安全應用：針對穿孔環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了鉆機的遠程控制與自動鉆孔的智能安全應用;針對爆破環(huán)節(jié)，設計了爆破全流程的優(yōu)化方法，實現(xiàn)了爆破的智能設計與效果評價;針對鏟裝環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了連續(xù)的電鏟智能感知與鏟裝跟蹤智能化;針對運排環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了有軌運輸和無軌運輸設備智能安全輔助駕駛應用;最終形成了系列化智能開采關鍵共性技術(shù)，并以此為基礎建成了亞洲最大智能露天鐵礦示范基地。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、創(chuàng)立了大型金屬露天礦全流程智能安全開采體系。通過對露天開采各生產(chǎn)環(huán)節(jié)基本特征的深入挖掘，基于當前及未來技術(shù)的發(fā)展方向，提出了露天礦智能開采總體架構(gòu)及五大生產(chǎn)環(huán)節(jié)的全流程智能安全開采框架，創(chuàng)立了“三大平臺、四大層次、四大板塊”智能露天礦總體架構(gòu)，規(guī)劃了露天礦穿孔、爆破、采裝、運輸、排卸五大環(huán)節(jié)智能開采科學問題、關鍵技術(shù)、研究內(nèi)容、實現(xiàn)途徑與主體功能。實現(xiàn)了金屬露天礦智能安全開采從局部割裂化到整體統(tǒng)一化在理論體系方面的重要突破，成果達到國際先進水平。
2、破解了大型金屬露天礦多工序智能化瓶頸技術(shù)。研發(fā)了露天礦多環(huán)節(jié)智能開采感知-決策-控制一體化技術(shù)：挖掘了露天礦開采的智能感知特征和關鍵問題，提出了復雜環(huán)境系統(tǒng)化感知策略，研發(fā)了設備自身及周邊運行環(huán)境感知方法和技術(shù);基于露天礦開采生產(chǎn)工藝特點，建立了露天礦智能開采優(yōu)化模型，形成了智能開采的規(guī)劃方法和決策技術(shù);分析了露天礦開采典型設備工作特點，探究了裝備智能控制機制，構(gòu)建了露天開采通信網(wǎng)絡模式，開發(fā)了控制策略對內(nèi)對外規(guī)范接口，提出了裝備核心控制技術(shù)。該成果實現(xiàn)了礦山開采工藝與裝備智能化升級，綜合生產(chǎn)效率提高12.05%，填補了露天礦全流程智能開采技術(shù)空白。
3、攻克了多場景協(xié)同聯(lián)動智能化開采實踐難題。集成建構(gòu)穿孔、爆破、鏟裝、運排全流程系統(tǒng)，研發(fā)了露天礦智能開采系列技術(shù)，開發(fā)了多場景協(xié)同聯(lián)動智能化開采應用：穿孔環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了鉆機的遠程控制與自動鉆孔的智能安全應用;爆破環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了爆破智能設計與效果評價;鏟裝環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了連續(xù)的電鏟智能感知與鏟裝跟蹤的智能化;無軌運輸環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了礦用卡車智能安全輔助駕駛應用;有軌運輸運環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了礦用機車智能安全輔助駕駛應用。該成果實現(xiàn)了露天礦多環(huán)節(jié)、多場景的智能安全生產(chǎn)，綜合優(yōu)化人力資源588人，大幅提高了礦山安全生產(chǎn)水平。
形成了集成三大創(chuàng)新，建立了“全流程規(guī)劃→多工序智能→多場景聯(lián)動”露天全流程智能開采模式，打造了智能開采生產(chǎn)平臺，建成了亞洲最大智能露天鐵礦示范基地，成為礦山行業(yè)全流程智能化開采應用示范標桿，走出了一條礦山行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展新道路。
四、應用情況與效果
2015年1月，項目研究成果逐步應用于鞍鋼集團礦業(yè)有限公司的智慧化建設當中，并于2021年底建成了亞洲最大的智能安全開采露天鐵礦山示范基地—齊大山鐵礦。2018年-2022年，本項目相關成果陸續(xù)推廣應用到鞍千礦業(yè)、關寶山鐵礦等露天金屬礦山，眼前山地下鐵礦山以及撫順西露天礦、華能伊敏露天礦等露天煤礦。
本項目研究成果成功應用于露天礦山：齊大山鐵礦、東鞍山鐵礦、關寶山礦業(yè)、弓長嶺礦業(yè)有限公司、鞍千礦業(yè)有限公司、大孤山鐵礦，實現(xiàn)了礦山開采工藝與裝備智能化升級。近三年，應用本項目成果，六家礦山共為鞍鋼礦業(yè)創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益12.03億元，鉆機生產(chǎn)效率提升13.2%，電鏟生產(chǎn)效率提升14.2%，運輸生產(chǎn)效率提升7.12%，破碎生產(chǎn)效率提升13.68%，應用效果及經(jīng)濟效益顯著。
本項目于2018年將多工序智能化技術(shù)陸續(xù)應用在華能伊敏露天礦、撫順西露天礦中。大幅度提升了礦用卡車在上述兩座露天礦山中的運載安全系數(shù)，降低了運輸操作復雜度，為礦卡司機提供了更為安全的保障機制，促進了露天礦智能開采的效率、提升了經(jīng)濟效益。
本項目部分研究成果成功應用于地下礦山：2021年爆破智能設計及爆破效果智能評價技術(shù)陸續(xù)應用在鞍鋼礦業(yè)眼前山地下礦中。通過將爆破設計、智能裝藥、精準評價、流程優(yōu)化等各環(huán)節(jié)生產(chǎn)活動相聯(lián)結(jié)與融合，形成具有信息深度自感知、智能優(yōu)化規(guī)劃、智能精準控制的綜合集成爆破技術(shù)，降低了爆區(qū)的貧化率，減少了炸藥單耗，有效改善采礦效率與爆破質(zhì)量，進一步加強了眼前山鐵礦的精細化管理要求。截止2022年底，該項技術(shù)共為鞍鋼礦業(yè)眼前山地下礦創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益3.65億元，提升礦石產(chǎn)量96萬噸;深孔爆破炸藥單耗降低13.6%;爆破設計作業(yè)效率提升15%;優(yōu)化炮孔間距，單排炮孔總鉆進長度降低22%;破碎生產(chǎn)效率提升6.46%，應用效果及經(jīng)濟效益顯著。
本項目主要論著70篇，共被引用近500次，研究成果極大地豐富和發(fā)展了我國露天礦智能開采基礎關鍵技術(shù)，為類似露天礦山的工程應用提供了參考和借鑒價值。研究成果不僅可以直接應用于金屬露天礦的智慧化建設，相關的理論、方法等還可以推廣到其它非金屬礦山、水利水電、煤礦、以及其它領域的智慧化建設中，且具有極強的推廣應用價值。
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