中国煤科王忠鑫教授级高工：露天煤矿智能化建设 构建场景生态是关键
时间：2022-08-08 来源：科大科技数字技术是露天煤矿智能化建设的基础，安全、高效生产是主要推动力。但露天煤矿在智能化建设过程中出现了“为什么要建设”“建设什么”“怎样建设”等疑问，根本原因是无法清晰描述数字技术与露天煤矿建设、生产、管理等实际活动的关系，主要表现为数字技术应用场景单一，尚未形成场景生态，从而导致智能化建设工作的系统性不足、效果不好。
场景是露天煤矿智能化实施过程中的最小单元。一个智能化场景可以依托若干种技术实现，但如果技术脱离了场景就只是技术，不再具有实际意义。场景可以是基于信息物理系统的挖掘机远程操控，也可以是基于人工智能的输送带探伤，但不会是信息物理系统与人工智能。换言之，智能化场景产生于需求，具象化于技术。
从单一需求的尺度看，露天煤矿各个场景相对独立，从综合需求的尺度看，各个场景相互依赖、彼此制约。挖掘机的生产效率可以通过合理的规划来提升，但同时也受制于爆破质量，爆破质量可以通过优化孔网参数来提高，但同时也受制于地质建模的精细程度，地质建模精细度取决于勘探的精细度。
露天煤矿智能化建设日新月异，传统的需求导向研究范式已不再适合新形势的需要，研究范式的转移迫在眉睫。露天煤矿智能化建设必须以系统科学为基础理论，构建“场景生态”是关键。
第一作者：王忠鑫，教授级高级工程师，现任中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司副总经理、数字与产业中心经理、矿山设备制造中心经理
引用格式：王忠鑫，田凤亮，辛凤阳，等. 露天煤矿智能化建设 构建场景生态是关键[J].智能矿山，2022，3（6）：93-100.
数字技术是数字经济最主要的驱动工具，是数字经济的核心，数字技术有利于场景生态圈的建设。随着数字技术和场景生态圈融合度的加深，对两者发展均有重要意义，一方面数字技术让场景生态圈更现代化、立体化、专业化，进一步提升场景中的市场吸引力、凝聚力；另一方面优质的场景生态圈又使数字技术的价值进一步体现，推动数字技术创新能力进一步增强，数字技术和场景生态两者相辅相成、相互促进的关系得以构建。
随着煤炭行业的发展，数字技术赋能行业经济的作用逐步增强，对于行业场景生态的建设，大数据、人工智能、物联网等技术更是不可或缺的。
随着露天煤矿智能化场景的不断丰富，大数据技术的应用也越发重要。大数据技术在露天煤矿智能化场景生态建设的重要意义体现在露天煤矿一体化智能综合管控平台、带式输送机无人值守、无人车-铲协同配合等相关的数据融合，使智能化场景之间互通变得精准且简单。
对场景生态制造者和建设者而言，利用大数据技术不仅可以及时了解露天煤矿现有的智能化需求与动向，并做出应对方案，精准提供智能化场景，而且可以利用大数据技术进行矿山风险管控，及时了解风险信息，掌握行业动态变化及趋势。
对于场景生态消费者（国内各露天煤矿）而言，基于矿山安全、高效、绿色的发展目标，结合矿山发展的实际需求，利用大数据技术可以提供最精准的智能化场景解决方案，以解决矿山现有痛点。这样便可有效增加供需双方的交互，场景消费者的消费结果就是对智能化场景优化最直接的反馈。
人工智能在一定程度上改变了“场”的维度，深度影响“景”的情景与交互方式。露天煤矿面临的痛点、难点问题多与人工智能技术息息相关，带式输送机巡检机器人、智能门禁人脸识别、物料块度识别、图像识别和专家系统等方面均应用了AI人工智能。
对场景生态制造者而言，露天煤矿智能化场景不仅是新的场景涉猎，更多的是利用人工智能技术，将原场景向智能化场景转变，以节约劳动力投入，运用数字机器人替代传统的劳动力，不仅可以提高工作效率，还可以降低人员作业的风险和成本。对场景生态建设者而言，人工智能技术的应用一方面提升了工作专业度，另一方面加强了智能化场景之间的关联，有利于提升智能化场景经营决策管理水平。此外，场景生态消费者可以用同等或最低的成本获得安全系数高且全面的场景应用。
物联网技术是指将所有物理对象通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化的识别与管理。物联网技术主要影响“场”中的空间及“景”中的情景与交互方式，使矿山生产更加可视化、物理化和实时化等。露天煤矿生产工艺复杂，涉猎的设备繁多，物联网技术在矿山5G通信技术建设完备的环境下，通过构建严格的信息安全保障体系和机制，提供数据传输的安全可控机制，满足矿山生产作业的实际需求，主要包括设备状态实时监测、矿用卡车无人驾驶、挖掘机远程操控、带式输送机远程控制等数据通信功能，实现矿山安全、高效、绿色的目标。
元宇宙不是一个新的概念，更像是一个经典概念的重生，是在扩展现实（XR）、区块链、云计算、数字孪生等新技术下的概念具化。元宇宙影响了“场”中的时间与空间的维度，同时也改变了“景”中的情景及交互方式。
对场景生态制造者而言，基于BIM+GIS技术构建露天煤矿三维实景模型，关联矿山生产实时运行数据，在时间维度上，实现了全天候的生产运行数据监测；在空间维度上，实现了现实与虚拟的无缝对接，可以很直观地观察矿山的现场生产状况。
对场景生态建设者而言，采用现实与虚拟、多种业务相结合的方式，可以在很大程度上增加场景对矿山生产各方面的黏性与吸引力，有利于场景的扩充，提高可利用度。
目前，国内露天煤矿智能化建设以实现安全、高效、智能、无人、绿色生产及低碳环保等为目标，由此衍生出的智能化场景包括无人化场景、安全生产场景、智能管控场景、智能设计场景、智能决策场景五大场景。场景分布在露天煤矿信息基础设施、矿山设计、智能穿爆、矿山工程、智能辅助、管理与决策和智能化园区等方面。通过对2021年开展的智能化露天煤矿验收工作进行梳理，总结出五大场景的建设现状。
国家电投集团白音华煤电有限公司露天煤矿在智能穿爆方面，建设了钻机、装药车远程操控平台；在矿山工程方面，建设了矿用卡车无人驾驶、挖掘机远程操控、带式输送机无人值守等智能化系统；在智能辅助方面，建设了移动设备智能安全监管平台、变电站巡检机器人、疏干排水远程操控平台；在智能化园区方面，建设了智能门禁、智能车辆管理等内容。
新疆疆纳矿业有限公司兴盛露天煤矿建成了轮斗挖掘机全连续自动采煤系统（图1），替代了部分单斗-卡车间断工艺，实现了减人提效的目标。上述系统需要以5G网络全覆盖的物联网、人工智能、大数据等数字技术为依托，实现露天煤矿少人、无人生产作业，有效回避了传统露天煤矿生产作业人员的工作环境恶劣等问题，提高了矿山生产的作业效率和生产安全性。
图1 轮斗挖掘机全连续自动采煤系统智能管控平台
（2）安全生产场景
国内多数露天煤矿配备了智能化门禁系统、变电站智能巡检机器人系统、边坡监测系统、输送带探伤系统、电子栅栏系统，危险区域实现了无人机巡检等内容的建设。上述工作着眼于露天煤矿的少人、无人化作业，以实现安全生产的目标。上述系统和设备需要物联网、人工智能等数字技术的支持。
国内多数露天煤矿在信息基础设施方面，搭建了露天煤矿一体化智能综合管控平台；在矿山工程方面，建设了作业调度系统、生产工业控制系统；在智能辅助方面，建设了疏干排水远程控制系统、变电站远程控制系统、设备故障诊断系统等内容，实现了露天煤矿生产作业过程智能管控的目标。建设智能管控场景的目的在于利用物联网、人工智能、大数据等数字技术提高设备作业效率，进一步提高生产环节效率，从而减少现场作业人员的工作量。由中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司开发的露天煤矿人员-设备车辆生产指挥监管平台如图2所示。
图2 露天煤矿人员-设备车辆生产指挥监管平台
（4）智能设计场景
矿山设计是露天煤矿智能化建设的先行者，矿山生产计划编制、采区转向都离不开矿山设计。目前，矿山设计软件如Minex、Surpac、Vulcan、3Dmine等已基本普及，但其作用仍局限于基于矿床模型的土石方算量等，而对于生产计划的优化、智能设计决策、设备实际作业特性模拟、生产中存在的随机事件等考虑相对较少。中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司研发了露天煤矿工程BIM协同设计及三维数字化交付平台（图3），利用物联网等数字技术，融合开采现状三维模型，实现了露天煤矿三维模型的轻量化浏览，关联工程采购及施工相关数据与文档信息，接入视频及状态检测等系统，实现了工程信息模型的一体化动态实时展示。
图3 露天煤矿BIM协同设计及三维数字化交付平台
（5）智能决策场景
国内多数露天煤矿在矿山工程方面，以无人驾驶系统、作业调度系统、破碎站智能调速系统、连续工艺智能控制系统等为主体；在管理与决策方面，建设了生产指挥辅助平台。上述内容主要利用物联网、大数据等数字技术实现了矿山生产运营监控，辅助决策等目标。中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司开发的露天矿无人驾驶智能调度系统基于图像语义分割的露天煤矿道路区域识别技术成果如图4所示。
图4 基于图像语义分割的露天煤矿道路区域识别
露天煤矿智能化场景生态存在的问题与分析
目前，国内露天煤矿实际投入运行的智能化场景主要存在以下3点问题：①智能化场景挖掘数量少，在矿山生产和管理的环节数量占比较低。②智能化场景与数字技术的融合程度低，智能化水平较低。③智能化场景之间未形成生态化，场景之间的关联程度低，系统性不足，暂时无法满足矿山的生产需求。
笔者归纳了产生上述问题的原因：①当场景的但与其他场景应用难以充分协同，无法独存，具体表现为上述问题1和3；②当综合考虑各类需求，以更大的粒度划分场景时，就面临需求不明确与多学科融合的困难，具体表现为问题2。
露天煤矿智能化场景生态是全面实现万物互联、数据融合、全息感知、业务联动和智能决策的场景生态。以解决实际需求为动力，以数字技术为基础，各个场景共生共荣是露天煤矿智能化场景生态的主要特点。露天煤矿智能化场景生态如图5所示，露天煤矿工艺系统呈非线性、工序多，设备规格大、类型多样。对于大型露天煤矿设备规格大、类型多、工艺综合的特点，需要对场景生态做总体规划。以伊敏露天矿为例，生产工艺包括间断工艺、半连续工艺和全连续工艺，基于数字技术建立场景生态圈包括：
4G/5G无线通信、无人驾驶、挖机远程操控、输送带无人值守、输送带巡检机器人、智能门禁和智能车辆管理等内容。
核心网络、工业环网、电子栅栏、边坡监测、危险区域无人机巡检和变电站巡检机器人等内容。
矿山建设的独立系统间数据采集、一体化智能综合管控平台和疏干排水远程操控等内容。
矿山建设的独立系统间数据采集、矿山设计参数、无人机三维扫描、生产数据虚实映射和生产区域数字孪生技术等内容。
矿山建设的独立系统间数据通信、作业调度系统、破碎站智能调速、输送带5项保护和工艺多机联动等内容。
图5 露天煤矿智能化场景生态示意
露天煤矿智能化场景生态的构建是一项系统工程，既要遵循客观的技术与经济条件，也要充分调各方面资源。
2020年2月国家八部委发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中指出要制定场景生态发展规划，以此来引起全行业对这项工作的重视。各大中小型露天煤矿是场景的主要制造者和消费者，也是问题的发现者和验证者，应该基于矿山实际需求、困点、难点，结合国家政策指导，提出具有针对性的露天煤矿智能化场景构想，为场景生态的建设提供空间和结果验证。
各类科研院所和高等院校作为场景的建设者，是规划的实施主体，要积极主动推动场景生态的形成，有计划、有步骤地构建智能化场景，基于成熟的数字技术和露天煤矿业务应用在智能化场景间构建场景生态，实现可靠的场景生态循环机制。
从目前国内露天煤矿智能化场景生态建设现状来看，建设信息基础设施是构建场景的先行者和运行保障。5G网络全覆盖、机房建设、网络安全等内容至关重要，此外，由于矿山生产工艺的不同，无人化、安全生产、智能管控、智能设计和智能决策五大场景的建设内容，应根据矿山需求区分主次，制定“一矿一策”的策略，形成智能化场景生态，以确保智能应用之间的融合及联动得以实现。
按照露天煤矿生产工艺和装备类型可将露天煤矿分为“综合工艺+大型装备”的大型露天煤矿和“间断工艺+小型装备”的中小型露天煤矿2类。
依据国家能源局发布的《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》，智能化露天煤矿场景生态圈分为信息基础设施、矿山设计、智能穿爆、矿山工程、智能辅助、管理与决策和智能化园区七大模块（图6），每个模块关联其余模块，依托数字技术形成五大智能场景生态圈。
图6 智能化露天煤矿逻辑关系示意
“综合工艺 + 大型装备”大型露天煤矿
对于大型露天煤矿设备规格大、类型多、工艺综合的特点，需对场景生态做总体规划。以华能伊敏煤电有限责任公司伊敏露天矿为例，生产工艺包括间断工艺、半连续工艺和全连续工艺，如图7所示。基于数字技术建立的场景生态圈包括以下5种：
包括4G/5G无线通信、无人驾驶、挖机远程操控、输送带无人值守、输送带巡检机器人、智能门禁和智能车辆管理等内容。
包括核心网络、工业环网、电子栅栏、边坡监测、危险区域无人机巡检和变电站巡检机器人等内容。
包括系统间数据采集、一体化智能综合管控平台和疏干排水远程操控等内容。
包括系统间数据采集、矿山设计参数、无人机三维扫描、生产数据虚实映射和生产区域数字孪生技术等内容。
包括系统间数据通信、作业调度系统、破碎站智能调速、输送带5项保护和工艺多机联动等内容。
图7 大型智能化露天煤矿场景生态示意
“间断工艺 + 小型装备”中小型露天煤矿
在鄂尔多斯、新疆等地的部分露天煤矿采用单斗-卡车间断工艺。采煤、剥离等为全外包模式，单斗挖掘机、卡车等设备规格小、数量多。以大唐国际宝利煤炭有限公司中小型露天煤矿为例，生产工艺为单斗-卡车间断工艺，露天煤矿规划的场景较少，如图8所示。基于数字技术建立的场景生态圈包括以下5种：
包括4G无线通信、无人驾驶、挖机远程操控、智能门禁和智能车辆管理等内容。
包括核心网络、工业环网、电子栅栏、边坡监测等内容。
包括一体化智能综合管控平台和设备故障诊断等内容。
包括系统间数据采集、矿山设计参数、无人机三维扫描、生产数据虚实映射和生产区域数字孪生技术等内容。
包括系统间数据通信、作业调度系统和工艺多机联动等内容。
图8 中小型智能化露天煤矿场景生态示意
综上所述，2种类型露天煤矿的场景生态建设的区别主要源于目标不同，“综合工艺+大型装备”露天煤矿智能化建设不仅体现在单台设备、单个环节上，更主要的是体现在跨设备、跨工艺环节、系统，甚至跨业务范畴的信息共通共享、高效利用等目标；“间断工艺+小型装备”的中小型露天煤矿智能化建设主要体现在提高设备安全性、生产效率，以实现信息共通共享、高效利用的目标。
露天煤矿智能化建设是一项复杂的系统工程，整个过程投入大、周期长、对现有业务的管理模式和系统都有较大影响。露天煤矿智能化建设是从底层到上层的逐步建设过程，同一业务单元会在不同的智能化建设项目中被涉及，会以不同的智能化场景为目标被改造；另外，也会出现不同的智能化系统或平台间数据边界交织、层级逻辑不清、功能各自独立的情况。因此，露天煤矿智能化方案规划设计的另一项重要内容是科学确定各项规划建设内容的实施时序，避免出现重复建设、重复投入、超前投入、滞后产出等不合理现象。如果各项内容的建设时序不合理，某一系统的建设可能不仅未达到智能化建设的目标，反而影响矿山的综合效益水平，显然是违背预期目标的。因此在开展智能化露天矿山建设工作前，一方面必须依据实际应用需求在宏观上设定合理的阶段建设目标，另一方面需要确定阶段内各项智能化建设内容的先后次序，有序推进智能化露天煤矿建设规划的各项工作。
露天煤矿智能化发展顺利推进的前提是大数据、人工智能、物联网等数字技术与智能化露天煤矿场景的快速融合与相互促进，共同形成和谐、共生的智能化场景生态圈。笔者介绍了数字技术与智能化露天煤矿场景生态建设的逻辑关系，讨论了“综合工艺+大型装备”的大型露天煤矿和“间断工艺+小型装备”的中小型露天煤矿2种典型的智能化露天煤矿场景生态图景，认为露天煤矿智能化建设的根本目标是实现安全、高效、绿色开采，并非单纯地追求少人或无人，各矿的开采条件不同，智能化分级建设是必要的。同时，矿山开采属于一种经济行为，矿山智能化建设投入产出的经济性是必须要考虑的现实问题。因此，建设之前进行科学的规划设计，遵循价值导向，确定合理的建设内容、投入规模、智能化程度等是非常重要的。
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