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    我國“數字礦山”建設需急起直追

    來源:中國礦業報
    時間:2016-02-15
    摘要:隨著“中國制造2025”的提出,新一代信息技術與制造業深度融合,正在引發影響深遠的產業變革,一批新的生產方式、產業形態、商業模式和經濟增長點正在逐步形成,這也必然繞不開礦業行業。

      當下,隨著“中國制造2025”的提出,新一代信息技術與制造業深度融合,正在引發影響深遠的產業變革,一批新的生產方式、產業形態、商業模式和經濟增長點正在逐步形成。作為工業制造業的產業“龍頭”,礦業行業自然也繞不過信息化、數字化的過程。

      工業現代化的具象指標

      按照北京科技大學土木與環境工程學院副院長胡乃聯的解釋,數字礦山是基于信息數字化、生產過程虛擬化、管理控制一體化、決策處理集成化為一體,將當今的采礦科學、信息科學、人工智能、計算機技術、3S技術發展高度結合產物。它將深刻改變傳統采礦生產活動和人們的生活方式。

      去年,國務院印發的《中國制造2025》也明確提到未來十年需要逐步實現的目標——到2020年,制造業數字化、網絡化、智能化取得明顯進展。數字化研發設計工具普及率到2020年要達到72%,2025年達到84%;關鍵工序數控化率到2020年達到50%,2025年達到64%。

      實現“中國制造2025”的目標,必然繞不開礦業行業。礦業行業必定要先行實現自主創新能力,解決資源利用效率、產業結構水平、信息化程度、質量效益等方面面臨的問題。然而,目前,礦業行業生產信息化、智能化僅覆蓋極小部分,主體的發展方式依然嚴重落后。

      在日前由北京科技大學和北京三地曼礦業軟件科技有限公司聯合主辦的一次專門針對礦山數字化建設這一主題舉行的座談會上,胡乃聯表示,工業化是國家生產力發展水平的標志,工業經濟是國民經濟的重要組成部分。但目前,我國的工業化進程尚未完成,總的來說,我國處于工業化中期發展階段;具體到我國礦山的工業化水平,發展則非常不平衡,時間跨度在50年以上:一些礦山的裝備水平、自動化水平已經接近或達到礦業發達國家的水平,有些礦山則還處在上世紀中期水平;與之相適應的管理模式、管理流程差異也非常大。而世界的發達國家和地區基本上是在完成工業化以后才開始進入信息化快速發展階段。

      因此,根據我國礦山的技術條件、裝備水平和管理模式,采用總體規劃、分步驟實施的方式建設數字礦山,提高裝備水平和管理現代化水平,是礦山企業的最佳選擇。

      礦山數字化的現實意義

      在礦產資源的勘查和開發利用過程中,勘查技術和手段,礦山開采機械化程度以及采選技術等硬性指標,直接影響著開發效率和利用程度。同時,技術人員的工作方式和信息綜合利用、信息處理手段等“軟條件”對礦產資源勘查開發工作的引導性也越來越明顯。尤其是在當下礦業正處“嚴冬季”,其生產過程中采用何種手段收集、處理和利用生產過程中產生的各類數據、圖表和信息,將決定其工作效果和生產效率,甚至決定了其在當下的嚴酷環境里的生死存亡。

      北京三地曼礦業軟件科技有限公司總經理胡建明認為,從國際范圍來看,三維礦業軟件的應用是從上世紀80年代開始的。如今,應用三維礦業軟件已經成為國際通用的行業標準、主流產品、必備工具,并且圍繞三維礦業軟件的應用,已經形成了完善的應用機制、進行深度延伸應用-進度計劃、境界優化、虛擬現實等。他也曾在文章中系統梳理了我國礦業領域信息化、數字化的過程與現狀:從過去幾十年發展來看,礦業行業主要是通過手工處理,包括原始記錄、繪圖、儲量計算、編制計劃、采礦設計和測量驗收等工作,繪制一張綜合剖面圖需要十多天的時間。近十多年來,二維軟件的發展極大地改善了制圖方式,也讓礦業探采環節的技術人員擺脫了爬圖紙的辛苦工作。但這還遠遠不夠,因為從當今國際礦業領域來看,三維礦業軟件的應用和礦山信息化的發展決定了礦業技術的水平和工作效率,也印證了信息產業是當今世界經濟和社會發展的重要驅動力這一論點。

      胡建明說,目前,在實際工作中,無論是地質勘查、礦山開發還是地質研究,加快礦業信息化和三維可視化軟件應用是國際礦業界已經達成的普遍共識。再回望國內,應用礦業軟件仍然以AutoCAD,Mapgis等二維軟件為主的情況也正在逐漸變化,國內對三維軟件的認知正在逐步提升,并已經開始在許多單位普及應用。未來,三維軟件的普及與應用將會提速。

      三維礦業軟件貢獻巨大

      胡乃聯表示,數字礦山在我國從概念的提出,到研究、開發、建設、應用已經經過了十幾個年頭。伴隨著礦業市場的起伏變化,數字礦山的建設與應用取得了長足的發展。信息技術的不斷進步,大數據、云計算技術的發展,“互聯網+”概念的提出,也為數字礦山的建設注入了新的活力,一些新的概念、提法也在不斷出現。自動化、信息化、數字化技術在礦山的深層次應用。然而,在這一問題上,由于國內外礦山存在著工業化水平的不同,也就是裝備水平、管理模式等方面的差異,其側重點有所不同。目前,礦業發達國家側重于智能礦山、自動化采礦技術的研究與應用,并已取得了豐碩成果。而國內礦山則通過建設“數字礦山”來實現礦山的信息化、數字化,以此為基礎開展研究與開發建設工作。

      胡建明表示,礦床的勘查需要經歷“預查——普查——詳查——勘探”的漫長過程,時間跨度可從幾年到幾十年。在過去傳統的工作方法中,因很多紙質資料在漫長的勘查過程中丟失或破損而無法利用。而三維軟件利用數據庫的方式,將這些資料完整記錄下來并可重復利用,這是手工記錄和二維軟件所不能做到的。

      在二維剖面或平面上,只能采用投影或對應點的方式處理平面的情況,而不能像三維軟件那樣是按照空間的真實坐標進行疊加和分布,三維軟件無疑可以對礦體的空間關系有更加全面的認識。傳統的幾何圖形法對于形態簡單、礦化均一的礦體是很有效的,但對于礦帶復雜、礦化不均勻的礦床來講,這種方法既費工費力,也不適合于計算機的處理,同時,更不能滿足礦山生產過程的品位控制和資源利用。在國際礦業界應用了30多年的地質統計學方法已經證明三維礦業軟件的的實用性和合理性,同時這也是其核心功能。三維軟件平臺上可以清楚地顯示礦山實際面貌、礦區地形地貌、探礦工程、礦體形態、構造布局、采礦工程設計等。同時,將礦山開采環境可視化評價與礦山開采方案優化選擇設計、開采計劃編制、礦山井上、井下通訊系統、生產調度與過程控制、開采環境監測、災害緊急撤退系統、礦山生產過程模擬、礦山ERP管理等系統相結合也需要以三維可視化軟件平臺為前提。

      胡乃聯表示,隨著信息技術不斷進步,數字礦山內涵還是在不斷發展,并且取得了一定成就,其中最重要的表現即在采礦業的整個過程中,數字化已經有著更完整的呈現。如采礦準備期的地質資源的數字化、可視化,用以描述礦山活動范圍內礦巖地質構造、應力應變分布規律;礦巖人工開挖后應力應變的變化,而這過程中,最難的應該是尋找矢量。采礦中期的開采設計的數字化、最優化,用以優化露天礦山的開采境界以及地下礦開拓系統設計、采準設計、回采設計。在生產過程中,生產計劃的數字化、最優化,以露天礦山應用相對成熟,地下礦山應用還相對很少。

      此外,礦山生產自動化技術也有諸多進展,比如,利用GPS衛星導航系統,指揮調度穿孔爆破、裝載、運輸、排土設備的運轉,露天礦山的應用已經非常成功,主要應用有:鉆機精確定位與作業控制;電鏟作業優化控制;卡車跟蹤與優化調度;推土機作業優化控制;露天礦邊坡位移檢測。但是,基于地下礦作業地點分散、作業過程不連續、作業條件惡劣的特點,當前礦山生產過程自動化、數字化仍有較大難度。這其中包括:生產信息的自動化采集、處理,地下礦智能調度,用以減少井下人員工作量確保安全生產的礦山固定設備如提升、運輸、通風、排水、充填、供電、供風等的自動化,用以實現自動化采礦的礦山移動設備如鑿巖臺車、鏟運機、井下運輸車輛的自動化。

      “數字礦山的建設使礦山在財務、銷售、人力資源、設備資產、成本核算等方面的管理模式和水平得到轉變提高,同時培養了一定的礦山復合型人才,這也有助于企業整體效益的提升?!焙寺撝赋?,尤為不能忽略的是,礦山信息化、數字化技術使安全管理取得較大進展,礦山安全狀況得以改善。如尾礦庫在線監測系統建設,礦山安全狀況有了明顯改善。但在地下金屬礦山方面,由于生產覆蓋面廣、作業中段多,現場工作條件復雜,安全問題還很多。

      礦山數字化的待解難題

      胡建明表示,三維礦業軟件的應用,對于礦業領域是一項重要的變革,不僅改變了傳統的工作模式,更重要的是改變了不同階段的數據信息孤立、不同專業之間的數據共享、礦山開發階段的數據更新等一系列問題。然而,目前,國內三維礦業軟件的應用也面臨諸多困惑。

      我國礦業工程信息化的總體水平不高,與國外礦業發達國家相比有較大差距。在我國礦業信息化建設過程中,企業對數字化采礦專業軟件的需求急為迫切。然而,由于我國礦業信息化和數字化建設起步較晚,到目前為止尚未形成規范性的執行標準,沒有專業的人才隊伍,關鍵技術對外的依存度高,應用經驗不足。同時,國內企業的體制機制制約了三維礦業軟件工具的推廣和功效的發揮。

      三維礦業軟件本質上是服務于礦業技術人員日常工作的工具,雖然國內的技術人員數量比較多,但軟件的普及程度卻并不高。在我國當前的企業體制機制內,企業的側重點在于產量和直接效益而不是資源利用率。穿越決策層的認可投注資金建設推廣,并安排基層技術人員必要的時間和精力來學習和應用,無疑是對企業效益的延期和削減,在短期內并不能給企業帶來直觀效益。使三維礦業軟件迅速得到認可和推廣面臨重重障礙。而國外的礦業企業,三維礦業軟件已經成為基層技術人員工作的必備工具。只要技術人員提出申請,在預算范圍內即可得到相應的軟件平臺,這并不取決于決策層的意志,而是根據實際的工作需要決定。

      胡乃聯也表示,就目前的礦山數字化建設而言,還存在諸多問題。數字化建設投入與直接經濟效益體現之間的矛盾;礦山企業決策層隨對數字礦山的片面認識,礦山企業數字化建設過程中重硬件購置、輕軟件開發;與數字礦山相適應的企業管理模式、管理水平;數字礦山的系統運維問題;數字礦山所需的專門人才問題等等,均亟待解決。

      礦山數字化不可能一蹴而就

      胡乃聯認為,工業化和信息化的深度融合,“互聯網+礦業”行動計劃的開展,移動互聯網、云計算、大數據技術在礦業中的應用,必然驅使礦業走向自動化采礦、智能采礦,這將引發礦業領域的一場革命。在這場科技變革的大趨勢下,我國礦山應根據自身的技術條件,確定相應的建設項目,提高裝備水平、自動化水平和管理水平。

      胡建明指出,我國的礦業行業幾十年的發展中,逐步形成了固有的、傳統的甚至有些隨意的工作方式。對于地勘單位來講,資料的收集整理多數是以圖紙、報表和報告的方式進行處理和保管。在礦山可行性研究和設計階段,設計院一般是基于地勘報告、地質條件和采礦方法的選擇,最終形成以二維圖紙和文字報告為主的資料。一般來說,不會對勘查的數據或者礦體做任何修改。進入生產階段,由于生產任務比較重,技術人員也比較少,延續了基礎數據的圖紙化或者記錄紙等類型,自成一套獨立的數據收集和整理方式基本上與地勘工作是脫節的,與生產設計差距更大。這樣積累下來的數據格式,基本上就是“信息孤島”。如此循環往復,大量的礦山生產信息不能利用,數字化儲量成為一項巨大的工程。而對于每個具體的企業來講,既要收集不同類型的數據,又要進行數字化,同時還要在新的三維環境下應用,這無疑給現在的工程師們帶來巨大的壓力,使得礦山信息化的計劃難以實現。

      胡建明認為,當前的地勘和礦山技術工作模式千差萬別,三維礦業軟件的應用也與工作機制有關。而機制包括兩個層面:一是工作流程,也就是我們常說的標準化和規范化,建立常規的技術流程是實現普及應用軟件的前提;二是不同階段的工作結合,也就是地質勘查、采礦設計、礦山勘探和生產管理以及閉坑的整個過程都建立在統一的數據信息體制下,才可能實現軟件的應用價值和效果。因此,真正要實現礦業數字化、信息化,就需要落實做好三件事:完成好歷史資料的數字化;轉變當前的工作模式,與軟件應用相結合;從地勘工作開始就建立好信息化的基本架構。但也必須清醒的認識到,礦山企業信息化建設是一項復雜、系統而艱巨的工作,要確保兼顧資金和人才,有計劃、有步驟地穩步推進,不可盲目建設。

      實現礦山數字化關鍵在教育

      昆明理工大學教授戴小江表示,數字礦山的基礎是礦山三維模型在教育中的應用,實現礦山數字化要從教育環節抓起。礦山三維模型等夠對教育教學提供更具象的表達。比如,工程對象三維化能使學生對地質有更生動的認識,工程設計三維化能讓學生對采礦有更直觀的認識,礦床價值三維化能使學生對礦物加工有更完整的認識。同時,三維礦業軟件提供了數據的模型化管理方式,具體即以空基、天基、地基、巷基、巖基,為GPS定位、地質地形、開拓系統、采礦方法提供模型化數據。

      2005年,北京科技大學土木與環境工程學院成立了數字礦山實驗室,專門從事相關的教學與科研工作,經過多年的積累,本實驗室已經擁有國內一流的教學、科研軟硬件條件??蒲蟹矫?,本實驗室在國內多家礦業企業實施數字化建設,推動了我國數字礦山進程。其中,最受歡迎的是與礦業軟件相關的實踐型課程。

      該校數字礦山教育部重點實驗室研究員張延凱表示,數字礦山技術課堂教學內容能使學生了解現代信息技術及手段在礦業工程及管理中的應用,熟悉數字礦山的概念、內涵、體系框架、關鍵技術和工程方法,掌握1種礦業工程軟件的基本功能與使用方法,激發應用信息技術開展礦業工程及管理創新的積極性與主動性。而目前高校礦業軟件教學的普遍現狀是:學時短,要求學習內容多;教學環節多、學習精力分散;理論基礎好,專業認知差;實踐環節缺乏,遺忘快。

      目前,北京科技大學已經在課堂教學、實踐教學和畢業設計中,全面應用境界優化、露天(地下)采礦設計等三維礦業工程軟件。張延凱認為,目前礦業軟件深入教學的狀況總體處于低谷狀態,為扭轉這種局面,應進一步明確礦業軟件教學的目標,合理分配教學學時,探討單獨設置課程的可能性。組織有教學經驗的老師,編寫實驗教材和實驗指導書,總結教學經驗,提高教學效果。逐步建立和完善礦業軟件教學模型庫,使學生可以隨時獲得學習資料。更加廣泛的和礦山、企業合作,應用礦業軟件解決更多實際問題,并將科研成果體現在教學環節之中,使學生具備解決實際問題的能力。

    編輯:金哲

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