數(shù)字技術(shù)是露天煤礦智能(néng)化建設的基礎，安全、高效生産是主要(yào)推動力。但(dàn)露天煤礦在智能(néng)化建設過程中出現了(le)“為(wèi)什麽要(yào)建設”“建設什麽”“怎樣建設”等疑問(wèn)，根本原因是無法清晰描述數(shù)字技術(shù)與露天煤礦建設、生産、管理等實際活動的關系，主要(yào)表現為(wèi)數(shù)字技術(shù)應用場景單一(yī)，尚未形成場景生态，從(cóng)而導緻智能(néng)化建設工(gōng)作(zuò)的系統性不足、效果不好。

場景是露天煤礦智能(néng)化實施過程中的最小單元。一(yī)個智能(néng)化場景可(kě)以依托若幹種技術(shù)實現，但(dàn)如(rú)果技術(shù)脫離了(le)場景就隻是技術(shù)，不再具有實際意義。場景可(kě)以是基于信息物(wù)理系統的挖掘機遠程操控，也可(kě)以是基于人(rén)工(gōng)智能(néng)的輸送帶探傷，但(dàn)不會是信息物(wù)理系統與人(rén)工(gōng)智能(néng)。換言之，智能(néng)化場景産生于需求，具象化于技術(shù)。

從(cóng)單一(yī)需求的尺度看(kàn)，露天煤礦各個場景相對獨立，從(cóng)綜合需求的尺度看(kàn)，各個場景相互依賴、彼此制約。挖掘機的生産效率可(kě)以通(tōng)過合理的規劃來提升，但(dàn)同時(shí)也受制于爆破質量，爆破質量可(kě)以通(tōng)過優化孔網參數(shù)來提高，但(dàn)同時(shí)也受制于地(dì)質建模的精細程度，地(dì)質建模精細度取決于勘探的精細度。

露天煤礦智能(néng)化建設日新月異，傳統的需求導向研究範式已不再适合新形勢的需要(yào)，研究範式的轉移迫在眉睫。露天煤礦智能(néng)化建設必須以系統科學為(wèi)基礎理論，構建“場景生态”是關鍵。

第一(yī)作(zuò)者：王忠鑫，教授級高級工(gōng)程師(shī)，現任中煤科工(gōng)集團沈陽設計研究院有限公司副總經理、數(shù)字與産業中心經理、礦山(shān)設備制造中心經理

引用格式：王忠鑫，田鳳亮，辛鳳陽，等. 露天煤礦智能(néng)化建設 構建場景生态是關鍵[J].智能(néng)礦山(shān)，2022，3（6）：93-100.

圖1 輪鬥挖掘機全連續自(zì)動采煤系統智能(néng)管控平台

（2）安全生産場景

國(guó)內(nèi)多數(shù)露天煤礦配備了(le)智能(néng)化門禁系統、變電站智能(néng)巡檢機器人(rén)系統、邊坡監測系統、輸送帶探傷系統、電子栅欄系統，危險區(qū)域實現了(le)無人(rén)機巡檢等內(nèi)容的建設。上(shàng)述工(gōng)作(zuò)着眼于露天煤礦的少(shǎo)人(rén)、無人(rén)化作(zuò)業，以實現安全生産的目标。上(shàng)述系統和(hé)設備需要(yào)物(wù)聯網、人(rén)工(gōng)智能(néng)等數(shù)字技術(shù)的支持。

國(guó)內(nèi)多數(shù)露天煤礦在信息基礎設施方面，搭建了(le)露天煤礦一(yī)體化智能(néng)綜合管控平台；在礦山(shān)工(gōng)程方面，建設了(le)作(zuò)業調度系統、生産工(gōng)業控制系統；在智能(néng)輔助方面，建設了(le)疏幹排水遠程控制系統、變電站遠程控制系統、設備故障診斷系統等內(nèi)容，實現了(le)露天煤礦生産作(zuò)業過程智能(néng)管控的目标。建設智能(néng)管控場景的目的在于利用物(wù)聯網、人(rén)工(gōng)智能(néng)、大數(shù)據等數(shù)字技術(shù)提高設備作(zuò)業效率，進一(yī)步提高生産環節效率，從(cóng)而減少(shǎo)現場作(zuò)業人(rén)員(yuán)的工(gōng)作(zuò)量。由中煤科工(gōng)集團沈陽設計研究院有限公司開(kāi)發的露天煤礦人(rén)員(yuán)-設備車輛生産指揮監管平台如(rú)圖2所示。

圖2 露天煤礦人(rén)員(yuán)-設備車輛生産指揮監管平台

（4）智能(néng)設計場景

礦山(shān)設計是露天煤礦智能(néng)化建設的先行(xíng)者，礦山(shān)生産計劃編制、采區(qū)轉向都(dōu)離不開(kāi)礦山(shān)設計。目前，礦山(shān)設計軟件如(rú)Minex、Surpac、Vulcan、3Dmine等已基本普及，但(dàn)其作(zuò)用仍局限于基于礦床模型的土(tǔ)石方算量等，而對于生産計劃的優化、智能(néng)設計決策、設備實際作(zuò)業特性模拟、生産中存在的随機事件等考慮相對較少(shǎo)。中煤科工(gōng)集團沈陽設計研究院有限公司研發了(le)露天煤礦工(gōng)程BIM協同設計及三維數(shù)字化交付平台（圖3），利用物(wù)聯網等數(shù)字技術(shù)，融合開(kāi)采現狀三維模型，實現了(le)露天煤礦三維模型的輕量化浏覽，關聯工(gōng)程采購及施工(gōng)相關數(shù)據與文檔信息，接入視(shì)頻(pín)及狀态檢測等系統，實現了(le)工(gōng)程信息模型的一(yī)體化動态實時(shí)展示。

圖3 露天煤礦BIM協同設計及三維數(shù)字化交付平台

（5）智能(néng)決策場景

國(guó)內(nèi)多數(shù)露天煤礦在礦山(shān)工(gōng)程方面，以無人(rén)駕駛系統、作(zuò)業調度系統、破碎站智能(néng)調速系統、連續工(gōng)藝智能(néng)控制系統等為(wèi)主體；在管理與決策方面，建設了(le)生産指揮輔助平台。上(shàng)述內(nèi)容主要(yào)利用物(wù)聯網、大數(shù)據等數(shù)字技術(shù)實現了(le)礦山(shān)生産運營監控，輔助決策等目标。中煤科工(gōng)集團沈陽設計研究院有限公司開(kāi)發的露天礦無人(rén)駕駛智能(néng)調度系統基于圖像語義分割的露天煤礦道(dào)路區(qū)域識别技術(shù)成果如(rú)圖4所示。

圖4 基于圖像語義分割的露天煤礦道(dào)路區(qū)域識别

露天煤礦智能(néng)化場景生态存在的問(wèn)題與分析

目前，國(guó)內(nèi)露天煤礦實際投入運行(xíng)的智能(néng)化場景主要(yào)存在以下(xià)3點問(wèn)題：①智能(néng)化場景挖掘數(shù)量少(shǎo)，在礦山(shān)生産和(hé)管理的環節數(shù)量占比較低(dī)。②智能(néng)化場景與數(shù)字技術(shù)的融合程度低(dī)，智能(néng)化水平較低(dī)。③智能(néng)化場景之間(jiān)未形成生态化，場景之間(jiān)的關聯程度低(dī)，系統性不足，暫時(shí)無法滿足礦山(shān)的生産需求。

筆(bǐ)者歸納了(le)産生上(shàng)述問(wèn)題的原因：①當場景的但(dàn)與其他(tā)場景應用難以充分協同，無法獨存，具體表現為(wèi)上(shàng)述問(wèn)題1和(hé)3；②當綜合考慮各類需求，以更大的粒度劃分場景時(shí)，就面臨需求不明(míng)确與多學科融合的困難，具體表現為(wèi)問(wèn)題2。

4G/5G無線通(tōng)信、無人(rén)駕駛、挖機遠程操控、輸送帶無人(rén)值守、輸送帶巡檢機器人(rén)、智能(néng)門禁和(hé)智能(néng)車輛管理等內(nèi)容。

核心網絡、工(gōng)業環網、電子栅欄、邊坡監測、危險區(qū)域無人(rén)機巡檢和(hé)變電站巡檢機器人(rén)等內(nèi)容。

礦山(shān)建設的獨立系統間(jiān)數(shù)據采集、一(yī)體化智能(néng)綜合管控平台和(hé)疏幹排水遠程操控等內(nèi)容。

礦山(shān)建設的獨立系統間(jiān)數(shù)據采集、礦山(shān)設計參數(shù)、無人(rén)機三維掃描、生産數(shù)據虛實映射和(hé)生産區(qū)域數(shù)字孿生技術(shù)等內(nèi)容。

礦山(shān)建設的獨立系統間(jiān)數(shù)據通(tōng)信、作(zuò)業調度系統、破碎站智能(néng)調速、輸送帶5項保護和(hé)工(gōng)藝多機聯動等內(nèi)容。

圖5 露天煤礦智能(néng)化場景生态示意

露天煤礦智能(néng)化場景生态的構建是一(yī)項系統工(gōng)程，既要(yào)遵循客觀的技術(shù)與經濟條件，也要(yào)充分調各方面資源。

2020年(nián)2月國(guó)家八部委發布的《關于加快(kuài)煤礦智能(néng)化發展的指導意見(jiàn)》中指出要(yào)制定場景生态發展規劃，以此來引起全行(xíng)業對這(zhè)項工(gōng)作(zuò)的重視(shì)。各大中小型露天煤礦是場景的主要(yào)制造者和(hé)消費(fèi)者，也是問(wèn)題的發現者和(hé)驗證者，應該基于礦山(shān)實際需求、困點、難點，結合國(guó)家政策指導，提出具有針對性的露天煤礦智能(néng)化場景構想，為(wèi)場景生态的建設提供空間(jiān)和(hé)結果驗證。

各類科研院所和(hé)高等院校作(zuò)為(wèi)場景的建設者，是規劃的實施主體，要(yào)積極主動推動場景生态的形成，有計劃、有步驟地(dì)構建智能(néng)化場景，基于成熟的數(shù)字技術(shù)和(hé)露天煤礦業務應用在智能(néng)化場景間(jiān)構建場景生态，實現可(kě)靠的場景生态循環機制。

從(cóng)目前國(guó)內(nèi)露天煤礦智能(néng)化場景生态建設現狀來看(kàn)，建設信息基礎設施是構建場景的先行(xíng)者和(hé)運行(xíng)保障。5G網絡全覆蓋、機房建設、網絡安全等內(nèi)容至關重要(yào)，此外(wài)，由于礦山(shān)生産工(gōng)藝的不同，無人(rén)化、安全生産、智能(néng)管控、智能(néng)設計和(hé)智能(néng)決策五大場景的建設內(nèi)容，應根據礦山(shān)需求區(qū)分主次，制定“一(yī)礦一(yī)策”的策略，形成智能(néng)化場景生态，以确保智能(néng)應用之間(jiān)的融合及聯動得以實現。

依據國(guó)家能(néng)源局發布的《智能(néng)化示範煤礦驗收管理辦法（試行(xíng)）》，智能(néng)化露天煤礦場景生态圈分為(wèi)信息基礎設施、礦山(shān)設計、智能(néng)穿爆、礦山(shān)工(gōng)程、智能(néng)輔助、管理與決策和(hé)智能(néng)化園區(qū)七大模塊（圖6），每個模塊關聯其餘模塊，依托數(shù)字技術(shù)形成五大智能(néng)場景生态圈。

圖6 智能(néng)化露天煤礦邏輯關系示意

“綜合工(gōng)藝 + 大型裝備”大型露天煤礦

對于大型露天煤礦設備規格大、類型多、工(gōng)藝綜合的特點，需對場景生态做(zuò)總體規劃。以華能(néng)伊敏煤電有限責任公司伊敏露天礦為(wèi)例，生産工(gōng)藝包括間(jiān)斷工(gōng)藝、半連續工(gōng)藝和(hé)全連續工(gōng)藝，如(rú)圖7所示。基于數(shù)字技術(shù)建立的場景生态圈包括以下(xià)5種：

包括4G/5G無線通(tōng)信、無人(rén)駕駛、挖機遠程操控、輸送帶無人(rén)值守、輸送帶巡檢機器人(rén)、智能(néng)門禁和(hé)智能(néng)車輛管理等內(nèi)容。

包括核心網絡、工(gōng)業環網、電子栅欄、邊坡監測、危險區(qū)域無人(rén)機巡檢和(hé)變電站巡檢機器人(rén)等內(nèi)容。

包括系統間(jiān)數(shù)據采集、一(yī)體化智能(néng)綜合管控平台和(hé)疏幹排水遠程操控等內(nèi)容。

包括系統間(jiān)數(shù)據采集、礦山(shān)設計參數(shù)、無人(rén)機三維掃描、生産數(shù)據虛實映射和(hé)生産區(qū)域數(shù)字孿生技術(shù)等內(nèi)容。

包括系統間(jiān)數(shù)據通(tōng)信、作(zuò)業調度系統、破碎站智能(néng)調速、輸送帶5項保護和(hé)工(gōng)藝多機聯動等內(nèi)容。

圖7 大型智能(néng)化露天煤礦場景生态示意

“間(jiān)斷工(gōng)藝 + 小型裝備”中小型露天煤礦

在鄂爾多斯、新疆等地(dì)的部分露天煤礦采用單鬥-卡車間(jiān)斷工(gōng)藝。采煤、剝離等為(wèi)全外(wài)包模式，單鬥挖掘機、卡車等設備規格小、數(shù)量多。以大唐國(guó)際寶利煤炭有限公司中小型露天煤礦為(wèi)例，生産工(gōng)藝為(wèi)單鬥-卡車間(jiān)斷工(gōng)藝，露天煤礦規劃的場景較少(shǎo)，如(rú)圖8所示。基于數(shù)字技術(shù)建立的場景生态圈包括以下(xià)5種：

包括4G無線通(tōng)信、無人(rén)駕駛、挖機遠程操控、智能(néng)門禁和(hé)智能(néng)車輛管理等內(nèi)容。

包括核心網絡、工(gōng)業環網、電子栅欄、邊坡監測等內(nèi)容。

包括一(yī)體化智能(néng)綜合管控平台和(hé)設備故障診斷等內(nèi)容。

包括系統間(jiān)數(shù)據采集、礦山(shān)設計參數(shù)、無人(rén)機三維掃描、生産數(shù)據虛實映射和(hé)生産區(qū)域數(shù)字孿生技術(shù)等內(nèi)容。

包括系統間(jiān)數(shù)據通(tōng)信、作(zuò)業調度系統和(hé)工(gōng)藝多機聯動等內(nèi)容。

圖8 中小型智能(néng)化露天煤礦場景生态示意

綜上(shàng)所述，2種類型露天煤礦的場景生态建設的區(qū)别主要(yào)源于目标不同，“綜合工(gōng)藝+大型裝備”露天煤礦智能(néng)化建設不僅體現在單台設備、單個環節上(shàng)，更主要(yào)的是體現在跨設備、跨工(gōng)藝環節、系統，甚至跨業務範疇的信息共通(tōng)共享、高效利用等目标；“間(jiān)斷工(gōng)藝+小型裝備”的中小型露天煤礦智能(néng)化建設主要(yào)體現在提高設備安全性、生産效率，以實現信息共通(tōng)共享、高效利用的目标。

露天煤礦智能(néng)化建設是一(yī)項複雜(zá)的系統工(gōng)程，整個過程投入大、周期長(cháng)、對現有業務的管理模式和(hé)系統都(dōu)有較大影響。露天煤礦智能(néng)化建設是從(cóng)底層到上(shàng)層的逐步建設過程，同一(yī)業務單元會在不同的智能(néng)化建設項目中被涉及，會以不同的智能(néng)化場景為(wèi)目标被改造；另外(wài)，也會出現不同的智能(néng)化系統或平台間(jiān)數(shù)據邊界交織、層級邏輯不清、功能(néng)各自(zì)獨立的情況。因此，露天煤礦智能(néng)化方案規劃設計的另一(yī)項重要(yào)內(nèi)容是科學确定各項規劃建設內(nèi)容的實施時(shí)序，避免出現重複建設、重複投入、超前投入、滞後産出等不合理現象。如(rú)果各項內(nèi)容的建設時(shí)序不合理，某一(yī)系統的建設可(kě)能(néng)不僅未達到智能(néng)化建設的目标，反而影響礦山(shān)的綜合效益水平，顯然是違背預期目标的。因此在開(kāi)展智能(néng)化露天礦山(shān)建設工(gōng)作(zuò)前，一(yī)方面必須依據實際應用需求在宏觀上(shàng)設定合理的階段建設目标，另一(yī)方面需要(yào)确定階段內(nèi)各項智能(néng)化建設內(nèi)容的先後次序，有序推進智能(néng)化露天煤礦建設規劃的各項工(gōng)作(zuò)。

露天煤礦智能(néng)化發展順利推進的前提是大數(shù)據、人(rén)工(gōng)智能(néng)、物(wù)聯網等數(shù)字技術(shù)與智能(néng)化露天煤礦場景的快(kuài)速融合與相互促進，共同形成和(hé)諧、共生的智能(néng)化場景生态圈。筆(bǐ)者介紹了(le)數(shù)字技術(shù)與智能(néng)化露天煤礦場景生态建設的邏輯關系，讨論了(le)“綜合工(gōng)藝+大型裝備”的大型露天煤礦和(hé)“間(jiān)斷工(gōng)藝+小型裝備”的中小型露天煤礦2種典型的智能(néng)化露天煤礦場景生态圖景，認為(wèi)露天煤礦智能(néng)化建設的根本目标是實現安全、高效、綠(lǜ)色開(kāi)采，并非單純地(dì)追求少(shǎo)人(rén)或無人(rén)，各礦的開(kāi)采條件不同，智能(néng)化分級建設是必要(yào)的。同時(shí)，礦山(shān)開(kāi)采屬于一(yī)種經濟行(xíng)為(wèi)，礦山(shān)智能(néng)化建設投入産出的經濟性是必須要(yào)考慮的現實問(wèn)題。因此，建設之前進行(xíng)科學的規劃設計，遵循價值導向，确定合理的建設內(nèi)容、投入規模、智能(néng)化程度等是非常重要(yào)的。

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