浅谈“数字矿山”建设问题

当下，随着“中国制造2025”的提出，新一代信息技术与制造业深度融合，正在引发影响深远的产业变革，一批新的生产方式、产业形态、商业模式和经济增长点正在逐步形成。作为工业制造业的产业“龙头”，矿业行业自然也绕不过信息化、数字化的过程。
 

工业现代化的具体指标
 

按照北京科技大学土木与环境工程学院副院长胡乃联的解释，数字矿山是基于信息数字化、生产过程虚拟化、管理控制一体化、决策处理集成化为一体，将当今的采矿科学、信息科学、人工智能、计算机技术、3S技术发展高度结合产物。它将深刻改变传统采矿生产活动和人们的生活方式。
 

去年，国务院印发的《中国制造2025》也明确提到未来十年需要逐步实现的目标——到2020年，制造业数字化、网络化、智能化取得明显进展。数字化研发设计工具普及率到2020年要达到72%，2025年达到84%；关键工序数控化率到2020年达到50%，2025年达到64%。
 

实现“中国制造2025”的目标，必然绕不开矿业行业。矿业行业必定要先行实现自主创新能力，解决资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面面临的问题。然而，目前，矿业行业生产信息化、智能化仅覆盖极小部分，主体的发展方式依然严重落后。
 

在日前由北京科技大学和北京三地曼矿业软件科技有限公司联合主办的一次专门针对矿山数字化建设这一主题举行的座谈会上，胡乃联表示，工业化是国家生产力发展水平的标志，工业经济是国民经济的重要组成部分。但目前，我国的工业化进程尚未完成，总的来说，我国处于工业化中期发展阶段；具体到我国矿山的工业化水平，发展则非常不平衡，时间跨度在50年以上：一些矿山的装备水平、自动化水平已经接近或达到矿业发达国家的水平，有些矿山则还处在上世纪中期水平；与之相适应的管理模式、管理流程差异也非常大。而世界的发达国家和地区基本上是在完成工业化以后才开始进入信息化快速发展阶段。
 

因此，根据我国矿山的技术条件、装备水平和管理模式，采用总体规划、分步骤实施的方式建设数字矿山，提高装备水平和管理现代化水平，是矿山企业的最佳选择。
 

矿山数字化的现实意义
 

在矿产资源的勘查和开发利用过程中，勘查技术和手段，矿山开采机械化程度以及采选技术等硬性指标，直接影响着开发效率和利用程度。同时，技术人员的工作方式和信息综合利用、信息处理手段等“软条件”对矿产资源勘查开发工作的引导性也越来越明显。尤其是在当下矿业正处“严冬季”，其生产过程中采用何种手段收集、处理和利用生产过程中产生的各类数据、图表和信息，将决定其工作效果和生产效率，甚至决定了其在当下的严酷环境里的生死存亡。
 

北京三地曼矿业软件科技有限公司总经理胡建明认为，从国际范围来看，三维矿业软件的应用是从上世纪80年代开始的。如今，应用三维矿业软件已经成为国际通用的行业标准、主流产品、必备工具，并且围绕三维矿业软件的应用，已经形成了完善的应用机制、进行深度延伸应用-进度计划、境界优化、虚拟现实等。他也曾在文章中系统梳理了我国矿业领域信息化、数字化的过程与现状：从过去几十年发展来看，矿业行业主要是通过手工处理，包括原始记录、绘图、储量计算、编制计划、采矿设计和测量验收等工作，绘制一张综合剖面图需要十多天的时间。近十多年来，二维软件的发展极大地改善了制图方式，也让矿业探采环节的技术人员摆脱了爬图纸的辛苦工作。但这还远远不够，因为从当今国际矿业领域来看，三维矿业软件的应用和矿山信息化的发展决定了矿业技术的水平和工作效率，也印证了信息产业是当今世界经济和社会发展的重要驱动力这一论点。
 

胡建明说，目前，在实际工作中，无论是地质勘查、矿山开发还是地质研究，加快矿业信息化和三维可视化软件应用是国际矿业界已经达成的普遍共识。再回望国内，应用矿业软件仍然以AutoCAD，Mapgis等二维软件为主的情况也正在逐渐变化，国内对三维软件的认知正在逐步提升，并已经开始在许多单位普及应用。未来，三维软件的普及与应用将会提速。
 

三维矿业软件贡献巨大
 

胡乃联表示，数字矿山在我国从概念的提出，到研究、开发、建设、应用已经经过了十几个年头。伴随着矿业市场的起伏变化，数字矿山的建设与应用取得了长足的发展。信息技术的不断进步，大数据、云计算技术的发展，“互联网+”概念的提出，也为数字矿山的建设注入了新的活力，一些新的概念、提法也在不断出现。自动化、信息化、数字化技术在矿山的深层次应用。然而，在这一问题上，由于国内外矿山存在着工业化水平的不同，也就是装备水平、管理模式等方面的差异，其侧重点有所不同。目前，矿业发达国家侧重于智能矿山、自动化采矿技术的研究与应用，并已取得了丰硕成果。而国内矿山则通过建设“数字矿山”来实现矿山的信息化、数字化，以此为基础开展研究与开发建设工作。
 

胡建明表示，矿床的勘查需要经历“预查——普查——详查——勘探”的漫长过程，时间跨度可从几年到几十年。在过去传统的工作方法中，因很多纸质资料在漫长的勘查过程中丢失或破损而无法利用。而三维软件利用数据库的方式，将这些资料完整记录下来并可重复利用，这是手工记录和二维软件所不能做到的。
 

在二维剖面或平面上，只能采用投影或对应点的方式处理平面的情况，而不能像三维软件那样是按照空间的真实坐标进行叠加和分布，三维软件无疑可以对矿体的空间关系有更加全面的认识。传统的几何图形法对于形态简单、矿化均一的矿体是很有效的，但对于矿带复杂、矿化不均匀的矿床来讲，这种方法既费工费力，也不适合于计算机的处理，同时，更不能满足矿山生产过程的品位控制和资源利用。在国际矿业界应用了30多年的地质统计学方法已经证明三维矿业软件的的实用性和合理性，同时这也是其核心功能。三维软件平台上可以清楚地显示矿山实际面貌、矿区地形地貌、探矿工程、矿体形态、构造布局、采矿工程设计等。同时，将矿山开采环境可视化评价与矿山开采方案优化选择设计、开采计划编制、矿山井上、井下通讯系统、生产调度与过程控制、开采环境监测、灾害紧急撤退系统、矿山生产过程模拟、矿山ERP管理等系统相结合也需要以三维可视化软件平台为前提。
 

胡乃联表示，随着信息技术不断进步，数字矿山内涵还是在不断发展，并且取得了一定成就，其中最重要的表现即在采矿业的整个过程中，数字化已经有着更完整的呈现。如采矿准备期的地质资源的数字化、可视化，用以描述矿山活动范围内矿岩地质构造、应力应变分布规律；矿岩人工开挖后应力应变的变化，而这过程中，最难的应该是寻找矢量。采矿中期的开采设计的数字化、最优化，用以优化露天矿山的开采境界以及地下矿开拓系统设计、采准设计、回采设计。在生产过程中，生产计划的数字化、最优化，以露天矿山应用相对成熟，地下矿山应用还相对很少。
 

此外，矿山生产自动化技术也有诸多进展，比如，利用GPS卫星导航系统，指挥调度穿孔爆破、装载、运输、排土设备的运转，露天矿山的应用已经非常成功，主要应用有：钻机精确定位与作业控制；电铲作业优化控制；卡车跟踪与优化调度；推土机作业优化控制；露天矿边坡位移检测。但是，基于地下矿作业地点分散、作业过程不连续、作业条件恶劣的特点，当前矿山生产过程自动化、数字化仍有较大难度。这其中包括：生产信息的自动化采集、处理，地下矿智能调度，用以减少井下人员工作量确保安全生产的矿山固定设备如提升、运输、通风、排水、充填、供电、供风等的自动化，用以实现自动化采矿的矿山移动设备如凿岩台车、铲运机、井下运输车辆的自动化。
 

“数字矿山的建设使矿山在财务、销售、人力资源、设备资产、成本核算等方面的管理模式和水平得到转变提高，同时培养了一定的矿山复合型人才，这也有助于企业整体效益的提升。”胡乃联指出，尤为不能忽略的是，矿山信息化、数字化技术使安全管理取得较大进展，矿山安全状况得以改善。如尾矿库在线监测系统建设，矿山安全状况有了明显改善。但在地下金属矿山方面，由于生产覆盖面广、作业中段多，现场工作条件复杂，安全问题还很多。
 

矿山数字化的待解难题
 

胡建明表示，三维矿业软件的应用，对于矿业领域是一项重要的变革，不仅改变了传统的工作模式，更重要的是改变了不同阶段的数据信息孤立、不同专业之间的数据共享、矿山开发阶段的数据更新等一系列问题。然而，目前，国内三维矿业软件的应用也面临诸多困惑。
 

我国矿业工程信息化的总体水平不高，与国外矿业发达国家相比有较大差距。在我国矿业信息化建设过程中，企业对数字化采矿专业软件的需求急为迫切。然而，由于我国矿业信息化和数字化建设起步较晚，到目前为止尚未形成规范性的执行标准，没有专业的人才队伍，关键技术对外的依存度高，应用经验不足。同时，国内企业的体制机制制约了三维矿业软件工具的推广和功效的发挥。
 

三维矿业软件本质上是服务于矿业技术人员日常工作的工具，虽然国内的技术人员数量比较多，但软件的普及程度却并不高。在我国当前的企业体制机制内，企业的侧重点在于产量和直接效益而不是资源利用率。穿越决策层的认可投注资金建设推广，并安排基层技术人员必要的时间和精力来学习和应用，无疑是对企业效益的延期和削减，在短期内并不能给企业带来直观效益。使三维矿业软件迅速得到认可和推广面临重重障碍。而国外的矿业企业，三维矿业软件已经成为基层技术人员工作的必备工具。只要技术人员提出申请，在预算范围内即可得到相应的软件平台，这并不取决于决策层的意志，而是根据实际的工作需要决定。
 

胡乃联也表示，就目前的矿山数字化建设而言，还存在诸多问题。数字化建设投入与直接经济效益体现之间的矛盾；矿山企业决策层随对数字矿山的片面认识，矿山企业数字化建设过程中重硬件购置、轻软件开发；与数字矿山相适应的企业管理模式、管理水平；数字矿山的系统运维问题；数字矿山所需的专门人才问题等等，均亟待解决。
 

矿山数字化不可能一蹴而就
 

胡乃联认为，工业化和信息化的深度融合，“互联网+矿业”行动计划的开展，移动互联网、云计算、大数据技术在矿业中的应用，必然驱使矿业走向自动化采矿、智能采矿，这将引发矿业领域的一场革命。在这场科技变革的大趋势下，我国矿山应根据自身的技术条件，确定相应的建设项目，提高装备水平、自动化水平和管理水平。
 

胡建明指出，我国的矿业行业几十年的发展中，逐步形成了固有的、传统的甚至有些随意的工作方式。对于地勘单位来讲，资料的收集整理多数是以图纸、报表和报告的方式进行处理和保管。在矿山可行性研究和设计阶段，设计院一般是基于地勘报告、地质条件和采矿方法的选择，最终形成以二维图纸和文字报告为主的资料。一般来说，不会对勘查的数据或者矿体做任何修改。进入生产阶段，由于生产任务比较重，技术人员也比较少，延续了基础数据的图纸化或者记录纸等类型，自成一套独立的数据收集和整理方式基本上与地勘工作是脱节的，与生产设计差距更大。这样积累下来的数据格式，基本上就是“信息孤岛”。如此循环往复，大量的矿山生产信息不能利用，数字化储量成为一项巨大的工程。而对于每个具体的企业来讲，既要收集不同类型的数据，又要进行数字化，同时还要在新的三维环境下应用，这无疑给现在的工程师们带来巨大的压力，使得矿山信息化的计划难以实现。
 

胡建明认为，当前的地勘和矿山技术工作模式千差万别，三维矿业软件的应用也与工作机制有关。而机制包括两个层面：一是工作流程，也就是我们常说的标准化和规范化，建立常规的技术流程是实现普及应用软件的前提；二是不同阶段的工作结合，也就是地质勘查、采矿设计、矿山勘探和生产管理以及闭坑的整个过程都建立在统一的数据信息体制下，才可能实现软件的应用价值和效果。因此，真正要实现矿业数字化、信息化，就需要落实做好三件事：完成好历史资料的数字化；转变当前的工作模式，与软件应用相结合；从地勘工作开始就建立好信息化的基本架构。但也必须清醒的认识到，矿山企业信息化建设是一项复杂、系统而艰巨的工作，要确保兼顾资金和人才，有计划、有步骤地稳步推进，不可盲目建设。
 

实现矿山数字化关键在教育
 

昆明理工大学教授戴小江表示，数字矿山的基础是矿山三维模型在教育中的应用，实现矿山数字化要从教育环节抓起。矿山三维模型等够对教育教学提供更具象的表达。比如，工程对象三维化能使学生对地质有更生动的认识，工程设计三维化能让学生对采矿有更直观的认识，矿床价值三维化能使学生对矿物加工有更完整的认识。同时，三维矿业软件提供了数据的模型化管理方式，具体即以空基、天基、地基、巷基、岩基，为GPS定位、地质地形、开拓系统、采矿方法提供模型化数据。
 

2005年，北京科技大学土木与环境工程学院成立了数字矿山实验室，专门从事相关的教学与科研工作，经过多年的积累，本实验室已经拥有国内一流的教学、科研软硬件条件。科研方面，本实验室在国内多家矿业企业实施数字化建设，推动了我国数字矿山进程。其中，最受欢迎的是与矿业软件相关的实践型课程。
 

该校数字矿山教育部重点实验室研究员张延凯表示，数字矿山技术课堂教学内容能使学生了解现代信息技术及手段在矿业工程及管理中的应用，熟悉数字矿山的概念、内涵、体系框架、关键技术和工程方法，掌握1种矿业工程软件的基本功能与使用方法，激发应用信息技术开展矿业工程及管理创新的积极性与主动性。而目前高校矿业软件教学的普遍现状是：学时短，要求学习内容多；教学环节多、学习精力分散；理论基础好，专业认知差；实践环节缺乏，遗忘快。
 

目前，北京科技大学已经在课堂教学、实践教学和毕业设计中，全面应用境界优化、露天（地下）采矿设计等三维矿业工程软件。张延凯认为，目前矿业软件深入教学的状况总体处于低谷状态，为扭转这种局面，应进一步明确矿业软件教学的目标，合理分配教学学时，探讨单独设置课程的可能性。组织有教学经验的老师，编写实验教材和实验指导书，总结教学经验，提高教学效果。逐步建立和完善矿业软件教学模型库，使学生可以随时获得学习资料。更加广泛的和矿山、企业合作，应用矿业软件解决玩滚球的十大平台实际问题，并将科研成果体现在教学环节之中，使学生具备解决实际问题的能力。