空天地智能礦山架構(gòu)介紹

智能礦山空天地一體化架構(gòu)創(chuàng)新性地基于數(shù)字空間底座，從生產(chǎn)對(duì)象著手，對(duì)生產(chǎn)過程全鏈條 進(jìn)行數(shù)字化和智能化構(gòu)建。

1.生產(chǎn)對(duì)象端

1.1 礦山地質(zhì)條件復(fù)雜多變，環(huán)境監(jiān)測(cè)面臨諸多難點(diǎn)

礦山生產(chǎn)對(duì)象主要包括礦產(chǎn)資源及其所屬的地質(zhì)環(huán)境，是礦山開采和運(yùn)營的基礎(chǔ)。礦山地質(zhì)環(huán) 境變化具有影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長、關(guān)聯(lián)要素多等特點(diǎn)，復(fù)雜地質(zhì)條件和脆弱生態(tài)環(huán)境使得 礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 ◆ 礦山生產(chǎn)對(duì)象智能化的難點(diǎn)在于：一方面，礦山巖層形態(tài)多樣、地質(zhì)災(zāi)害突出、環(huán)境參數(shù)多， 單一、傳統(tǒng)的測(cè)繪監(jiān)測(cè)手段難以滿足礦山復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求；另一方面，地質(zhì)環(huán)境 參數(shù)的變化具有量變到質(zhì)變的不確定性，地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境變化之間存在復(fù)雜的耦合效應(yīng)。 因此，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境多要素的協(xié)同監(jiān)測(cè)和智能感知是當(dāng)前需要解決的難點(diǎn)。

1.2 三維地質(zhì)建模、透明地質(zhì)保障為當(dāng)前主要技術(shù)方向

當(dāng)前，礦山生產(chǎn)對(duì)象端智能化技術(shù)的發(fā)展主要集中在三維地質(zhì)建模和透明地質(zhì)保障技術(shù)上。透 明地質(zhì)保障技術(shù)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等前沿ICT技術(shù)，通過定向鉆探和隨 采物探等手段，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和全面探查，從而構(gòu)建動(dòng)態(tài)的多屬性三維地質(zhì)模型， 同步再現(xiàn)礦山生產(chǎn)場(chǎng)景，為生產(chǎn)設(shè)備提供精確導(dǎo)航，有效預(yù)防安全事故，為智能礦山的建設(shè)提 供地質(zhì)保障。 ◆ 盡管三維地質(zhì)建模和透明地質(zhì)保障技術(shù)為礦山智能化提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，但這些技術(shù)的普 及和應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。目前，地質(zhì)建模和采礦三維設(shè)計(jì)在實(shí)際操作中并不普遍，設(shè)計(jì)資料和圖 紙難以通過三維平臺(tái)傳遞給其他作業(yè)和管理環(huán)節(jié)，導(dǎo)致無法充分發(fā)揮三維建模在協(xié)同管理中的 潛力。許多作業(yè)和管理流程仍然依賴于傳統(tǒng)的CAD圖紙進(jìn)行溝通和交流，這種方式降低了溝通 效率，并且無法及時(shí)將作業(yè)環(huán)節(jié)的問題和情況在模型上統(tǒng)一反饋和表達(dá)。

1.3 數(shù)字空間底座通過空天地?cái)?shù)據(jù)融合，為智能礦山建設(shè)奠定基礎(chǔ)

礦區(qū)巖層形態(tài)多樣、地質(zhì)災(zāi)害突出、環(huán)境問題復(fù)雜，單一、傳統(tǒng)的測(cè)繪監(jiān)測(cè)手段難以滿足礦山 地質(zhì)環(huán)境多尺度、連續(xù)性、整體性監(jiān)測(cè)和多要素信息異常智能感知的實(shí)際需求。因此，智能礦 山的構(gòu)建必須依托于空天地一體化的感知監(jiān)測(cè)體系，并以此為基礎(chǔ)建設(shè)基于空間分析的數(shù)字空 間底座，以提升礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的綜合性和智能化水平。 ◆ 數(shù)字空間底座是基于前沿技術(shù)架構(gòu)的智能礦山數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，圍繞“數(shù)字化”與“智能化”建 設(shè)中對(duì)數(shù)據(jù)化生產(chǎn)對(duì)象定義、使用、交互的核心需求，以滿足各類信息資源匯聚、融合、管理、 應(yīng)用、分析、服務(wù)為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，采用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、GIS等技術(shù)，以地理 實(shí)體為基礎(chǔ)，通過衛(wèi)星、無人機(jī)、地質(zhì)數(shù)據(jù)等構(gòu)建數(shù)字孿生體，通過數(shù)字空間分析，為礦山全 過程管理提供基于"衛(wèi)星+無人機(jī)+地質(zhì)測(cè)量"的空天地一體化感知體系。

數(shù)字空間底座運(yùn)用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將分散的空間數(shù)據(jù)匯集成統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)。在測(cè)繪 領(lǐng)域，這一過程涵蓋了衛(wèi)星遙感影像、無人機(jī)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地面測(cè)量數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源。 這些數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式、分辨率、坐標(biāo)系等都存在差異，需要通過多源數(shù)據(jù)融合的技術(shù)進(jìn) 行統(tǒng)一處理，解決了現(xiàn)有礦山各類測(cè)繪數(shù)據(jù)綜合運(yùn)用的難題。 ◆ 數(shù)字空間底座通過整合來自空、天、地的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的實(shí)時(shí) 數(shù)字化映射，為礦山數(shù)字化生產(chǎn)、運(yùn)營、管理智能化系統(tǒng)建立交互的平臺(tái)和基礎(chǔ)，同時(shí)也為礦 山作業(yè)鏈各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供了可靠的時(shí)空數(shù)據(jù)支持。在此基礎(chǔ)之上，礦山的各類作業(yè)數(shù)據(jù)、流 程數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高度融合，為礦山從數(shù)字化向智能化、無人化轉(zhuǎn)型提供切實(shí)的公共基礎(chǔ) 服務(wù)平臺(tái)。

1.4 空天地監(jiān)測(cè)體系為智能礦山提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐

空天地監(jiān)測(cè)體系從高空、中低空、地面三個(gè)維度構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全天候的立體監(jiān)測(cè)。 ◆ 天基系統(tǒng)通過衛(wèi)星遙感技術(shù)，可為礦山提供宏觀的地質(zhì)構(gòu)造分析、環(huán)境變化監(jiān)測(cè)以及礦產(chǎn)資源 的初步評(píng)估。“礦大南湖號(hào)”礦用衛(wèi)星是我國首顆礦業(yè)遙感衛(wèi)星，由智慧礦業(yè)創(chuàng)新集群理事長 單位——中國礦業(yè)大學(xué)煤炭精細(xì)勘探與智能開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭，北京四象愛數(shù)科技有限 公司設(shè)計(jì)發(fā)射，具有高分辨率、輕量化、全天候的工作優(yōu)勢(shì)，標(biāo)志著智能礦業(yè)領(lǐng)域“空天地” 模式的啟動(dòng)。衛(wèi)星普查系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)管區(qū)域范圍內(nèi)大范圍的初步監(jiān)測(cè)，篩選出潛在的邊坡 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，確定重點(diǎn)監(jiān)管的區(qū)域，為下一步的無人機(jī)詳查奠定區(qū)域基礎(chǔ)。

空基系統(tǒng)主要依托無人機(jī)遙感技術(shù)，搭載專業(yè)數(shù)碼相機(jī)、高清攝像機(jī)、紅外傳感器等載荷，可 通過傾斜攝影方式實(shí)現(xiàn)地上礦區(qū)三維建模。無人機(jī)詳查系統(tǒng)能夠一鍵導(dǎo)入無人機(jī)攝影測(cè)量和激 光雷達(dá)生產(chǎn)的礦區(qū)月度精細(xì)三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型顯示速度、渲染模式，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)數(shù) 字三維重現(xiàn)，精準(zhǔn)提取邊坡形態(tài)數(shù)值，與初始設(shè)計(jì)規(guī)劃建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步判定邊坡是否符 合規(guī)定要求及潛在風(fēng)險(xiǎn)。

地基系統(tǒng)通過GNSS、邊坡雷達(dá)等地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)礦區(qū)關(guān)鍵區(qū)域?qū)嵤┻B續(xù)實(shí)時(shí)的量化監(jiān)管， 為礦山的安全管理、環(huán)境保護(hù)和資源優(yōu)化提供重要的數(shù)據(jù)支持。地面?zhèn)鞲性O(shè)備確保了監(jiān)測(cè)的全 面性和深入性，是綜合監(jiān)測(cè)體系不可或缺的一環(huán)。通過空天地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大規(guī)模、低成本、高實(shí) 時(shí)構(gòu)建時(shí)空三維數(shù)字孿生模型成為智能礦山系統(tǒng)中的生產(chǎn)對(duì)象。

2.生產(chǎn)工具端

2.1 生產(chǎn)工具智能化是智能礦山建設(shè)的重要組成部分

礦山生產(chǎn)工具的智能化是智能礦山建設(shè)的重要組成部分，涉及智能采礦機(jī)械、無人駕駛車輛、 無人值守破碎站等多個(gè)方面。目前，礦山生產(chǎn)工具的智能化已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，礦山無人駕 駛逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，一些礦山正在采用智能快掘裝備和先進(jìn)的采煤工作面技術(shù)，遠(yuǎn)程可視 化采煤等智能化設(shè)備也被越來越多地運(yùn)用于實(shí)際操作中。

2.2 礦山無人駕駛系統(tǒng)由云端、網(wǎng)端、車端/路端三大模塊組成

礦山無人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)呈現(xiàn)“3+1”特征，云端、網(wǎng)端、車端/路端三大模塊構(gòu)成核心系統(tǒng)，各 模塊相應(yīng)安全措施則綜合組成安全防護(hù)系統(tǒng)。

2.3 礦山無人駕駛逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，未來將與智能礦山深度融合

經(jīng)過多年技術(shù)沉淀和標(biāo)桿案例經(jīng)驗(yàn)積累，礦山無人駕駛實(shí)現(xiàn)從“安全員下車”到“單車無人” 再到“編組無人”的技術(shù)進(jìn)步，多個(gè)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)無人與有人駕駛車輛的混編運(yùn)營。目前，頭部 企業(yè)正朝著全礦無人化運(yùn)營的目標(biāo)邁進(jìn)，推動(dòng)礦山無人駕駛向更高水平發(fā)展。

目前，中國礦山無人駕駛企業(yè)專注于運(yùn)輸環(huán)節(jié)的智能化解決方案，但運(yùn)輸只是礦山作業(yè)的其中 一環(huán)。無人駕駛與礦山作業(yè)上下游鏈條的銜接仍不夠充分，尚未打通智能化生產(chǎn)作業(yè)全鏈條。 ◆ 未來，礦山無人駕駛將加速發(fā)展，推動(dòng)挖掘機(jī)、電鏟、灑水車、壓路機(jī)等配套設(shè)備的智能化改 造，并進(jìn)一步與礦山其他智能系統(tǒng)如智能采礦、智能洗選等深度融合。礦山無人駕駛將從單一 的運(yùn)輸環(huán)節(jié)智能化，向整個(gè)礦山作業(yè)流程的全面智能化邁進(jìn)。通過與智能礦山全鏈條的充分銜 接和融合，礦山無人駕駛將推動(dòng)礦山行業(yè)向高端化、智能化、綠色化的方向發(fā)展。

3.生產(chǎn)過程端

3.1 礦山生產(chǎn)過程數(shù)字化、智能化尚未成熟

生產(chǎn)過程作為連接生產(chǎn)對(duì)象與生產(chǎn)工具的關(guān)鍵紐帶，其數(shù)字化和智能化水平?jīng)Q定著整個(gè)智能礦 山系統(tǒng)的數(shù)字化水平，以及是否能夠達(dá)成全鏈條數(shù)字化的效率。生產(chǎn)過程管理涉及礦山企業(yè)與 工程承包企業(yè)、裝備企業(yè)等多個(gè)主體，目前跨越多主體形成的數(shù)字化解決方案尚不成熟。 ◆ 一些擁有工程承包能力的礦山企業(yè)由于內(nèi)在動(dòng)力充分、協(xié)調(diào)難度較低，已經(jīng)開始嘗試并形成了 初有成效的數(shù)字化管理方案。這些方案展現(xiàn)了生產(chǎn)過程管理環(huán)節(jié)的數(shù)字化智能化趨勢(shì)，也預(yù)示 著通過全業(yè)務(wù)鏈數(shù)字化，礦山生產(chǎn)效能具有較大的提升空間。

3.2 生產(chǎn)過程數(shù)字化建設(shè)可通過三大維度實(shí)現(xiàn)

通過深入分析案例并借鑒智能建造等相關(guān)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為可以從生產(chǎn)計(jì)劃的自動(dòng)編制、生 產(chǎn)作業(yè)任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)分派、礦山工程智能管理系統(tǒng)這三個(gè)維度來進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)和改進(jìn)。 ◆ 生產(chǎn)計(jì)劃的一體化自動(dòng)編制： • 利用集成三維地質(zhì)建模的礦山數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦山設(shè)計(jì)的數(shù)字化模型構(gòu)建。根據(jù)地質(zhì)模型和 礦石儲(chǔ)量信息，利用三維采礦設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維礦山設(shè)計(jì)和規(guī)劃，包括開采方案、巷道布局、 采場(chǎng)設(shè)計(jì)等，快速生成生產(chǎn)計(jì)劃。 • 生產(chǎn)計(jì)劃的生成僅是起點(diǎn)，更為關(guān)鍵的是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的仿真模擬、動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì) 方案和工藝流程的模擬比較，輔助優(yōu)化實(shí)時(shí)監(jiān)控和設(shè)計(jì)方案，提高工程進(jìn)度質(zhì)量的核算和反饋 頻次。因此，生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)智能化就是結(jié)合礦山資源儲(chǔ)量、生產(chǎn)能力和市場(chǎng)需求等要素，實(shí)現(xiàn) 生產(chǎn)計(jì)劃的自動(dòng)化生成和優(yōu)化。