数字化露天矿建设

摘要：随着计算机网络技术、图形技术、自动化技术、数字通讯技术、3S 技术的飞速发展, 以计算机和网络通讯为核心的信息技术将人类带入了信息时代。信息技术和产品渗透到社会的各个领域, 从政府的战略决策到企业的经营管理和生产工艺, 再到人们的日常生活, 无不受到信息技术的影响。各行各业和各级政府, 在不同程度地享受着这一技术革命带来的果实的同时, 也感到了它所带来的压力。矿山生产已经从上个世纪80 年代的机械化、自动化时代步入今天的信息化、数字化时代。本文分析了数字化露天矿建设内容。 关键词：数字化；露天矿；建设方法；

数字化则是把对某一对象的表述转化为计算机能够识别、存储、传输和加工处理的格式, 再以计算机为核心手段把对象进行各种方式的再表述( 如电子地图、三维模型、电子表格、等等) 。实现数字化的最终目的是在更快、更广、更深、更直观的信息基础上实现科学决策( 如政府部门的宏观战略策略、企业的营销决策、工程技术人员的方案决策、等等) , 获得更高的社会、经济效益。 一、概述

数字矿山是在测量、地质、选矿、安全等各个专业知识和技术资料比较完备的基础上，结合相应软件建立起来的三位模拟图形，可以相当真实地立体展示地址形态和生产现场实际情况，矿山数字矿山模型是把地质勘探、资源估计储量、测量数据收集等导入三维视图，同时融合了露天采矿和地下采矿设计。当前世界科技的发展现状，结合我国矿山现阶段的技术、装备、管理水平，我国数字矿山建设还要经历一个漫长的过程，因此，总体规划、分步实施是我国数字矿山建设的必由之路。数字矿山建设的长期目标及主要内容是实现资源与开采环境的数字可视化、技术装备智能化与生产过程控制自动化、信息传输网络化与资源高度共享化、管理与决策科学化以及开采环境的安全化和环保化。基本目标根据矿山企业的基本特征及数字矿山建设的总体目标，结合露天矿的具体条件，确定数字露天矿建设的具体目标是按照数字矿山的理念，以采矿进度计划、地质管理、测量验收和地理信息系统为技术支持平台，以卡车优化调度、疏干排水集控等监控系统为信息自动采集平台，对自动采集和日常管理的信息资源进行整合和分析，形成分析决策平台，为管理决策提供技术支持。对各应用系统进行整合，形成统一的数字矿山主界面，通过该界面调用或查看各应用系统的公用部分，实现数字矿山总体功能。同时提供扩展开放接口，便于系统扩展和扩充。一是根据国内外数字矿山技术的最新进展，结合露天矿具体情况，确定数字露天矿总体结构和系统组成，通过数字矿山建设实现企业流程再造，整合完善矿山主要业务信息化管理。二是分层次建立数字矿山总体构架，数字矿山构架与伊敏露天矿主要业务信息化管理相适应并具有开放性，根据需要可对各层次的系统范围和内容进行扩充，也可扩充更多层次。三是系统建设要充分利用已有系统的硬软件资源，在保持系统兼容性的同时，尽量减少不必要的软件开发、硬件购置、工程施工等项工作。四是考虑到露天矿管理工作需求及数字矿山技术的发展性，系统建设应分期分步骤进行，并预留扩展接口。应注意到有的系统需要其他系统作为基础或配套系统，先建设处于低层位的系统和易于实现且相对独立的系统。数字矿山建设要充分考虑到技术的先进性、成熟性、规范化、标准化，使系统易于开发和实施，并可纳入到数字矿区中。

二、数字化露天矿建设方法

1.数字露天矿(简称, DM) 总体结构设计采用先进的数据矿山构架技术并主要考虑了露天矿生产管理需求及当前具体条件, 既要实现生产管理中各类不同系统的数据交换与共享, 又将各类系统中大量异质信息存储到核心系统的数据仓库中, 实现信息的综合管理、分析和利用。数字矿山总体构架几乎包括了当前多数露天矿生产、管理等全部业务工作。采用数字矿山构架技术将这些分散系统有机合理地联系起来, 使各分系统信息的一致性、实时性、共享性大为加强,并形成统一完整的露天矿生产管理系统。

（1）DM核心系统。DM核心系统由数据仓库( 包括数据采集软件、生产决策数据库、MIS 系统数据库、调度监控系统数据库、数据提取软件) 、模型库( 矿床模型库、地形模型库、边坡分析模型库、工程地质模型库、水文地质模型库、三维地学仿真模型库、生产过程模拟分析模型库) 、应用软件( MGIS 系统、综合数据查询统计及报表制作系统、综合分析系统、动态图显示系统、三维地学仿真系统、生产过程模拟分析系统) 3 部分组成。采用矿山地理信息系统(MGIS)建立统一的时空框架, 科学合理地组织各类矿山信息, 将矿山各类系统中的大量异质信息资源进行全面、高效、有序的管理和整合, 建立数据仓库及模型库, 主要实现如下功能: 建立DM数据仓库和模型库; 依据数据仓库及模型库, 建立各类数据分析、矿山三维地学仿真显示、开采过程模拟分析等组合式软件; 实现生产决策支持系统中各分系统数据综合管理与交换, 实现各类系统数据共享。

（2）生产决策支持系统。生产决策支持系统一方面实现露天矿地质、测量、生产计划等的自动化, 另一方面又将矿山中的固有信息( 与空间位置直接有关的相对固定信息, 如地面地形、煤田地质、开采方案等) 数字化, 按三维坐标组织成一个数字矿山, 全面、详尽地刻画矿山及矿体, 在此基础上可进行矿山三维地学仿真显示、开采过程模拟分析等工作。生产决策系统主要包括以下子系统: 矿床地质模型系统、生产计划编制系统、测量验收系统、边坡安全管理系统、工程地质与水文地质系统。

（3）生产调度监控系统。生产调度监控系统实现生产过程自动化调度和监控, 并在生产决策系统提供的三维数字矿山的基础上, 将生产调度监控系统中的位置、状态等信息按三维坐标嵌入到数字矿山上, 实现生产过程及生产设备的真三维显示。生产调度监控系统主要包括以下内容: 卡车电铲优化调度系统、疏干排水系统、供电保护与电铲参数监控系统、3.5 万伏移动变电站运动系统、在线监控系统。

2.模型。模式从数字矿山建设的实用角度提出3层结构模型，最底层是信息采集与施用层，包括矿山各种系统的数据采集与反馈控制；中间层为信息集成层，各种系统的数据应有统一的数据描述形式、统一的数据处理格式和统一的数据管理方式，便于信息的挖掘和融合；上层为管理决策层。显然，数字矿山的3层结构模型与前述的上下7层次模型有许多相同之处，其特点是3层结构模型并不是一成不变的，它可以根据矿山的规模、现代化水平、开采方式等进行灵活的调整，以适应各种不同类型矿山的需要。如某公司开发的煤矿企业综合管理信息系统，建立了煤矿企业信息系统总体框架结构，该框架认为煤矿信息化建设最终

的效益是体现在煤矿企业整体经营效益上，而非在某个生产局部环节。因此构架数字化矿山必须充分考虑影响企业最终效益的方方面面，必须涵盖煤矿企业经营管理、生产控制、设备监控等各个层面。在此基础上建立了数字化矿山结构，设有3 个层次：企业信息门户与决策支持层、企业业务信息层、生产现场监控层；两个支撑环境：计算机网络支撑环境、数据库管理环境；一个中心：信息交换与

处理中心。3个层次对应3 个系统：企业信息门户与决策支持系统、企业业务信息分系统、现场生产监控分系统。

3.国内露天矿企业存在的问题。长期以来，国内的露天矿山企业一直处于劳动密集型的机械化初级水平，管理比较粗放，技术和装备水平落后，决策、设计、生产等许多环节主要来自于经验，科学性程度不高。存在以下主要问题：一是矿山地质、测量内业管理手段落后，缺乏三维可视化手段。二是设计和计划经验居多，科学性不够。三是过程控制程度低，生产效率不高。四是系统建设缺乏统一规划，投资浪费大，共享能力不足。五是决策被动，上传下达滞后。解决方法： 一是建立以光纤和无线通讯为主体的多媒体通讯网络，形成语音、视频与数据同网传输的网络体系，实现矿山信息的分布式共享。二是通过对有关数据库进行过滤、整合，形成专题数字仓库，提供查询、统计、分析、决策支持等功能，为管理与决策科学化提供数据和技术支持。三是对各应用系统进行整合，形成统一的数字露天矿山主界面，通过该界面调用或查看各应用系统，实现数字露天矿山总体功能。并提供扩展开放接口，便于系统扩展和扩充。根据露天矿具体条件，结合国内外DM 技术的最新进展情况，采用DM 相关技术建立数字露天矿总体框架，完善矿山主要业务信息化管理。DM 构架应与露天矿主要业务信息化管理相适应并具有开放性，根据露天矿需求，采用DM 技术分层次建立DM 总体构架，可根据需要对各层次的系统范围和内容进行扩充，也可扩充更多层次。DM 建设要充分考虑到技术的先进性、成熟性、规范化、标准化，使系统易于开发和实施，并可纳入到数字矿区、数字中国中。系统建设要充分利用已有的MIS 系统、调度监控系统等的硬软件资源，在保持系统兼容性的同时，尽量减少不必要的软件开发、硬件购置、工程施工等工作。 三、实例分析

1.概况。某露天矿矿区矿体厚大集中，矿体走向在矿区范围内长大于1420m，沿倾向延伸大于1120m，厚度一般为80～150m，最大厚度达346m，呈现层状透镜体产出。现年矿岩采剥量达3000万t 以上，剥采比1.23 t/t。主要进行软件的升级改造并结合矿山实际情况进行二次开发使数字化平台能更好的服务生产、监督生产。

2.平台构成与系统特点。数字化采矿控制平台经过系统组合与链接形成以自动化配矿管理系统为主的6个子系统。系统主要特点如下：

（1）露天矿生产监控信息系统。生产监控信息系统主要包括露天矿数字化采矿管理系统与DLP 大屏幕显示系统的集成；数字信号与视频信号综合管理。 （2）露天矿生产计划编制系统。生产计划编制系统的主要特点有:一是图数融合，在布置计划线的同时实时计算可采矿岩量以及矿石质量。二是基于

SURPAC 建立的地质模型与采空区模型相结合，可在计划编制同时扣除计划铲装区域内的空区量。三是计划回填，实时回填已计划区域，可实现模拟开采。四是开发了基于SURPAC 平台的采剥计划编制软件系统。

（3）露天矿自动化配矿管理系统。自动化配矿管理系统的主要特点有：一是利用配矿软件自动获取实时配矿品位，及时更新配矿方案。二是车辆运输就近入站，减少运输功，节约运输成本。三是利用统筹学线性规划原理合理搭配各破碎站矿量，最大化减少矿石使用量。四是人机交互的配矿方式，极大提高配矿人员工作效率与配矿结果的准确性、可操作性

（4）基于GPS 的露天矿生产调度系统。露天矿生产调度系统的特点有：一是通过对露天矿生产车辆调度理论的研究，建立了符合露天矿生产调度的不确定规

划模型及调度优化算法，解决了不确定环境下露天矿生产调度问题。二是设计了基于GPRS 无线网络的车铲调度数据通讯系统，实现了调度信息实时、高效且低成本传输，并实现了语音化调度。三是设计了基于GPS、GIS 的露天矿车铲全方位可视化生产监控调度系统，实现对露天矿车铲的可视化实时监控调度，从而达到最优路线调度。

（5）矿岩运输量自动统计。矿岩运输量自动统计系统的特点有：一是构建了基于GPS 的自动计量模型。二是利用RFID 身份识别技术与传感器称重技术相结合实现矿岩运输量的自动采集与上传。

（6）生产数据实时监控系统。生产数据实时监控系统的主要特点有：利用称重数据的矿岩量自动上传统计与配矿控制计划品位相结合，实时统计破碎站的碎矿量及实时品位执行情况，系统2min 刷新一次。便捷统计生产任务累计完成情况，为往后计划的安排提供科学依据。

3.系统开发的技术要点。系统开发是依据露天矿山生产的实际需要，通过SURPAC、CAD 软件建立地质模型并形成设备运行地图、结合GIS、GPS、GPRS 技术绑定作业设备。实现作业设备的全过程监控与指挥，形成面向露天矿生产及其管理与决策的大型系统化应用平台软件。其主要技术要点有以下几点：一是

SURPAC、CAD 软件应用。SURPAC 是由GEMCOM 国际软件公司开发的矿山工程软件。SURPAC 的编写语言是C/C++，用户界面使用Java 和TCL 语言。SURPAC 另一个优点就是不同地点的多用户可以通过网络和单一部门取得联系，这样就让使用者可以方便地获得有关技术人员的帮助与解决问题。CAD 图输入SURPAC 进行二次开发。SURPAC具有功能强大的图形绘制显示模块，包括了一整套三维立体的和块体的建模工具，通过激活自动绘图功能可以任意地在图形中创建图形，图形可以三维方式产生，也可以从旋转的二维图形中得到，矿山管理人员可以从不同的角度来观察图形。利用SURPAC、CAD 软件更新和转换数字化平台系统所需的设备运行地图，及时跟进生产运行情况。二是GIS、GPS、GPRS 技术。地理信息系统（GIS）是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。GIS 技术已被各行各业用于建立各种不同尺度的空间数据库和决策支持系统，向用户提供多种形式的空间查询、空间分析和辅助规划决策的功能。全球卫星定位系统（GPS）是美国国防部研究建立的新一代卫星定位系统，主要由24 颗空间卫星组成的空间星座和地基监控部分组成。在GPS 系统中，接收到4 颗或以上卫星的信号就能够准确确定其三维坐标，并进行跟踪定位。在确定位置以后，GPS 接收机能够得到目标的其它信息，如速度、方向、轨迹等。露天矿生产配矿动态管理系统主要利用GPS 定位技术，为铲装设备提供当前位置的推进品位、坐标、方向、速度和时间等信息。GPRS 是一种基于GSM 系统的无线分组交换技术，具有提供端到端的、广域的无线IP 连接等特点。在露天矿数字化系统中，主要利用GPRS 具有传输速率高、接入时间短、永远在线和按流量计费等优点，能够为车辆GPS 数据提供实时无线传输，快速建立连接，无建链时延。另外，露天矿车辆定位数据量小且需要频繁进行传输，这一要求正符合GPRS 特别适用于频繁传送小数据量的特点。

4.配矿模型技术原理。在露天矿生产运行中，矿石配给工作是整个生产中的核心问题。一般情况下，每个作业点的矿石质量都不同，即使在同一作业点品位波动也比较大。因此每天必须根据各作业点的品位变化进行合理搭配，才能保证矿石质量均衡稳定。根据配矿各指标的相互关系配矿系统选用线性规划模型来进行自动化配矿。再根据实际设备的负载能力，确定设备的使用数量，为露天矿生

产调度提供一项重要的指标。

目前，随着矿业经济的不景气，怎样低成本、高效益的完成矿山数字化建设是众多国内矿山的首选。与国内外同类产品相比，三道庄露天矿数字化生产管理系统首次将露天矿的采矿生产工艺各个流程进行整体化、系统化的设计，利用当前的先进技术，解决目前露天矿生产中迫切需要解决的实际问题。将露天矿山复杂多样的生产管理系统集成于一个开放的、标准化的网络环境下，实现露天矿计划编制、动态配矿、生产现时信息的实时获取、存储、查看和利用，提高生产管理的实时性，增强生产管理人员对生产过程的调控能力，达到生产合理、有序地按计划进行，满足矿山作业设备的生产控制要求，提高企业对生产全过程控制和管理的能力，为企业生产决策提供数据支持和科学依据。 参考文献：

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