數字技術是露天煤礦智能(néng)化建設的基礎，安全、高效生産是主要推動力。但露天煤礦在智能(néng)化建設過(guò)程中出現了“爲什麼(me)要建設”“建設什麼(me)”“怎樣(yàng)建設”等疑問，根本原因是無法清晰描述數字技術與露天煤礦建設、生産、管理等實際活動的關系，主要表現爲數字技術應用場景單一，尚未形成(chéng)場景生态，從而導緻智能(néng)化建設工作的系統性不足、效果不好(hǎo)。

場景是露天煤礦智能(néng)化實施過(guò)程中的最小單元。一個智能(néng)化場景可以依托若幹種(zhǒng)技術實現，但如果技術脫離了場景就隻是技術，不再具有實際意義。場景可以是基于信息物理系統的挖掘機遠程操控，也可以是基于人工智能(néng)的輸送帶探傷，但不會(huì)是信息物理系統與人工智能(néng)。換言之，智能(néng)化場景産生于需求，具象化于技術。

從單一需求的尺度看，露天煤礦各個場景相對(duì)獨立，從綜合需求的尺度看，各個場景相互依賴、彼此制約。挖掘機的生産效率可以通過(guò)合理的規劃來提升，但同時也受制于爆破質量，爆破質量可以通過(guò)優化孔網參數來提高，但同時也受制于地質建模的精細程度，地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(xiàng)研究範式已不再适合新形勢的需要，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(xué)爲基礎理論，構建“場景生态”是關鍵。

第一作者：王忠鑫，教授級高級工程師，現任中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司副總經(jīng)理、數字與産業中心經(jīng)理、礦山設備制造中心經(jīng)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，2022，3（6）：93-100.

圖1 輪鬥挖掘機全連續自動采煤系統智能(néng)管控平台

（2）安全生産場景

國(guó)内多數露天煤礦配備了智能(néng)化門禁系統、變電站智能(néng)巡檢機器人系統、邊坡監測系統、輸送帶探傷系統、電子栅欄系統，危險區域實現了無人機巡檢等内容的建設。上述工作著(zhe)眼于露天煤礦的少人、無人化作業，以實現安全生産的目标。上述系統和設備需要物聯網、人工智能(néng)等數字技術的支持。

國(guó)内多數露天煤礦在信息基礎設施方面(miàn)，搭建了露天煤礦一體化智能(néng)綜合管控平台；在礦山工程方面(miàn)，建設了作業調度系統、生産工業控制系統；在智能(néng)輔助方面(miàn)，建設了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内容，實現了露天煤礦生産作業過(guò)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聯網、人工智能(néng)、大數據等數字技術提高設備作業效率，進(jìn)一步提高生産環節效率，從而減少現場作業人員的工作量。由中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司開(kāi)發(fā)的露天煤礦人員-設備車輛生産指揮監管平台如圖2所示。

圖2 露天煤礦人員-設備車輛生産指揮監管平台

（4）智能(néng)設計場景

礦山設計是露天煤礦智能(néng)化建設的先行者，礦山生産計劃編制、采區轉向(xiàng)都(dōu)離不開(kāi)礦山設計。目前，礦山設計軟件如Minex、Surpac、Vulcan、3Dmine等已基本普及，但其作用仍局限于基于礦床模型的土石方算量等，而對(duì)于生産計劃的優化、智能(néng)設計決策、設備實際作業特性模拟、生産中存在的随機事(shì)件等考慮相對(duì)較少。中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司研發(fā)了露天煤礦工程BIM協同設計及三維數字化交付平台（圖3），利用物聯網等數字技術，融合開(kāi)采現狀三維模型，實現了露天煤礦三維模型的輕量化浏覽，關聯工程采購及施工相關數據與文檔信息，接入視頻及狀态檢測等系統，實現了工程信息模型的一體化動态實時展示。

圖3 露天煤礦BIM協同設計及三維數字化交付平台

（5）智能(néng)決策場景

國(guó)内多數露天煤礦在礦山工程方面(miàn)，以無人駕駛系統、作業調度系統、破碎站智能(néng)調速系統、連續工藝智能(néng)控制系統等爲主體；在管理與決策方面(miàn)，建設了生産指揮輔助平台。上述内容主要利用物聯網、大數據等數字技術實現了礦山生産運營監控，輔助決策等目标。中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司開(kāi)發(fā)的露天礦無人駕駛智能(néng)調度系統基于圖像語義分割的露天煤礦道(dào)路區域識别技術成(chéng)果如圖4所示。

圖4 基于圖像語義分割的露天煤礦道(dào)路區域識别

露天煤礦智能(néng)化場景生态存在的問題與分析

目前，國(guó)内露天煤礦實際投入運行的智能(néng)化場景主要存在以下3點問題：①智能(néng)化場景挖掘數量少，在礦山生産和管理的環節數量占比較低。②智能(néng)化場景與數字技術的融合程度低，智能(néng)化水平較低。③智能(néng)化場景之間未形成(chéng)生态化，場景之間的關聯程度低，系統性不足，暫時無法滿足礦山的生産需求。

筆者歸納了産生上述問題的原因：①當場景的但與其他場景應用難以充分協同，無法獨存，具體表現爲上述問題1和3；②當綜合考慮各類需求，以更大的粒度劃分場景時，就面(miàn)臨需求不明确與多學(xué)科融合的困難，具體表現爲問題2。

4G/5G無線通信、無人駕駛、挖機遠程操控、輸送帶無人值守、輸送帶巡檢機器人、智能(néng)門禁和智能(néng)車輛管理等内容。

核心網絡、工業環網、電子栅欄、邊坡監測、危險區域無人機巡檢和變電站巡檢機器人等内容。

礦山建設的獨立系統間數據采集、一體化智能(néng)綜合管控平台和疏幹排水遠程操控等内容。

礦山建設的獨立系統間數據采集、礦山設計參數、無人機三維掃描、生産數據虛實映射和生産區域數字孿生技術等内容。

礦山建設的獨立系統間數據通信、作業調度系統、破碎站智能(néng)調速、輸送帶5項保護和工藝多機聯動等内容。

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項系統工程，既要遵循客觀的技術與經(jīng)濟條件，也要充分調各方面(miàn)資源。

2020年2月國(guó)家八部委發(fā)布的《關于加快煤礦智能(néng)化發(fā)展的指導意見》中指出要制定場景生态發(fā)展規劃，以此來引起(qǐ)全行業對(duì)這(zhè)項工作的重視。各大中小型露天煤礦是場景的主要制造者和消費者，也是問題的發(fā)現者和驗證者，應該基于礦山實際需求、困點、難點，結合國(guó)家政策指導，提出具有針對(duì)性的露天煤礦智能(néng)化場景構想，爲場景生态的建設提供空間和結果驗證。

各類科研院所和高等院校作爲場景的建設者，是規劃的實施主體，要積極主動推動場景生态的形成(chéng)，有計劃、有步驟地構建智能(néng)化場景，基于成(chéng)熟的數字技術和露天煤礦業務應用在智能(néng)化場景間構建場景生态，實現可靠的場景生态循環機制。

從目前國(guó)内露天煤礦智能(néng)化場景生态建設現狀來看，建設信息基礎設施是構建場景的先行者和運行保障。5G網絡全覆蓋、機房建設、網絡安全等内容至關重要，此外，由于礦山生産工藝的不同，無人化、安全生産、智能(néng)管控、智能(néng)設計和智能(néng)決策五大場景的建設内容，應根據礦山需求區分主次，制定“一礦一策”的策略，形成(chéng)智能(néng)化場景生态，以确保智能(néng)應用之間的融合及聯動得以實現。

依據國(guó)家能(néng)源局發(fā)布的《智能(néng)化示範煤礦驗收管理辦法（試行）》，智能(néng)化露天煤礦場景生态圈分爲信息基礎設施、礦山設計、智能(néng)穿爆、礦山工程、智能(néng)輔助、管理與決策和智能(néng)化園區七大模塊（圖6），每個模塊關聯其餘模塊，依托數字技術形成(chéng)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

“綜合工藝 + 大型裝備”大型露天煤礦

對(duì)于大型露天煤礦設備規格大、類型多、工藝綜合的特點，需對(duì)場景生态做總體規劃。以華能(néng)伊敏煤電有限責任公司伊敏露天礦爲例，生産工藝包括間斷工藝、半連續工藝和全連續工藝，如圖7所示。基于數字技術建立的場景生态圈包括以下5種(zhǒng)：

包括4G/5G無線通信、無人駕駛、挖機遠程操控、輸送帶無人值守、輸送帶巡檢機器人、智能(néng)門禁和智能(néng)車輛管理等内容。

包括核心網絡、工業環網、電子栅欄、邊坡監測、危險區域無人機巡檢和變電站巡檢機器人等内容。

包括系統間數據采集、一體化智能(néng)綜合管控平台和疏幹排水遠程操控等内容。

包括系統間數據采集、礦山設計參數、無人機三維掃描、生産數據虛實映射和生産區域數字孿生技術等内容。

包括系統間數據通信、作業調度系統、破碎站智能(néng)調速、輸送帶5項保護和工藝多機聯動等内容。

圖7 大型智能(néng)化露天煤礦場景生态示意

“間斷工藝 + 小型裝備”中小型露天煤礦

在鄂爾多斯、新疆等地的部分露天煤礦采用單鬥-卡車間斷工藝。采煤、剝離等爲全外包模式，單鬥挖掘機、卡車等設備規格小、數量多。以大唐國(guó)際寶利煤炭有限公司中小型露天煤礦爲例，生産工藝爲單鬥-卡車間斷工藝，露天煤礦規劃的場景較少，如圖8所示。基于數字技術建立的場景生态圈包括以下5種(zhǒng)：

包括4G無線通信、無人駕駛、挖機遠程操控、智能(néng)門禁和智能(néng)車輛管理等内容。

包括核心網絡、工業環網、電子栅欄、邊坡監測等内容。

包括一體化智能(néng)綜合管控平台和設備故障診斷等内容。

包括系統間數據采集、礦山設計參數、無人機三維掃描、生産數據虛實映射和生産區域數字孿生技術等内容。

包括系統間數據通信、作業調度系統和工藝多機聯動等内容。

圖8 中小型智能(néng)化露天煤礦場景生态示意

綜上所述，2種(zhǒng)類型露天煤礦的場景生态建設的區别主要源于目标不同，“綜合工藝+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，更主要的是體現在跨設備、跨工藝環節、系統，甚至跨業務範疇的信息共通共享、高效利用等目标；“間斷工藝+小型裝備”的中小型露天煤礦智能(néng)化建設主要體現在提高設備安全性、生産效率，以實現信息共通共享、高效利用的目标。

露天煤礦智能(néng)化建設是一項複雜的系統工程，整個過(guò)程投入大、周期長(cháng)、對(duì)現有業務的管理模式和系統都(dōu)有較大影響。露天煤礦智能(néng)化建設是從底層到上層的逐步建設過(guò)程，同一業務單元會(huì)在不同的智能(néng)化建設項目中被(bèi)涉及，會(huì)以不同的智能(néng)化場景爲目标被(bèi)改造；另外，也會(huì)出現不同的智能(néng)化系統或平台間數據邊界交織、層級邏輯不清、功能(néng)各自獨立的情況。因此，露天煤礦智能(néng)化方案規劃設計的另一項重要内容是科學(xué)确定各項規劃建設内容的實施時序，避免出現重複建設、重複投入、超前投入、滞後(hòu)産出等不合理現象。如果各項内容的建設時序不合理，某一系統的建設可能(néng)不僅未達到智能(néng)化建設的目标，反而影響礦山的綜合效益水平，顯然是違背預期目标的。因此在開(kāi)展智能(néng)化露天礦山建設工作前，一方面(miàn)必須依據實際應用需求在宏觀上設定合理的階段建設目标，另一方面(miàn)需要确定階段内各項智能(néng)化建設内容的先後(hòu)次序，有序推進(jìn)智能(néng)化露天煤礦建設規劃的各項工作。

露天煤礦智能(néng)化發(fā)展順利推進(jìn)的前提是大數據、人工智能(néng)、物聯網等數字技術與智能(néng)化露天煤礦場景的快速融合與相互促進(jìn)，共同形成(chéng)和諧、共生的智能(néng)化場景生态圈。筆者介紹了數字技術與智能(néng)化露天煤礦場景生态建設的邏輯關系，讨論了“綜合工藝+大型裝備”的大型露天煤礦和“間斷工藝+小型裝備”的中小型露天煤礦2種(zhǒng)典型的智能(néng)化露天煤礦場景生态圖景，認爲露天煤礦智能(néng)化建設的根本目标是實現安全、高效、綠色開(kāi)采，并非單純地追求少人或無人，各礦的開(kāi)采條件不同，智能(néng)化分級建設是必要的。同時，礦山開(kāi)采屬于一種(zhǒng)經(jīng)濟行爲，礦山智能(néng)化建設投入産出的經(jīng)濟性是必須要考慮的現實問題。因此，建設之前進(jìn)行科學(xué)的規劃設計，遵循價值導向(xiàng)，确定合理的建設内容、投入規模、智能(néng)化程度等是非常重要的。

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