姚卫东桑锦国

（1.招金矿业股份有限公司；2.山东金软科技股份有限公司）

数字化转型一方面是全球经济大趋势，同时也是我国经济发展新一轮的推动力和重要途径。据统计数据，在我国2019年整个GDP的构成中，数字经济板块占比达到了35%左右。可见，数字经济正在成为推动中国经济发展的主引擎［1］。

矿山行业是我国国民经济重要的支柱产业和基础行业［2］，根据统计，2018 年矿山行业占我国GDP 比重达到了7%，占全球GDP比重达到了6.9%。矿山行业作为传统行业，经过多年的粗放型发展，积累了许多历史遗留问题，同时，随着社会进步，对矿山企业持续健康发展也提出了更高要求。在经济新常态和深化供给侧结构性改革的背景下，作为国民经济支柱产业的矿山行业，应当加快数字化转型。矿山企业通过数字化转型，向环保化、信息化、智能化方向发展已成必然趋势［3-5］。

在金属矿山行业，许多企业已经实施或准备实施数字化转型。但由于矿山是一个以资源为开发对象的离散生产系统，主要作业处于地表深处，地质条件复杂，环境恶劣，各个企业的实际情况和面临的问题也不相同，并没有一个统一的数字化转型标准和规范，不少学者和企业对数字化转型定义和具体建设内容还比较模糊。本研究通过梳理近年国内几个主要金属矿山企业在数字化转型工作中的典型案例和取得的亮点成绩，探讨金属矿山企业数字化转型路径。

1 金属矿山面临的挑战和机遇

1.1 金属矿山面临的挑战

当前，我国金属矿山发展过程中面临着多方面的挑战和问题，突出表现在以下几个方面。

（1）金属矿山普遍存在生产中段较多、采场分散、环境较差、采掘工艺复杂、环节多、生产设备复杂多样、生产成本逐步升高等情况，给矿山安全高效生产带来难题。经过多年的开采，资源枯竭是许多矿山面临的问题，将不得不进行地下深井探矿和采矿，而深部开采带来的安全管理压力会逐渐增大。

（2）随着国家对环境保护与生态文明建设要求愈来愈严，给矿山企业带来的压力也随之增加。党的“十八大”明确了建设生态文明这一宏伟目标，对矿山环境保护工作和矿山可持续性发展提出了更高的要求，迫切需要转变传统矿山生产建设理念［6］。

（3）多年的人口政策和社会经济快速发展的影响，“人口红利”的优势已经消失。几十年来，我国矿山企业建设获得了长足进步，完成了低端的发展。而随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，矿山企业逐渐面临人才队伍建设的困难，主要表现为招工困难、人才队伍老龄化严重、人员的技术层次低、人才专业结构不合理、高级技工比例偏低、人才流失严重［7］。

矿山传统的粗放型发展模式逐步将成为过去，其带来的高投入、高消耗、高成本和高污染发展模式也将随着社会进步和经济政策的完善而成为历史［8］。面对严峻的挑战，矿山企业的当务之急是做好数字化转型，在这个过程中矿山企业要抓住机遇对各要素进行升级，做好安全生产标准化、自动化、智能化和立体化管控工作。

1.2 数字化转型的机遇

金属矿山进行数字化转型主要有国家政策的大力支持和新技术的发展带来的两大机遇。

2016年11月，国土资源部发布了《全国矿产资源规划（2016—2020年）》，明确提出未来5 a要大力推进矿业领域科技创新，加快建设数字化、智能化、信息化、自动化矿山。2017年5月，科技部、国土资源部、水利部联合印发了《“十三五”资源领域科技创新专项规划》，重点进行基于工业物联网的矿山信息高效采集传输及矿业感知技术、智能开采装备及其智能操控、选冶流程工业大数据应用、智能化生产与工业优化控制、生产环境监测监控与智能智慧调度指挥、基于矿业大数据和云计算的矿山高端服务管理平台等技术方面的研究。

随着技术和政策的成熟［9］，云计算、物联网、大数据和人工智能等新技术得到蓬勃发展，在诸多行业，尤其在能源和制造业广泛应用，成为传统企业战略转型和产品创新的核心驱动力。在传统矿山行业，淡水河谷、力拓、巴里克、GE、西门子等领先矿业公司或设备制造商早已着手实践，驱动新技术应用从理论层面向实践层面跨越，形成一股强大的应用潮流。

2 金属矿山数字化转型途径

2.1 装备智能化

装备智能化是聚焦矿山生产及安全相关的大型固定设施、固定设备、移动装备等底层设备设施的升级改造，或通过加装其他传感装置和智能设备，以满足智能矿山的建设要求。

智能装备的建设依托于全面覆盖垂直的物联网结构，通过对生产流程、设备、环境、人员等相关数据的实时采集，实现智能感知改造升级，实现对业务、流程、状态等全要素智能监控；通过物联网关，将模型、算法部署在设备侧，形成生产现场边缘控制能力。

（1）全面垂直的物联网。在现有“矿山局域网+工业以太环网+无线网”的基础上，推动5G 网络、WIFI6 等无线通信技术在生产过程中的应用。根据不同的设备类型，通过安装各类物联网终端，实现固定装备、移动装备、作业人员的处处相通和物物互联。

（2）智能感知。要进行装备智能化，首先要通过先进的技术手段，实现环境、状态等智能感知。在物联网的基础上，通过IoT 技术，实现各类设备、仪表能够联网，并实现关键生产环节装备的实时连接、工况监控和数据采集。不论是智能监控，还是边缘控制，智能感知技术提供了必要的数据支撑。

（3）智能监控。智能监控需要根据不同的设备，依托于设备各类工况数据的采集和积累，通过大数据平台建立健康状态模型，并通过人工智能的算法自主学习更新。在健康状态管控方面，通过技术手段，使设备能够自诊断。

（4）边缘控制。所谓边缘控制，是通过在设备端加强计算、存储、网络、应用、控制等能力，在智能感知的基础上，通过提高IoT 设备的处理能力，实现在设备现场对数据的直接处理分析，并输出计算结果，甚至下达控制指令，做到对生产工艺参数、设备控制的及时响应。

在装备智能化方面，目前国内金属矿山多有研究和应用。如山东黄金三山岛金矿利用5G+人工智能技术实现远程操控无人驾驶凿岩台车，由凿岩台车无线通信、视频传输进行自动化控制，应用5G网络通信技术实现了实时采集和上传采矿车各种运行数据，并进行远程无线遥控工作。招金矿业大尹格庄金矿通过研究和应用矿井通信网络关键技术、井下装备精确定位导航及智能避障关键技术、装载机器人超视距控制与移动控制站关键技术，对铲运机进行智能化升级，实现高危作业区的超视距遥控遥测作业。金川二矿区通过井下矿卡自动驾驶集群控制技术，建立智能调度系统，实现了矿卡作业任务自动下发和执行，计划2022 年实现井下矿卡无人驾驶集群运输。

2.2 生产智能化

以“矿石流”和“数据流”为主线，建设少人甚至无人化的智能采矿、智能选厂，同时提升各类生产辅助系统及安监系统的运行效率及管控力度，打造覆盖全工艺流程、决策优化、保障安全的智能矿山。

智能矿山的建设依托于各矿山当前的机械化和自动化基础，对现有装备进行升级改造，加装相应的传感装置，实现对生产数据、设备数据、环境数据的自动采集和上传，将生产过程数字化、可视化，实现生产现场的实时监控和对生产全局的掌握。

在此基础上，对现场的海量数据进行分析，以稳定工艺流程，优化生产效率，降低生产成本为目的，配合现场实际情况，辅以人工智能、机器学习等手段，针对各工艺系统进行数据建模，以模型输出结果指导现场生产优化。

（1）智能采矿。智能采矿系统建设目标是建立“地质建模—采矿设计—采场出矿—矿石运输—尾砂充填”的精细化、智能化闭环管理。通过建立地测采数字化协同系统，构建资源管理基础，为实现资源高效开采、采矿设计优化和作业管理提供数据支撑。通过采用人工智能、自动控制、融合网络等技术实现井下固定设施、无轨装备、有轨运输系统的实时监控、远程遥控操作和智能化自主运行。2018 年，福建马坑矿业开始探索建设地下矿山生产技术协同平台项目，涵盖矿山地质、测量、采矿通风和掘进计划等全业务链，有效提升了矿山的采矿智能化水平。

（2）智能选矿。在建立和完善自动化控制系统的基础上，稳定选矿生产工艺流程，实现生产远程集中监控和操作，减少一线人员数量，降低人员劳动强度。通过大数据平台获取和分析历史数据，建立选矿作业流程的闭环控制，实现磨矿分级溢流浓度和细度、精矿品位、回收率等关键工艺指标稳定与优化。配套图像识别、数据建模、机器学习等先进技术，逐渐实现选矿生产全流程的智能化无人值守。2019 年，招金矿业大尹格庄金矿建设完成无人值守智能选矿系统，通过对选矿工艺过程与控制策略的研究，实现了不确定“矿性变化”下的工艺响应控制；解决“矿石装载量”的软测量与判定问题；实现对选矿全流程生产的状态监测、工艺的智能控制及设备的故障诊断。并通过对选矿全流程进行的动态优化决策，提高选矿的各项技术指标，同时，实现选矿生产系统的自动运行与无人值守。

（3）智能生产辅助。针对矿山位置固定、设备运转规律性强、自动化水平相对较高且相对关键的辅助生产作业系统，进行数字化、智能化升级，在实现现场无人化操作的前提下，通过智能控制算法保证系统连续高效运转，实现这些系统的全面无人值守。2021 年，招金矿业大尹格庄金矿，进行了提升、排水、通风、配电等系统的无人值守建设，实现了相关系统的远程集控操作，并通过大数据分析进行智能控制，实现了系统的高效节能运行。

（4）本质安全。在原有安全生产六大系统的基础上，利用GIS、MIS、监测监控、物联网等技术，对安全、环境要素进行自动化数据采集并上传，通过大数据平台进行数据处理、分析及风险预警。智能矿山在安全方面的重点工作包括优化人员定位系统、规划建设地压微震监测系统、建立健全安监避险系统。招金矿业建设的矿山安全智能集控平台利用图像特征提取、视频模式识别、大数据智能分析等技术，对众多监控视频进行智能分析监管，提前发现违规现象与安全隐患，并及时报警和预处理；研发三维矿山综合分析“一张图”系统，将人员定位、环境监测数据、尾矿库监测数据集成接入系统中，并进行场景匹配，建立多维度信息查询、分析和展示功能；利用物联网、大数据进行矿山在生产、消防、环境、设备状态等方面的风险进行全面辨识，准确及时报警，并快速定位风险发生位置；建立矿山动态安全风险评估体系，研究风险分级预警与预警信息发布技术及系统，并实现矿山与公司总部两级信息可视化联动。

（5）数字孪生。数字孪生是通过多维模型和数据融合，并利用映射、交互等手段，对物理世界进行仿真、优化、预测和控制。为加快数字矿山建设，推进矿山数字化转型，应该充分研究如何利用数字孪生技术建立矿山智能管控平台，对设备、系统、环境进行实时监控，便于矿山各级调度管理人员进行有效分析决策，同时也有利于为专家、技术人员提供优质的远程服务。建立基于数字孪生与工业互联网技术融合的数字孪生矿山信息平台，为数字化矿山建设提供新思路和新途径［10］。招金矿业大尹格庄金矿规划建设的基于数字孪生技术的矿山安全生产模拟仿真综合管控系统，将搭建起涵盖安全生产全流程和全要素的数字孪生体，实现安全生产管理全系统的综合展示和监管、关键工艺参数实时显示、空间遨游与交互；并基于数字孪生技术，研究实现装备升级、工程条件改造与采矿方法和作业工序的融合优化，为矿山各级调度管理人员和技术人员提供1套四维时空管理工具。

2.3 大数据融合

通过对现场生产数据、设备运行参数以及其他环境和人员等信息的实时采集、清洗处理和汇集，同时辅以生产计划、设备物资使用等信息，横向集成地质资源、生产计划、采矿作业、选矿作业、财务管理、设备管理、安全管理等环节的全流程闭关数据流，纵向打通管理层、生产部门、职能部门之间的流程和数据壁垒，建设大数据级的数据平台，实现业务、流程、要素的全面覆盖，进行多角度展示和分析，提供决策优化手段。基于灵活的指标监控、报表查询、多维图形展示和综合分析等技术手段，根据矿山、车间、中段的生产过程和经营活动，按照不同系统、不同主题进行分析展示、深度挖掘，为生产、管理人员提供1个应用创新的平台，让一线人员、专业人员能够在日常生产运营过程中发现和解决问题。

招金矿业大尹格庄金矿建设的黄金智慧矿山数据决策平台，从决策需求出发，通过大数据技术对生产和运行数据开展深度分析，构建产量、效率、设备及能源4个方面的管理指标监控体系，通过多维图形化展示使数据可读可用，为用户识别产能提升瓶颈、评估生产效率、掌握设备劣化趋势及合理压缩能源消耗提供量化依据。以提升、破碎、排水3 个系统为突破点，通过工艺分析和历史数据建模，在不改变现有工艺、不增加硬件投入的情况下，帮助矿山降本增效，取得显著的经济效益。

2.4 智慧化运营

智慧运营是在智能矿山的持续建设过程中，站在企业运营的层面，对矿山整体的生产情况、设备运行情况、物资采购和使用情况等方面，按照运营条线，横向协同打通各条线的数据和流程，结合大数据平台，打破各条线之间的信息孤岛，全面服务于企业的战略管控、落地和执行跟踪，提升矿山整体运营管控能力。

招金矿业建设智慧运营中心，实现对下属矿山生产数据的全面管控，提升矿山生产精细化管理水平。在全局掌控生产运营的基础上，形成以数据为导向的统筹、协调和生产调度。通过对矿山的能源、生产等数据的自动采集，在公司层面纵向打通数据统计的链路，实现生产管理相关数据指标的实时接入和查看，及时且准确掌握各矿山真实的生产运营情况。智慧运营中心辅助决策生产计划制定、生产调度以及生产数据的快速统计和汇总，加大公司层面对各矿山生产运营指标真实情况的掌握，建立能耗和单耗的对标管理体系。不断加大公司总部和矿山层面数据积累和分析，由传统以经验为主转换为以数据为导向的决策方式。

3 结 语

创新、安全、集约、绿色、智能是金属矿山高质量发展的必由之路，是矿山企业加快数字化转型工作的动力和目标。金属矿山数字化转型是一项艰巨性、长期性、系统性工作。数字化转型离不开企业现有的土壤，必须结合行业特征和企业核心能力，集成创新。以智能矿山建设为目标，坚持“统一规划、分步实施”原则，从全局层面进行顶层设计，明确各建设阶段目标，既有远期目标打算，又要有近期重点工作，合理有序推进数字化建设。