数字化矿山建设整体架构思路

中国矿业中MINING国矿MAGAZINE业CHINA

Vol.21,zk

August第201221卷

浅谈数字化矿山建设整体架构思路

白复锌，王善功，姜顺鹏，牟恩富，唐显令

（山东黄金矿业（鑫汇）有限公司，山东平度266715）

摘

要：我国是世界矿产大国，但矿产资源是不可再生的宝贵财富，由于采矿工业涉及到国家的资源利用、

环境保护、人身安全和可持续发展战略，所以“数字矿山”技术多年来一直是世界采矿大国包括美国、加拿大、澳大利亚、南非和我国科技研发的重要领域之一。本文从我国数字化矿山的现状出发，探讨了数字化矿山的功能体系，对建设数字化矿山的关键技术进行系统地分析。

关键词：数字化矿山建设；关键技术；功能体系；整体架构中图分类号：F407.1

文献标志码：A

文章编号：1004-4051（2012）zk-0048-04

Discussionontheconstructionofdigitalmineintegratedarchitecturedesign

BAIFu-xinWANGShan-gongJIANGShun-pengMOUEn-fuTANGXian-ling

（GoldmininginShandong(Xinhui)CompanyLimited，Pingdu266715，China）

Abstract:Chinaisabigcountryofworldmineralproducts,butthemineralresourcesarenon-renewablepreciouswealth,becauseminingindustryrelatestothenationalresourceuse,environmentalprotection,securityofthepersonandcandevelopthestrategycontinuously,sothe“digitalmine”technologyovertheyearshasbeentheworldminingpowersincludingtheUnitedStates,Canada,Australia,SouthAfricaandChinaoneoftheimportantfieldsofscienceandtechnologyresearchanddevelopment.Thistextisfromtheourcountrydigitalminecurrentsituationsetsout,discussedthefunctionofdigitalminesystem,constructionofdigitalminingkeytechnologyaresystematicallyanalyzed.

Keywords:constructionofdigitalmine；keytechnology；functionsystem；overallarchitecture

国内金属矿山企业一直处于劳动密集型的机械化初级水平，管理方面比较粗放，技术和装备水平落后，决策、设计、生产等许多环节都是依赖于经验，科学性程度不高，如安徽铜都铜业、金川集团、江西铜业、山东黄金、招金等仅在计算机辅助设计、信息管理系统、人力资源管理、财务管理、安全监控、选矿自动化控制等部分环节实现信息化。随着经营管理、生产安全、市场竞争等因素的影响，企业信息化的热情与信心越来越高，但需整体统筹规划，通过搭建数字矿山公共平台，集成各生产应用与管理系统，全面建设数字矿山，以提升非煤矿业安全管理水平，提高市场竞争能力和可持续发展能力。

收稿日期：2012-06-25

白复锌（1960-），男，吉林通化人，采矿工程专业毕业，硕作者简介：

士，山东黄金矿业（鑫汇）有限公司总经理，长期从事矿山生产技术和管理工作。

目前，尽管金属矿山信息化建设有一定基础，但矿山既没有把信息资源当作矿山的重要战略资源之一加以统筹开发和综合利用，更没有建设成系统性能稳定、信息资源充足的矿山信息基础设施即数字矿山，主要表现在：

1）矿山企业对数字矿山缺乏科学的认识和有

效的方法。矿山普遍混淆信息化建设与数字矿山建设概念。数字矿山是信息自动化、三维自动化模拟、现场作业自动化有机的结合体。目前国内对数字矿山的定义的范围还是比较模糊或不全，数字矿山不同研究领域的人定义的数字矿山内容不一，从而也赞成不少矿山企业认为上了部分自动化项目或监控项目、实现了财务管理电算化、地测采专业的计算机绘图和办公自动化等就是实现了“数字矿山”。数字矿山管理内容应该是包括模型、图像、声音、图表、机械及电力自动控制等信息的全方位一体化的

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集成管理。对于一项综合的、长期的、覆盖面广的数字矿山建设工程，清晰的思路和循序渐进的有效方法是成功的关键因素。由于矿业行业普遍缺少数字矿山建设的经验积累，而且黄金矿山行业的个性化特点比较突出，借鉴的成功经验又少，所以要建设“数字矿山”，必须做到“总体规划、分步实施、步步为营、持续见效”。

2）行业化产品与服务不足。矿山企业的业务具

有鲜明的行业特点，数字矿山建设覆盖的专项系统数量多、种类多、行业适应性要求高，生产系统其生产运营模式不同于其它制造业，因此非常需要行业化、专业化的产品和服务，目前市场能提供的数字矿山建设的行业产品及技术服务严重不足。

3）部分企业重硬件轻软件，对硬件购置和网络

建设投资大，但不愿意进行软件投资。

4）系统孤立，存在信息孤岛。由于缺乏统一规

划和数字矿山平台，矿山建设的信息系统、辅助设计系统、监控系统、安全分析管理系统等独立运行，信息不能共享，没有实现基于数字矿山公共平台的“数据采集-模型建立-智能决策-控制生产”的数字化闭环系统。

1数字矿山建设的目标

数字矿山的建设是一个庞大的系统工程，其长期目标是：实现资源与开采环境数字化、技术装备智能化、生产过程控制可视化及自动化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化。结合当今世界科技的发展水平及我国矿山现阶段的技术装备与管理水平，我国数字矿山的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经之路，就目前而言，我国数字矿山建设的具体目标是：

1）采用成熟的计算机软件系统，实现从矿山资

源、开采方案优化、设计、生产计划与开采环境的数字化、模型化与可视化。

2）建立以光纤、泄漏电缆或无线通讯为主体的

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，实现矿山数据的分布式共享。

3）采用先进传感器网络技术，实现矿山生产过

程、设备、安全与开采环境监控等数据的自动采集、智能分析与可视化处理。

4）采用工业以太网、PLC智能控制及视频监视

系统，实现对矿井提升、运输、通风、排水、选矿、氰化、冶炼等系统及设备的智能化集中监控及自动控制。

5）采用先进的生产调度系统，实现矿山生产人

员与移动设备的定位、跟踪及生产过程智能化调度与控制，全面提升矿山的生产管理与决策的科学性。

6）采用先进的ERP理念，实现矿山生产经营管

理信息化、科学化，决策实时化。

7）采用数字矿山一体化平台，通过综合图表、

声音、图像、模型等信息，为矿山生产经营提供形象生动决策依据。

2数字矿山建设的基本内容

数字矿山构成示意图见图1。数字矿山建设主

要包括以下几方面。

1）企业协同办公系统（OA）。2）矿山三维辅助系统（GIS）。3）企业资源管理计划（ERP）。4）生产执行管理系统（MES）。5）井下地表通讯系统。

6）过程控制管理系统（PCS）:①视频监控；②

人机定位；③尾矿库监测；④提升运输控制；⑤通风排水控制；⑥选矿冶炼自动控制。

图1

数字矿山构成图

2.1协同办公管理(OA)

协同办公是定位于企业及政府单位信息化建设的核心软件平台，通过协同软件建立“工作流、信息流、物流、资金流”四流合一的信息化应用框架。加强知识文档、系统数据、公共信息、个人消息等方面的沟通能力。其核心价值体现在以下功能模块：

①系统管理；②首页管理；③邮件管理；④表单管

理；⑤公文管理；⑥档案管理；⑦会议管理；⑧资源管理；⑨信息集成管理；⑩工作交流管理。

2.2数字矿山三维辅助决策(GIS)

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中国作为数字矿山建设的核心基础平台，通过三维

建模和仿真虚拟技术，重现采掘生产环境，集成管理矿山采掘生产辅助决策系统、生产计划调度系统、安全生产调度指挥系统和生产经营管理决策系统等，实时进行矿山安全生产与经营管理的可视化调度、监控与分析决策，为矿山安全生产管理、计划调度以及应急救援指挥提供技术支撑。

2.3企业资源计划(ERP)

矿山ERP主要是针对矿山企业以计划为龙头

的粗放型管理特点来确定其功能和流程的，由此确定十三个功能模块：①系统管理；②储量管理；③计划管理；④生产管理；⑤安全管理；⑥设备能源；⑦运输管理；⑧采购管理；⑨仓库管理；⑩选冶管理；人力薪资管理；销售管理；财务管理。

2.4生产执行系统(MES)

MES(ManufacturingExecutionSystem)是面向车

间层的生产管理技术与实时信息系统。MES可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交货、提高产品的质量和提高服务质量。MES关键是使“计划”与“生产”密切配合，企业和车间管理人员可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，作出准确的判断和快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速修正。为企业生产管理人员进行过程监控与管理、保证生产正常运行，控制产品质量和生产成本提供了灵活有力的工具。

2.5井下地表通讯管理

系统以光缆、泄露电缆为基本的信息传输媒

介，采用TCP/IP协议，构建井下局域网络，并实现与井上矿山内部网和Internet的连接。井下部分为实现不同目标，分解为语音通讯模块，满足监测和设备、交通监控目的需要的数据传输模块;井下移动人员与设备的定位、跟踪和调度模块;视频监视模块等。采用这样的模块化结构，可以根据自己的需要和针对不同的目标，在不同阶段，分期、分步实施。

2.6过程控制系统(PCS)

过程控制（PCS）主要指的是底层自动控制，如

视频监控、运作控制。矿山过程控制主要有视频监控、人机定位、通风排水控制、提升运输控制、尾矿库监测、选冶自动控制等方面的管理。

2.6.1视频监控系统

视频监控系统设计思路及原则包括：

1）基于全数字视频技术组网。

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2)基于IP组网：网络视频服务器都以IP地址

进行标识，监控系统可直接连入网络，没有线缆长度和信号衰减的限制。网络是没有距离概念的，它彻底抛弃了地域的限制，实现远程监控和管理。.

3）支持Web浏览：授权用户可通过企业内部网

或Internet浏览视频监控实时画面。

4）支持视频多播及组播：主监视计算机可通过

组播功能，向各监视分站屏幕发送信息，任意一路视频信号支持多客户端同时浏览。

5）支持音频组播：利用音频组播功能，向各监

视分站发送音频信息。

6）方便的录像系统：主控计算机可以随时控制

每路视频的录像，并提供录像查询功能；7）在中央调度室建立大屏幕监视总站，各井口及充填系统建立小屏幕分站，各站点均能显示设备运行的实时监控画面。

2.6.2人机定位管理（HEPS）

主要功能如下：

1）识别卡管理：包括新进识别卡入库、识别卡

分配、人车变更识别卡、人车识别卡匹配查询等。

2）升降井人员自动记录：具体显示每个下井人

员确切的下井时间和上井时间。

3）PDS/CAS反碰撞系统：在车辆和人员，车辆

和车辆相遇时提前进行报警，以提醒司机和行人，避免事故发生。

4）重大危险信息警示：动态显示矿井各个区域

的危险信息，为工作人员下井提供当时工作区域所存在的风险和危险因素，以及该采取的措施；在井下一些重要峒室、危险场合(如盲巷等)配备语音站，可有效地阻止人员违章进入，并将违章人员记录在案。

5）实时定位：经过软件分析处理直接在屏幕上

显示出井下各巷道人员及车辆的分布情况；可实时查询当前井下人员及车辆的数量及分布情况、任一指定井下人员及车辆在当前或指定时刻所处的区域。

6）轨迹回放：查询任意日期的任一井下人员的

当日活动轨迹。

7）统计分析：对全矿井按班、日、旬、月、季、年

的下井次数、时间等分类统计进行查询和打印；对任一人员按班、日、旬、月、季、年的下井次数和时间等进行分类统计查询和打印。

8）实时定位LED大屏显示。2.6.3尾矿库监测、预警

尾矿库视频监控主要用来取代人工对尾矿库

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库区表面、尾矿排放与筑坝等生产过程情况进行观测和巡检，高效率地掌握和指挥尾矿库生产，同时还可以方便地观察闲杂人员或牲畜进入尾矿库区等各种情况。

2.6.4通风排水控制

通过实时监测矿井风压、风量、通风机功率、轴承温度、电机绕组温度以及通风机开停、反风等状态信号及时发现矿井通风异常情况，发出报警信息，传送至信息管理中心，按相关预案使隐患得到及时有效处理。

2.6.5提升运输控制

提升机运行安全监控管理包括以下内容：

1）传感器管理：系统提供提升机运行安全监控

传感器信息管理功能，系统将各种传感器在GIS平台上进行定位，用户可以在传感器信息管理界面对各种数据进行浏览和查询等操作，将相应的数据以图标的方式体现出来。传感器信息主要包括：传感器编号、传感器类型和传感器状态等信息。

2）数据展现：可以查询传感器的动态数据，包

括当前及历史状态、报警信息等，可以以文字和图形的方式对当前以及历史状态进行显示。

3）智能诊断：对传感器数据进行挖掘，智能判

断处于危险运行中的提升机，并进行报警。

2.6.6灾害警情参数监测报警

灾害警情参数监测主要包括机电硐室和自燃火区火情的温度、气体浓度，地压活动的压力、应变参数，水仓和特殊地点的水位高度，井下的温度、粉尘浓度、有害气体浓度、风流速度、风流温度、风流湿度等。

2.6.7安全生产调度指挥系统

安全生产调度指挥系统是集现场信息采集、传递、处理、切换、控制、显示、决策、调度指挥于一体的高科技综合性系统工程，实现对矿山生产持续、全面、有效的监管，及时掌控矿山安全生产数据，识别矿山生产中的风险，对矿山生产中的（可能发生

的）风险进行提前预警，加速化解这些潜在的风险，是提高防范和化解矿山风险能力、确保矿山安全高效稳健运行的重要举措。

2.6.8选冶自动化（PCS）

选冶自动化建设包括控制中心、破碎洗矿、磨浮脱水、尾矿输送、球磨机磨矿、旋流器分级、浮选、浸出洗涤、锌粉置换、脱水、污水处理、金泥予浸除杂、氯化浸金、金还原、银置换、沉淀过滤、银电解、精炼铸锭等作业过程，选冶自动化主要是控制其中过程环节中的粒度、浓度、流量、液位、温度、压力、湿度、电位、传送皮带速度、室内氰化氢浓度等参数。

3结语

目前，随着矿山开采深度增加，矿山开采条件

越来越恶劣，金属含量高的矿石也越来越少，对采矿安全环境的要求也越来越严格，矿山安全生产需要科技支撑与技术创新，只有建设数字矿山，通过数字化采选冶、虚拟现实和仿真、远程无人值守自动化采矿，才是解决这些瓶颈的必由之路。

通过建设数字矿山，实现采矿生产数字化、自动化，经营管理信息化、科学化，使采矿生产、经营管理工作规范化、系统化、标准化，可持续开采矿产资源，降低成本，提高安全生产管理的可视化水平，及时掌握生产经营与管理动态，根据金属市场价格和生产条件实时合理调整生产计划，把握销售时机，实现利润最大化，同时，提升矿山安全管理水平，降低安全事故，建设和谐矿山。

参考文献

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