與印象中灰蒙蒙、臟亂差的礦山印象不同，青州中聯水泥有限公司礦區(qū)不僅干凈整潔，還是天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司（以下簡稱天津水泥院）的智慧礦山應用試點。無人駕駛的智慧礦車滿載礦石，自動運輸，井然有序。這只是天津水泥院開展智慧礦山研發(fā)的縮影。

▲青州中聯采礦現場

從2019年開始，天津水泥院以安全、綠色、智能、高效、少人為目標，面向露天礦山場景，圍繞礦企存在的安全、質量、成本等痛點問題，自主研發(fā)基于數字孿生模型的統一數據共享中心、礦山資源管理平臺、礦山生產運營管理平臺與礦山無人運輸調度平臺，集成研發(fā)無人駕駛礦車。

到今天，天津水泥院初步構建了“1+3+1”智慧礦山建設模式，形成低成本、數字化、少人化智慧礦山系統解決方案。

01 智慧礦山是困難更是機遇

此前礦山穿孔、爆破、采裝、運輸、卸料等環(huán)節(jié)都離不開人工。智慧礦山建設是實現礦山安全生產、降本提質增效、提高市場競爭力的重要手段。

借助智慧礦山建設，把危險的工作讓機器去做，工人遠程操控，出現異常及時干預調整，可使礦工的作業(yè)內容由重體力勞動向輕體力、腦力勞動轉變，告別“苦、臟、累、險”，能夠更安全、更體面地工作。為實現這一目標，天津水泥院決定攻克建設智慧礦山的難題。

困難即機遇。2019年起，天津水泥院通過內部挖潛員工與外部吸納專業(yè)人才，組建了項目團隊。深耕水泥行業(yè)多年的經驗帶給項目團隊天然的優(yōu)勢，沒有人比他們更了解礦山的各個場景、裝車、卸料、路徑規(guī)劃及與上層系統如何對接。

通過學習及創(chuàng)新，天津水泥院自主構建了“1+3+1”智慧礦山建設模式，具體包括1個打通數據鏈路、挖掘數據價值的數據共享中心，實現礦產資源精細化動態(tài)管理的礦山資源管理平臺、實現全方位數字化生產運營的礦山智能生產運營平臺和無人運輸調度平臺3個平臺，以及1套包括無人駕駛礦車及遠程駕駛挖掘機在內的礦山無人運輸整體解決方案。

▲礦山無人運輸調度系統

02 礦車有了“智慧腦”

一座年產500萬噸的水泥用灰?guī)r礦山，12臺礦車3班制運行，需要36名司機；而采用無人智能礦車系統，則不再需要在崗司機，取而代之的是每班1個中控操作員和2個應急維保人員。僅此環(huán)節(jié)就可減員27人，減員75%。不知疲倦的機器取代了人力，每日作業(yè)時間就延長了，提升了臺班效率，提高了單臺設備勞動生產率，從而降低了生產成本。此外，礦車不再實時需要駕駛員，也就消除了人身安全事故隱患，提高了礦山安全等級。同時，如果使用無人礦車取代人工駕駛，只需要少數幾名運維人員對整個系統做監(jiān)控調度和路徑規(guī)劃，還可以解決因人員換班所造成的開采停工問題，真正實現礦山24小時連續(xù)不間斷作業(yè)，顯著降本增效。

▲無人駕駛系統解決方案

2020年起，天津水泥院開始布局搭建一個真正低成本、易落地的露天礦山無人運輸系統解決方案，露天礦山礦車無人駕駛和礦山智能調度系統就是近年來的最新研發(fā)成果，也是天津水泥院代表性的轉型示范成果。

目前，天津水泥院已完成青州中聯礦區(qū)2臺無人駕駛礦車的改造和礦車調度系統的搭建，實現了全流程無人化編組運行，無人駕駛礦車總計運礦量超過4萬噸。短期來看，使用燃油無人礦車能夠節(jié)約10%左右的運營成本（主要是油耗差距不大），經過三年左右的時間，投資曲線便能與之前持平。長期來看，使用燃油版無人礦車能夠節(jié)約15%左右的綜合運營成本，且礦山規(guī)模越大，車輛越多，無人化產生的經濟效益更高。未來如果使用新能源無人礦車，還能進一步節(jié)約能耗，運營成本將大幅降低。

離開了人的操作，這些又大又重的礦車，是如何實現如此大規(guī)模的無人運輸呢？

▲無人礦卡硬件總成方案

露天礦山無人駕駛運輸系統的順暢運行，靠的是“大腦”和“四肢”的智慧協作。天津水泥院通過在無人、低速、路徑相對固定的礦山場景搭建5G通信網絡與定位基站，構建云、車、地協同無人化運輸系統，礦車自動循跡駕駛，完成無人化運輸與輔助作業(yè)，解決礦山生產運輸關鍵一環(huán)。云端平臺可以實現運行仿真、調度模擬、任務調度、路徑規(guī)劃、路權分配、實時監(jiān)控與動態(tài)調整。同時，礦車端具有線控底盤、定位、感知、計算元件，搭載控制軟件，可實現單車駕駛自動化。網絡與定位基站提供全覆蓋、高可靠、低延時與大帶寬，定位可精確至厘米級。

▲無人礦卡會車讓行

03 數字化管理至細微處

天津水泥院的智慧礦山平臺以“業(yè)務流”與“礦石流”為主線，在對行業(yè)深刻理解與礦山長期存在的一系列痛點問題及解決辦法進行內化的基礎上，將知識、經驗與問題措施模型化，形成了一套貼近業(yè)務、易實施的數字礦山系統解決方案。

據相關技術人員介紹，以“業(yè)務流”為主線，就是要改變傳統礦山經營理念和管理模式，建立起一套適用于智慧礦山生產運營管理的組織管理體系，通過合理的組織分工，有效地協調生產任務和管理流程，實現對礦山的智慧化管理。以“礦石流”為主線，就是要對包括礦山規(guī)劃、地質建模、采掘計劃、采礦設計、爆破、鏟裝、運輸等在內的礦山生產全流程進行智能控制，這也是天津水泥院今年的年度重點研發(fā)項目。

“所有的石頭都可以用得上，實現零排廢，便是‘礦石流’。通過爆破設計、爆破模擬及爆堆品位估值系統，進行爆破效果預測與模擬，建立精準爆堆品位模型，能夠優(yōu)化爆破參數，降低爆破大塊率與炸藥單耗，提高配礦精準性。”

▲礦山生產運營平臺

天津水泥院通過構建礦山資源三維可視化和精細化管控系統，可以實現礦山資源看得見、說得清、管得住。礦山生產運營平臺根據生產計劃產量要求與質量控制標準，結合爆堆剩余礦量、爆堆精細化品位模型、鏟裝設備能力與運輸路線，通過智能配礦系統，對采場內現存的多個爆堆，進行智能配礦，在滿足產量與礦石質量的前提下，盡可能搭配利用低品位礦石，生成配礦指令。并將配礦結果與卡調系統相結合，任務分解至具體班組、人員和設備，并向車載終端發(fā)出指令，鏟裝完成后自動計量，并上傳至數據中心，便可實現對礦石質量的精細化管理和生產過程的實時掌控。

未來，天津水泥院將圍繞水泥生產主業(yè)，在“數字礦山、智慧礦山、綠色礦山”發(fā)展理念下繼續(xù)發(fā)揮技術創(chuàng)新優(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測、邊坡監(jiān)測、零外購電等領域進行深度研發(fā)，打造自感知、自決策的智慧礦山運營系統，建成無人、低碳、綠色、本質安全、高效、智能的現代化公園式綠色礦山。