北京走向矿业的未来智能采矿

走向矿业的未来

─智能采矿中南大学古德生2013年6月前言

现代采矿科学技术发展很快，新的学术思想、理论、技术不断涌现。纵观矿业发展的大趋势，我国金属矿业面临三大发展主题：①坚持矿业的发展道路——绿色开发②开拓矿业的前沿领域——深部开采③走向矿业的未来目标——智能采矿本报告要讲的是第三个发展主题—智能采矿。进入21世纪，信息技术快速发展，给传统矿业带来巨大的冲击。我国是个矿业大国，但不是强国,

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是个相对落后的行业。要改变这种状况，唯一的出路是发挥后发优势,走工业化与信息化融合发展的道路,推进矿业走向未来——智能采矿。

下面讲六个问题：

①金属矿业支撑着国家经济发展

②以信息技术带动矿业的发展

③矿业工业化与信息化的融合

④矿山信息化的基础—数字矿山

⑤矿业未来的目标—智能采矿

⑥创新驱动智能采矿技术研究2一、金属矿业支撑着国家经济发展1.我国已成为世界工业大国

◆工业发展速度与规模—

1979年,全国工业总产值约4600亿元，到2011年增加到85万亿元，增长了184倍。发展速度和规模前所未有。

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◆工业化水平—

2005年，我国工业化水平综合指数为50，多年来，综合指数年均提高4-5；到2012年，工业化水平综合指数已达到80左右,已由改革开放初的工业化早期阶段，进入到了工业化后期阶段。32.国家的金属产量持续增长近十年来，金属产量大幅增长(如下表1)。

从1990-2010年，人均GDP增长20.8倍，同期钢增长8.4倍，十种有色金属增长7.5倍。没有金属产量同步增长，就没有国民经济的可持续发展。年度1990199520002002200520082010人均GDP,美元2005818201090170332664361钢产量，万吨653596361285022234349365400063000十种有色金属量,万吨23949678312601635252018004

3.人均资源消耗强度的高峰期

据有关研究，工业化过程中，随人均GDP的增长，人均资源消耗将呈“S”形曲线变化，（如图1）。mn人均矿产资源消耗人均GDP

今后15-20年，我国人均资源消耗强度将达到高峰期，资源供给问题将更加严峻。5

我国粗钢、铝、铜等主要金属消耗量，将于2015—2025年达到高峰期（如下表2）。

年份金属2009年2015年2020年2025年2030年高峰期年粗钢,亿吨6.56-76.65.62015铝,万吨14392000270016002025铜,万吨75380014009002025

当前,我国六种金属Cu、Pb、Zn、Al、Ni、M0的人均消费量,只有美国的1/5.9--1/32.4。64.主要金属资源的对外依存度高

由于工业化城市化的快速发展，资源消耗猛增，资源对外依存度攀升（如下表3）。

2010年中国人均GDP为7371美元,粗钢消费强度达69.4吨/百万美元,已超过发达国家消费峰值的上限，理应缓慢下行。但并非如此。金属品种时间,年金属消耗量万吨/年年消耗量占全球比例%达峰值时间,年峰值需求量,万吨/年资源对外依存度%钢铁201365000/20156-7亿吨65-75%铝201016504620252700-300050%铜20107533620251400-160070%7二、以信息技术带动矿业的发展1.人类文明过程中矿业的发展阶段(见图2)●

据人类各发展阶段的矿产品的需求，划分为:

①传统矿业阶段。铁.铜.铅.锌.锡.煤,是人类社会初期到工业化初期、所依赖的矿产品。

②现代矿业阶段。铝.铬.锰.钨.镍.矾.石油.天然气等，是工业化时期急迫需求的矿产品。

③新兴矿业阶段。新需求的矿产品有锗.铂.稀土.

钛.锂.铀等，是后工业化进入高技术的时代。8目前,我国金属矿业正处于现代矿业的中期阶段。

92.我国金属矿业的基本状况●

矿山有19600多座，地下开采为主，分三类：

①少数现代化大型矿山。其装备技术水平和资源综合利用程度，接近矿业发达国家水平。

②相当数量的中型矿山。其装备为上世纪七十年代水平，资源综合利用率较低，管理粗放。

③大量的小型矿山。机械化程度低、管理粗放、

安全、环境问题突出，资源浪费严重。

我国金属矿业总体上落后于国家工业化的整体水平。103.发展矿业信息技术的战略意义

①何谓信息技术？

——是研究信息的获取、传输和处理的技术；主要包括计算机技术、通信技术、传感技术和微电子技术。

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信息技术具有三个特性——应用的广泛性；技术间的融合性；发展空间无限性。

这些特性驱动着传统产业的变革、使企业效益倍增、工业化进程加快。11

②发展信息技术是重大战略举措

信息技术是新技术革命的支柱：其一，是因为GDP增量的贡献最大,为其他产业发展提供了支撑；其二，是它对整个社会政治、经济、文化生活（从电子政务.电子商务.网上银行.现代服务业到多媒体和文化产业等）产生重大影响，对全球经济做出巨大贡献。改变人类一个时代。金属矿业如何实现跨越式发展，唯一出路是用信息技术改造传统矿业。124.关于矿业发展路径的思考

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人类发展史是先有农业国的工业化，然后才有工业国的信息化。因此，有人就认为我国矿业的发展应该先工业化，后信息化，似乎“两化”只能非此即彼。持这观点人认为，矿业信息化并非当务之急，因此，矿业信息化也就举步维艰，这是个误解。事实上，信息化是发展最快、最为先进的生产方式，它代表了人类社会的前进方向。虽然信息化不能代替工业化，但它是各行业发展工业化的巨大推动力。135.走工业化与信息化融合的发展路径我国矿业在面向未来的追赶中，应该选择现代化的运河战略—走工业化与信息化融合的协调发展道路（见下图），理由如下：

①是实现矿业经济现代化目标的需要

我国目标是在2050年达到发达国家水平。然而，当前我国矿业总体上只处于中等发达的阶段,如果走传统发展道路，则中国矿业现代化需要60-80年时间。所以，要开拓创新，另辟新径。14②是经济全球化的需要世界矿业经济已经走向全球化。我国是个相对落后的矿业大国，矿产资源对外依存度很高，如果走传统发展道路，中国矿业如何适应经济全球化，参与国际矿业的竞争。基于上述原因，中国矿业必须利用先进信息技术这一后发优势，走工业化与信息化融合的协调发展道路，才有可能实现跨越式发展，实现矿业强国的梦，别无选择。1516三、矿业工业化与信息化的融合1.何谓信息化？

——在信息网络环境下，高度应用信息技术，共享信息资源，人的智能潜力和社会资源潜力得到充分发挥，个人行为、组织决策和社会运行趋于理想状态。这个由信息技术驱动的经济增长和社会发展模式的转变过程，称为信息化。

172.“两化”融合的内涵●

1993，开始讨论“两化”融合问题。其内涵是：①发挥信息化的主导作用。在“两化”融合中，由信息化主导矿业工业化的发展方向，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化。②推动“两化”彼此兼容和渗透。“两化”的融合，是信息技术产业的发展与传统矿业改造的紧密结合，是两者兼容和渗透的动态发展过程。③实现“两化”融合的目标。推动矿业的优化和升级，从而实现传统矿业的改造和跨越。183.以信息化推动矿业的发展

①我国金属矿业落后于国家工业的总体水平表现在六个方面：矿业增长主要依靠要素投入，技术水平提升缓慢，不可持续；矿山装备研发能力不强，中小企业的技术装备长期得不到更新;行业组织结构问题不少，设计、研究与生产脱节；科技研发能力相对薄弱，缺乏重大创新性成果；缺少有竞争实力的跨国企业；高端的工程技术与管理人员严重不足等等。

19②矿业要仍顺应信支息化的漆大趋势●欧盟曾发五表《21世纪的然挑战和搜道路》白皮书叉，把建苗立信息揭化社会汽看作是“21世纪的生唇死攸关的电问题”。在国民经用济中信息叼经济正逐谁渐占据主党导地位。一些有识信之士已写认识到：信息化已茄逐渐成为刘衡量一个乘国家和一腿个企业发怀展水平的四标志。只药有重视信剑息化基础怖建设，推吵进矿业“缩慧两化”敲融合，才伟能实现矿伴业的升级室改造，实禾现矿业的砖跨越式发柿展，与其吉他行业同仪步走向知被识经济。204.智能采矿六是向知识确经济过渡利的产业形亩态●何谓“知识经济”？是指建立允在知识与跑信息的生辛产、传播挡与应用基炸础上的经蛾济。它是且相对于工魔业经济渠而言的概担念。知识经济舰的基本内亚涵——以智力资锡源为依托尼，高科技贪产业为支旧柱,以知识和汉技术创新恰为动力，泥以创造教村育为本源使的一种新陶型经济。信息技术咬是推动矿苏业走向知识经济的主导渣技术；智能采矿局是矿业向榆知识经济禾过渡的产陷业形态，逝该形态的锁表述可参酬考下表。21项目工业经济知识经济（信息经济）推动力蒸汽机技术，机电技术信息技术.新能源.新材料.生命科学.空间科学支柱产业工矿制造业（资本密集型产业）高新技术服务业（知识密集型产业）资本形态金融资本（产生剩余价值的价值）智力资本（产生超值价值的价值）资产形态有形资产（厂房.设备.能源.原材料）无形智力资产（专利、商标、软件）资源形态有形资源（矿产.土地.农作物.森林等）无形资源（智力劳动物化的智力资料，如数据.信息.知识等）劳动力结构直接在车间的生产工人占80%以上从事智力生产和传播人员占80%以上社会主体工人阶层知识阶层分配方式1）按劳分配,计时工资制；2）必要劳动（工人）和剩余劳动（资本家）按业绩付薪酬，人人都是经济主体，和企业的关系相对松散22四、矿山梯信息化的锋基础——数字矿煎山●1.何谓“数嘉字矿山”——在统一拨时空框蛇架的矿痒山整体叮环境下创，对采堆矿过程钥及其相夫关工程贴响应进蚂行统一窑描述、梳全面监握控、数秘字表达句与集成朋，并由勉此再现犹的虚拟平矿山，称为数字矿汁山。●在数字顷矿山发卵展过程包中,出现许多告如数字矿牛山、智能旁采矿、智鹿慧采矿、首自动化采秆矿、遥控竿采矿、无桃人采矿等特等同义词要，近义护词。其中“数字矿秆山”和“智能采馅矿”两词比救较科学陆，但它所表旬述的不是挖同一概念救。232.数字矿茂山的初译期发展——矿山数饼字化的圈研究，可追朔到施上世纪60年代，即电带子管计凑算机年目代，当讯时只用晌于通风贩网络解制算；——上世纪80年代微电子敞技术的恒发展，矿山数字袖化和信息倘化的研究，主要作摇为一种打数值计淘算与模治拟的辅硬助工具化、用于惊矿山管茅理与采婆矿技术饼领域；——早期的矿山智能央化的研究，多局限恢于单台巴矿山设锦备的操染作与自厉动控制蠢；24——矿山信息莫化与智能猜化研究，长期处澡于独立盆进行之狭中，上世纪末东，才开始快矿山整旧体信息津化智能算化的探咬索，进入了智能采矿殖研究的新标阶段。3.矿山数字辜化、信息逮化与智能剪化三者的催关系数字矿山可是实现矿通山信息化虏与智能化腔的基础环境；矿山信号息化智财能化的勤融合与划发展，鞠是实现缓未来智艰能采矿住的创新过程；而智能才采矿是批矿山数药字化、咐信息化火与智能嫁化发展胳的最终目扣标。三者的值关系，表疾现为相互废渗透、融筒合的有机殃整体。254.数字矿山畜涵盖的基绣本内容●为了对数字矿正山有个冶基本了苗解和实球感认识,数字矿山休的主要内泽容概略表轻述如下：①矿山空淋间数据彩获取与旗应用；②矿山地荒质建模开与空间私插值技铁术；③基于空蔬间信息与模型的宣采矿系英统工程惨；④矿床开采蚊方式与优记化；⑤数字化采兰矿设计；⑥矿山生叛产计划皱编制技古术；⑦采矿模校拟仿真积与虚拟榜现实；⑧矿山数字膊化的生产赴与安全管富控系统；⑨智能采矿招装备与自效动化技术……。26五、矿业房诚的未来目榆标—智能采矿1.何谓“泽智能（当化）采释矿”缠？——在矿床姐开采中弟，以开挤采环境稳数字化.采掘装备掠智能化.生产过变程遥控被化.信息传曲输网络额化和经船营管理届信息化痛为特质，以安全.高效.经济.环保为目标的采矿派工艺过品程，称为智佩能采矿陪。未来矿捐山的智纹能采矿裁，是富背有知识航经济时萍代特点牌的采矿混模式，是21世纪矿拴业发展卵的前瞻绩性目标丸。它将仇给矿业销带来根沸本性的辫变革。272.实现“智际能采矿”遣的基本任惯务①创建采萍矿生产创管控一拢体化的掠综合信善息平台米。采用信息技术实现资源科学评价与笼管理、居优化开牙采设计鸟与生产逝计划、声保障安流全环境伯监测与句预警等暴。②研发大型党化智能化的遥控与自甚动定位采搅矿设备。特别要加形大投入,加强矿山开智能化采架矿设备的优研制.没有先熟进装备,就不可能樱有先进工毙艺。③创新与智斑能设备效狸能相适应毛的高效采床矿技术。三类采矿栽法：阶段锄自然崩落庭法、阶段鱼矿房连续碌回采嗣后萍充填采矿成法和开采韵环境再造灯阶段落矿损采矿法。28●3.智能采馅矿的基神本框架冬（见下苗图）采矿生抚产管控一体化买信息平享台信息技术智能技扮术数字化矿尖山智能采崖矿矿业未受来追求目顺标智能采盛矿创新过钥程智能采浆矿基础平台与智能设虎备相适应的帆采矿技远术远控遥控匆自动定位采矿宾设备294.“智能采跪矿”的基破本内涵①矿床模型帜与矿床开骆采设计数成字矿山软标件;②金属矿山图采掘、装付载、运输来等智能设由备;③适应智能萝设备作业般的高效采乘矿工艺技作术;④矿井数据昆采集、通姜讯与视频向的传输网垦络;⑤矿山移巴动设备黄遥控与工生产过奖程智能誉控制;⑥矿山系统羊智能监测畅与作业运矩行集中遥袭控;⑦矿山生产隶计划组织扁与经营管熄理信息系联统….智能采起矿是个蒸渐进的涝发展过悦程,在这过状程中,其科技内订涵将不断弄丰富、扩姿展和延伸渐。305.国外的阅智能采描矿的研制究●①智能采矿枪实例上世纪90年代,芬兰.加拿大.瑞典为了何取得竞争痰优势,就开展了“智能矿山”研究。举三例：◆瑞典基鲁喝纳矿（Kir盏una）采用无底驶柱分段崩捐落法。1970年,在地面控狮制室实现可了遥控井初下凿岩池台车和黑装载机拒作业；以后，走又实现了挎主运输平猾巷的机车无人押驾驶和机车自肿动卸载。抹从而全面翁实现了地貌下矿的智享能采矿。31◆加拿大国无际镍公司训（lnc俩o）1996猎-200泻0年,智能采矿始五年计划保的研究内俘容:①先进的地西下移动计雀算机网络;②采矿过程似监控与遥否控软件系龄统;③适合远顿程遥控妙采矿的希特殊采干矿法;④先进的麦智能化痕采矿设熊备;⑤地下铲运互机的自动理定位和导撒航系统。效果:采矿作业幅从每天（24小时）跟一个循视环.提高到三活个循环；采矿劳动栋生产率从200哲6年的3350吨/人年，提展高到2008年的6350吨/人年。32◆智利特章尼恩特抓（Teni蜓ente）是年产贷矿石千街万吨的及地下矿跪山，采脏用自然症崩落法。采恨用遥控化收出矿，采岩矿控制室跪设在地面芳，距生产股区15公里；单算一采区产添量达到100发00t/d，另一个萝正在建琴设的采拌区,产量将达垮到2800蚕0t/姿d②国外研究主矿山智能形与通讯设横备的简况◆目前，研制智能贯设备的主要有三大公司：阿特拉抄斯（Atl专as.缸cop煮co）公司苍、山德纱维克（sand皱vik）公司舟，卡特娃彼勒（Cat仇erp育ill校ar）公司愁。33◆已用于妨生产或身已经完阶成试验拍的采矿涌智能设改备有——地面遥盏控的自题动化凿婶岩台车、铲装运众设备的播自动定溪位和导油航、地面遥控晶全自动装蕉载机、无线导就向矿山件电动卡薯车、地下矿山光无线通讯挪系统等。◆尚未完轮成研究信试验的楼设备有——喷射混既凝土作蹲业的自画动化、依装药自振动化、衡设备位堆移与维俗修智能班化等。34356.我国“智况能采矿”棒的起步研奸究①已开展的中国家级主适要研究项务目《数字化断采矿关拾键技术壶与软件杜开发》《井下采矿隙遥控关键渡技术与装局备的开发》《千米深井荡地压与高嫂温灾害监良控技术与编装备》《地下金属乔矿智能开匠采技术》86天3，国家投忙入了一部个亿。此外，也漏开展了一炭批国家自坦然科学基绑金项目。36②我国矿煮山信息何化智能钳化研究较简况主要成峡果：一些矿努山已经堆建立了兔井下光掩纤主干跳通讯网衔络；开鼻发了与哀智能采姨矿相关码的无线辨数字通然讯技术法；采用淘了井下扩人员跟撤踪定位锦系统和肾井下地凶压灾害生监控系展统；研渔发了大妻一批具循有知识织产权的脸矿业软舍件；大佛批矿山秀进行了驾数字矿花山基础其建设；礼一些进古口智能笼采矿设切备得到规了应用洽等等。37六、创新药驱动智能肉采矿技术孔研究1.大力推瘦进智能宋采矿技鸣术研究①发展矿社业软件坝产业近几年自来，出突现了许刃多从事隶矿业软充件开发仆的企业板，研斜发队伍尼迅速壮董大，国产矿业薪软件产品,基本上器取代了夸进口产凭品，市乔场潜力房诚很大。当前，扎软件开虑发要重灾点解决泉的是:包括矿产肆资源评价车、开采优守化设计、互安全生产蒙管理、生关产过程管鸦控等、各种功能另集于一体牧的矿山综桑合信息软松件平台的托开发，以实现资凶源高度共者享，为智裳能采矿提资供信息支乏撑。38②建立智能角采矿示范舞采区实践智能采矿铺，要从建设示唇范采区起观步，首先在事生产矿月山引进壤全套智回能设备爬，建立门示范工元程。试色验不要激过分追菜求眼前炭效益，主要目标雷应着眼于塞引进技术吊、产业升辟级、转型械发展、跨弟越发展，煌走新型工秃业化道路害。示范工屋程要尽刚快启动。一些梯比较落辉后的发芦展中国愿家，都搁在准备稍推进智武能采矿旗试验，俗如蒙古Oyu冠Tolg续oi铜矿、袍巴布亚炒新几内殿亚Waf串i金铜矿、宇菲律宾Didi告pio金铜矿等暗。39③引进国外先进论设备与技陕术我国矿荡山设备匀制造落阶后,要加大投右入,以基础弦较好的撇厂家为垦主体,开发遥议控采矿都设备。支在可能尚条件下,应该走技术引裹进-消化-吸收-再创新贵的道路,这比重臂复他人阿老路搞绩开发要艘快、要汪好。④从实际出枯发逐步推香进我国金齿属矿山逮数以万坦计，大中型早矿山是良推动智捆能采矿轰的主力不，应该走在唯前头，做票出示范；小型矿怖山应依蚊据自身坦条件，约有选择报地移植和、集成、开发应用相关钳成果，分步推进宏，不断提园升科技水猫平。402.实现“智土能采矿”读需要多学俭科交叉采矿工程滚是一个科舌技覆盖面袍很宽、综朵合性很强跟的工程学之科，实现智冲能采矿飞涉及的鼠学科领烤域广泛乞，需要众煎多学科贵交叉。学科包遇括：矿稻产资源纺工程、甩数字地踪蝶质学、号测绘悬科学与汤技术、基采矿学讲、岩体坚力学、埋安全科摘学与工救程、现地代工程孔管理、作环境工形程学、遵数字矿码山技术煎、现代帝矿山装何备与技厘术、计纱算机科蹦学与技配术、信延息与通虚信工程继、电子粒科学与往技术、引控制科挽学与工院程、电风气工程怨、统计手学、系夏统工程泄等等。413.矿业人在哨实践“智午能采矿”答中的主导昌作用在推进矿牢业信息化坊、实践智用能采矿的蛙过程中，采矿工作遣者不是旁挠观者，应挖该起主导策作用。现在仍然有人楚认为：人类遮的发展劲史是先痒有农业录国的工存业化，厕然后才女有工业倚国的信刷息化，灶我国矿括业工业叹化尚未经完成，底所以，众矿业的摆信息化气不是当络务之急万，这显然是权误解。前面已分经对“宵两化”达融合的赛必要性沾和理由齐作过阐呈述了。42其次，返又有人妈认为，欲矿业信箩息化是析搞矿业班软件开凭发人（信息产倦业人）的骆事，与采姥矿技术人狸员关系不要大，这又是一腔个误解。信息产业亦是生产信云息通信工刃具（软件潜）的产业宇，而信息步化是指科码技工作者目利用信息晶产品（所锁包含的技白术）驱动睛矿业经济般增长和发股展模式转问变的过程筛，作为从事堵和主导开泊采设计、勉矿山生产冲、经营管定理的采矿藏工作者，求推进矿山盟信息化理拳所当然是原份内的事骑，是应尽棵的职责。43特别应该罚指出：由于我国矿业预正面临开歌采条件匆恶化、浅开采深惜度增加樱、矿石兆品位下龄降、安沃全环保串标准提方高、市它场价格充波动等做等不利灶环境。蛮在这种暂情况下群，推进遵智能采右矿虽然森离不开众多学易科专家游参与，给但真正要实洪现安全、经羡济、高效领、环保的太目标，在开采方独法、工艺武技术、生再产系统与片经营决策膏等关键技驰术面前，采矿工域作者始陶终处于乖主导地构位，责篇无旁贷姓。所以,在推动熊和实践“智能沙采矿”针的过程另中,采矿工作桐者应该积品极、主动民，充分发足挥主导作用弯。444.完善现代蜓采矿工程敲人才的知面识结构①人才是事煌业发展的保决定因素知识经济领时代，知概识是第一略生产要素遭，掌握知群识的人才是第像一可宝贵码的。任何单位录都有一个躺核心群体哀或梯队，倦他们关系到企胳业在国内浪外科技竞扎争中所处万的位置,决定着裕事业的丙兴衰。21世纪前20年，是我国锡的重要战烈略机遇期南。瞄准矿捎业前沿托，壮大欢人力资政源，是拐加快矿窗业现代朱化进程虹的重要考战略举碧措。45②人才培究养要超赖前矿业疗发展今天培养告的人才，品影响到今捧后几十年翻的矿业发拥