李國清教授：地下金屬礦開采裝備短間隔智能調(diào)度體系

構建與現(xiàn)代礦山相匹配的智能管控模式是智能礦山建設的重要內(nèi)容。目前，我國地下礦山數(shù)字化、智能化建設已經(jīng)取得了階段性進展，在智能開采裝備、智能采礦方法、智能生產(chǎn)環(huán)境等方面取得了顯著的成果，但是與之匹配的管理方式卻存在一定程度的滯后，是礦山智能化進一步推進的瓶頸環(huán)節(jié)之一。

新一代信息技術與礦山生產(chǎn)的深度融合正在引領全球采礦行業(yè)邁向智能礦山時代。近年來，我國不斷加大數(shù)字礦山、智能礦山領域的投入力度，開展了一批科技攻關項目，大幅推進了我國數(shù)字礦山與智能礦山技術的發(fā)展。裝備是礦山智能化的基本要素，2020年4月28日，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、自然資源部印發(fā)實施了《有色金屬行業(yè)智能礦山建設指南(試行)》，明確指出了鼓勵生產(chǎn)勞動作業(yè)強度大、作業(yè)環(huán)境惡劣(高溫、多粉塵、噪音大等)、人員安全風險大的鑿巖、裝藥、支護、鏟裝、運輸?shù)葝徫粦镁邆渥灾餍旭偱c自主作業(yè)功能的開采裝備進行作業(yè)，降低人員勞動強度，提高生產(chǎn)安全性、質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

高效精準的調(diào)度管控是實現(xiàn)礦山智能化作業(yè)的重要保障，是生產(chǎn)計劃落實到裝備執(zhí)行的關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的礦山生產(chǎn)調(diào)度通常以調(diào)度室為中心，下達對生產(chǎn)的指揮和安排，主要工作是“上情下達，下情上報”，井上調(diào)度指揮主體為值班調(diào)度員，井下被調(diào)度主體為作業(yè)人員，本質(zhì)上是一種“人對人”的管理模式。隨著智能礦山的發(fā)展與智能開采裝備的推廣應用，井下生產(chǎn)模式由人員控制裝備轉(zhuǎn)變?yōu)槿藛T輔助裝備完成生產(chǎn)，井下被調(diào)度主體也隨之轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N大型智能化開采裝備。在此條件下，傳統(tǒng)以調(diào)度員經(jīng)驗為依據(jù)的調(diào)度方式已經(jīng)趨近礦山生產(chǎn)作業(yè)信息處理瓶頸，難以提高集群裝備的協(xié)同作業(yè)效率。受限于知識和經(jīng)驗邊界，大量潛在價值難以充分發(fā)揮，依靠人工經(jīng)驗的調(diào)度方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化礦山對智能開采裝備的控制需求。

作為礦山生產(chǎn)管理的重要內(nèi)容，生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化與管控可以充分利用產(chǎn)能、降低開采成本，因此成為現(xiàn)代礦山降本增效的有效手段。通過精細化調(diào)度管理和智能決策方法，實現(xiàn)復雜條件下的開采裝備高效協(xié)同作業(yè)，充分提高調(diào)度管控效率和礦山生產(chǎn)力，是現(xiàn)階段礦山開采裝備智能調(diào)度需要解決的關鍵問題。在“十四五”國家重點研發(fā)計劃項目（編號：2022YFC2903905）和國家自然科學基金項目（編號：52304169，52074022，52404161）資助下，北京科技大學李國清教授團隊以地下金屬礦開采裝備調(diào)度過程為研究對象，以提高開采裝備的作業(yè)效率和生產(chǎn)能力為目的，研究了開采裝備智能調(diào)度管控模式、決策支持算法和集成化應用。采用短間隔控制理論，從精細化管理、智能化決策、一體化管控角度出發(fā)，構建地下金屬礦開采裝備短間隔智能調(diào)度管控體系，增強開采作業(yè)過程的可預測性與可控性，提高整個采礦過程的透明度，實現(xiàn)開采裝備精準調(diào)度和作業(yè)過程的降本增效。研究成果對于地下礦山開采裝備作業(yè)過程的精細化管控與開采效率提升具有指導意義，同時也為現(xiàn)代地下金屬礦山的生產(chǎn)調(diào)度管理提供了理論和方法支撐。

本項研究主要成果包括：

（1）針對現(xiàn)代地下金屬礦生產(chǎn)實時化、精準化與智能化管控的新需求，提出了開采裝備短間隔智能調(diào)度新模式，形成了以“任務分解—任務配置—運輸配置—作業(yè)指令—響應修正—分析反饋”為特征的短間隔閉環(huán)調(diào)度方案。

礦山調(diào)度的基本任務是在日常生產(chǎn)活動中，根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計劃，定期檢查計劃的執(zhí)行情況，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，并積極釆取措施，從而保證生產(chǎn)均衡進行，任務按時完成。在實際生產(chǎn)中，調(diào)度員耗時最多的工作依次為通信聯(lián)絡、數(shù)據(jù)編錄與匯總、作業(yè)計劃編制、信息分析與決策，由于通信和基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)計在調(diào)度管理中占用了大量時間，導致調(diào)度員缺少足夠的時間進行分析與決策。

傳統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度管理不僅占用了大量時間，而且很難實時反饋礦山的生產(chǎn)狀況，導致無法及時了解井下人員、設備、關鍵地點的工作狀態(tài)，造成指揮調(diào)度的盲目性與滯后性，嚴重制約了礦山的生產(chǎn)效率。隨著現(xiàn)代礦山基礎設施和技術水平的提高，沿用這種舊的調(diào)度方式已經(jīng)不能滿足礦山對精細化管理的需求，需要構建以決策為中心的調(diào)度指揮模式。

隨著機械化、智能化水平的不斷提高，現(xiàn)代地下金屬礦山開采作業(yè)調(diào)度面臨精細化與智能化管控新需求，需要構建以決策為中心的調(diào)度指揮模式。為實現(xiàn)礦山開采作業(yè)的精細化管理和智能化調(diào)度，需要以開采作業(yè)進度的透明化、調(diào)度指令的扁平化和調(diào)度決策的智能化為目標，在大數(shù)據(jù)、機器學習、物聯(lián)網(wǎng)等技術的基礎上，把核心關鍵的人、設備、礦石、業(yè)務進行集成，通過主動感知和分析數(shù)據(jù)，快速做出調(diào)度決策，提高預測預判能力，提升礦山的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，構建適應現(xiàn)代礦山生產(chǎn)管理特征和管控需求的智能調(diào)度新體系，促使生產(chǎn)調(diào)度從“一個生產(chǎn)周期后的問題處理”轉(zhuǎn)向“生產(chǎn)過程的快速、實時、智能決策與反饋”。

短間隔控制理念極大程度契合了地下礦山精細化管理需求，其目標是提高增值活動效率，減小非增值活動時間，盡量消除浪費活動。短間隔控制作為一種短周期高頻率的管理框架，需要將生產(chǎn)計劃進行精準執(zhí)行和高效落地，使礦山達到預期的生產(chǎn)目標。整體實施框架緊密圍繞地下金屬礦山的開采作業(yè)過程，其核心是計劃的精細化分解、作業(yè)任務的科學化分配、作業(yè)進度及時糾偏和作業(yè)效果的閉環(huán)反饋

根據(jù)短間隔控制的業(yè)務流程，針對地下金屬礦山開采作業(yè)特征，將開采裝備的短間隔控制細分為任務分解與作業(yè)計劃生成、裝備配置與調(diào)度排產(chǎn)、礦石流質(zhì)量控制與運輸調(diào)度、短間隔裝備指令下達、短間隔響應與調(diào)度修正、短間隔分析與閉環(huán)反饋6個實施單元。

各單元之間存在如下邏輯關系：

任務分解與作業(yè)計劃生成。以短期生產(chǎn)計劃為基礎，根據(jù)開采條件和能力制定未來1~2周的作業(yè)計劃。

裝備配置與調(diào)度排產(chǎn)。根據(jù)作業(yè)計劃和裝備的出勤計劃，編制未來5~7 d的采場作業(yè)調(diào)度計劃。

礦石流質(zhì)量控制與運輸調(diào)度。根據(jù)采場作業(yè)調(diào)度計劃，編制未來2~3班(24 h)的礦石運輸調(diào)度計劃。

短間隔裝備指令下達。根據(jù)調(diào)度計劃將具體的作業(yè)指令下達至機臺。

短間隔響應與調(diào)度修正。作業(yè)執(zhí)行單元在短間隔周期內(nèi)上報作業(yè)進度和時間，調(diào)度指揮中心根據(jù)全局情況進行響應和調(diào)度修正。

短間隔分析與閉環(huán)反饋。對一個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進行匯總分析，優(yōu)化下一周期的調(diào)度計劃，生成調(diào)度報表并推送至相關人員。

開采裝備調(diào)度的短間隔控制實施框架

（2）設計了包括開采裝備任務配置與調(diào)度優(yōu)化算法、面向多級動態(tài)配礦的礦石流優(yōu)化算法、無軌裝備集群調(diào)度控制優(yōu)化算法的智能化決策支持算法庫，實現(xiàn)由人工經(jīng)驗到智能決策的轉(zhuǎn)變。

決策支持算法是開采裝備智能調(diào)度的“大腦”，負責為調(diào)度指揮人員提供高效、精準、快捷的決策建議。地下金屬礦開采裝備智能調(diào)度是一項復雜的系統(tǒng)工程，對開采作業(yè)過程由全局到局部、由整體到細節(jié)逐級優(yōu)化，優(yōu)化算法間逐級遞進，互相關聯(lián)，最終形成上承計劃、下接執(zhí)行的完整調(diào)度優(yōu)化鏈。

開采裝備任務配置與調(diào)度優(yōu)化算法根據(jù)空間、時間、工序、裝備等要求確定開采作業(yè)任務的動態(tài)分配，在大規(guī)模生產(chǎn)、多循環(huán)約束場景下達到了72.57 t/h的開采效率，在同樣產(chǎn)能要素條件下生產(chǎn)效率提升了16.11%，并通過短間隔動態(tài)調(diào)整實現(xiàn)了方案的滾動優(yōu)化。

面向多級動態(tài)配礦的礦石流優(yōu)化算法進一步明確了礦石的運輸路徑、時間和方式，實現(xiàn)了礦石流量、品位和成本的優(yōu)化配置，通過復雜運輸網(wǎng)絡下的場景驗證，反映出優(yōu)化方法在控制礦石流波動的同時，使噸礦運輸成本下降了5.83%。

無軌裝備集群調(diào)度控制優(yōu)化算法針對狹小井巷空間內(nèi)的沖突和避讓問題對于無軌裝備集群的運行過程進行優(yōu)化，應用驗證反映出，在相同裝備配置下，優(yōu)化模型使總運輸時長縮短11.96%，平均速度提高14.34%。

智能調(diào)度決策支持算法框架

（3）將開采裝備短間隔智能調(diào)度體系進行綜合示范應用，滿足了現(xiàn)代礦山精細化管控和智能化決策需求。

短間隔智能調(diào)度體系在山東省某金礦示范采區(qū)成功進行了現(xiàn)場應用與示范，并隨著規(guī)模化和深部化開采的推進逐漸擴展至全礦，并推廣至類似條件的礦山。通過構建綜合調(diào)度管控平臺，實現(xiàn)了地下金屬礦開采裝備短間隔調(diào)度過程的實時化、動態(tài)化和綜合集成可視化。通過大量物聯(lián)網(wǎng)傳感器與移動終端實現(xiàn)開采作業(yè)實體的狀態(tài)感知，利用數(shù)字孿生數(shù)據(jù)融合將狀態(tài)信息映射至虛擬仿真空間，為調(diào)度指揮人員提供高透明度和高還原度的作業(yè)信息，在此基礎上利用調(diào)度指揮決策相關模型和工具完成作業(yè)指令的制定和下達，完成對開采作業(yè)實體的控制。

綜合調(diào)度管控平臺架構

具體應用成效如下：

信息透明。平臺有助于迅速、直觀、可視化地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸，提高事件的響應速度，有效降低了作業(yè)過程中計劃外事件的負面影響。

柔性調(diào)度。有效縮短井下調(diào)度管控周期，可以快速調(diào)整作業(yè)順序、重新部署作業(yè)任務、保障生產(chǎn)秩序，實現(xiàn)了井下的快速調(diào)度和快速響應。

科學決策。利用優(yōu)化算法等智能化決策手段，科學合理地分配井下資源，減少閑置和沖突，加強了生產(chǎn)調(diào)度組織的針對性，有效提升了開采作業(yè)過程的科學性、精確性和可操作性，使得礦山開采更加平衡、有序、可持續(xù)。

成本控制。礦石流的精細化管控有助于降低礦石流波動與運輸成本，使礦山能夠合理有效地控制生產(chǎn)成本。

精益生產(chǎn)。平臺梳理和優(yōu)化了礦山生產(chǎn)調(diào)度流程，實現(xiàn)了調(diào)度的智能化管控，可以促進管理水平提升，將調(diào)度管理人員從大量的、重復性的、低管理含量的工作中解脫出來，工作效率和質(zhì)量得到了明顯提高，更加有助于管理人員從簡單重復勞動向決策優(yōu)化型管理轉(zhuǎn)變，對礦山的生產(chǎn)經(jīng)濟效果產(chǎn)生積極影響。

作者簡介

李國清

北京科技大學資源工程系教授、博士、博士研究生導師，加拿大英屬哥倫比亞大學訪問學者。主要從事智能礦山、礦業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化、礦業(yè)大數(shù)據(jù)建模與應用、礦業(yè)經(jīng)濟、綠色礦山等方面的教學與科研工作，具有領域?qū)挿?、多學科融合、注重實踐的學術特色。主持國家自然基金項目3項、橫向課題30余項，參與國家重點研發(fā)計劃項目、工信部智能制造專項課題多項，獲省部級科技進步特等獎2項、一等獎13項，授權知識產(chǎn)權20余項，在國內(nèi)外學術期刊和會議上發(fā)表高水平學術論文百余篇。兼任中國礦業(yè)聯(lián)合會智能礦山工作委員會副秘書長、中國有色金屬學會礦山信息化智能化專業(yè)委員會常務委員、中國應急管理學會公共安全標準化專業(yè)委員會委員、《Green and Smart Mining Engineering》雜志特聘編委、《金屬礦山》等多刊編委。

主要學術成果如下：

(1) 提出了適用于我國地下金屬礦山的智能礦山建設體系。立足于我國金屬礦山的客觀條件，系統(tǒng)總結了智能礦山建設的思路、內(nèi)容、技術突破點以及需要解決的關鍵問題，探索現(xiàn)代信息技術與礦業(yè)運營的融合提升途徑，有效推進了地下金屬礦山智能化應用的規(guī)模化與常態(tài)化。

(2) 研發(fā)了業(yè)務流、礦石流、工作流協(xié)同融合的金屬礦山生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)。將礦業(yè)系統(tǒng)工程、礦業(yè)系統(tǒng)仿真與優(yōu)化融入智能礦山的生產(chǎn)管理主題，通過“地測采供充提運選”等全生產(chǎn)工序的協(xié)同優(yōu)化運作，形成覆蓋全生命周期的生產(chǎn)系統(tǒng)布局、基于業(yè)務協(xié)同的生產(chǎn)部署管控、面向多級動態(tài)配礦的礦石流優(yōu)化、基于短間隔控制的動態(tài)運輸調(diào)度等成果，實現(xiàn)了礦山生產(chǎn)的精準智能管控。

(3) 提出了智能礦山中的信息集成與數(shù)據(jù)融合機制，從信息資源規(guī)劃的角度，形成了智能礦山建設中多元異構數(shù)據(jù)的存儲、共享、流轉(zhuǎn)與集成規(guī)范，解決了智能礦山跨平臺多元化建設出現(xiàn)的信息集成問題。進一步引入大數(shù)據(jù)分析、深度學習等方法，構建了數(shù)據(jù)驅(qū)動、自主學習的礦山數(shù)據(jù)資產(chǎn)深層次應用機制，并成功應用于隱患致因規(guī)律、安全風險預警、生產(chǎn)系統(tǒng)診斷、設備健康評估等場景中。

(4) 探索了“雙碳”背景下礦山綠色價值鏈模型的構建運作體系。結合礦山生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在厘清碳源、碳匯結構的基礎上建立了一套體系完整、科學可行的碳排放核算方法，并基于碳循環(huán)機制構建了礦山綠色價值鏈體系，為我國礦業(yè)開發(fā)的綠色化、生態(tài)化提供了理論與方法支撐。

侯 杰

侯杰，北京科技大學資源工程系講師、博士（后）、工程碩導，澳大利亞阿德萊德大學聯(lián)合培養(yǎng)博士（高水平公派），從事智能礦山、礦山企業(yè)管理、礦山生產(chǎn)計劃優(yōu)化等方面的科研與教學工作。主持國家自然科學基金項目1項、國家級重點實驗室開發(fā)課題1項、校企合作項目2項，并作為子課題負責人參與國家重點研發(fā)計劃項目2項。作為項目骨干參與國家自然科學基金項目2項、工信部智能制造專項1項及10余項校企合作項目。在國內(nèi)外學術期刊發(fā)表學術論文30余篇，授權發(fā)明專利4項、軟件著作權3項，獲得省部級科技進步獎7項。參編中華人民共和國自然資源部《智能礦山建設規(guī)范》和國家礦山安全監(jiān)察局《智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享規(guī)范》。現(xiàn)為中國有色金屬學會、應急管理學會、計算機學會會員，并受邀擔任《Gospodarka Surowcami Mineralnymi–Mineral Resources Management》《Scientific Report》《金屬礦山》《重慶大學學報》等期刊的審稿專家。

成果來源

侯杰，王浩，陳連韞，等.地下金屬礦開采裝備短間隔智能調(diào)度體系研究[J].金屬礦山，2024（1）：64-71.

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術學科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：李國清等

編排：戴穎熠

審稿：王小兵

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