引言：沈陽中科奧維科技股份有限公司是中科院沈陽自動化研究所下屬產(chǎn)業(yè)化公司，公司成立于2013年6月，在北京、沈陽、大慶、哈爾濱等多地設(shè)有分支機構(gòu)。
公司依托中科院沈陽自動化研究所在科技、人才、創(chuàng)新方面的優(yōu)勢，長期開展創(chuàng)新研究，致力于中國智能制造技術(shù)的進步，并擁有大量相關(guān)方面專有研究成果及專利技術(shù)。深耕于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，是目前我國唯一掌握工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)WIA-PA無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)（全球三大工業(yè)無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之一）。專門從事礦山、冶金、石油、化工等重點行業(yè)的軟件開發(fā)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的前端傳感設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、行業(yè)專用測控裝置產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)、制造，提供系統(tǒng)集成與專業(yè)的技術(shù)服務(wù)，為行業(yè)用戶提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體解決方案，是經(jīng)國家認證的雙軟企業(yè)和高新技術(shù)企業(yè)。
面向近年來我國礦山發(fā)展現(xiàn)狀，通過持續(xù)與用戶需求的深度結(jié)合，公司構(gòu)建了以地質(zhì)品位、采出品位、入選品位、精礦品位和入爐品位為核心指標(biāo)，貫穿地、采、配、選、冶全流程的采礦閉環(huán)智慧礦山生產(chǎn)執(zhí)行體系，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)自動化、業(yè)務(wù)協(xié)同化、決策智慧化。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、ICT、人工智能核心技術(shù)與礦山生產(chǎn)協(xié)同、工藝優(yōu)化進行深度融合，為客戶提供先進的智慧礦山解決方案及成熟的產(chǎn)品服務(wù)。賦能礦業(yè)生產(chǎn)智慧化的創(chuàng)新模式。
一、 項目概況
1. 項目背景
鞍鋼礦業(yè)所屬礦山均為特大型鐵礦山，生產(chǎn)工藝流程長，管理環(huán)節(jié)多，工程復(fù)雜性高，各個層級之間信息傳遞具有滯后性，難以實現(xiàn)實時的、最優(yōu)的生產(chǎn)指揮調(diào)度，進一步推高了廠礦的整體成本。采選生產(chǎn)過程中的原礦質(zhì)量沒實現(xiàn)精準(zhǔn)智能跟蹤，選礦各生產(chǎn)工序沒有進行全局優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，生產(chǎn)組織有進一步提升的潛能。
本項目建設(shè)對鞍鋼礦業(yè)采選生產(chǎn)過程進行充分的現(xiàn)場調(diào)研，立足當(dāng)前現(xiàn)狀，梳理業(yè)務(wù)需求，結(jié)合前沿技術(shù)，尋找提升空間，規(guī)劃出一套有價值、可落地、可復(fù)制的解決方案，提升礦山管理的智慧化水平。
2. 項目簡介
本項目建設(shè)以智慧礦山采選三維管控云平臺為載體，構(gòu)建三維仿真礦山，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)、WIA-PA網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)不間斷地實時交互。用戶通過三維管控平臺利用VR技術(shù)可實現(xiàn)對采場、選廠的現(xiàn)場狀態(tài)的全面感知。基于該平臺，建立三維采場系統(tǒng)、智能卡調(diào)系統(tǒng)、三維選廠系統(tǒng)、磨磁數(shù)字孿生系統(tǒng)、礦石粒度圖像分析系統(tǒng)等多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)。通過這些系統(tǒng)的部署運行，有效地實現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程優(yōu)化，工人工作環(huán)境改善，工藝指標(biāo)輔助提升，進而提升了礦業(yè)公司高效的管理水平和經(jīng)濟效益。
3. 項目目標(biāo)
采用基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的端邊網(wǎng)云架構(gòu)，建立面向“礦石流”的全流程智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)，將礦山大量基于傳統(tǒng)IT架構(gòu)的信息系統(tǒng)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)源，繼續(xù)發(fā)揮系統(tǒng)剩余價值，同時逐步推進傳統(tǒng)信息化業(yè)務(wù)云化部署，實現(xiàn)礦山全流程的少人化、無人化智慧生產(chǎn)。
結(jié)合礦山開采環(huán)境復(fù)雜、生產(chǎn)流程不連續(xù)、安全管理壓力大、多元素資源共生等特點，在礦業(yè)公司已有自動化、信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，推進物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算、虛擬現(xiàn)實等前沿技術(shù)在礦山的應(yīng)用，建成集資源的數(shù)字化管理、基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的智能決策于一體的綠色、安全、高效的智慧工廠。
二、項目實施概況
1. 項目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是實現(xiàn)智慧工廠、智慧礦山的重要載體。隨著“5G+”“物聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)技術(shù)、移動互聯(lián)、云端技術(shù)的飛速發(fā)展，智能制造行業(yè)中的各類業(yè)務(wù)都在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲、傳輸都呈現(xiàn)井噴之勢，對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)提出了較高的要求。
根據(jù)鞍鋼礦業(yè)智慧礦山總體規(guī)劃頂層框架設(shè)計，以及鞍鋼礦業(yè)下轄多制造企業(yè)（礦山）的組織架構(gòu)模式，鞍鋼礦業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺采用礦業(yè)公司總部部署、企業(yè)多租戶管理的方案，總部部署的平臺承擔(dān)決策層統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、IaaS層資源共享、PaaS層互通的功能，企業(yè)空間部署執(zhí)行層的應(yīng)用管理平臺，應(yīng)用管理平臺作為最底層承載著生產(chǎn)過程控制平臺、生產(chǎn)管理等諸多業(yè)務(wù)平臺。
3. 具體應(yīng)用場景和應(yīng)用模式
1）5G+三維采場
建設(shè)數(shù)字地質(zhì)系統(tǒng)，實現(xiàn)精準(zhǔn)的地質(zhì)三維展示，地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)分析和集成的建模環(huán)境，通過三維數(shù)字地質(zhì)模型進行生產(chǎn)計劃執(zhí)行對接、爆破設(shè)計，為智能牙輪作業(yè)、智能配礦決策、智能鏟裝跟蹤等采場作業(yè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。貫穿計劃、執(zhí)行、驗收、再更新地質(zhì)模型完成采礦生產(chǎn)閉環(huán)。
根據(jù)采場實時數(shù)據(jù)，自動更新礦體模型，為下一期作業(yè)提供地質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。建設(shè)地質(zhì)管理功能。分層圖、剖面圖解譯功能，提高地質(zhì)圖件的精度，經(jīng)過水平自動連線算法能夠通過上下層地質(zhì)連線的改變自動形成礦體，減少測算和繪圖工作量，提高工作效率。
通過5G傳輸，將人員定位、車輛監(jiān)控等信號實時反饋在三維建模中，監(jiān)控人員與車輛位置狀況，向已經(jīng)超出電子圍欄范圍的車輛司機提供報警功能。并且設(shè)備操作人員進行健康狀態(tài)監(jiān)視，確保生產(chǎn)安全以及周圍人員安全。
圖1 5G+三維采場
2）5G+智能卡調(diào)系統(tǒng)
依據(jù)智能配礦以及管理子系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計劃，本模塊主要利用計算機技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、全球衛(wèi)星定位技術(shù)、礦山工程系統(tǒng)理論和核心調(diào)度模型算法等先進手段，建立鏟運實時監(jiān)控、智能調(diào)度、生產(chǎn)指揮和應(yīng)變調(diào)優(yōu)的管理系統(tǒng)。
實現(xiàn)對礦山的可視化、數(shù)字化、智能化、實時化管理，建立一種新的集生產(chǎn)監(jiān)控、智能調(diào)度、生產(chǎn)指揮為一體的生產(chǎn)管理模式，是智慧化礦山建設(shè)的重要基礎(chǔ)。
圖2 5G+智能卡調(diào)系統(tǒng)
3）5G+&WIA-PA三維VR選廠
三維VR選廠是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)使選廠內(nèi)設(shè)備及工業(yè)流程1：1、生動、形象、直觀的展示。利用計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，結(jié)合3D交互技術(shù)真實模擬選廠現(xiàn)場環(huán)境并接入后臺數(shù)據(jù)，可自主瀏覽和查看場景、設(shè)備結(jié)構(gòu)及設(shè)備數(shù)據(jù)信息。
項目建設(shè)采用5G與WIA-PA相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)覆蓋模式，全面接入工廠設(shè)備的實際生產(chǎn)運行狀態(tài)，真實、虛擬聯(lián)動，在3D場景中能點擊攝像頭調(diào)取實時的視頻畫面，并設(shè)定仿真漫游巡檢，在安全的環(huán)境下，更快速的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題。
能共享選礦部分各個單元、模塊的故障信息、報警信息，自動進行響應(yīng)，拉近到故障和報警發(fā)生地點，管理人員能夠直接查看到信息詳情和對應(yīng)的機臺、工序詳情，并調(diào)用周邊視頻監(jiān)控查看現(xiàn)場情況，讓管理變得高效、直觀，讓集中指揮調(diào)度成為可能。
圖3 三維VR選廠
4）數(shù)字孿生：球磨機工藝優(yōu)化
充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的磨選仿真過程。
評估球磨機的運行狀態(tài)，預(yù)測球磨機的產(chǎn)能、能耗，優(yōu)化球磨機的工藝生產(chǎn)過程，最終對球磨機的生產(chǎn)運行進行干預(yù)，使球磨機在經(jīng)濟、穩(wěn)定的運行條件下運行。
智能優(yōu)化調(diào)節(jié)磁選機的控制策略，提升回收率，并通過智能巡檢等技術(shù)手段，代替人工完成巡檢過程中遇到的繁、難、險和重復(fù)性工作。
圖4 球磨機數(shù)字孿生工藝優(yōu)化
5）邊緣人工智能檢測
通過攝像頭處采集圖像、視頻分析服務(wù)器采集圖像對礦石進行圖像分析處理，通過控件增強法和頻域增強法等方法增加礦石圖像與背景時間的顏色對比度以及噪聲過濾處理，通過圖像二值化算法對礦石圖像邊緣進行提取；通過圖像形態(tài)學(xué)對礦石圖像進行修正，通過分水嶺算法對礦石圖像進行分割處理，以及圖像增強技術(shù)、礦石圖像分割技術(shù)等，最終計算出各粒度范圍內(nèi)礦石數(shù)量。
視頻分析平臺將視頻分析服務(wù)器分析的數(shù)據(jù)采集、匯總，通過物體追蹤、畫面拼接等技術(shù)，對礦石進行二次分析驗證，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，形成最終粒度分布數(shù)據(jù)。
圖5 邊緣人工智能檢測儀表
3. 其他亮點
1、智能生產(chǎn)
建立智能配礦體系，實現(xiàn)各工序協(xié)同。并通過無人機的傾斜攝影以及激光掃描技術(shù)建立采場模型，建立模擬仿真與三維可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)智能綜合質(zhì)量配礦管理、智能調(diào)度、智能分析體系。
2、智能安全
建立采場的人員測量安全健康監(jiān)控，優(yōu)化“3D崗位”，通過機器人裝置實現(xiàn)鐵運高危作業(yè)調(diào)車指揮，改善調(diào)車員工作環(huán)境，使其發(fā)揮更大的勞動價值。
3、智能能耗
依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建能源采集系統(tǒng)，使用大數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)單機臺效能分析。通過精準(zhǔn)油耗檢測，改變工作模式，直接提升運輸時效。能耗監(jiān)控結(jié)合生產(chǎn)信息分析單機的工作效果，以及關(guān)鍵部件運行監(jiān)控，實現(xiàn)新的采場能耗精準(zhǔn)管理。
4、智能管理
通過全新的現(xiàn)代遠程操控中心，完成采礦業(yè)務(wù)的垂直管理，提高生產(chǎn)效率，通過監(jiān)控報警，主動式維護減少設(shè)備損耗，提高安全管理能力，通過數(shù)據(jù)績效分析，提供數(shù)據(jù)化支撐的管理手段，提高管理效率。結(jié)合采場的大屏展示、移動辦公等多終端表現(xiàn)形式，形成智慧礦山新的生產(chǎn)、管理模式。
三、下一步實施計劃
1、無人駕駛
依托5G 通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用礦區(qū)三維地質(zhì)數(shù)字模型進行路徑規(guī)劃，在運行過程中依靠攝像頭、自動定位模塊、傳感器、自身運行狀態(tài)監(jiān)控等功能，實現(xiàn)自主駕駛、智能避障、車隊協(xié)同控制、緊急停車等生產(chǎn)作業(yè)需求。在礦區(qū)調(diào)度管理室，調(diào)度員可進行統(tǒng)籌監(jiān)控和管理，在必要時對車隊的運行狀態(tài)進行干預(yù)，以滿足礦區(qū)生產(chǎn)需求，實現(xiàn)無人運輸。
2、無人機應(yīng)用
除了采場三維建模，將無人機更多的融入到采場的實際應(yīng)用中，如在高風(fēng)險地區(qū)航拍獲取災(zāi)前地面影像資料，形成穩(wěn)定的災(zāi)害監(jiān)測無人機“數(shù)據(jù)采集--分析決策”良性發(fā)展模式；礦山環(huán)境恢復(fù)，對目標(biāo)區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過計算機處理，進行定性或定量分析礦山環(huán)境的治理恢復(fù)的真實現(xiàn)狀，為管理者提供決策依據(jù)。
3、資源優(yōu)化開采
利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)分析和集成的建模環(huán)境，并根據(jù)礦床地質(zhì)特征，智能分析礦區(qū)品位變化規(guī)律、計算剝離圍巖各區(qū)段品位及成分，計算回收其他成分的成本及可行性，最大限度的利用礦產(chǎn)資源。
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進性及創(chuàng)新點
本項目建設(shè)以“推進兩化融合，打造智慧礦山”為背景，以企業(yè)需求為牽引，以ICT和人工智能為手段，以工藝優(yōu)化和生產(chǎn)協(xié)同為途徑，打造選礦智能工廠行業(yè)標(biāo)桿，具備向其他選廠的快速復(fù)制與推廣能力，實現(xiàn)與上下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)的高效協(xié)同，為礦業(yè)生產(chǎn)“五品聯(lián)動”管理機制的建立提供有力支撐，通過項目建設(shè)實現(xiàn)以下創(chuàng)新。
（1）管控模式創(chuàng)新，建立遠程集中控制管理體系，實現(xiàn)扁平化管理模式。實現(xiàn)生產(chǎn)管控系統(tǒng)的全面信息化采集，建立廠級綜合指標(biāo)體系，準(zhǔn)確評估生產(chǎn)過程控制水平，實現(xiàn)問題的精準(zhǔn)溯源，提升管理效率。
（2）檢測技術(shù)創(chuàng)新，突破選廠檢測關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)礦漿品位、濃度在線檢測，優(yōu)化粒度檢測方式。通過采用先進的儀器儀表設(shè)備，全面提升選廠現(xiàn)有工藝流程控制水平，實現(xiàn)選廠工藝信息的全面采集，為選廠智能控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
（3）生產(chǎn)控制創(chuàng)新，以“量質(zhì)平衡”穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)作為選廠智能管控的目標(biāo)，通過生產(chǎn)過程大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動與人工經(jīng)驗選廠全流程的智能優(yōu)化控制。
（4）協(xié)同應(yīng)用創(chuàng)新，應(yīng)用“端邊網(wǎng)云”架構(gòu)，建設(shè)礦業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，改變傳統(tǒng)的應(yīng)用部署模式，打破數(shù)據(jù)孤島，支持業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)的高效協(xié)同，采用三維VR技術(shù)與5G技術(shù)、WIA-PA技術(shù)融合，通過對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和礦山運營數(shù)據(jù)的分析、挖掘，不斷形成創(chuàng)新應(yīng)用。
2. 實施效果
1、資源精細化管理
1）礦山資源數(shù)字化，項目建設(shè)中，從地質(zhì)勘探信息入手，通過先進的地質(zhì)三維軟件構(gòu)建直觀可見的數(shù)字地質(zhì)模型，做到了對國家資源的精準(zhǔn)利用管理，是實現(xiàn)整體智慧礦山的基石。
2）礦山開采智能計劃，結(jié)合礦山數(shù)字地質(zhì)，配合年生產(chǎn)計劃，通過信息化建設(shè)生產(chǎn)排產(chǎn)系統(tǒng)，結(jié)合資源的地質(zhì)品位、工藝的采出品位、設(shè)備生產(chǎn)能力等要因，運算生成到天的詳細生產(chǎn)計劃，剝巖量、采礦量、品位信息等一目了然，把傳統(tǒng)的礦山生產(chǎn)由二維變?yōu)橹庇^的三維管理，這樣的升維帶來的不僅僅是視野上的提升，還是資源以及資源流的精準(zhǔn)管理，能夠?qū)φw智慧礦山建設(shè)，生產(chǎn)管理帶來本質(zhì)提升。
2、采選智能化生產(chǎn)
1）智能穿爆，直接在數(shù)字地質(zhì)上進行爆破設(shè)計，定義鉆孔位置，通過爆破模擬評估本次爆破設(shè)計的效果，得到最優(yōu)的爆破設(shè)計參數(shù)，然后直接下發(fā)鉆孔位置、深度等參數(shù)給鉆機，工作人員遠程遙控鉆機通過帶RTK的精確鉆孔定位系統(tǒng)定位鉆孔位置，進行遠程遙控鉆孔作業(yè)，鉆孔過程中實時獲取鉆孔深度數(shù)據(jù)，保證鉆孔深度的準(zhǔn)確性，同時依據(jù)地表高度修正鉆孔深度，保證鉆孔底層平面的深度統(tǒng)一，達到爆破效果最佳。
2）智能鏟運，智慧采礦建設(shè)以釋放勞動力，提升生產(chǎn)為目標(biāo)，系統(tǒng)每日自動獲取電鏟位置，結(jié)合數(shù)字地質(zhì)獲取地質(zhì)品位、礦種等信息，根據(jù)配礦條件生成配礦計劃。配礦計劃下發(fā)到智能卡調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)提供全自動調(diào)度模式，會根據(jù)配礦計劃、排隊信息、運距里程、設(shè)備故障等綜合因素自動生成調(diào)度指令并以語音方式在對應(yīng)礦車上進行播報。車輛上的邊緣智能終端會實時識別車輛的待鏟、排隊、裝載等狀態(tài)，自動統(tǒng)計車輛的運輸次數(shù)、滿載運距、礦巖車次數(shù)量等統(tǒng)計信息。生產(chǎn)全流程的貫穿帶來的并非單一自動調(diào)度，而是生產(chǎn)行為的識別以及管理提升，通過每一次運輸形成的生產(chǎn)行為大數(shù)據(jù)，通過分析最終形成感知與績效的關(guān)聯(lián)管理，為提升生產(chǎn)提供有力支撐。
3）工廠無人值守，本次項目建設(shè)強化自動化基礎(chǔ)設(shè)施完善，基于多種智能化檢測手段實現(xiàn)對皮帶機、破碎機等關(guān)鍵設(shè)備的現(xiàn)場感知能力，通過設(shè)備健康診斷系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備故障提前預(yù)警，現(xiàn)場以巡檢崗位為主，不再設(shè)置看護性崗位，改善工人作業(yè)環(huán)境，保障職業(yè)安全。通過礦石粒度分析系統(tǒng)實現(xiàn)對礦石流的跟蹤管理，通過粒度分析，間接反饋振動篩運轉(zhuǎn)狀況，做到提前預(yù)警，組織維修，避免停機事故。
3、管理細致入微
1、三維仿真采場/選廠，本次建設(shè)我們結(jié)合無人機、三維GIS、實時定位、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，實現(xiàn)采場的車輛實時展示、生產(chǎn)信息展示、地形實時消減變化、路網(wǎng)自動生成、報警實時展示、真實視頻與虛擬場景實時聯(lián)動、爆區(qū)的電子圍欄，通過先進的技術(shù)手段把礦山的生產(chǎn)變化實時客觀的反映出來，這種改變不僅是讓集控中心的人員實時感知，很多細微的后臺感知無時無刻不在進行，系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則生成的報警推送，視頻聯(lián)動，都無需集控人員實時關(guān)注，擺脫人看監(jiān)控而是系統(tǒng)來監(jiān)控整體運行，關(guān)注細微變化。
2、管理駕駛艙，通過多系統(tǒng)的串聯(lián)，把地質(zhì)、計劃、穿爆、配礦、采運、破碎、磨磁、浮選、精尾過濾進行串聯(lián)結(jié)合，融合多系統(tǒng)多工序，形成生產(chǎn)寫實，依照規(guī)則進行生產(chǎn)監(jiān)控，依照管理政策進行生產(chǎn)績效，融合多種手段進行大屏幕、移動端、PC端、礦車終端等多設(shè)備展示，形成多層次用戶的數(shù)據(jù)快速掌握，生產(chǎn)快速跟蹤。