基于天信工業互聯網的智慧礦山一體化解決方案 實現礦山全生產過程的可視、可管、可控
引言：
天瑞信科（河南）數字科技有限公司成立于2015年，是由中國五百強企業天瑞集團股份有限公司投資成立的一家專業從事軟件研發、智能制造解決方案及工業互聯網平臺研發運營有關的國家級高新技術企業和軟件企業。天瑞信科“天信工業互聯網平臺”獲選2022年工信部跨行業跨領域工業互聯網平臺，這是河南省獲選的第一家“雙跨”平臺，實現了河南工業互聯網躋身“國家隊”的新突破。
依托天瑞集團水泥、煤焦化、鋼鐵、鑄造多產業規模優勢及成熟的智能制造、工業互聯網平臺研發運營經驗，打造國內領先工業互聯網平臺示范標桿，為傳統制造業數字化轉型提供整套解決方案，助力傳統制造業數字化轉型升級。
一、項目概況
根據露天非金屬礦山企業的實際生產需求，結合行業痛點，通過對礦山穿、爆、裝、運、卸等各個生產環節長期跟蹤調研，全流程收集分析生產數據，采用信息化、數字化、智能化手段，對礦山資源開采、生產計劃、爆破流程、車鏟調度、品位搭配、裝卸計量、安全管理等各個生產環節進行流程優化與管控，解決傳統礦山數字化程度低、生產數據遺失、業務環節分散不互通的難題，實現礦山資源開采的數字化、安全生產的智能化以及智能管控的集成化。
1. 項目背景
自2015年以來，國家及地方出臺多部智能礦山建設政策、指導意見及行業規范，其中包含《中國制造2025》、《砂石行業綠色礦山建設規范》（DZ/T 0316-2018）、《水泥灰巖綠色礦山建設規范》（DZ/T 0318-2018） 、《河南省非煤礦山智能化建設實施方案（試行）》等，支持并積極引導煤礦及非煤礦山向智能化發展，同時，在科技、產業和金融等方面給與全方位支持。作為實現“雙碳”目標，助力礦山低碳、綠色發展的重要手段，政策明確推進礦業領域科技創新，加快建設數字化、智能化、信息化、自動化礦山，推進節能減排，將智慧礦山建設提升到新的高度。
當前我國露天礦?智能化建設僅實現了部分環節的?動化、數字化，且各環節基本處于相對隔離的獨立運行狀態，信息數據孤立未實現共享互通，隨著大數據、傳感器、物聯網、5G 等信息技術的發展和應用使得數據采集及共享更加便捷，為本方案的研發實施提供了有力的技術支撐。
2. 項目簡介
智慧礦山一體化平臺面向生產運營管理，融合5G、數字采礦、物聯網、無人機傾斜攝影、WEBGIS、無人駕駛等前沿技術，通過管理對象的全聯接、數據的全融合，實現礦山資源開采、穿孔爆破、車鏟調度、品位搭配、裝卸計量、安全管理等全過程的可視、可管、可控，幫助礦山企業打造安全、智能、高效的智慧礦山運營模式。
圖 1 露天非金屬礦山作業全流程
3. 項目目標
（1）切實解決礦山安全生產過程中的行業痛點問題
圖 2 傳統露天礦山企業五大痛點
（2）助力礦山企業完成綠色礦山、智慧礦山建設
圖 3 政府部門對礦山綠色化、智能化建設要求
二、項目實施概況
1. 項目總體架構和主要內容
（1）項目總體架構
項目采用端、邊、云的技術架構，云端部署應用服務，邊緣端部署 AI 算法和無人駕駛算法服務，端邊通過 5G/4G 通訊協議接入視頻監控、無人駕駛系統、無人值守計量系統、路測單元設備等。
圖 4 項目總體架構圖
（2）依托的工業互聯網平臺
天信工業互聯網平臺創建于2018年，是天瑞信科（河南）數字科技有限公司基于天瑞集團三十多年的制造經驗打造的國家“跨行業跨領域”工業互聯網平臺。天信平臺致力于為不同行業和規模的企業提供基于場景生態的、低成本、低門檻、高效率、高可靠工業互聯網數字化轉型服務，目前共在北京、河南、山西、陜西、安徽、江蘇、天津等省市落地14家區域公司，賦能外部工業企業101673家，內部企業67家。
圖 5 天信工業互聯網平臺架構圖
2. 網絡、技術或安全互聯架構
（1）技術架構
我們融合5G、物聯網、大數據、人工智能、無人駕駛等前端主流技術，通過天信工業互聯網平臺的物聯網平臺、大數據平臺、數字孿生平臺、工業算法平臺提供一系列服務模型，為智慧礦山頂層應用提供服務支撐。
圖 6 項目技術架構圖
（2）網絡架構
礦山開采現場采用5G網絡鏈接遠程挖機、無人駕駛車輛、工業采集網關等設備，通過工業環網數據傳輸至礦山數據中心為礦山調度智慧中心提供數據支持，同時通過互聯網鏈接云端標識解析、區塊鏈、大數據、AI工場等云端支持平臺。
圖 7 項目網絡架構圖
3. 具體應用場景和應用模式
（1）資源開采的數字化
礦山數字化為智慧礦山建設的前提，資源開采數字化是礦山數字化建設的重要組成部分及一系列開采工序智能化的基礎。
本方案利用 3DMine 礦業軟件依據原始地勘資料進行三維數字化地質建模，創建礦山鉆孔數據庫并生成能夠真實反映礦石賦存形態的三維礦體模型、真實反映礦石品位分布的塊體模型，為穿孔爆破精準化、品位配礦精細化、儲量計算便捷化創造了前提。
圖 8 三維地質建模流程及作用
（2）調度作業智能化
通過移動端 APP，礦山管理人員可隨時隨地下發、變更及結束調度任務，通過自研的裝卸驗證設備終端及高精 GPS 北斗定位設備可獲取車輛的實際裝卸地點及精確的裝卸車時間，生成報表數據，對于無任務車輛及未按任務地點裝卸車輛進行標記或計量時予與控制，有效避免私拉亂卸現象。系統對報表歷史數據中的裝卸耗時、車鏟搭配、運距等進行分析，并反饋與管理人員，作為調度決策的依據。
圖 9 調度作業流程優化
（3）智能精細化配礦
不同品位爆堆之間進行配礦時，通過算法模型，在滿足生產指標的前提下，低品位礦石盡量多用，高品位礦石盡量少用，從而達到資源利用最大化的目標。模型支持自選爆堆、推薦爆堆，隨著歷史數據的積累，可支持自動任務下發及車輛分配。
圖 10 精細化配礦原理圖
（4）AI安全工單系統
在原有監控設備上部署 AI 識別算法，對高風險安全區域、重點生產區域進行情景識別，可實現對入侵、穿戴、脫崗、煙塵、料位、石塊過大等事件的精準識別，并與工單聯動，出現異常立即向相關人員手機端 App 推送工單，縮短響應時間，實現安全管理的智能化。
圖 11 工單系統原理圖
（5）生產過程控制
作為任務下發和配礦的最小單元，爆堆的生成必須經過鉆孔、質檢、爆破流程，本方案可實現對流程的強管控，從而保證爆堆礦量和品位數據的精準度。采面作為爆堆的上級單元，其創建受到生產計劃的嚴格控制，只有計劃內的采區、臺階上才可創建采面，通過該方式反向控制生產計劃的執行。
圖 12 生產過程管控原理圖
（6）資源管理系統
該系統可直觀展示品位分布模型、終了模型、年度生產計劃模型及年度、月度計劃執行情況，并展示礦山儲量、資源利用情況，幫助礦山管理人員更直觀、全局的掌握礦山資源情況。
圖 13 資源管理系統界面
（7）設備管理系統
作為礦山生產及輔助生產設備的基礎檔案，如運輸車、挖機、破碎機、攝像頭、邊坡檢測點、裝卸驗證設備等，通過接口對接可實時展示設備的運行狀態，并與工單聯動，出現異常立即向相關人員手機端 App 推送工單。
圖 14 設備管理系統功能
（8）WebGis一張圖管理
首頁 WebGis 地圖不只是三維設計初級階段的可視化模型，而是載有各類信息的數字綜合體，包括實時生產信息、車輛運行軌跡、采面信息、視頻監控、邊坡預警信息等，實現了生產過程高度集成化的一張圖管理。
圖 15 WebGis首頁圖
安全及可靠性
利用天信工業互聯網平臺安全網閘通過身份認證、傳輸加密、認證授權、協議過濾、安全監測等手段為智慧礦山一體化平臺提供安全防護。
圖 16 天信工業互聯網平臺安全架構圖
三、下一步實施計劃
1. 更全面的推廣
目前方案已在多家石灰石礦山應用實施，方案還適用于露天金屬礦山、露天煤礦、各類石料采石場以及礦山生態修復治理等，下一步將進行更全面的推廣。
圖 17 已推廣應用礦山分布圖
2. 更深入的研發
在滿足各類露天礦山應用需求的同時，進一步深入研發井工地下礦山的智能化建設。
圖 18 已研發完成的井下礦山集控中心
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
智能配礦：自研AI配礦算法，滿足配礦指標前提下，盡可能提高低品位礦石利用率，實現資源利用的最大化。
智能調度：通過AI算法綜合處理運距、車速、裝卸車時間、等待時間等參數，實時進行路徑規劃，實現車不等鏟，鏟不等車。
計劃爆破流程管控：設置生產計劃及爆破流程管控機制，非計劃內采區、臺階無法創建采面，爆破必須采集鉆孔質檢數據并錄入，確保爆堆礦量和品味的準確性。
裝卸地點強管控：利用自研的2.4g射頻裝卸驗證設備，配合高精GPS定位設備實現對運輸車裝卸地點的強管控，杜絕了私拉亂卸現象。
無人值守計量：實現自動計量，并可對不按任務地點裝卸車輛進行校驗，私拉亂卸車輛無法過磅。
智能AI算法：在傳統監控設備上部署AI算法模型，實現對卸料口料位、石塊過大等事件的智能檢測，發現異常自動生成工單，杜絕了非計劃停機現象。
WebGis一張圖管理：三維可視化地圖是載有各類生產設備信息的載體，包括破碎機、監控設備、邊坡檢測設備、各類車輛等，實現了生產過程的一張圖管理。
2. 實施效果
以鄭州某年產900萬噸石灰石礦山企業為例，項目上線后各類生產數據明顯改觀，上線以來累計為客戶創造收益約4450萬元。
該項目已在多家礦山企業實現了應用試點和復制推廣，部分礦山已正式運行兩年以上，并助力7家礦山企業完成省級綠色礦山驗收，6家礦山企業完成國家級綠色礦山驗收。
聲明
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