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金属矿低碳智能、安全、高效、开采 关键技术及发展思考 Page 西建大矿山智能科学与工程团队，传承中国矿业系统工程奠基人云庆 夏教授，依托西安市智慧工业感知计算与决策重点实验室和矿山系统工程研究所 （1990创建）30多年的科研成果积淀，积极响应国家“人工智能矿业”重大战略， 专注于露天及井下无人驾驶、智能开采及管控技术研究，已拥有国家专利20余项，软 件著作权30余项，省部级等科研奖励10余项，尤其在5G无人采矿、新能源纯电无人 驾驶、多金属多目标配矿方面已达国际领先水平，相关技术已在洛阳钼业、宝武集团、 中钢集团、中金集团、水电八局、冀东水泥等30余家大型矿山工程化应用。（30年 的科研积累、15年的攻关研发） 学校及团队基本情况 西安建筑科技大学是我国著名的土建“老八校”之一，原冶金工业部直属重 点大学，是陕西省重点建设的高水平大学，也是陕西省、教育部和住建部共建高校， 具有历史悠久、积淀深厚的冶金矿业、土木建筑等特色优势学科，矿业工程是国家 在西北布点的唯一一个从事金属矿床矿业工程学科，具有62年本科办学历史和35年 研究生培养经历，一直坚持为区域和行业培养矿产资源开发人才，并提供重要科技 支撑，在矿山智能开采方面独树一帜。 相关背景 01 Present situation Page行业痛点 矿企招工困难 专业、效率的承包团队难找到，矿山工作安全 风险高、劳动强度大、矿山工作人员容易流失 ，而矿山企业的后续劳动力难以补充。 原油消耗量大 世界能源统计年鉴显示，2020年中国能源 消费量占全球20.3，成为世界上最大的能源 消费国。 矿山事故频发 2021年，全国矿山共发生事故356起、死亡 503人，其中，煤矿事故91起、死亡178人； 非煤矿山事故265起、死亡325人。 效率难以突破 团队多地实践考察发现，矿卡车辆严重冗余， 其中曾出现横向排队60辆以上的严重情况。 适龄劳动力高度紧缺 人口老龄化 招工难度大 缺乏职业教育 矿工缺口大 作业方式落后 调度传统 技术落后 管理粗放 信息化严重不足，作业 效率极低 传统矿区作业环境恶劣、信息化程度极低、适龄矿工日渐稀缺，急需向智能化、无人化转型 Page 国家2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会提出我国2030前碳达峰、2060年前碳中和目 标，实现我国碳达峰碳中和任务重大而艰巨。 国家能源技术革命创新行动计划（20162030年）指出，到2050年，全面建成安全绿色、 高效智能矿山技术体系，实现矿山安全绿色、高效智能生产。 行业2021年4月，自然资源部智能矿山建设规范开始实施，该部标准是我国第一部以“智能 矿山”命名的标准规范，从一定程度上意味着智能矿山建设开始以国家标准的形式落地推广。 地方2020年至今，内蒙、山西、陕西等地方政府相继出台了推进煤矿智能化建设三年行到实 施方案 关于加快推进非煤矿山机械化、自动化、信息化、智能化建设的实施意见等政策， 明确将大力推动现场作业的少人化和无人化。 政策支持 行业2020年，为加快5G、人工智能、工业互联网等新一代信息通信技术与有色金属行业融合创 新发展，切实引导有色金属企业智能升级，工业和信息化部、发展改革委、自然资源部联合编制了 有色金属行业智能矿山建设指南（试行） 。 传统采矿设计，无法适应新智能装备 传统采矿工艺，无法适应智能化生产 采矿智能化装备无法进行定制化配置 信息化系统没有形成全流程生产管控 未充分利用矿区碳捕捉碳中和技术 只注重生产任务，不注重评价经济性 Design全新的开采设计理念和方式 Unmanned全新的智能装备定制化配置 Intelligent全流程采矿过程智能化管控 Carbon低碳排放的碳捕捉及回收利用 形成新的战略性、前瞻性、颠覆性开采技术 颠覆变革传统采矿工艺 当前采矿DUIC采矿 随着全球科技革命大趋势和产业变革大方向，全球矿业正在经历一场新的技术革命，矿山开采模式需要不 断革新，新时期矿业发展将全面进入以“低碳、智能、高效、生态”为目标的全新历史阶段。 机遇一 机遇二 机遇三 机遇四 变革传统设计理念，创新无人连续开采工艺 变革传统装备制造，构建定制新能源智能装备 抓住智能矿山机遇，打造全流程化智能管控 抓住双碳目标战略，创新零碳矿山开采技术 我们面临的重大机遇 Intelligent全流程智能管控以爆破-铲装-运输-破碎为流程 爆 破 设 计 采矿设计 地表建模地质建模 数 字 采 矿 爆 区 报 告 智 能 配 矿 配矿计划配矿执行监控 智能调度大脑 智 能 调 度 单车派单调度调度作业实时状态 运行数据统计及智能分析 计划编制 Intelligent全流程智能管控以爆破-铲装-运输-破碎为流程 露天 微服务架构下的新一代露天 智能生产管控集成系统 化验质量信息管理系统 驾驶行为分析系统 新一代终端硬件 井下 井下斜坡道无人驾驶 井下电机车无人驾驶 井下智能通风系统 Page 智能矿山系统总体分布图 露天矿智能化 关键技术 02 Present situation Page露天矿智能矿山整体架构 研究内容 Trajectory Data RWSSA算法创新 5G基站覆盖率模型 宏基站与微基站布设 露天矿5G专用网络覆盖优化 研究内容RWSSA算法下的露天矿5G专用网络覆盖优化 构建露天矿5G专用网络覆盖率优化模型 创新RWSSA算法求解露天矿5G专网宏基站与微基站布设优化 根据矿山地形特点与5G专用网络覆盖率优化模型，创新了随机游走麻 雀搜索算法（RWSSA），获得覆盖率更广的5G专网宏基站与微基站布设 优化，提高矿区5G网络信号覆盖率，降低组建5G专用网络成本。 nm HZp R nm j j 1 cov , 5G信号覆盖率最大 Zhaozhao Chang, Qinghua Gu, Caiwu Lu, Yanhong Zhang, Sunling Ruan, Song Jiang. 5G Private Network Deployment Optimization Based on RWSSA in Open-pit Mine J. IEEE Transactions on Industrial Inatics, 2021. 中科院SCI 1区TOP期刊； 研究内容 Trajectory Data 露天矿道路图像采集 改进D-LinkNet模型 模型信息后处理 露天矿路网模型 研究内容基于倾斜摄影图的露天矿路网模型构建研究 露天矿道路提取模型损失函数 露天矿路网道路会车宽度 1顾清华. 一种基于P-LinkNet网络的露天矿道路模型构建方法P. 陕西省CN111242231A, 2020-06-30. （发明专利，实质审查） 2顾清华. 基于D-LinkNet网络的露天矿路网建模技术J. 煤炭学报. 2020（EI,Q1,IF 3.3, 检索） 3Qinghua Gu. A road extraction for intelligent dispatching based on MD-LinkNeSt network in open-pit mine J International Journal of Mining Reclamation and Environment. 2021.（SCI,Q2,IF2.9, 检索） 4Qinghua Gu.AHigh precision Road Network Construction Based on Deep Learning for Unmanned Vehicle in OpenPit.2022（SCI,Q3,IF1.3, 检索） 矿石固化永久道路 渣石永久道路 渣石临时道路 弱光图像 弱光道路图像 补偿后道路图像 1 1 log 1 log 1 1 2 1 2 11 , 1 2 1 2 2 2 生产数据自动计量 你有新的 派单 “滴滴式” 智能派单模式 设备运行轨迹回放 “铲不等车，车不等铲” 的高效模式 可实现多余设备智能启停 智能调度---主要功能 设备人员定位 行驶轨迹自动规划 研究内容基于数据驱动的露天矿新能源矿卡多目标调度建模及算法研究 重载上坡和水平行驶成本 空载上坡和水平行驶成本 空载和重载下坡节约成本 运输成本最小 挖机总等待时间最少 品位偏差率最小 Gu Q , Wang D , Jiang S , et al. An Improved Assisted Evolutionary Algorithm for Data-Driven Mixed Integer Optimization based on Two_ArchJ. Computers Industrial Engineering, 2021107463. 构建露天矿新能源矿卡多目标调度优化模型 提出基于数据驱动的混合求解算法 综合考虑外界因素对耗电的影响，提出基于数据驱动的混合求解算法求解多目标调 度模型。为企业提供符合电车实际情况的精细化调度方案，提高矿区经济效益，降低运 行成本，推动矿山绿色智能化发展。 新能源卡车 能量回收特性 考虑新能源车 充电时长 无尾气排放 节能环保 外界因素对耗电 参数的影响 露天矿新能源矿卡调度优化 （1） （2） （3） 第三代无人矿卡技术 能 力 建 设 低成本硬件配置 高性能软件算法 创新性亮点 优化硬件配置，构建低成 本硬件方案； 提高硬件集成度，向可量 产化、可工程落地方向研 发； 基于5G技术的远程驾驶 控制； 车车通讯功能（V2V） 多自动驾驶车辆协同编队 控制 具备多传感器信息融合感 知能力，实现多驾驶场景， 认知、多驾驶任务执行； 适用场景更加广泛（尝试 多种矿用道路）； 第三代无人矿卡 第三代无人矿卡解决思路基于低成本、高集成度和网联化三个层面进行了优化，对无人矿卡集群编队算法 架构进行调整，降低了感知、决策、控制三层间的耦合性，实现车云通信、多车协同、自适应编队等功能。 低成本高集成度低耦合性V2V网联化 降低自动驾驶解决方案 成本，提高装备性价比； 针对行业痛点及技术难 度，充分了解采矿需求， 拓宽采矿应用场景； 基于远程驾驶技术提供应急 场景自动驾驶解决方案； 多车自动卸驾驶协同编队 降低空气阻力，降低车辆能 耗、提高车队运行效率； 应用落地 创新研发 推动技术应用 构建智能矿山 研究内容基于多尺度数据融合的露天矿区无人车负向障碍检测 1.以MobileNetV3作为骨干特征提取网络； 2.使用基于深度可分离卷积的特征金字塔模块，扩大目标感受野提 升模型的多尺度检测性能； 3.以Focal Loss和DIoU Loss作为分类损失和边界框损失函数； 4.提出新的非极大抑制算法去提高检测精度； 为露天矿区无人驾驶车辆提供实时、高效、高可靠性的负向障碍 预警 构建多尺度特征融合的露天矿区障碍检测模型 通过实地数据采集建立数据集对模型进行性能验证 负障碍检测模型的mAP、精确度、召回率分别达到了92.59、98.86、89.58，对比主流模型也处于领先地位， 可以满足露天矿区复杂路况下无人驾驶车前负障碍目标快速准确识别的需求。 障碍检测模型 Image 20820810 10410424 525240 2626112 1313160 Head Head Head Head Head 4 4 HW256HW256 Classification HWC Center_ness HW1 Regresion HW4 HWSMobileNetV3FPNHead 4164163 阮顺领,李少博,卢才武,顾清华.多尺度特征融合的露天矿区道路负障碍检测.煤炭学报. EI收录 阮顺领,李少博,顾清华,江松,毛晶.基于双向特征融合的露天矿区道路障碍检测.煤炭学报.EI收录 Page无人驾驶系统 搭载矿用无人驾驶控制系统实现智能化 Page 大数据融合平台 系统样式 仅供参考 数字孪生系统 实时定位 轨迹回放 人 车 定 位 实时监控 应急指挥 视 频 监 控 实时监测 分析预警 边 坡 监 测 环 境 监 测 实时分析 监测预警 井下智能矿山 关键技术 03 Present situation 国内外动态 三山岛金矿 三山岛智能矿山示范建设 三山岛金矿以智能矿山建 设为支撑，以海底深井开采、 本质安全和绿色生态矿山建设 为主线，以人文矿山建设为保 障，重点突出“高效采矿技术、 三维采矿设计、智能采矿系统、 智能选厂建设、生产安全管理、 生产协同管控、生态环境升级、 和谐社区创建”八方面核心任 务。 国内外动态 澳大利亚NorthParkes铜矿 Control Room Mission Control System Operator Stations Access Control System External Systems Production Planning System Maintenance Planning System SCADA MineLAN Communication Light Barriers Backbone Production Area 井下电机车无 人驾驶技术 3.1 痛点与难点 溜井料位难以监测。 振动放矿机放矿过程易造成矿石滚落到车厢外或车厢之间。 有轨运输采用的生产调度系统还是比较原始的指挥，不能实现自动联动。 生产运输流程较为繁琐，且频繁需要人工参与，有极大的安全隐患。 装运卸全流程电机车无人驾驶关键技术 3.3 装矿点智能化 （1）放矿溜井料位检测由于26条放矿溜井处于-140m中段以上的 不同分层，因此存在无网络的情况，因此，针对此次建设采用有线单点 网络料位开关指示灯的方式来进行料位监测。 步骤一铲运车或卡车向某一溜井下放矿石时，通过点击料位开关进 行放矿溜井料位计量，并通过双色指示灯予以提示。 步骤二放料一车或一铲，利用相应的料位换算，算出矿石在溜井中 上升的高度。 步骤三放矿溜井下方通过振动放矿机放出矿石后，相应的溜井料位 也应该下降，下降的高度是通过称重计量系统计量的重量换算成相应的 放量。 （2）管理APP现场人员通过APP可以实时查看放矿溜井的料位情 况，并且根据现场实际情况，通过APP或现场物理开关对放矿溜井进行 启用或停用 3.3.1 基于装-运-卸协同调度溜井料位监测 针对振动放矿机放矿过程中易造成矿石滚落到车厢外或车厢之间的问题，特对振动放矿机 装置进行相应的改造升级。其在振动放矿机处加装一个可以活动的延伸放料板，该放料板采用电 机控制。振动放矿机经过改造后，放料时不仅可以兼顾车厢前后装满，还可以兼顾车厢左右。改 造后的示意图如下所示 放料板示意图放料挡板示意图 3.3.2 基于分段变频放矿的振动放矿技术 3.3装矿点智能化 机车装载点精准控制，采用红外反射检测开关进行控制。反射式光电开关是利用物体对光电开关 发射出的红外线反射回去，由光电开关接收，从而判断是否有物体存在。如有物体存在，光电开关 接收到红外线，其触点动作，否则其触点复位。 红外反射检测开关 机车装载点精准控制示意图 3.3.3 基于激光雷达红外对射的机车精准控制 3.3装矿点智能化 机器视觉分析激光雷达激光测距仪 采集满载程度图像数据集，并对图像进行预处 理，提取满载程度图像特征，最后采用买在成都 机器视觉方法进行分析 在每个放矿机处的巷道壁上安装激光雷达， 和 激光 测距装置，通过对激光雷达扫描回传的点云数据和车 底到车厢顶的距离，通过特殊融合算法分析车厢的满 载程度。 3.3.4 基于机器视觉的车厢满载检测技术 3.3装矿点智能化 3.4 电机车无人化关键技术 通过对电机车的机械、电气、物联感知以及控制系统的改造，主要实现电机车通过无线网桥与控 制中心进行实时通讯，电机车在接收到调度指令后，依据规划路线自主运行，并在运行过程中实现自 动升降受电弓、自动鸣笛、自动语音播报、自动停车，并形成自我保护机制，且对突发状况可以进行 远程遥控操作模式。改造后的电机车，将达到智能化、无人操作和系统联锁的安全运行水平。 电机车物联感知改造示意图 掉道检测示意图 激光 雷达 接近开关 多维 激光 扫描 仪 边缘计 算单元 毫米 波雷 达 360高清摄像机 语音系统 编码器倾角开关 主控制器 3.5 巷道智能运输系统 无人电机车在井下运行时，每辆车的实时位置关乎道岔的方向，与其他车辆的运行也息息相关， 准确的机车位置为调度提供了基础。在无人电机车在机车头上安装激光雷达，利用SLAM巷道高精 度定位通过雷达扫描建图，在系统中生成一张井下轨道线路地图，实现机车运行过程中的精确定位。 3.5.1 基于SLAM技术巷道机车行驶定位 无人电机车智能管控系统采用集群协同调度算法根据现场的运输需求，对现场的电 机车、放矿机、信号灯、扳道岔进行协同调度，实现井下电机车的无人化运输。 （1）智能路径规化（2）放矿协同（3）车路协同（4）车与信号灯协同 电机车集群协同智能调度 集群智能协同调度运输系统 井下斜坡道无 人驾驶技术 3.2 井下斜坡道无人驾驶关键技术 矿卡运输主要将-40m中段的矿石通过斜坡道运输到 地表破碎站 现有的月计划运输量为6.5万吨 实际运输量约9万吨 一汽柳特QU-25A 额定载重25吨 有效运输13辆 0000-700 1200-1500 1600-2300 老虎口 井下生产情况 安排出矿地点调度 斜坡道净宽4.460m坡 度为12 运距约12km 卡车及通用底盘 整车重量13500kg车宽2350mm 标准斗容6m3转弯半径3610/6470 额定荷载12000kg油耗15L/h 最大牵引力136KN 车长7500mm车高2350mm 国标JB/T8436-1015 1、现场条件UM-12车身较小，行驶 较灵活，转弯半径小，符合现场的实际 运行条件。 2、经济性一次性投资小，适用于一 期建设降低成本。 3、技术性UM-12在技术改造上表现 较好，吨位小可控性良好。。 优点 智能装备技术 远程遥控驾驶卡车 置身舒适安全的环境远程操控地下卡车，远离危险 多视角车身环视影像5G数据回传多传感器辅助驾 驶 特殊工况场景下 装、卸端变化情况下 地下矿卡运输现场 远程驾驶室 总体规划 1）数据采集层由各种定位终端和基站组成，定位 终端和基站实时进行无线信息交互，基站可获取到定 位终端的具体位置。读取车辆定位信息，发送车辆终 端信息； 2）网络传输层由井上井下环网组成，可利用矿方 现有的网络，该层将数据采集层的基站获取到的各种 定位终端的具体位置（车辆定位数据）实时上传至平 台服务器，服务器进行数据的处理，最终在软件界面 上展示出来； 3）平台应用层为用户提供人机交互界面，数据采 集层的信息上来后，在软件界面为用户展现井下车辆 的状态信息。获取车辆定位信息，解析显示、系统控 管理系统由下自上为三大层框架数据采集层、网络传输层及平台应用层。 UWB定位 井下UWB机车定位仪、红绿灯与附近基站内的UWB定位读卡分站进行无线通信，车载终端将车辆的位 置信息发送至UWB定位读卡分站，UWB定位读卡分站经过处理再经过井下环网传送至地面平台进行展示。 UWB机车定位仪与附近基站为无线组网方式，基站通过内部的光口与附近的环网交换机的光口连接。 通过UWB定位车辆位置信息后，将位置信息传输到车辆三维平台进行显示，在车辆运行过程中，依据交 通控制管理避让逻辑、智能红绿灯启停逻辑，以及相应的安全报警措施，实现斜坡道智能交通控制管理。 路权管控 针对斜坡道交通控制，系统默认下行车辆为空车，上行车辆为重车，所以当车辆运输时，其车 辆避让运输控制逻辑遵循“下行避让上行、空车避让重车”。 考虑到有除运矿车以外的车辆加入到斜坡道，其避让逻辑会发生变化，例如物资车辆和通勤车 辆加入时，避让控制逻辑为“运矿车避让通勤车辆、物资车辆避让运矿车辆、物资车辆避让通勤车 辆”。 通过在会车区安装红绿信号灯，实现斜坡道运行车辆的交通指挥调度； 集控平台 建立矿区斜坡道三维可视化模型，对车辆定位信息的跟踪和实时显示，并且基于三维的井 下地图显示，生动再现井下全貌， 在可视化模型的基础上，通过在斜坡道内安装综合通信基站和UWB定位读卡分站，井下 机车定位仪与附近基站内的UWB定位读卡分站进行无线通信，车载终端将车辆的位置信息发送 至UWB定位读卡分站，UWB定位读卡分站经过处理再经过井下环网传送至地面平台进行实时 显示，监控人员可以在软件界面上看到车辆（设备）的分布和运动情况。 集控平台 轨迹回放功能主要实现斜坡道车辆运行轨迹实时查询和回放；可对车辆（设备）的活动路 线进行跟踪，实时描绘出当前运动轨迹，或对其历史轨迹进行回放，掌握其详细工作路线和时 间节点，在进行救援或事故分析时可提供有效的线索或证据。 智能调度系统 车辆状态监测；信号控制；有人无人混编智能调度 智能化建设相 关建议 04 Page转变理念，创新管理模式 信息化工程是“一把手”工程，主要领导要有执行力。 管理越规范，信息化越好实现，系统应用越容易落地。 原有的管理方式或模式，需结合系统进行相应的调整。 信息化会使管理透明化、扁平化，会牵涉到部分利益。 信息化过程往往涉及到组织的管理机制和习惯的调整。 智能化系统的落地需要配套专门的机构、制度和人员。 矿山智能化是与矿山实际生产不断磨合优化完善过程。 理念一 理念二 理念三 理念四 理念五 理念六 理念七 Page项目落地情况 无人驾驶落地项目 洛阳钼业三道庄矿 焦煤集团千业水泥 冀东集团左权项目 中煤能源新疆项目 丰业马鞍山和尚桥铁矿 设备总数80 卡车58辆 挖机12台 其他10 洛钼三道庄露天矿平台 设备总数374 卡车296辆 挖机44台 其他30 吉林金隅冀东水泥 设备总数16 卡车14辆 挖机2台 中电八局调蓄库智慧系统 设备总数132 卡车122辆 挖机10台 智能调度管控平台推广28个矿区 设备总数3665台 卡车2696辆 挖机590台其他379 河北金隅鼎鑫水泥 设备总数19 卡车14辆 挖机5台 沃尔沃露天矿数字化管控系统 设备总数55 卡车37辆 挖机15台 其他3 洛阳富川矿生产管控平台 设备总数29 卡车20辆 挖机7台 其他2 天宇集团新星煤矿智能管 控平台 设备总数232 卡车200辆 挖机20台 其他12 新疆中煤华利煤矿生产 管控平台 设备总数129 卡车120辆 挖机7台 其他2 云南云龙山磷矿生产调度 管控平台 设备总数29 卡车20辆 挖机7台 其他2 贵州锦丰金矿管控平台 设备总数32 卡车25辆 挖机5台 其他2 金隅冀东凤翔水泥 设备总数15 卡车9辆 挖机5台 其他1