中科奧維5G+智慧礦山采選三維管控云平臺 ——眼見即為實
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業化公司，公司成立于2013年6月，在北京、沈陽、大慶、哈爾濱等多地設有分支機構。
公司依托中科院沈陽自動化研究所在科技、人才、創新方面的優勢，長期開展創新研究，致力于中國智能制造技術的進步，并擁有大量相關方面專有研究成果及專利技術。深耕于工業互聯網行業，是目前我國唯一掌握工業物聯網WIA-PA無線通信國際標準的企業（全球三大工業無線協議標準之一）。專門從事礦山、冶金、石油、化工等重點行業的軟件開發，工業物聯網的前端傳感設備、網絡傳輸設備、行業專用測控裝置產品的設計、研發、制造，提供系統集成與專業的技術服務，為行業用戶提供工業互聯網整體解決方案，是經國家認證的雙軟企業和高新技術企業。
面向近年來我國礦山發展現狀，通過持續與用戶需求的深度結合，公司構建了以地質品位、采出品位、入選品位、精礦品位和入爐品位為核心指標，貫穿地、采、配、選、冶全流程的采礦閉環智慧礦山生產執行體系，實現礦山生產自動化、業務協同化、決策智慧化。基于工業互聯網、ICT、人工智能核心技術與礦山生產協同、工藝優化進行深度融合，為客戶提供先進的智慧礦山解決方案及成熟的產品服務。賦能礦業生產智慧化的創新模式。
一、 項目概況
1. 項目背景
鞍鋼礦業所屬礦山均為特大型鐵礦山，生產工藝流程長，管理環節多，工程復雜性高，各個層級之間信息傳遞具有滯后性，難以實現實時的、最優的生產指揮調度，進一步推高了廠礦的整體成本。采選生產過程中的原礦質量沒實現精準智能跟蹤，選礦各生產工序沒有進行全局優化協調控制，生產組織有進一步提升的潛能。
本項目建設對鞍鋼礦業采選生產過程進行充分的現場調研，立足當前現狀，梳理業務需求，結合前沿技術，尋找提升空間，規劃出一套有價值、可落地、可復制的解決方案，提升礦山管理的智慧化水平。
2. 項目簡介
本項目建設以智慧礦山采選三維管控云平臺為載體，構建三維仿真礦山，結合5G網絡、WIA-PA網絡覆蓋，實現現場數據不間斷地實時交互。用戶通過三維管控平臺利用VR技術可實現對采場、選廠的現場狀態的全面感知。基于該平臺，建立三維采場系統、智能卡調系統、三維選廠系統、磨磁數字孿生系統、礦石粒度圖像分析系統等多個業務系統。通過這些系統的部署運行，有效地實現了業務流程優化，工人工作環境改善，工藝指標輔助提升，進而提升了礦業公司高效的管理水平和經濟效益。
3. 項目目標
采用基于工業互聯網平臺的端邊網云架構，建立面向“礦石流”的全流程智能生產管控系統，將礦山大量基于傳統IT架構的信息系統作為工業互聯網平臺的數據源，繼續發揮系統剩余價值，同時逐步推進傳統信息化業務云化部署，實現礦山全流程的少人化、無人化智慧生產。
結合礦山開采環境復雜、生產流程不連續、安全管理壓力大、多元素資源共生等特點，在礦業公司已有自動化、信息化建設基礎上，推進物聯網、大數據、人工智能、邊緣計算、虛擬現實等前沿技術在礦山的應用，建成集資源的數字化管理、基于工業大數據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. 項目總體架構和主要內容
工業互聯網平臺是實現智慧工廠、智慧礦山的重要載體。隨著“5G+”“物聯網+”、大數據技術、移動互聯、云端技術的飛速發展，智能制造行業中的各類業務都在不斷創新和發展，各類業務數據的存儲、傳輸都呈現井噴之勢，對于工業互聯網平臺建設提出了較高的要求。
根據鞍鋼礦業智慧礦山總體規劃頂層框架設計，以及鞍鋼礦業下轄多制造企業（礦山）的組織架構模式，鞍鋼礦業工業互聯網平臺采用礦業公司總部部署、企業多租戶管理的方案，總部部署的平臺承擔決策層統一規范、統一標準、IaaS層資源共享、PaaS層互通的功能，企業空間部署執行層的應用管理平臺，應用管理平臺作為最底層承載著生產過程控制平臺、生產管理等諸多業務平臺。
3. 具體應用場景和應用模式
1）5G+三維采場
建設數字地質系統，實現精準的地質三維展示，地質統計學分析和集成的建模環境，通過三維數字地質模型進行生產計劃執行對接、爆破設計，為智能牙輪作業、智能配礦決策、智能鏟裝跟蹤等采場作業提供數據基礎。貫穿計劃、執行、驗收、再更新地質模型完成采礦生產閉環。
根據采場實時數據，自動更新礦體模型，為下一期作業提供地質數據基礎。建設地質管理功能。分層圖、剖面圖解譯功能，提高地質圖件的精度，經過水平自動連線算法能夠通過上下層地質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、車輛監控等信號實時反饋在三維建模中，監控人員與車輛位置狀況，向已經超出電子圍欄范圍的車輛司機提供報警功能。并且設備操作人員進行健康狀態監視，確保生產安全以及周圍人員安全。
圖1 5G+三維采場
2）5G+智能卡調系統
依據智能配礦以及管理子系統下發的生產計劃，本模塊主要利用計算機技術、無線網絡通訊技術、全球衛星定位技術、礦山工程系統理論和核心調度模型算法等先進手段，建立鏟運實時監控、智能調度、生產指揮和應變調優的管理系統。
實現對礦山的可視化、數字化、智能化、實時化管理，建立一種新的集生產監控、智能調度、生產指揮為一體的生產管理模式，是智慧化礦山建設的重要基礎。
圖2 5G+智能卡調系統
3）5G+&WIA-PA三維VR選廠
三維VR選廠是通過虛擬現實技術使選廠內設備及工業流程1：1、生動、形象、直觀的展示。利用計算機圖形學、仿真技術學、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，結合3D交互技術真實模擬選廠現場環境并接入后臺數據，可自主瀏覽和查看場景、設備結構及設備數據信息。
項目建設采用5G與WIA-PA相結合的網絡覆蓋模式，全面接入工廠設備的實際生產運行狀態，真實、虛擬聯動，在3D場景中能點擊攝像頭調取實時的視頻畫面，并設定仿真漫游巡檢，在安全的環境下，更快速的發現生產問題。
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，拉近到故障和報警發生地點，管理人員能夠直接查看到信息詳情和對應的機臺、工序詳情，并調用周邊視頻監控查看現場情況，讓管理變得高效、直觀，讓集中指揮調度成為可能。
圖3 三維VR選廠
4）數字孿生：球磨機工藝優化
充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，預測球磨機的產能、能耗，優化球磨機的工藝生產過程，最終對球磨機的生產運行進行干預，使球磨機在經濟、穩定的運行條件下運行。
智能優化調節磁選機的控制策略，提升回收率，并通過智能巡檢等技術手段，代替人工完成巡檢過程中遇到的繁、難、險和重復性工作。
圖4 球磨機數字孿生工藝優化
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；通過圖像形態學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、礦石圖像分割技術等，最終計算出各粒度范圍內礦石數量。
視頻分析平臺將視頻分析服務器分析的數據采集、匯總，通過物體追蹤、畫面拼接等技術，對礦石進行二次分析驗證，以保證數據的準確性，形成最終粒度分布數據。
圖5 邊緣人工智能檢測儀表
3. 其他亮點
1、智能生產
建立智能配礦體系，實現各工序協同。并通過無人機的傾斜攝影以及激光掃描技術建立采場模型，建立模擬仿真與三維可視化系統，實現智能綜合質量配礦管理、智能調度、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控，優化“3D崗位”，通過機器人裝置實現鐵運高危作業調車指揮，改善調車員工作環境，使其發揮更大的勞動價值。
3、智能能耗
依托物聯網技術，構建能源采集系統，使用大數據挖掘、大數據分析技術，實現單機臺效能分析。通過精準油耗檢測，改變工作模式，直接提升運輸時效。能耗監控結合生產信息分析單機的工作效果，以及關鍵部件運行監控，實現新的采場能耗精準管理。
4、智能管理
通過全新的現代遠程操控中心，完成采礦業務的垂直管理，提高生產效率，通過監控報警，主動式維護減少設備損耗，提高安全管理能力，通過數據績效分析，提供數據化支撐的管理手段，提高管理效率。結合采場的大屏展示、移動辦公等多終端表現形式，形成智慧礦山新的生產、管理模式。
三、下一步實施計劃
1、無人駕駛
依托5G 通訊網絡系統，利用礦區三維地質數字模型進行路徑規劃，在運行過程中依靠攝像頭、自動定位模塊、傳感器、自身運行狀態監控等功能，實現自主駕駛、智能避障、車隊協同控制、緊急停車等生產作業需求。在礦區調度管理室，調度員可進行統籌監控和管理，在必要時對車隊的運行狀態進行干預，以滿足礦區生產需求，實現無人運輸。
2、無人機應用
除了采場三維建模，將無人機更多的融入到采場的實際應用中，如在高風險地區航拍獲取災前地面影像資料，形成穩定的災害監測無人機“數據采集--分析決策”良性發展模式；礦山環境恢復，對目標區域進行數據采集，經過計算機處理，進行定性或定量分析礦山環境的治理恢復的真實現狀，為管理者提供決策依據。
3、資源優化開采
利用地質統計學分析和集成的建模環境，并根據礦床地質特征，智能分析礦區品位變化規律、計算剝離圍巖各區段品位及成分，計算回收其他成分的成本及可行性，最大限度的利用礦產資源。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
本項目建設以“推進兩化融合，打造智慧礦山”為背景，以企業需求為牽引，以ICT和人工智能為手段，以工藝優化和生產協同為途徑，打造選礦智能工廠行業標桿，具備向其他選廠的快速復制與推廣能力，實現與上下游生產環節的高效協同，為礦業生產“五品聯動”管理機制的建立提供有力支撐，通過項目建設實現以下創新。
（1）管控模式創新，建立遠程集中控制管理體系，實現扁平化管理模式。實現生產管控系統的全面信息化采集，建立廠級綜合指標體系，準確評估生產過程控制水平，實現問題的精準溯源，提升管理效率。
（2）檢測技術創新，突破選廠檢測關鍵技術，實現礦漿品位、濃度在線檢測，優化粒度檢測方式。通過采用先進的儀器儀表設備，全面提升選廠現有工藝流程控制水平，實現選廠工藝信息的全面采集，為選廠智能控制提供基礎數據支撐。
（3）生產控制創新，以“量質平衡”穩態生產作為選廠智能管控的目標，通過生產過程大數據分析和機器學習等人工智能技術，使用數據驅動與人工經驗選廠全流程的智能優化控制。
（4）協同應用創新，應用“端邊網云”架構，建設礦業工業互聯網平臺，改變傳統的應用部署模式，打破數據孤島，支持業務與數據的高效協同，采用三維VR技術與5G技術、WIA-PA技術融合，通過對生產過程數據和礦山運營數據的分析、挖掘，不斷形成創新應用。
2. 實施效果
1、資源精細化管理
1）礦山資源數字化，項目建設中，從地質勘探信息入手，通過先進的地質三維軟件構建直觀可見的數字地質模型，做到了對國家資源的精準利用管理，是實現整體智慧礦山的基石。
2）礦山開采智能計劃，結合礦山數字地質，配合年生產計劃，通過信息化建設生產排產系統，結合資源的地質品位、工藝的采出品位、設備生產能力等要因，運算生成到天的詳細生產計劃，剝巖量、采礦量、品位信息等一目了然，把傳統的礦山生產由二維變為直觀的三維管理，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管理，能夠對整體智慧礦山建設，生產管理帶來本質提升。
2、采選智能化生產
1）智能穿爆，直接在數字地質上進行爆破設計，定義鉆孔位置，通過爆破模擬評估本次爆破設計的效果，得到最優的爆破設計參數，然后直接下發鉆孔位置、深度等參數給鉆機，工作人員遠程遙控鉆機通過帶RTK的精確鉆孔定位系統定位鉆孔位置，進行遠程遙控鉆孔作業，鉆孔過程中實時獲取鉆孔深度數據，保證鉆孔深度的準確性，同時依據地表高度修正鉆孔深度，保證鉆孔底層平面的深度統一，達到爆破效果最佳。
2）智能鏟運，智慧采礦建設以釋放勞動力，提升生產為目標，系統每日自動獲取電鏟位置，結合數字地質獲取地質品位、礦種等信息，根據配礦條件生成配礦計劃。配礦計劃下發到智能卡調系統，系統提供全自動調度模式，會根據配礦計劃、排隊信息、運距里程、設備故障等綜合因素自動生成調度指令并以語音方式在對應礦車上進行播報。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，自動統計車輛的運輸次數、滿載運距、礦巖車次數量等統計信息。生產全流程的貫穿帶來的并非單一自動調度，而是生產行為的識別以及管理提升，通過每一次運輸形成的生產行為大數據，通過分析最終形成感知與績效的關聯管理，為提升生產提供有力支撐。
3）工廠無人值守，本次項目建設強化自動化基礎設施完善，基于多種智能化檢測手段實現對皮帶機、破碎機等關鍵設備的現場感知能力，通過設備健康診斷系統實現設備故障提前預警，現場以巡檢崗位為主，不再設置看護性崗位，改善工人作業環境，保障職業安全。通過礦石粒度分析系統實現對礦石流的跟蹤管理，通過粒度分析，間接反饋振動篩運轉狀況，做到提前預警，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，本次建設我們結合無人機、三維GIS、實時定位、數字孿生、大數據處理等技術，實現采場的車輛實時展示、生產信息展示、地形實時消減變化、路網自動生成、報警實時展示、真實視頻與虛擬場景實時聯動、爆區的電子圍欄，通過先進的技術手段把礦山的生產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，系統根據規則生成的報警推送，視頻聯動，都無需集控人員實時關注，擺脫人看監控而是系統來監控整體運行，關注細微變化。
2、管理駕駛艙，通過多系統的串聯，把地質、計劃、穿爆、配礦、采運、破碎、磨磁、浮選、精尾過濾進行串聯結合，融合多系統多工序，形成生產寫實，依照規則進行生產監控，依照管理政策進行生產績效，融合多種手段進行大屏幕、移動端、PC端、礦車終端等多設備展示，形成多層次用戶的數據快速掌握，生產快速跟蹤。
聲明
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