一、背景
????????? 近年來礦山自動化是礦山企業(yè)發(fā)展的熱門話題，隨著信息技術(shù)在礦山生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，礦山系統(tǒng)開始向自動化、系統(tǒng)化、多元化發(fā)展，礦山系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、動態(tài)的、開放的巨大的系統(tǒng)，各個組成部分之間相互影響、相互制約。對于這樣的系統(tǒng)要想最大化的發(fā)揮其能力和效益的話，就需要我們快速、準(zhǔn)確地了解其各個系統(tǒng)運行情況及特點，并從科學(xué)的角度做出準(zhǔn)確的決策，將系統(tǒng)配套、統(tǒng)一起來，而礦山自動化系統(tǒng)很好的解決了這一問題。
????????? 自20世紀(jì)下半葉起，德、英、美、澳等采煤技術(shù)先進(jìn)國家，大力推廣自動化、信息化技術(shù)，在井上、井下生產(chǎn)、安全等各環(huán)節(jié)，對主要設(shè)備均實現(xiàn)了子系統(tǒng)自動化生產(chǎn)控制和監(jiān)測，并采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將所有子系統(tǒng)通過聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)全礦井生產(chǎn)和安全系統(tǒng)的綜合控制、監(jiān)測和監(jiān)視，使生產(chǎn)效率大大提高，安全狀況徹底改善，獲得了巨大的效果。國內(nèi)煤礦數(shù)字化的發(fā)展過程與國外采煤發(fā)達(dá)國家相似，走先單機(jī)自動化、單個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程自動化，再完成全礦井的數(shù)字化的發(fā)展路線。
????????? 國際上隨著實時礦山測量、GPS實時導(dǎo)航與遙控、GIS管理與輔助決策和3DGM的應(yīng)用，一些大型露天礦山（包括我國的平朔、霍林河礦區(qū)）已可在辦公室生成礦床模型、礦山采掘計劃，并與采場設(shè)備相聯(lián)系，形成動態(tài)管理與遙控指揮系統(tǒng)。此外，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、自適應(yīng)模式識別、遺傳算法等人工智能技術(shù)、GPS技術(shù)、并行計算技術(shù)、射頻識別技術(shù)以及面向巖石力學(xué)問題的全局優(yōu)化方法、遙感技術(shù)等已在智能礦山地質(zhì)勘探調(diào)查與測量、智能礦山設(shè)計、智能礦山開采、計劃與控制、礦山災(zāi)害遙感預(yù)報等研究領(lǐng)域得到應(yīng)用。
????????? 在國內(nèi)自建國以來，中國礦業(yè)經(jīng)過半個世紀(jì)的快速發(fā)展，已建成國有礦山近萬座，集體礦山和其他非國有礦山20多萬座，年開采礦石量超過50億t，從業(yè)人員2100萬，帶動了300座以采礦和礦產(chǎn)品加工為支柱產(chǎn)業(yè)的礦業(yè)城市的興起（其中煤炭城市54座）。鄉(xiāng)及鄉(xiāng)以上的礦產(chǎn)采選業(yè)產(chǎn)值占GDP的6.27%(1997年)；全國固體礦產(chǎn)產(chǎn)值占世界產(chǎn)值的16.5%(1996年)，居世界第二位，能源礦產(chǎn)產(chǎn)值占世界的9.1%（1996年），居世界第三位。中國已由一個礦業(yè)弱國躍入世界礦業(yè)大國的行列。中國礦山行業(yè)的信息化建設(shè)雖然有了較大發(fā)展，但總體狀況仍然很不樂觀。中國礦山在礦山勘察、規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、管理、全過程監(jiān)控等信息化"軟"領(lǐng)域，與發(fā)達(dá)采礦國家的差距越來越大。
????????? 礦山企業(yè)作為資源開發(fā)的主體，其信息化是礦業(yè)信息化的重要組成部分之一。礦山信息化即是挖掘先進(jìn)的管理理念，應(yīng)用先進(jìn)的信息技術(shù)去整合礦山現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)營、設(shè)計、管理，及時地為礦業(yè)"三層決策"系統(tǒng)提供準(zhǔn)確而有效的數(shù)據(jù)信息，以便對市場需求做出迅速反應(yīng)，進(jìn)而提升礦業(yè)管理、組織結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)流程的變革和延伸。
????????? 二、礦山企業(yè)的基本特征
????????? 數(shù)字礦山研究的前提，是要首先掌握礦山企業(yè)的基本特征，針對數(shù)字礦山的基本特征來設(shè)計數(shù)字化礦山總體解決方案。礦山企業(yè)一般具有以下特征。
???????? (1)礦山是以自然資源為對象的生產(chǎn)企業(yè)。礦產(chǎn)資源的存儲與地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性密切相關(guān)，而且其空間位置、形態(tài)、元素品位分布等均極富變化。由于資源分布的復(fù)雜性、不確定性，局限性了勘探工程控制程度，人們對資源的認(rèn)知程度就會隨著開采的不斷進(jìn)行而漸漸變化。同時，隨著市場價格和開采技術(shù)條件的變化，礦體的邊界和形態(tài)也會隨之變化，并需要及時變更和修正。
???????? (2)礦山生產(chǎn)環(huán)境惡劣、作業(yè)空間狹小。對地下礦山而言，由于通道狹長、電磁屏蔽性強(qiáng)、噪音大，正常通訊難以實現(xiàn)，導(dǎo)致生產(chǎn)過程控制十分困難。
????????? (3)在礦山企業(yè)中，不僅生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部存在大量的多源、異質(zhì)信息流動，而且系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境之間也存在著信息的交換和流動。與其它工業(yè)企業(yè)相比，礦山企業(yè)的信息化、智能化、可視化、可控化工作更難實現(xiàn)。
????????? 礦山企業(yè)的這些特征，使其決策、設(shè)計、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度與過程控制、安全生產(chǎn)等各個方面均非常復(fù)雜。因此，數(shù)字礦山的建設(shè)必須從系統(tǒng)的角度出發(fā)，以企業(yè)的信息流為主線，以對生產(chǎn)要素和生產(chǎn)過程控制為目標(biāo)，最終實現(xiàn)礦山企業(yè)效益最大化。
????????? 數(shù)字礦山建設(shè)涵蓋了礦山企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中，全面實現(xiàn)信息化、可視化、智能化、自動化和決策與管理科學(xué)化的全部內(nèi)容(見圖1)
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??????? 圖1
????????? 三、數(shù)字礦山建設(shè)目標(biāo)
????????? 隨著計算機(jī)技術(shù)在采礦業(yè)的不斷應(yīng)用，采礦業(yè)正由經(jīng)驗型、傳統(tǒng)型向科學(xué)型、定量分析與處理、自動化方向發(fā)展。我們礦山生產(chǎn)的實際情況，將下一步數(shù)字化礦山建設(shè)目標(biāo)定位于：以計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為手段，把礦山的所有空間和有用屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化存儲、傳輸、表達(dá)和深加工，并應(yīng)用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理和決策之中，以實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的系統(tǒng)優(yōu)化，達(dá)到提高資源的綜合利用率、降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)利潤最大化的目的。高效快速的推進(jìn)礦山網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化、綜合自動化在我礦的整體應(yīng)用。
????????? 目前，我國數(shù)字礦山建設(shè)的具體目標(biāo)是：
????????? （1）應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、智能技術(shù)和煤礦生產(chǎn)工藝技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)營、生產(chǎn)決策、安全生產(chǎn)管理和設(shè)備控制等信息的有機(jī)集成。
????????? （2）通過應(yīng)用軟件，實現(xiàn)經(jīng)營管理科學(xué)化，生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)安全調(diào)度、生產(chǎn)過程控制最優(yōu)化。
????????? （3）保證煤礦生產(chǎn)安全，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和競爭能力。
????????? （4）提高對客戶多種要求的響應(yīng)能力。
????????? "數(shù)字化礦井"最終表現(xiàn)為礦井的高度信息化、自動化、高效率、高安全和高效益。
????????? 四、數(shù)字礦山建設(shè)的基本項目及內(nèi)容
????????? 礦山系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、動態(tài)的、開放的巨型系統(tǒng)，各部分之間互相影響、互相制約。對于這樣的系統(tǒng)，只有快速、準(zhǔn)確地了解各個系統(tǒng)的運行情況，并使各個子系統(tǒng)配套、一致，再在此基礎(chǔ)上予以優(yōu)化，才能實時、科學(xué)地做出決策，發(fā)揮數(shù)字礦山系統(tǒng)的最大能力和最佳效益。圍繞數(shù)字礦山建設(shè)的具體目標(biāo)，數(shù)字礦山建設(shè)的基本內(nèi)容有：安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、井下皮帶監(jiān)控系統(tǒng)、主付井提升監(jiān)控系統(tǒng)、采區(qū)變電所監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)、主要扇風(fēng)機(jī)房監(jiān)測系統(tǒng)、井下人員定位和管理系統(tǒng)、系統(tǒng)集成平臺建設(shè)、礦壓觀測與分析系統(tǒng)、水文監(jiān)測與分析系統(tǒng)、礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)、地測地理信息系統(tǒng)、采礦協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)、輸配電地理信息系統(tǒng)、智能化礦井通防系統(tǒng)、給排水地理信息系統(tǒng)、綜合管線管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、礦山生產(chǎn)成本管理系統(tǒng)、礦山綜合管理系統(tǒng)等；
????????? 總體概括數(shù)字礦山技術(shù)主要實現(xiàn)功能和作用為幾個方面：
????????? (1)礦山海量、異質(zhì)、時空數(shù)據(jù)庫及分析和采礦設(shè)計功能；
????????? (2)信息綜合傳輸通訊功能；
????????? (3)生產(chǎn)過程控制與調(diào)度功能；