地下金属矿具有资源赋存条件复杂、采矿方法多样、作业地点分散、开采过程不连续和井下环境恶劣等特点。因此，地下金属矿在开展智能矿山建设过程中均面临以下问题：（1）智能矿山建设缺乏顶层设计，没有围绕矿石流和业务流开展相关系统建设；（2）技术作业还是单兵作战，缺乏流程化作业；（3）所建立的系统数据标准不统一，接口协议规范无法直接集成和共享；（4）数据只能局部集成，无法实现生产、技术和管理综合集成。以上问题的出现在于缺乏智能矿山整体规划，无法全局考虑各应用系统的关系。
本文以国内地下金属矿现状为基础，结合矿业未来发展趋势，对矿山未来智能化建设提出全面框架，就如何进行地下金属矿智能矿山规划进行具体阐述，提出以矿山技术作业、生产管理、安全管理和生产装备为规划主线，覆盖全生产要素，并贯穿全业务流程，将生产、技术和管理有机结合，提升技术与生产作业效能。
1 智能矿山战略规划
1.1 规划目标
智能矿山战略规划是基于地下金属矿现状特点，以充分利用现有投资、不影响生产为原则，对标国内外地下金属矿智能矿山建设标杆企业而作出的系统安排。规划的目标是通过引入智能矿山成套技术，构建信息基础设施、生产技术、生产管理、智能开采装备、安全环保和智能管控等应用平台，达到两化融合（工业化、信息化），实现技术与生产作业效能的显著提升，大幅提高劳动生产率和资源综合利用率，提高生产与安全管控水平。
1.2 规划思路
结合地下金属矿的特点，聚焦地下金属矿矿石业务流和数据流全过程管控，规划紧密围绕资源规划、开采设计、生产计划和生产过程控制，从技术、装备、生产和安全管理等方面，多角度、全方位保证矿山生产，理清业务及平台之间的逻辑关系，保障矿山具体业务得以科学、高效开展。
基于智能矿山业务构架，拟在信息基础设施、生产技术、生产管理、安全环保管理、智能开采装备与系统及三维可视化管控5个方面开展智能矿山规划，形成智能矿山建设思路，将该思路简称为“1145”，即一个数据中心（智能矿山数据中心）、1个管控平台（三维可视化智能管控平台）、4条业务主线（生产技术、生产管理、过程控制、安全环保四条主线）和5个应用平台（信息化基础平台、生产技术协同平台、智能开采装备与系统、安全环保管理平台、生产管理平台）。
1.3 系统架构
在规划目标与思路下，根据业务架构体系内容，基于基础信息平台，通过数据采集平台将各子系统实时数据进行集成和共享，形成矿山数据中心；数据中心为矿山生产管理、管控、企业经营决策提供数据来源，分析与提炼矿山生产数据，集成矿山各子系统数据；结合虚拟仿真技术，真实展现矿山的实时生产状态、监测监控数据，形成矿山三维可视化智能管控平台。通过该系统架构，可以实现矿山各子系统实时数据统一存储、智能管理、实时分析、集中监控、集中发布、统一管控和统一调度。智能矿山规划整体架构如图1所示。
图1
2 智能矿山应用平台规划
2.1 信息基础平台
信息化基础平台是智能矿山建设的基础，主要包含有线、无线网络和数据中心建设。
随着智能矿山建设的推进，井下自动化数据需要集中传输，现有的工业网络系统需要升级改造。因此，需要建有地表至井下的稳定、安全、高效的千兆/万兆工业环网和基于WIFI、4G或5G的无线通信系统，保障能够将信息实时采集至采矿调度监控中心，实现设备的远程集中控制以及数据存储和共享。
当前矿山各类数据管理相对分散、数据版本众多，矿山技术文件多采用FTP文件服务器管理，各部门数据管理手段不统一，数据传递相对比较麻烦，无法实现数据的集中存储、集中管理和高效共享。
数据中心通过采集和融合生产技术协同平台数据、人员数据、设备数据、智能开采装备与系统数据、安全环保平台数据以及生产管理平台数据等，进行大数据分析与应用，实现矿山生产信息三维可视化共享。
数据中心对所采集的数据全部进行数据化储存，仅对部分数据保留文本附件存储。将资源储量模型解析为空间数据储存，其他数据采用结构数据储存。数据中心的数据遵循通用和标准数据存储规则（例如空间数据参照OGC标准），支持第三方系统通过接口读取数据。
2.2 生产技术协同平台
随着国内外数字矿业软件的发展和数字采矿技术（地勘、测量、采矿和生产计划等方面）在众多矿山中成功应用，数字采矿技术得到国内外先进矿山的普遍认可。然而，由于这些矿山地勘、测量、采矿专业之间还处于离散、独立、分割的技术管理模式，无法实现技术和管理数据的共享与协同。
生产技术协同平台基于各种业务流程标准规范和三维矿业软件，实现地勘、测量、采矿多专业工作协同。制定采矿过程中技术业务流程标准规范。在生产技术协同平台上可完成地质编录和资源建模评价分析，同时可以进行采掘计划智能编制和开采方案设计优化等。生产技术协同平台架构如图2所示。
图2
图2
生产技术协同平台架构
Fig.2
Architecture of production technology collaboration platform
生产技术协同平台是生产技术流程化作业基础平台，平台制定各业务作业数据标准，保障各业务数据通用性和完整性，各业务通过流程联通，数据通过流程流转，技术作业通过流程可实现规范化管理。
2.3 智能开采装备与系统
智能开采装备与系统平台主要以矿石流为线索，围绕矿山凿岩、装药、爆破、铲装、运输、破碎、提升和选矿等全业务生产过程所涉及的装备与系统进行全面升级、改造，逐步实现减人、少人和无人化开采。智能开采装备与系统架构如图3所示。
图3
智能开采装备与系统可跟踪装备运行情况，对设备运行能效进行综合统计分析。通过分析为下一周期生产计划中设备计划的编制提供一线基础数据，从而有效引入或改造装备，减少施工人员进入危险工作面现场作业。智能装备定位数据与三维可视化管控平台对接，实现设备可视化综合调度。
2.4 安全环保管理平台
安全与环保管理一直是矿山生产的重中之重，近年来，随着国家监管力度的增大以及企业自身发展观念的转变，“绿色矿山”的概念已经深入人心，矿山生产安全与环保状况得到了很大的改善。智能矿山作为新时代矿山生产的先进代表，将继续保持对安全环保工作的大力支持并且在方式方法上进行一定的创新与改革。
安全环保平台结合矿山现有安全环保管理要求，提出对现有矿山安全环保管理通用建设的要求。规划内容包括矿山安全虚拟实训系统、安全环保平台、安全避险六大系统、井口门禁系统和微震监测系统6个模块。安全环保管理平台架构如图4所示。
图4
图4
安全环保管理平台架构
Fig.4
Architecture of safety and environmental protection management platform
虚拟实训系统利用虚拟仿真技术进行岗位、技术和安全培训，以较小的经济成本达到接近现场的实训效果，实现对矿山安全生产管理过程的痕迹化流程化管理。微震监测系统能够改善传统点监测盲区大、监测范围窄和成本高等缺点，实现了微震事件的预警和空间定位。
2.5 生产管理平台
矿山生产是一套复杂运营管理过程，生产管理者需要了解现场生产各环节的实际情况。随着采矿生产逐渐由粗放型向精细化转变，及时、完整地了解现场生产情况对提升管理效率和管理质量具有重要意义。
生产管理平台从矿山生产工艺流程入手，以生产计划—生产监控—生产统计为主线，记录生产计划数据和生产过程信息，集成数字采矿软件、设备管理系统、物资管理系统、质检化验系统和自动化系统等软、硬件系统数据，为各级生产管理人员提供实时、准确的生产数据，通过对生产信息进行采集、分析和跟踪，持续改善管理目标，实现精益化生产。生产管理平台架构如图5所示。
图5
生产管理平台整合和集成生产作业各子系统实时数据，为各级生产管理人员提供实时、准确的生产数据，通过对生产信息的采集、分析和跟踪，可不断挖掘人力和设备作业潜能，节能降耗，持续改善管理目标，实现精益化生产。
2.6 三维可视化智能管控平台
以矿山生产管理、过程控制和安全环保为中心，以矿山生产和安全监测数据及空间数据库为基础，以矿山资源与开采环境三维可视化和虚拟环境为平台，利用三维GIS、虚拟现实等技术手段，将矿山地上地下场景、矿床地质体、采空区、井巷工程、采矿方案和选矿生产工艺过程进行三维数字化建模，综合集成生产技术协同平台、智能开采装备与系统以及安全环保平台与生产管理平台数据，实现对矿山生产环境、生产状况、安全监测、人员和设备状态的实时高仿真显示，解决建设过程中基础信息不足、信息孤岛和可视化表达困难等方面的问题，为高效生产调度提供工具。三维可视化智能管控平台架构如图6所示。
图6
图6
三维可视化智能管控平台架构
Fig.6
Architecture of 3D-visualization intelligent control platform
三维可视化智能管控平台通过整合生产与安全作业各子系统实时数据，实现生产仿真与模拟、生产阶段的监测与管控以及灾变发生时的可视化应急指挥等矿山关键业务过程支持，实现开采过程中对井下环境的智能感知反馈信息的处理、决策与控制。
3 结论
（1）提出地下金属矿智能矿山“1145”建设思路，以业务流和数据流为线索梳理了业务与建设平台的逻辑关系，确定智能矿山业务架构。
（2）围绕生产技术、生产管理、过程管控和安全环保，形成了覆盖全要素、贯穿全流程的规划架构。
（3）提出了以数据中心为核心，以三维可视化智能管控平台为窗口，以生产技术协同平台、智能开采装备与系统、安全环保管理和生产管理平台为承载的地下金属矿智能矿山规划内容。
（4）规划思路紧密融合智能矿山成套技术与生产工艺，为地下金属矿智能矿山规划、设计和建设提供指导。
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