与印象中灰蒙蒙、脏乱差的矿山印象不同，青州中联水泥有限公司矿区不仅干净整洁，还是天津水泥工业设计研究院有限公司（以下简称天津水泥院）的智慧矿山应用试点。无人驾驶的智慧矿车满载矿石，自动运输，井然有序。这只是天津水泥院开展智慧矿山研发的缩影。
▲青州中联采矿现场
从2019年开始，天津水泥院以安全、绿色、智能、高效、少人为目标，面向露天矿山场景，围绕矿企存在的安全、质量、成本等痛点问题，自主研发基于数字孪生模型的统一数据共享中心、矿山资源管理平台、矿山生产运营管理平台与矿山无人运输调度平台，集成研发无人驾驶矿车。
到今天，天津水泥院初步构建了“1+3+1”智慧矿山建设模式，形成低成本、数字化、少人化智慧矿山系统解决方案。
01 智慧矿山是困难更是机遇
此前矿山穿孔、爆破、采装、运输、卸料等环节都离不开人工。智慧矿山建设是实现矿山安全生产、降本提质增效、提高市场竞争力的重要手段。
借助智慧矿山建设，把危险的工作让机器去做，工人远程操控，出现异常及时干预调整，可使矿工的作业内容由重体力劳动向轻体力、脑力劳动转变，告别“苦、脏、累、险”，能够更安全、更体面地工作。为实现这一目标，天津水泥院决定攻克建设智慧矿山的难题。
困难即机遇。2019年起，天津水泥院通过内部挖潜员工与外部吸纳专业人才，组建了项目团队。深耕水泥行业多年的经验带给项目团队天然的优势，没有人比他们更了解矿山的各个场景、装车、卸料、路径规划及与上层系统如何对接。
通过学习及创新，天津水泥院自主构建了“1+3+1”智慧矿山建设模式，具体包括1个打通数据链路、挖掘数据价值的数据共享中心，实现矿产资源精细化动态管理的矿山资源管理平台、实现全方位数字化生产运营的矿山智能生产运营平台和无人运输调度平台3个平台，以及1套包括无人驾驶矿车及远程驾驶挖掘机在内的矿山无人运输整体解决方案。
▲矿山无人运输调度系统
02 矿车有了“智慧脑”
一座年产500万吨的水泥用灰岩矿山，12台矿车3班制运行，需要36名司机；而采用无人智能矿车系统，则不再需要在岗司机，取而代之的是每班1个中控操作员和2个应急维保人员。仅此环节就可减员27人，减员75%。不知疲倦的机器取代了人力，每日作业时间就延长了，提升了台班效率，提高了单台设备劳动生产率，从而降低了生产成本。此外，矿车不再实时需要驾驶员，也就消除了人身安全事故隐患，提高了矿山安全等级。同时，如果使用无人矿车取代人工驾驶，只需要少数几名运维人员对整个系统做监控调度和路径规划，还可以解决因人员换班所造成的开采停工问题，真正实现矿山24小时连续不间断作业，显著降本增效。
▲无人驾驶系统解决方案
2020年起，天津水泥院开始布局搭建一个真正低成本、易落地的露天矿山无人运输系统解决方案，露天矿山矿车无人驾驶和矿山智能调度系统就是近年来的最新研发成果，也是天津水泥院代表性的转型示范成果。
目前，天津水泥院已完成青州中联矿区2台无人驾驶矿车的改造和矿车调度系统的搭建，实现了全流程无人化编组运行，无人驾驶矿车总计运矿量超过4万吨。短期来看，使用燃油无人矿车能够节约10%左右的运营成本（主要是油耗差距不大），经过三年左右的时间，投资曲线便能与之前持平。长期来看，使用燃油版无人矿车能够节约15%左右的综合运营成本，且矿山规模越大，车辆越多，无人化产生的经济效益更高。未来如果使用新能源无人矿车，还能进一步节约能耗，运营成本将大幅降低。
离开了人的操作，这些又大又重的矿车，是如何实现如此大规模的无人运输呢？
▲无人矿卡硬件总成方案
露天矿山无人驾驶运输系统的顺畅运行，靠的是“大脑”和“四肢”的智慧协作。天津水泥院通过在无人、低速、路径相对固定的矿山场景搭建5G通信网络与定位基站，构建云、车、地协同无人化运输系统，矿车自动循迹驾驶，完成无人化运输与辅助作业，解决矿山生产运输关键一环。云端平台可以实现运行仿真、调度模拟、任务调度、路径规划、路权分配、实时监控与动态调整。同时，矿车端具有线控底盘、定位、感知、计算元件，搭载控制软件，可实现单车驾驶自动化。网络与定位基站提供全覆盖、高可靠、低延时与大带宽，定位可精确至厘米级。
▲无人矿卡会车让行
03 数字化管理至细微处
天津水泥院的智慧矿山平台以“业务流”与“矿石流”为主线，在对行业深刻理解与矿山长期存在的一系列痛点问题及解决办法进行内化的基础上，将知识、经验与问题措施模型化，形成了一套贴近业务、易实施的数字矿山系统解决方案。
据相关技术人员介绍，以“业务流”为主线，就是要改变传统矿山经营理念和管理模式，建立起一套适用于智慧矿山生产运营管理的组织管理体系，通过合理的组织分工，有效地协调生产任务和管理流程，实现对矿山的智慧化管理。以“矿石流”为主线，就是要对包括矿山规划、地质建模、采掘计划、采矿设计、爆破、铲装、运输等在内的矿山生产全流程进行智能控制，这也是天津水泥院今年的年度重点研发项目。
“所有的石头都可以用得上，实现零排废，便是‘矿石流’。通过爆破设计、爆破模拟及爆堆品位估值系统，进行爆破效果预测与模拟，建立精准爆堆品位模型，能够优化爆破参数，降低爆破大块率与炸药单耗，提高配矿精准性。”
▲矿山生产运营平台
天津水泥院通过构建矿山资源三维可视化和精细化管控系统，可以实现矿山资源看得见、说得清、管得住。矿山生产运营平台根据生产计划产量要求与质量控制标准，结合爆堆剩余矿量、爆堆精细化品位模型、铲装设备能力与运输路线，通过智能配矿系统，对采场内现存的多个爆堆，进行智能配矿，在满足产量与矿石质量的前提下，尽可能搭配利用低品位矿石，生成配矿指令。并将配矿结果与卡调系统相结合，任务分解至具体班组、人员和设备，并向车载终端发出指令，铲装完成后自动计量，并上传至数据中心，便可实现对矿石质量的精细化管理和生产过程的实时掌控。
未来，天津水泥院将围绕水泥生产主业，在“数字矿山、智慧矿山、绿色矿山”发展理念下继续发挥技术创新优势，在环境监测、边坡监测、零外购电等领域进行深度研发，打造自感知、自决策的智慧矿山运营系统，建成无人、低碳、绿色、本质安全、高效、智能的现代化公园式绿色矿山。
