基于“矿石流”的三山岛金矿大数据综合管控平台研发

摘要 针对矿山综合管控平台建设中存在的数据孤岛、系统封闭以及信息难以融合的问题，提出了基于数据驱动面向“矿石流”的矿山大数据融合技术。根据“矿石流”数据来源、数据集成及数据分析等需求，开展了数据采集、存储与标准化管理技术、多源数据整合技术、“矿石流”全流程关联技术等矿山大数据系统关键技术研究。

以三山岛金矿大数据管控平台开发为例，详细分析了矿山“矿石流”的全流程场景，结合矿山现有的业务流程，采用华为大数据平台对资源储量、采矿、出矿、运输提升、地表运输及选矿等各工艺环节数据进行关联，建立了基于“矿石流”的矿山大数据综合管控系统的工业平台，实现了在统一平台上对矿山全流程的统一优化指挥调度与全流程管控分析，提高了矿山生产和管理的时效性、有效性、资源优化配置水平与综合实力，促进了矿山的协同作业与规范管理，为智能矿山建设提供了参考。

关键词 智能矿山 矿石流 矿山大数据 华为大数据平台 三山岛金矿综合管控

矿山开采是一项复杂的工程，其中包括开拓、提升、运输、通信、供电等工艺环节，各工艺每天都会产生大量的数据，这些数据与矿山生产和安全管理密切相关。随着采矿工程和信息技术的交叉融合，数字化技术[1]、自动化控制技术[2]、5G通信技术[3]、信息化技术[4]、大数据技术[5-6]等先进的信息技术理论越来越多地被应用到智能矿山建设[7]。矿山综合管控平台贯穿地、测、采、选相关业务，是将包括“勘探—采矿—运输—破碎—提升—选矿”等整个生产过程的各环节与业务领域关联在统一平台上，提高矿山企业的管理水平，促进矿山各开采环节的协同作业与规范管理，最大化地实现矿山绿色开采，为矿山业务拓展和升级转型奠定基础[8]。

然而，现阶段国内矿山企业信息化水平参差不齐，各生产环节的信息系统数据尚未打通，没有统一的数据标准和数据模型对各系统数据进行关联，这给矿山综合管控平台建设与应用造成了障碍[9-10]。申琢[11]开发了矿山事故预警系统，该系统应用云计算和大数据技术可以及时发布安全预警信息，最大限度降低事故发生概率。杨毅[12]开发了矿山机电装备智能监控系统，有效地降低了设备闲置率。刘星星[13]、汪久建[14]开发了地质大数据系统，实现了地勘数据的数字化、可视化及智能化分析，极大地优化了地质勘查工作流程。王鹏[15]开发了安全管控大数据平台，并对相关关键技术进行了研究。尽管上述学者开发了多种矿山管控系统，但未就整个生产过程的各环节开展综合管控开发。针对该领域现存的信息孤岛、系统封闭问题，本研究采用基于数据驱动面向“矿石流”的矿山大数据融合技术，建立了一个信息互联互通、数据共享交换、功能协同联动的综合业务管控平台，并在三山岛金矿进行了工程应用。“矿石流”涉及地、测、采、选相关工艺，包括勘探、采矿、矿石运输、破碎、提升、选矿工艺，即与矿石相关的矿山所有生产流程的总称。

三山岛金矿位于山东省莱州市，濒临渤海，拥有丰富的资源和先进的生产工艺且地理位置优越，水陆交通便利[16]。该矿山在数字化、信息化技术应用上处于国内领先地位，因此本研究以该矿为例，开展基于“矿石流”的金属矿山综合管控平台研发，助力三山岛金矿成为智能矿山标杆企业，为我国矿山行业智能化建设提供借鉴。

1、矿山综合管控平台架构设计

自《2006—2020年国家信息化发展战略》发布以来，我国各大矿山正在积极探索智慧矿山建设思路，其中各工艺生产数据的存储与关联分析是建设智慧矿山的基础。传统的大数据架构需要自建服务器搭建平台，存在成本高、效率低、维护难等问题，很难满足海量数据的分类存储和实时性读取及分析。而矿山大数据体量大、增长快、价值密度低，基于此，本系统应用华为大数据平台进行“矿石流”大数据研究。

矿山企业目标是最大化生产矿石，因此各生产过程及业务流程设计规划均以矿石量为基准。以“矿石流”为主线建设矿山综合管控平台可以打通“资源储量—采矿—运输—破碎—提升—选矿”整个生产过程各环节的信息壁垒，更容易实现矿山总体生产环节的互通互联。基于“矿石流”的矿山大数据综合管控平台系统总体架构主要包括大数据平台层、数据整合分析层、管控平台层及终端展示层，系统总体架构如图1所示。

综合管控系统平台架构中的各层级功能特色为:

(1)大数据平台层提供标准数据接口及数据，支撑综合管控平台分析所需的所有数据。

(2)数据整合层接收大数据平台接口层的数据，根据数据关系和分析主题对数据进行组织，并形成三维可视化及”矿石流”分析所需的格式化数据。

(3)管控平台层对格式化的整合数据进行分析展示，有三维可视化及”矿石流”分析两种方式。其中三维可视化包括对资源与开采环境、安环监测监控、智能装备与自动化等方面的三维可视化，”矿石流”分析包括矿石流向分析、资源储量分析、采掘充分析、运输提升分析、选矿分析、安全生产分析及成本分析。

(4)终端展示层通过大屏、PC端、移动端3种方式综合分析展示三维可视化及”矿石流”相关业务。

综合管控系统平台主要包括”矿石流”分析和三维可视化两部分功能，该系统详细的功能架构如图2所示。

2、基于“矿石流”的矿山大数据系统

近年来，大数据技术在矿山有着较为广泛的研究和试验性应用，但总体而言，研究的广度和深度均处于初级阶段[17]。在应用领域主要是研究大数据技术与矿山生产流程的融合实践。”矿石流”是贯穿矿山整个生产过程，包括”资源储量—采矿—运输—破碎—提升—选矿”等工艺环节，其目的是实现矿石高效、绿色生产。因此本研究开展以”矿石流”为主线的矿山大数据系统研究以及综合管控平台开发。矿山大数据包括企业信息化数据、安环与自动化数据，其中企业信息化数据包括生产计划管理、生产调度管理、生产化验管理、生产验收管理、设备管理系统、物资管理系统、能源管理系统、人力资源系统和成本系统数据；安环与自动化数据包括安环监测监控数据、智能装备与自动化数据(图3)。由图3可知:矿山大数据来源于各子系统标准化之后的数据以及相关图表数据。

2.1大数据采集与存储技术

华为大数据平台提供了大数据存储、查询、分析等功能，它是分布式计算、并行计算等传统计算机网络技术发展的产物，对外可提供大容量的数据存储、查询和分析能力，可为海量信息构建快速处理系统，实现对数据的实时挖掘[18]。数据采集范围包括企业信息化数据、安环与自动化数据、安全监测监控数据与自动化数据。基于华为大数据平台的数据采集流程包括准备工作、数据资产采集、规范设计、数据开发、数据质量监控、数据资产管理和数据服务应用程序接口(ApplicationProgramInterface，API)开发，按照数据展示及分析规则对企业信息化数据和安环与自动化数据进行清洗、转换、处理，流程如图4所示。应用其开发功能可进行数据管理、数据集成、脚本开发、作业开发、作业调度、运维监控等操作，完成整个数据的处理分析流程。

矿山大数据存在准确性低、干扰数据多等问题，智能装备因此在进行数据存储时需要进行数据治理。加之，矿山数据量较大，数据存储应当根据数据类型选择相应的数据库。本研究提出的基于”矿石流”为主线的数据标准化准则如图5所示。基于业务流程(矿山规划—地质建模—采掘计划—采矿设计—采矿作业—选矿—尾矿充填—尾矿排放)实现不同业务系统的数据标准化及全流程的数据标准，确保数据的完整性、一致性、规范性、准确性及数据安全访问控制。在此基础上，使用华为大数据平台按照业务逻辑将各类数据集成到数据湖平台中分层存储。

2.2数据整合技术

“矿石流”数据类型主要包括基础数据、安全管理和经营投资数据、物联感知数据和外部数据等。实现多源数据的有效整合，是建设矿山大数据综合管控平台的基础。三山岛金矿综合管控平台数据整合内容包括数据对象整理、数据项整理、接口定义、接口测试、数据核对5个步骤，如图6所示。

2.3“矿石流”关联技术

以往关于矿山信息化系统的研究均是分系统、业务及管理范围，如单工艺或者单业务等，旨在解决单点或单一工艺问题，而矿业工程是一门系统性学科，生产出现的问题往往是由多个点和面产生，因此需要对各工艺系统进行系统性分析和监控，才能有效发现问题的根源，为管理人员提供客观、及时、准确的决策依据。在完成对现有信息化、自动化及监控监测数据进行清洗、整理及标准化处理后，对生产过程中的各工艺环节进行梳理，对其结果数据进行汇总、提炼与分析，在此基础上采用”矿石流”关联技术将各环节的开始和结束位置进行关联，形成一套完备的矿山大数据系统。

2.4 系统技术架构

矿山大数据综合管控平台技术架构包括操作系统层、数据存储层、数据采集层、业务逻辑层、应用展示层多层分离的相关技术框架。

(1)操作系统层。主要基于华为云平台提供的Windows和Linux虚拟机，移动APP基于Android操作系统开发。

(2)数据存储层。采用华为大数据平台提供的Hadoop分布式持久化数据中心采集的各种业务数据，Redis作为缓存数据库缓存业务过程数据，Tomcat作为应用服务器解析和编译各应用的业务代码，Nginx作为Web服务器为最终用户提供高性能的应用视图。

(3)数据采集层。通过MyBatis和大数据平台的API接口访问数据。

(4)业务逻辑层。采用SpringBoot技术框架处理各应用的业务逻辑，三维综合管控可视化基于3DGIS引擎实现。

(5)应用展现层。采用Vue等前端技术架构对前后端代码进行分离，为用户展示不同的应用视图。移动APP基于WEEK框架，采用HTML5技术提供展示。

最后利用三维GIS、虚拟现实VR等技术手段，将矿山地上地下场景、矿床地质体、井巷工程、采矿、选矿、尾矿处理生产过程及其引起的相关现象进行三维数字化建模，实现基于”矿石流”的矿山大数据综合管控平台建设，此外开发了移动应用APP，解决多层级领导生产数据、安全数据与预警信息获取不及时的问题，实现多场景下移动办公。

3、三山岛金矿综合管控平台

三山岛金矿经历了自动化、信息化、数字化等多个发展阶段，现已具备开展矿山大数据研究的基础。为解决智慧矿山建设中出现的数据信息孤岛等问题，基于DIMINE软件，本研究开发了基于”矿石流”的矿山大数据综合管控平台，立足于提高矿山生产管理效率，丰富生产过程表现手法，提高矿山大数据的分析能力和准确性，促进矿山生产的安全、高效与可持续发展。基于大数据平台的三山岛金矿”矿石流”综合管控平台包含资源储量、采掘充、输运提升、选矿生产、安全管理、辅助系统、成本管理等7个内容，如图7所示。

图 7 矿山大数据综合管控平台大屏

三山岛金矿综合管控平台功能特色为:

(1)平台首页大屏包含全矿年度采掘、年度精矿含金量、日采掘充、月采掘充、日选矿、月选矿等各类关键数据的可视化。

(2)资源储量大屏主要呈现资源储量保有与变动、三级矿量、资源开采损失贫化3大类信息，如图8所示。

图 8 资源储量信息大屏

(3)采掘充大屏展示采掘工艺指标数据综合统计结果，帮助管理人员及时掌握掘进作业、采矿作业、充填作业的生产业务信息。

(4)运输提升大屏从出矿和设备2个维度展示溜井、竖井、电机车等矿石流转路线上的工艺参数。

(5)选矿生产大屏展示各选厂的关键生产流程中的原矿处理量与精矿产量趋势、原矿品位和精矿品位趋势、旋流器流量和粒度指标趋势等，重点展示自动化设备的运行参数，以及贯穿选矿业务流程的生产、装备、物资、能耗等多主题的关联分析结果。

(6)安全管理大屏展示人员定位信息，按不同维度展示安全隐患占比和总数，尾矿库指标参数，气体监测数据，以及尾矿库、人员定位、微震预警信息。此外，还可以展示相关安全隐患的详细信息。

(7)辅助系统大屏展示配电、排水、压风和通风等数据，同时对提升机、水泵、压风机、球磨机的具体耗电情况和趋势进行展示。

(8)成本管理大屏展示内容包括总生产矿量、总生产成本、单位成本以及主要成本消耗分类的汇总信息，并用多种图形方式展示一些主要业务指标的趋势分析和对比分析结果。此外，还可以展示细化到下一级成本管理单元，选厂的成本管理细分了工段以及工段下的岗位，通过选择具体工段，可展示相应岗位的消耗明细成本，结合成本考核制度，达到精细化管理成本消耗的目的。

4、结 论

(1)在现有自动化、数字化、信息化系统的基础上，结合大数据私有云平台对矿山生产业务进行了全方位分析，实现了跨工艺、业务数据的横向贯通。

(2)开展了以”矿石流”为主线的矿山大数据系统研究不全面，有助于解决以往智慧矿山建设中出现的信息、缺乏深度分析与挖掘、数据信息孤岛等问题，充分发挥数据共享与协同分析的应用价值，可为提升矿山生产效率及效益提供分析决策信息，为矿山安全管控、精准决策提供数据支撑。

(3)本研究开发的矿山大数据综合管控平台的三维可视化大屏可实现”矿石流”全流程能源、设备、物料、人员、管理等各指标信息的综合展示、分析及告警推送，有助于实现矿山从局部到全局的掌控、监督和决策。

来源：金属矿山2022年第5期