露天煤矿作为国家能源的重要组成部分，在国家经济发展中扮演着基石的角色，是工业生产的基础和保障。然而，我国露天煤矿资源的开采条件复杂，开采难度大、露天煤矿单斗-卡车间断开采工艺的采剥总量占比达到了85%以上，连续和半连续开采工艺应用较少，自动化和信息化水平相对较低，这些问题制约了煤炭行业的发展。面对这一困境，露天煤矿智能化建设总体设计为解决我国露天煤矿行业智能化发展难题提供了一条新路径。
近年来，中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司矿山智能化团队在智能化露天煤矿建设方面进行了深入探索与实践，他们的研究不仅揭示了我国露天煤矿智能化建设的现状和挑战，更指明了未来的发展方向。此前，相关研究成果以《论露天煤矿智能化建设总体设计》论文形式，发表在了《煤炭科学技术》期刊。
一、露天煤矿智能化建设的总体目标
露天煤矿智能化建设的总体目标是实现全要素、全过程、全生命周期的个性化智能运行，其核心在于解决个性化生产和资源高效配置的问题，本质上是实现科学采矿。这一目标旨在通过深度融合物联网、云计算、大数据、人工智能、移动互联网技术与现代露天开采技术，构建一个泛在连接、数据融合、云化服务、智能决策、自主运行、安全可靠高效的网络化协同管控系统，从而赋予矿山在生产、安全、经营、综合管理等方面的智能化能力，以适应不断变化的市场需求和技术进步。同时，这一目标也强调了智能化建设的价值创造，即以智能化建设的价值创造为评价准则，确定相关建设内容及合理的投入规模，最终形成智能化矿山建设的最终价值。
二、露天煤矿智能化建设的特点
2.1露天煤矿的生产特征
露天煤矿的生产特征决定着其智能化建设的特点，露天煤矿的生产特征主要表现在作业空间广阔且场所分散，包括采掘场、排土场、地面生产系统和工业场地等多个区域，占地面积从几平方公里到十几平方公里不等，具有明显的空间范围广的特征；工艺系统呈非线性、工序多且离散，不同于井工矿的线性分布，露天煤矿的工艺系统涉及多种移动设备在开放空间中同时进行多种离散作业活动；设备规格大、类型多样，由于生产环节多、辅助作业量大，使得露天煤矿设备种类及数量繁多，且设备规格趋向大型化；设备实时移动、轨迹多变，除了连续作业设备外，其他常用设备均为移动设备。2.2露天煤矿智能化建设特点根据露天煤矿的生产特征和智能化建设的根本目标分析，露天煤矿的智能化建设以信息化作为基本手段，通过智能化自主决策替代传统依赖经验的管理方式，实现对矿山生产全过程的智能管控，以提高安全、效率和绿色开采水平；以设备和工艺系统智能化为核心，通过智能化改造和智能装备研制，实现露天矿穿-爆-采-运-排设备的智能化，进而推动整个工艺系统的智能化；以“设计-施工”一体化管控为目标，研发 “露天矿工程BIM协同设计及三维数字化交付技术及平台”通过精确化的地质数据、精细化的设计方法和三维全息化的设计表达，实现矿山工程的高效管理和控制，从而构建一个全面、高效、安全的露天煤矿智能化系统。
三、智能化露天煤矿总体设计策略
3.1工艺为本策略
露天煤矿的智能化建设以工艺作为基本的出发点和落脚点，攻克连续和半连续开采工艺核心装备的系列卡脖子难题，早日实现装备的国产化替代，根据露天矿的具体情况和各工艺系统的实际运行状态建立工艺机理模型，应用泛在连接技术全面连接设备群和采集设备运行数据，再进行大数据分析和智能决策，是我国露天煤矿智能化建设的核心任务和关键目标。3.2分级建设策略将总体建设目标按照智能化程度分为初级、中级、高级三个阶段，并分别对这三个阶段的智能化运行场景进行详细刻画，确定相应的建设内容和主要技术要求。初级阶段侧重于单机和单应用系统的智能化，中级阶段着重于网络条件下的系统集成，而高级阶段则聚焦于云计算、大数据、人工智能和工业互联网等技术的综合集成应用。这一策略允许露天煤矿根据自身的技术条件和实际需求，逐步推进智能化建设，从而实现开采环境的数字化、采掘装备的智能化、生产过程的自主化、信息传输的网络化和经营管理的信息化。通过这种分级管理和有序推进的方式，露天煤矿可以避免盲目投资和重复建设，确保智能化建设的经济效益和实际效果。3.3价值导向策略矿山开采是一种经济行为，任何新技术、新工艺、新设备的投入都需要考虑其经济属性和产出效益。在实施智能化建设时，露天煤矿应结合自身的资源条件、地理位置、煤质特性、服务年限和信息化水平等因素，以智能化建设的价值创造为评价标准，合理规划和确定建设内容及投资规模。确保智能化进程不仅符合技术发展趋势，而且能够带来实际的经济效益，增强企业的盈利能力和市场竞争力，同时改善工人的工作环境和职业健康水平。3.4有序推进策略露天矿山的智能化建设工作是一个复杂且系统的工程，涉及投入大、周期长，并深刻影响现有业务管理模式和既有系统。这一过程需从底层至上层逐步推进，同一业务单元可能在不同智能化建设项目中被重复涉及，并需适应多种智能化场景改造。此外，智能化系统或平台间可能存在数据边界交织、层级逻辑不清、功能各自独立的问题。因此，科学确定各项规划建设内容的实施时序至关重要，以避免重复建设、超前投入、滞后产出等不合理现象。为此，在开展智能化露天矿山建设工作前，必须依据实际应用需求，在宏观上设定合理的阶段建设目标，并明确阶段内各项智能化建设内容的先后顺序，确保有序推进智能化矿山建设规划的各项工作，从而避免影响矿山的综合效益水平。3.5虚实共生策略数字孪生矿山是智能化矿山发展到高级阶段的必然结果，露天矿智能化方案规划设计要以矿山实现虚实共生、全息映射 为主要目标。数字孪生体主要是由端侧各子系统的感知数据通过5G技术进行实时传输，运用数字孪生技术构建矿山物理实体的数字孪生模型，精确表征数字孪生模型的时空演化特性与映射重构性能，了解露天矿各要素的状态和响应变化，实现矿山生产过程远程智能监测、设备性能实时监控和生产场景三维可视化。
四、智能化露天煤矿平台架构
智能化露天煤矿平台架构是基于工业互联网平台体系架构思想构建的，它包含五个主要层次：感知层、接入层、边缘层、智能化煤矿工业互联网平台层和综合管控平台层。感知层负责布设传感器和执行感知系统，以采集生产环境、作业设备、人员和管理等数据，实现对“人-机-环境-管理”信息的全面感知。接入层通过智能数据网关模块技术，实现感知层数据的实时传输。边缘层则负责接入不同设备、系统和产品，进行海量数据采集，并依托协议转换技术实现数据的协议转换、归一化和边缘集成。智能化煤矿工业互联网平台层由物联网管理平台、云计算平台、技术中台、业务中台和数据中台组成，构建一个可扩展的开放式云操作系统。综合管控平台层作为应用层，提供设计、生产、管理、服务等一系列创新性业务应用，实现数据共享、系统间的智能联动和独立决策与控制。这一平台架构旨在支撑生产智能决策、业务模式创新、资源优化配置和产业生态培育，推动露天煤矿智能化发展。
五、露天煤矿智能开采技术应用场景
近年来，大数据、人工智能、5G、边缘计算等前沿技术在露天煤矿的应用已取得初步进展，但其与露天开采基础理论及工艺机理的结合尚待深化。智能化技术驱动的露天煤矿智能开采技术主要应用于采矿智能设计系统、智能卡车调度管理系统、智能化半连续工艺系统、智能无人化连续开采工艺系统等多个场景，同时研发高精度北斗定位模块、防碰撞安全预警系统等技术，使各类露天开采工艺系统具备智能感知和自主决策功能，实现少人或无人化开采。同时，加强露天矿智能化综合保障技术与装备的研发，开发露天矿大型装备故障自诊断与健康管理系统，实现系统安全高效协同自主运行和主要设备的在线诊断与远程运维。
六、露天煤矿智能化建设内容
露天煤矿智能化建设在不断发展过程中，但是各大中小型露天煤矿均没有形成统一的建设内容，目前形成共识的是“根据每个露天矿的实际情况分级建设是必要的”，根据国内主要露天煤矿目前的工艺和开采现状情况，结合各矿山的自动化和信息化基础条件，尝试提出了智能化露天煤矿按照初、中、高3级的建设内容，期望为我国露天煤矿的智能化建设工作提供一定的参考。
结语露天煤矿智能化建设的总体目标、特性、策略以及平台架构，为我们明确地指出了前行的方向，而智能开采技术的应用场景则向我们展现出了智能化所带来的实际效益。秉持着以工艺为根本、分级建设、价值为导向、有序推进以及虚实共生的策略，露天煤矿能够达成从初级到高级的智能化跃升，持续推动整个行业朝着更高效、更智能的方向发展。未来，我们携手共进，一同探索智能化建设的全新路径，借助科技创新为行业发展赋予动能，从而为实现为国家能源战略以及煤炭工业的高质量发展贡献自己的力量。
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