矿业技术变革时代，迪迈科技如何助力中国矿山实现数字化与智能开采？
矿业数字化的关键，在于MIM。
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文｜陈俊一
编辑 | 钱漪 常亮
题图｜官方授权
越是探险小说青睐的地方，如沙海、边疆，深山、老林，往往也是地质工作者考察、勘探，开矿、建设的热土。
比如大兴安岭很多山峦叠嶂、人迹罕至的地区，小说家往往将其描绘得充满神秘色彩——幽暗深邃的山洞、远古洪荒的宝藏、似真似幻的传说……其实，宝藏确实有，但勘探、开采可比小说中的探险故事更为艰难。
在大兴安岭伊勒呼里山南麓的“岔路口”，就有一座世界级的钼多金属矿区。矿区位于五月飘雪九月降霜的“高寒禁区”，河流纵横交错汇入嫩江，森林密布、峡谷崎岖，一直到21世纪初，这里都是全国主要成矿区中少有的“处女地”。
也正因为本是人迹罕至的“处女地”，当探明这里有着远景储量达500万吨、规模全球前列的钼矿时，如何借助数字化技术，将其建设成为世界先进水平的矿山就成为一道难题。
作为新建矿山，如何开发一套基于矿山信息模型的矿山设计、管理与决策系统，实现矿山全生命周期安全绿色持续发展？面对储量大但组成元素品位相对较低的现实，如何降低项目建设风险，根据市场变化、技术进步确定最佳边界品位？
这些问题，需要基于三维地质信息建立更加全面的矿山数字化系统，并分版块予以专项针对性处理。而迪迈科技深耕矿山信息化智能化，2004年创业至今的十八年来，迪迈科技已经从DiMine软件平台开始，围绕资源开采数字化、生产作业智能化、生产管理智慧化、安全监管智慧化四大板块已经构建了数十种软件平台、决策管理系统、解决方案，如采掘计划编制系统（iSched）、露天配矿系统（iBlende）、地下矿智能调度系统（OpDispatch）、生产执行系统（iMes）、工业物联网装置与系统、井下无人驾驶系统等。
迪迈科技开发如此广泛的产品线，动力来自哪里？更全的产品矩阵如何帮助客户降本增效？在工业软件国产化浪潮下，矿山数字化与智能开采方案未来又有着怎样的想象空间？
客户需要更全的产品线服务
前不久，迪迈科技作为独家投资方，参与了新型激光雷达技术应用服务商空维激光的天使轮融资。据了解，空维激光拥有激光感知与处理、点云三维建模技术，能够利用新型激光雷达为传统工业、矿山、交通等行业提供智能化改造方案，以及低速自动驾驶相关的技术服务应用。
以三维矿业软件平台起步的迪迈科技，迈入上游激光雷达产业，有着产业链协同推进的考量。
一方面，这是为了实现软件平台与硬件深度绑定、保持数据一致性等技术性要求。
传统的矿山生产过程是以二维平面图和剖面图来表示矿体形态及赋存状态等，这种方式直到20世纪90年代才开始有所改变。当时，随着地质统计学、计算机图形学和三维可视化技术的发展，利用计算机进行三维建模、生成采矿单体设计模型已经成为新的研究方向。
矿山生产系统概述图
基于三维矿业软件平台技术上的深厚积累和多个客户的落地应用，迪迈科技更了解矿区三维建模需要怎样的优化——要想对整个矿区探测区域进行全面了解与控制，需要获取完整的三维点云数据，也需要硬件探测装备与软件平台的协同。
从具体操作来看：首先，激光雷达扫描仪将不同控制点上的数据进行精确汇总，统一到一个坐标体系中；其次，迪迈软件平台的算法将大量扫描到的数据进行拼接处理，进一步形成高仿真度的三维影像，能够直观揭示工程的空间形态。这将为实现资源开采量、采矿损失率、贫化率等指标提供依据。
汇集扫描数据、生成整体三维建模的过程看似简单，背后算法却十分复杂。如何确立轮廓拼接中轮廓线之间的对应关系？相邻层面轮廓性状差异较大时，如何适时采用“体数据等值面法”等新算法？井巷工程建模如何构建局部坐标系到空间坐标系的变换矩阵？
这些软件层面的问题，也同样考验矿山数字化、智能化企业的核心研发能力。只有长期积累，企业才能具有足够多的“Know-how”知识解决上述问题。
另一方面，从早期的矿山机械化、自动化到矿山数字化、智能化，满足客户多元化需求，不仅需要硬件装备和软件平台的一致性，也需要智能矿山方案解决商能够提供一揽子方案，提供更全的产品线。
要促进生产技术协同作业流程化和规范化，就需要生产技术协同平台；要确保生产管理中各项数据的及时性与共享性，实现实时监控与异常预警，就需要生产管理平台；要保障现场作业人员安全，实现实时定位，就需要智能开采装备与安全系统；实现数据集成、直观呈现，就需要三维可视化管控平台等等。
因此，围绕矿山生产业务流和数据流，从生产技术、生产管理到过程管控、安全环保，就需要作为技术方案解决商的迪迈科技提供覆盖全要素、贯穿全流程的智能矿山建设方案。在矿山全生命周期内，覆盖从钻孔编录、数据解译到地质模型构建、露天和地下采矿设计，从生产计划和开采进度管理、矿井通风解算与优化到尾矿库和复垦设计等多个方面。此外，还需要通过物联网、WiFi6、光纤等矿边感知传输的“神经网络”，将矿山各环节的传感器等感知设备融为一体，分层建设感知层、传输层、分析层和应用层，将矿山环境、设备及人员实时联结，从而为矿级领导综合决策、集群调度与控制提供参考。
迪迈科技三维可视化示意图
智能采矿不是智能制造，智能采矿有其独特性和复杂性。
首先，智能制造主要应用于制造业，是在环境标准化的大厂房中进行作业，作业场所固定，工艺流程相对不变；而智能采矿是在复杂矿山环境下开采矿产资源和生产矿物质，很可能地处偏远山区，作业场所不固定，其中非煤矿山作业环境尤其复杂。这就需要根据赋存状况和开采条件调整生产、进行技术改造。
其次，智能采矿发生于社会整体产业链的最前端，据统计矿业的后续产业拉动效应高达1∶80。特别是非煤矿山，往往具有更长的下游工业产业链，如石英矿可同步建设光伏玻璃、新能源材料等工业项目；方解石矿可以发展精深加工产业，生产高附加值的超细粉体、表面改性活性重质碳酸钙等产品；水泥用灰岩矿则可以向下游延伸布局水泥生产企业，服务地方经济发展需求。这就更需要通过IT&OT深度融合，将非煤矿山传统采矿工艺与现代信息技术相互渗透，通过上游智能采矿、下游智能制造实现上下游产业链之间的协同配合。
第三，智能采矿更需要云边端协同发展。矿区面积及周边直接受影响环境面积往往高达几十平方公里，地下深井更是会深达1000米以上。特别是露天非煤矿山山面临的高陡边坡稳定性，深井非煤矿山面临的高应力、高地压、高地温等问题，更需要智能开采设备的参与。由于矿区面积大、地质条件复杂，智能开采设备也需要具有主动感知能力，通过云边协同，遇到特殊情况时，既可以由云端高算力系统依据生产大数据进行决策，也能让智能开采设备当场自主处置，从而降低信息传输时延，及时解决突发问题。
总之，智能矿山建设与运维、运营是个系统工程，牵涉面更多。将现代化、自动化、遥控以及通讯数字化等众多高科技应用集合在矿山作业环境，就需要在系统底层就统一接口和协议标准，并且在部署之后可以不断迭代，构建繁荣的智能矿山生态体系。
智能采矿、矿山数字化并不仅仅将庞大的矿山开采、运输、销售各系统看作大量的流动数据，还会在数据之外有其他考量。“降本增效”，并不是指矿石开采量的单向增长，大宗矿石生产还需要考虑期货市场、全球需求的波动，这更考验矿山生产中基于数字化、信息化手段的“微调”能力，从而实现价值与价格、市场乃至国家需求的统一。
迪迈科技也正是在为客户服务的过程中，顺着客户需求如地质探测与建模、深井灾害防治、智能化掘进与开采等一直做下来，步步到位，逐渐形成完整的数字矿山与智能开采产品体系及专业化与标准化服务。
智能矿山运营平台如何赋能矿山企业
对于矿山企业来说，引进单个或者多个智能化装备的尝试很早就在进行，但单一装备智能化与整个矿山的智能化并不等同。仅有单个智能装备或众多不同厂商子系统组成的智能化矿山大系统，都容易出现数据孤岛、系统割裂的问题。
数据孤岛的现象并不是最近十余年才出现，早在20世纪80年代中期，我国引进了一批国外的采矿软件，这些软件不仅存在通用性差、年费高等缺点，而且往往只聚焦于某一个问题，导致数据集中于少数环节，难以为其他环节所用。
20世纪90年代初，中南大学也开发出DM&MCAD软件系统，该系统可以完成地质钻孔、地质图形的计算机辅助设计，但限于当时的有限条件，仅被用于计算机绘制地质平面图、剖面图以及采矿工程设计图等，可以解决局部问题，但更长链条的数据交换与共享、更具通用性的扩展接口、各系统间的高效耦合，就难以做到。
英国的DataMine软件，澳大利亚的Surpac、Micromine、Vulcan软件，加拿大的MinCAD软件等也能为智能矿山三维建模、生产管理计划编制提供便利。
Surpac自从1981年开发出第一个版本以来，已经成为全球最受欢迎的地质和矿业规划软件之一，不仅占据澳大利亚矿业软件市场份额的半壁江山，在全球 120 多个国家/地区为露天和地下作业及勘探项目提供支持，拥有超过5000个软件授权用户。
但国外矿业以大矿富矿为主，国内则高品位矿山比例较少，矿山环境和客户需求更加复杂，导致国外软件在适配国内实际需求上存在问题。迪迈科技当前在多类型非煤矿山上的快速落地应用，就非常类似Surpac从澳大利亚市场成长为全球巨头的快速发展期。
特别是在非煤矿山数字化与智能开采领域，由于矿物形成原理与煤矿不同，非煤矿床成矿物质主要来源于地壳本身，超大规模、超深井地下矿山以及高陡边坡露天矿山更多，地质条件复杂多变，顶板事故、车辆事故、燃烧爆炸事故时有发生，矿山数字化与智能开采解决方案也更加复杂，需要具有深厚行业经验积累的企业才能提供完整成熟的解决方案。
目前行业厂商针对煤矿智能化的解决方案较为成熟，但在非煤矿山数字化与智能开采领域，拥有成熟积累的只有迪迈科技等少数企业。而非煤矿山越复杂，实际上也意味着其数字化与智能开采的市场空间会比煤矿更大。据亿欧智库《2022中国智能矿山产业发展白皮书》，2021年中国非煤矿山总数超过3万座，非煤矿山数字化和智能开采业务需求快速增长，预测2019到2025年年复合增长率将达到10.8%，增速超过煤矿，2025年非煤矿山数字化与智能开采市场规模将达到5869亿元。
大部分矿山企业本身不是信息化服务商，不具备开发智能矿山平台的能力，但矿山企业也并非不了解数字化和信息化的重要性，相关企业很早也就在投入重金搭建产品生命周期管理（PLM）、企业资源规划（ERP）、采矿执行系统（MES）、客户关系管理（CRM）等系统。在叠加使用众多系统时，如何贯通各系统之间的数据就成为矿山企业面对的难题。
矿山数字化与智能开采平台，不是ERP、PLM、CRM等概念的简单叠加，而是能够采用现代信息技术、5G、WiFi6等新一代无线通讯技术、数据库技术、传感器网络技术等技术，在三维尺度对矿山生产、经营与管理的各个环节与生产要素实现网络化、数字化、模型化、可视化、集成化和科学化管理。
基于众多新技术，也让矿山上层的生产、经营、管理等业务系统，与位于开采末端的各类检测装备、开采装备、辅助设备之间建立了类似神经网络的深度联系，形成了迪迈科技称之为“矿边智能”的装备智能化支撑系统、集群调度赋能系统、环境融合感知与综合决策系统。
通过贯通联系各子系统软件平台、各类感知硬件而形成的“矿边智能”，就能够帮助矿山企业在制定智能化方案时具备更多自由灵活的选择。
比如在矿区能源开采运输中，矿卡是矿石转运中最为重要的工具之一，随着矿山数字化与智能开采节奏加快，无人矿卡也成为各大矿山企业采购的重要装备。矿区的作业流程涵盖勘探、采掘、运输、装卸，但无人矿卡子系统一般仅集中于运输环节。
矿卡无人驾驶系统与挖掘机、推土机等采掘系统如何配合，无人矿卡与有人矿卡如何协作，车路之间如何协同，在特殊矿区如金属矿石电磁特性影响毫米波雷达情况下，如何借助与其他系统通信实现矿卡精准导航等，这些都是矿山企业面临的非单一系统问题。
而迪迈科技包括四大板块的智能矿山软件平台，不仅在平台层解决了许多关键技术问题，也为其他子系统的开发提供技术保证和平台支持，让其他专业功能模块、子系统、解决方案提供商无需为系统割裂而犯难，让矿山企业只需把重点放到自己所从事的专业业务的实现和优化上，子系统之间的协同、数据的流转、基于规则的校验、过程的驱动等就可以交给平台层负责。
数字化矿山智能管控系统
这也并非一家企业要做所有事情，而是涵养出更繁荣的矿山数字化与智能开采生态，让更多企业有机会进入，共同为矿山提供所需的解决方案。
针对露天矿区的无人矿卡，迪迈科技主要在矿边赋能，提供第三代卡调系统，与希迪智驾、伯雷科技、路凯智行等国内多家企业合作，为客户提供更为完整的无人矿卡解决方案；在井下采矿环节，迪迈科技也自主打造了无人铲运机等解决方案，完整覆盖矿石流运移的智能化。
据了解，云南普朗铜矿在2012年就采用了迪迈软件系统对矿山地表、岩体和矿体进行建模。在迪迈科技布局矿区无人驾驶业务之后，也在普朗铜矿部署了井下无人驾驶解决方案，并入围工信部认证的矿山领域机器人应用优秀场景，这也正是软件平台与硬件产品深度结合的典型案例。
迪迈核心竞争力如何构建
矿山智能系统层面的运作安全，归根到底还是为了矿山的安全。
据国家矿山安监局数据，2021年，中国矿山共发生事故356起、死亡503人。矿山智能化转型始终强调“减员增效”，其实减员的第一目的并不是增效，而是减少人员安全隐患，实现安全生产运营目标。
迪迈科技调研数据显示，近50年来我国矿山累计伤亡总人数超50万，工伤死亡率为8.1人/10万人，是澳大利亚的20倍。另外，中国矿山目前50岁以上的员工占比将近50%，随人员老龄化加剧，未来必然会出现员工缺口。借助先进技术实现时间序列上的“减员增效”，其实不是有些人误解的让现在的工人失业，而是提前堵上未来的缺口。
迪迈科技微震监测系统
在利用先进技术提高矿山安全上，国家安全监管总局在2010年10月就印发《金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”安装使用和监督检查暂行规定》，提出地下矿山要建设安全避险“六大系统”，即监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统。
大部分矿山都依据政策建设了“六大系统”的硬件基础，但是对于这些系统中产生的数据，很多矿山想进行有效的应用却缺乏工具与支持，仅将数据进行简单的统计汇总，无法与矿山的生产管理系统融合。
当然，要想将监测数据用于实时生产调控，也需要调度平台有能力对数据进行分析。但当前很多矿业软件，往往有着自己侧重的功能点，如三维可视化、储量估算、开釆设计、计划编制等功能模块，细分领域内做到了专业，但难以统揽矿山地物、生产、管理、监测等多类型信息，为矿山管理者在矿体边界圈定、资源储量动态管理等方面提供决策依据。
要想更好地利用检测数据，使之与采矿智能化（穿孔、装药、铲装、露天＼井下无轨无人驾驶）、选矿智能化（仪器＼仪表智能联动控制、专家系统）、生产过程辅助系统智能化（供风、预热、排水、通风、充填、提升联动智能控制）等方方面面联动，就需要先进理论与方法的指导。
“平行控制理论”作为一种分析复杂现实系统的方法，非常适合指导在智能化矿山建设中同步建设、协同驱动矿山的物理世界和信息世界。通过将复杂系统划分为诸多子系统，借助人工智能方法和数据建模技术，建立与现实生产子系统相对应的人工虚拟系统，并对人工虚拟子系统进行分析、预测、评价及调节，来完成对实际系统的调配。
不同于行业企业往往将平行系统理论予以包装推出酷炫的新概念——如行业近年来流行平行驾驶系统、平行矿山系统等，迪迈科技既重视理论指导，也在实践中清楚地认识到理论尚存在的不足。
在矿山平行系统理论研究和实践操作上，对于如何建立人工虚拟子系统、如何对矿山各复杂系统进行模拟分析等方面，迪迈科技从2004年成立之初就开始进行了持续的研究，研究成果也应用于多个矿山，这些理论与实践也融入了迪迈矿山可视化系统建设之中。
看起来，三维可视化系统仅仅是X、Y、Z三个坐标轴构成的一个三维坐标系而已，但由于矿山空间环境包括了从地表以上到地表以下一定空间范围内的各种自然要素和人工要素，各种要素相互联系和相互作用，共同构成了一个复杂的矿山巨系统。因此，三维坐标系只是一种简单的数学模拟，可视化系统远比其复杂，只有这样，才能将更加复杂的矿山巨系统进行三维模拟。
首先，地下空间往往固、液和气三态耦合，如矿体与岩层往往没有明显的界限，可视化系统就要将这些模糊的、甚至堪称“薛定谔之猫”的多变形态呈现出来。
其次，矿山中巷道网络等生产系统都具有多重身份，甚至同一段巷道的功能属性在不同系统中不一样，需要建立即时、动态的系统模型，并根据开采工作的进行不断更新模型。
再次，随着地质工作的深入和矿山生产的不断发展，矿区地层特性、地质构造、地表水系特征等水文地质特征；岩石物理力学测试结果、矿山岩体力学指标、结构面物理力学指标测试结果、地应力测试等矿体特征；巷道变形监测结果、采场顶板变形监测、矿区边坡位移监测、矿山开拓系统、采切工程、溜井、运输大巷、通风天井等各类生产系统都会不断变化，而可视化系统必须做到精确呈现，提供决策参考。
此外，很多矿山员工长期以来基于二维图纸的工作方法也形成了“分层”、“勘探线剖面”、“爆破扇面”、“巷道断面”、“工作面”、“掌子面”等基于二维表征的概念，也需要在适应三维可视化表达之后逐渐扬弃，形成全新的思维路径与工作方法。
种种复杂问题被逐渐解决、工作新模式的逐渐建立，也是迪迈科技由最初的单一产品研发与服务、系统集成硬件，发展到数字矿山整体解决方案的过程。凭借完整的数字矿山产品体系及专业化与标准化服务，迪迈科技已成功将产品和解决方案应用于有色、冶金、煤炭、黄金、化工、建材、核工业、国土资源等行业和领域。
写在最后
只有当无论地下还是露天的矿山生产作业环境，都能通过可视化管控系统完整呈现动态变化，才能有效预防事故，并为调度指挥和生产管理提供基础。
而迪迈科技围绕矿石流和信息流打造了一系列产品和服务，从矿山可视化进化为可“识”化，为客户构建一站式线上矿业运营平台与矿业数字化拓展坞（Mining Information Modeling ，MIM）。MIM一定程度上类似建筑领域的BIM：BIM通过创建数字模型并整合项目相关信息，让项目参与者快速了解建筑生命周期的各个阶段，实现进度管理、成本管理、能源管理、设施管理等。
但MIM也有更多不同。BIM在房地产领域面对的，是目前不同地方楼盘从建筑施工、户型设计、精装修设计趋同化的现状；而MIM面对的却是地质环境千差万别的各类矿山。正如迪迈科技创始人王李管教授所说，每一座矿山都有着自己的特点，全世界没有两座一样的矿山，需要“因矿生法”、“因矿制宜”。
但目前，国外广泛应用的三维矿业软件（国内一般叫“数字采矿软件”）在国内矿山及矿业类科研院所虽然有所应用，但并未普及，很多矿山企业仍以AutoCAD为主做测图、资源量计算、开采规划与设计、排产等工作。
形成这种区别的原因，主要是国外不同领域，如机械、建筑等行业都有各自专业的CAD/CAE软件，矿业领域也不例外，拥有如Micromine、Datamine、Surpac等专业的矿业软件。而国内引入AutoCAD应用于各行各业也包括矿业之后，部分工程技术人员以及管理人员在长期使用之下形成了路径依赖，主要靠AutoCAD对矿体的形态、走向、矿岩属性、品位分布等进行较为繁琐的地质分析与计划编制，这种路径依赖也使得基于矿业专业领域、具有更高仿真性能的三维矿业软件并没有在专业场景中得到更广泛的应用。
矿山的生产过程，其生产数据和资源数据不断变化，需要从地质勘查到资源评估、采矿设计、规划和生产控制等各环节全业务链的协同配合。这种矿山企业生产的特殊性，更需要专业三维矿业软件的数字化助力，将海量、异质的各类矿山信息组织到统一的工作平台进行可“识”化管理。随着数字矿山与智能开采的推进，基于MIM的全生命周期的三维矿业软件，必将在国内外矿山企业及矿业类科研院所得到广泛应用。
而矿山行业的特殊需求，也对构建矿业数字化拓展坞（MIM）提出更高要求。
一方面，矿业数字化拓展坞要作为开放式系统，提供三维可视化和整个矿山基础数据的服务平台，并能够对接更多第三方业务，提供数据接口，支持外部模型导入。
另一方面，也需要统一数字矿山建设的理念、标准规范和矿山数字化关键技术要求，建立MIM标准，这样才能够在面对纷繁多样的矿山环境时，能够有相对标准化的解决方案，降低矿山智能化的推进成本。
矿业数字化扩展坞不是一个独立封闭的系统，而是开放对接三维可视化管控系统、地下矿无轨设备自动驾驶系统、微震监测系统、矿边智能孪生系统、智能调度系统等众多子系统的大平台。这不仅适用于迪迈科技自身四大板块数十个子系统服务，也能够对接其他第三方软件，为矿山智能化生态建设提供更多开放的机会。迪迈科技提供的“系统统一底层+开放接口”服务，与法国达索系统公司(Dassault Systèmes) “平台+服务”的数字化赋能解决方案也非常类似。而迪迈科技多年行业深耕的经验与技术优势，也为构建中国矿山数字化完整生态提供了良好基础。
目前迪迈产品已经在非洲等海外多个矿山落地。未来，随着矿山企业走向海外，既有平台层系统，又有多种功能插件，并能为第三方提供多类型数据服务接口的迪迈矿山数字化与智能开采一系列产品，也将在海外拓展出更多业务落地场景。
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