目前，三山岛金矿面临着深部开采、矿石品位不确定性增加、开采绿色安全要求压力持续提高等现状，对矿山生产的持续性、经济性和安全性带来了巨大的挑战。“深部、绿色、智能”三大主题已不再是矿山未来发展的趋势性问题，而逐渐成为三山岛金矿生产的直面状态。为了应对这一形势下矿山面临的新问题，三山岛金矿早在10 年前就已提前布局、筹划创新，依托国际一流示范矿山建设、多项国家/ 省部级科研项目，探索研究了深部采区智能化开采关键技术，并在代表性区域形成了示范性成果，实现了单元工作区域智能开采的实验性应用。
相应关键技术研究、系统实现与应用后，形成了面向三山岛金矿全生产区域智能开采的条件准备，为三山岛金矿智能开采进入规模化、集约化应用搭建基础的应用场景。同时，井下作业区域全场景数字化精细建模等关键技术，可以为三山岛金矿的数字化转型提供技术支撑，研究成果对于全面推进井下智能开采由单体设备运行到集约化协同生产、由单一地点到规模化作业、由试验示范到常规化应用的根本性转变具有重要意义。
为了巩固、提升和扩大示范采区的建设成果，有步骤、有计划地推进井下生产作业全区域的智能开采应用，三山岛金矿针对井下集约化智能开采体系进行了研究，其中的首要任务，是搭建规模化智能开采的全域基础场景、研究智能开采模式下的生产要素集约协同化管控技术，并规划建设智能开采的安全保障与基础支撑条件。即以此为主要研究内容，综合运用5G 建设+AI 建模等装备、技术及方法，对集约化智能开采的基础硬件条件、全场景数字化精细建模、全流程生产任务规划与分解、关键节点安全条件保障、矿石流转控制场景的无人、少人化等关键技术展开研究，并在实际生产中投入应用。
智能矿山是现代信息技术持续应用于矿山企业所带来的矿山运作模式不断升级，是矿山信息化发展的新阶段，因而从本质上说智能矿山是数字矿山的智能化提升。提升的方式则主要体现在利用5G+AI 实现矿山整体业务的自主调节与智能优化。业务流程与进度跟踪精细化管控：通过建设生产业务智能智慧系统和对井下生产进度的同步跟踪，精准把握矿山业务流程和生产进度（图1）。
深化运营模式改革，打造高度集成化与智能化的生产运营模式，建成以“矿石流”为主线，面向“地质勘探－规划设计－生产计划－采矿设计－爆破作业－采场出矿－溜井放矿－机车运矿－卸载放矿－ 提升运矿－选矿回收－尾矿充填－尾矿排放－生态治理”全流程生产运行智能化与集成化系统，打造集中化、智能化与协同化的开采模式。
利用5G+AI 技术构建智能化开采的协同运作框架，从采矿的生产、调度、执行、安全等方面建设相关的智能化系统，打通数据壁垒，实现智能开采的协同化作业。通过各个系统的协同运作，可以实现矿山生产的智能化、高效化和安全性，为矿山的可持续发展提供强有力的支持。5G+AI 支撑下的智能开采的协同运作框架如图2 所示。
智能开采是一个综合利用信息技术、自动化技术、人工智能和数据分析技术的过程，旨在提高矿石开采的效率、安全性保障和可持续性发展。针对黄金矿山特点，智能开采的核心基于AI 模型和大数据分析，形成生产任务智能分配、生产过程智能引导与短间隔控制以及智能开采安全保障等多个应用场景。
1）形成矿山调度过程的任务智能分配。为进一步优化生产流程，矿山需要形成一套基于AI 的生产任务智能分配模型，该模型能够实现生产任务的智能分配和全流程生产任务规划与分解，更有效地安排采场任务，优化采矿流程，降低生产时间，提高生产效率。
2）实现生产过程的规模化、集约化开采和调度优化。为了合理安排装备的时间、空间和作业过程，避免装备的冲突和闲置，提高作业效率和装备利用率，基于AI 技术构建短间隔控制分析模型，通过对生产进度进行监控和短周期反馈闭环，及时采取修正措施，形成面向短间隔控制的地下黄金矿开采装备智能调度体系，可以有效实现矿山开采过程的智能调度管控和精细化管理，提高生产效率。
3）形成井下作业区域智能开采安全的全面保障：通过实时监控井下环境和设备状态，利用图像识别、机器学习等AI 技术对监控视频和监测数据进行在线分析，实现安全隐患智能辨识和预警，确保井下作业的安全和稳定。同时，AI 技术还可以对关键节点进行安全条件保障，例如对设备维护和检查进行智能提醒，对人员安全培训和教育内容进行个性化 定制等。
建立矿山井下三维可视化模型，实现全场景可视化动态建模和协同管理，解决数据孤岛问题，提高生产效率。开发矿山生产任务智能分配模型，实现生产任务的智能预测和优化分配，以及全流程生产任务规划与分解，提高生产效率。结合5G 通信技术，实现采矿设备的远程控制和实时通信，优化作业效率，提高响应速度。利用AI 技术实现井下开采的安全保障，实时监控井下环境和设备状态，预警和处理安全隐患，确保井下作业的安全和稳定。核心场景与关键技术如图3 所示。
采矿设计过程中针对矿山井下三维可视化模型独立存在，各部门之间缺乏有效的数据共享和协同作业机制，导致数据孤岛现象严重，无法实现地、测、采协同作业的问题，提出通过全场景可视化协同建模，实现实时了解井下整体情况和动态变化，协同作业和高效调度，从而解决生产中的技术瓶颈和资源浪费，提高生产效率。通过建立全场景可视化建模和实现数据共享和协同作业的措施，可以有效地解决矿山生产中的问题，提高生产效率。
地质、测量、采矿三个专业的协同设计。厘清互相之间的设计依赖关系，做到设计数据流转共享。设计、审批权限清晰、流程优化、效率提升。
设计成果的有效管控。做到数据集中存储、权限集中管控、版本统一管理。消除当前设计文件来回拷贝、不可追溯、版本混乱、权限缺失的状况。
面向管理人员的可视化。设计内容、数据进行精简、转化，以简明扼要的可视化形态，提供给管理人员进行决策辅助。
通过智能分配生产任务、全流程生产任务规划与分解、精确预测和控制资源消耗、实时监控和调整生产任务等功能，该模型能够有效地提高矿山生产管理的效率和准确性。核心目标如下：
智能分配生产任务。构建智能分配数学模型，自动识别和预测各种因素对生产任务的影响，从而进行合理的任务分配。
全流程生产任务规划与分解。模型运用优化算法和仿真技术，对全流程的生产任务进行规划和分解。这有助于优化采场任务及安排、采矿流程和生产时间。
精确预测和控制资源消耗。通过与预决算等系统的集成，模型能够提取有价值的信息，精确预测和控制人力、设备、能源等各种资源的消耗。这有助于实现资源的优化配置，降低生产成本。
生产调度优化与管控可以充分利用产能、降低开采成本，因此成为现代矿山降本增效的有效手段。通过精细化调度管理和智能决策方法，实现复杂条件下的开采装备高效协同作业，充分提高调度管控效率和矿山生产力，是现阶段矿山开采装备智能调度需要解决的关键问题。相较于传统光纤部署受限、Wi-Fi 覆盖不足及4G 速率瓶颈，5G 通过动态网络切片技术可灵活适配不同业务场景，能够满足矿山复杂环境下实时远程操控、自动驾驶矿卡、设备状态监测等高精度作业需求。
无人智能装车系统。采用监控摄像、3D 激光扫描、边缘计算等多种新一代硬件，利用5G+AI 新一代信息化技术操纵放矿站挡板及抖动电机实现自动化、无人智能化放矿。实现自动引导车辆进入、自动纠偏、智能预警、自动放矿、自动引导车辆驶离等完整的放矿流程，取代以往人工控制、人为放矿的过程。
基于AI 的溜井智能监控。以溜井监控视频数据分析为基础，融合人工智能、深度学习、系统研发、机器视觉等多种技术手段，形成一套智能化溜井管理平台，生产调度人员通过该系统的作业场景直播功能，实现对矿物流向和人员动态等进行实时监控。
基于5G 的电机车无人驾驶。通过5G 网络，电机车采用自动驾驶模式，能够自动感知周围环境，自主规划行驶路线和速度，提高运输效率。同时管理人员可以在远程对电机车进行实时监控和控制，确保运输过程的安全和稳定。
基于短间隔控制运输调度优化。通过短间隔动态变化的运输调度，将配矿过程由地表矿堆前移至运输过程中的各级溜井。将矿石流网络优化抽象为连续物流问题，以运输成本最小化为目标，构建矿石流量、品位、装备、运输网络约束下的矿石运输优化模型，实现矿石流的优化调度与精细化管控。
生产安全保障方面，研发安全生产智能保障系统，通过图像识别、机器学习与大数据分析算法的嵌入，实现对矿山环境和生产过程的智能监测和预警，及时发现和解决安全隐患问题。同时，该系统还可以对采矿设备的运行状态进行监测和维护，确保设备的安全性和稳定性。井下作业区域的安全问题一直是矿山开采中的重要难题。由于井下环境复杂多变，存在多种危险因素，如冒顶、片帮、有毒有害气体等，因此保障井下作业安全至关重要。然而，传统的井下安全保障方法存在很多局限性，如人员巡检不及时、安全隐患发现滞后、应急处置效率低等，难以满足现代矿山的安全生产需求。
基于AI 的视频监控智能识别系统。利用深度学习等技术，对井下视频数据进行实时分析，实现安全隐患的自动识别和预警，提高安全监管效率。
基于大数据分析的智慧安全系统。智慧安全系统利用大数据技术对监控区域内的各种数据进行全面收集和分析，包括人员、设备、环境等多个方面，同时可将监控区域内的各种事件全面展现到监控终端，实现对全过程的可视化。
VR（Virtual Reality）安全生产和技能操作培训系统。基于VR 技术、三维建模技术和人工智能技术，以矿山安全体系为核心、以高度的场景真实体验感为特征，专注矿业安全，深入结合矿山安全体系、流程，创新矿山企业安全培训形式、优化矿山安全培训内容。硬件配备方面，系统结合VR 头盔虚拟仿真互动装置增强体验感，充分体现安全培训的技术水平。
井下无人值守系统。利用自动化设备和远程监控等技术，实现对井下设备进行无人值守和远程控制的管理系统。接收并处理传感器数据，并输出控制信号控制设备的运行，同时对井下设备进行远程监控和管理，实时监测设备运行状态和环境参数，及时发现异常情况并采取相应措施。
全面分析了三山岛金矿规模化智能开采的具体场景，从设计、调度、执行、安全等多个层面规划建设了智能化场景，形成包括井下作业区域全场景协同建模、智能开采方式导向下的开采任务智能分配模型和生产要素配置与智能排产模型在内的决策支持算法、以及生产过程智能引导与短间隔控制，完成面向AI 的智能开采安全保障平台应用，实现了智能化开采场景搭建。
1）全覆盖网络架构
（1）井下5G+UWB（Ultra Wide Band）无线网络覆盖。对井下区域进行统一规划和设计，布置一张网络，分批次逐步实现井下作业区域UWB 无线信号全覆盖以及5G 网络建设，对语音、视频、数据三大业务进行全面承载。
（2）F5G 办公网建设。对全矿办公网进行了F5G 网络改造，F5G 主要采用创新的POL（无源光局域网） 组网架构，从汇聚机房通过光纤直达房间，大幅减少走廊布线，且无须每个楼宇配置弱电间，一个汇聚机房便可管理多栋楼宇，大幅提升运维效率。
（3）万兆工业环网建设。井下万兆工业环网建设满足井下大量监测点数据、高清视频监控数据的接入和传输，可通过移动智能终端，将井下各系统实时数据上传到相关负责单位，为智能化矿山的建设奠定了坚实的基础。
2）软硬件设计与部署
以5G 网络为基础，通过本地部署MEC 设备，保障数据安全，降低时延，可面向边缘云演进的综合管控系统，在此基础上实现信号灯指挥、语音通讯、人员和车辆UWB 定位、车辆测速、车载智能终端、井口门禁等功能。以现代化信息化手段管理矿山的新要求目标。
在现有的5G 网络及AI 人工智能技术的基础上，基于Vulcan 三维矿业软件构建井下作业区域全场景协同建模，旨在实现井下作业区域的全景式、精细化的三维可视化表达，将矿山的生产环境、设备、人员、流程等所有要素进行全面的数字化建模（图4）
在智能开采场景建设中，生产任务智能分配系统着重解决集约化智能开采中，生产要素自动优化配置问题。作为生产系统智能优化、5G+AI 技术的实施着力点，这一场景建设不仅解决了传统开采过程中计划编制和人员设备调度方案的制定等智能化问题，而且通过生产任务分解和生产要素分配等关键任务，为全区域的智能化生产管理提供了强有力的支持。基于AI 智能算法实现对生产任务向更深层次的职能部分的科学拆解，运用5G 网络技术将生产任务精确指派至具体的劳动班组，可以提高企业的生产作业效率。生产任务智能分配系统见图5。
在智能化开采场景建设中，生产智能引导与短间隔控制重点解决全流程、全主体、全区域的智能装备跟踪，以及生产要素的近实时调整与控制问题。针对传统采矿过程中设备运行不稳定、矿山运输效率低下等难题，本项目从矿石的静态存贮节点和动态输出方向两个思路出发，构建了生产过程智能引导模型，并借助5G 网络建设了智能装备与生产作业的集群化短间隔控制体系，研究相关的能够针对生产执行过程中的自动化、智能化和高效化，提高开采执行及运输效率。生产进度智能调度系统见图6。
智能化开采场景建设中，面向AI 的智能开采安全管理主要解决了区域化智能开采环境下作业现场的安全准入与监测问题。为了保证区域化智能开采的安全，项目基于面向AI 的智能开采安全管理方式，从多个维度深入研究了面向AI 的安全保障体系，包括区域安全管控系统、地下金属矿山AI 智能巡管系统、安环监测信息三维集成管控及井下无人值守等系统，旨在提高开采过程的安全性和效率、降低事故发生的概率，保证集约化智能开采的顺利进行，同时也为井下区域范围内的无人采矿提供技术方案与应用系统支撑（图7）。
体系化的智能开采场景规划保证了投资建设的精准定位，增加生产任务分配的精确性与科学性，生产近实时精准管控带来生产能力提升，智能装备集约化调度后的矿石流数量质量均衡，井下作业的减员增效，以及AI 支持下的安全管理减损增益等。
自2019 年投入应用、2020 年开始产生效益以来，与项目实施前对比，通过资源优化配置、生产任务的智能分配调整、生产能力提升等，获得直接经济效益（贡献率为产值增加的5%）、采矿作业成本降低10%（与2019 年底对比）、矿山井下工人劳动效率提升35%，4 年内（2023 年截止至11 月份）获得静态利润（在计算期的价格水平下）分别为2054 万元、1855 万元、2830 万元和2946 万元，4 年共计实现直接经济效益为9685 万元。
研究应用为三山岛金矿智能开采进入规模化、集约化应用搭建了基础应用场景，为三山岛金矿数字化、智能化转型提供了关键技术支撑，研究成果有效保证了井下智能开采由单体设备运行到集约化协同生产、由单一地点到规模化作业、由试验示范到常规化应用的根本性转变，具有显著的经济和社会效益。
1）从体系化的角度提出了规模化、集约化智能开采要求下的关键应用场景及其协同运作机制。针对智能开采由单体示范到区域集成转变中的关键因素，梳理分析了矿山进入智能开采生产模式下的AI 场景需求，并以少人无人化开采为目标导向，规划设计了开采设计、任务下达、设备集群调度、综合安全保障等诸多环节，形成了包括基于5G+AI 技术下的全融合基础硬件条件建设、智能开采的协同运作框架、智能开采模式下的业务组织保障等在内的，满足智能开采模式的关键场景支撑成套体系。
2）在5G 网络和AI 人工智能技术的支持下，使用Vulcan 三维矿业软件构建井下作业区域全场景协同建模，可以有效解决矿体模型存在的数据信息孤岛和各部门无法协同作业的问题，实现井下作业区域的全景式、精细化的三维可视化表达，将矿山的生产环境、设备、人员、流程等所有要素进行全面的数字化建模。这将有助于提高生产效率、优化资源利用，推动开采场景智能化建设的进程。
3）通过生产任务分解和生产要素分配等关键任务，综合考虑生产能力、矿石质量、效益效率等多目标因素，构建了全目标导向的开采任务智能分配模型，形成规模化集约化智能开采的指挥中枢，可以有效地提高规模化智能开采的生产效率、优化资源配置、降低成本。
4）基于5G 网络的生产过程智能引导和面向短间隔控制的设备调度智能化技术手段的应用，对于解决传统采矿过程中的设备运行不稳定和矿山运输效率低下等问题具有显著的效果。通过实时数据采集、分析和反馈，以及先进的算法和传感器技术，可以优化设备调度和生产流程，实现自动化、智能化和高效化的生产执行过程。
5）面向AI 的智能开采安全管理在矿山生产中具有极其重要的作用。通过采用区域安全管控系统、地下金属矿山AI 智能巡管系统、安环监测信息三维集成管控及井下无人值守等系统，可以实现对矿山的安全管理和监控，及时发现安全隐患和事故苗头，为管理人员提供科学决策依据，从而避免事故的发生，提高矿山的生产效益和安全性。随着人工智能技术的不断发展，面向AI 的智能开采安全管理将会更加完善和智能化，为矿山的可持续发展提供更加可靠的技术支持。
