摘要：一文讀懂 AI在國(guó)際礦業(yè)的3大應(yīng)用：大數(shù)據(jù)找礦、無(wú)人駕駛礦卡、預(yù)測(cè)性維護(hù)，分別屬于勘探、采礦，選礦/選煤。

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人工智能（Artificial Intelligence, AI）已在很多領(lǐng)域獲得應(yīng)用�？赡芎茈y想象，AI已廣泛應(yīng)用于世界主要礦山，除了在技術(shù)上層面驗(yàn)證了AI能夠有效的改善采礦作業(yè)安全、提升礦山效率、增加運(yùn)營(yíng)效益外，AI在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也獲得了巨大的商業(yè)成功。各大礦業(yè)巨頭紛紛將智能化技術(shù)的投資列為未來(lái)的主要預(yù)算，僅力拓在澳洲皮爾巴拉的Koodaideri鐵礦一項(xiàng)，預(yù)算就高達(dá)22億美元。

 

通過(guò)對(duì)礦山從勘探開(kāi)始，到礦建、運(yùn)營(yíng)直至閉坑的完整生命周期內(nèi)的海量數(shù)據(jù)采集、結(jié)合特定算法的分析，并開(kāi)發(fā)針對(duì)性的應(yīng)用，礦山正變得越來(lái)越有智慧。不斷進(jìn)步的傳感器技術(shù)，5G，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一協(xié)議等基礎(chǔ)為智慧礦山打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；低成本的“云”（阿里云、騰訊云、亞馬遜云等），巨頭開(kāi)發(fā)出的算法（如，視覺(jué)識(shí)別），為智能采礦的創(chuàng)新提供了觸手可及的資源。客觀的看，在中國(guó)實(shí)施智能采礦的基礎(chǔ)條件比澳洲等傳統(tǒng)礦業(yè)強(qiáng)國(guó)更好，成本更低。

 

推薦一本書(shū)《Prediction Machines》，該書(shū)已有中文版。

該書(shū)用力拓(Rio Tinto)在西澳Pilbara 的礦場(chǎng)舉例，采礦作業(yè)的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)將智能化技術(shù)加配到現(xiàn)有的自動(dòng)化技術(shù)以后，給整個(gè)礦山帶來(lái)的最直接的效益提升：減少了停機(jī)時(shí)間。比如，無(wú)人駕駛礦卡和無(wú)人駕駛長(zhǎng)火車(chē)技術(shù)的成功應(yīng)用，原本司機(jī)的休息時(shí)間，礦山依然保持作業(yè)。

 

AI用于智能采礦，不能一蹴而就！本文僅簡(jiǎn)介勘探、采礦、選礦3個(gè)領(lǐng)域的案例。這些細(xì)分領(lǐng)域的技術(shù)已在應(yīng)用場(chǎng)景中驗(yàn)證，并具有巨大的商業(yè)價(jià)值。

 

① AI應(yīng)用于新礦種勘探

現(xiàn)在，AI已迅速的出現(xiàn)在礦業(yè)的各個(gè)階段，地質(zhì)師開(kāi)始將機(jī)器學(xué)習(xí)用于勘探時(shí)獲得的地質(zhì)數(shù)據(jù)分析和評(píng)估，用于預(yù)測(cè)最佳的鉆孔位置。已成功應(yīng)用到金礦勘探的專利算法有CARDS（Computer Aided Resource Detection System）。

系統(tǒng)能為手工輸入數(shù)據(jù)和遙感、地球化學(xué)等數(shù)據(jù)搭建有效的“連接”

最近，一個(gè)將AI和找鈷礦業(yè)務(wù)結(jié)合的新創(chuàng)公司獲得了比爾蓋茨旗下基金支持，這家公司名叫Kobold Metals，旨在用大數(shù)據(jù)算法確定鈷的探礦靶區(qū)（備注：Breakthrough Energy Ventures，由比爾蓋茨創(chuàng)建，也有馬云、潘石屹和張欣夫婦等來(lái)自中國(guó)的董事）。

現(xiàn)有的鈷來(lái)源，主要為銅和鎳礦的副產(chǎn)品。單一針對(duì)鈷的勘探非常有限（北京浩沃特礦業(yè)技術(shù)有限公司 從2017年至今，參與了贊比亞與剛果金交界的單一鈷礦的技術(shù)盡調(diào)、評(píng)估和開(kāi)發(fā)咨詢），可能尚有大量在傳統(tǒng)探礦方式下未被發(fā)現(xiàn)的鈷資源，這為AI應(yīng)用到找鈷礦創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

今天主要的礦物勘探主要依賴有經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)學(xué)家通過(guò)大量的人工來(lái)處理各種地質(zhì)數(shù)據(jù)，然后獲得勘探分析結(jié)果。這樣的數(shù)據(jù)處理方式，效率難以保證，分析也是隨機(jī)的，沒(méi)有形成體系，人工處理注定會(huì)遺漏一些不起眼的變化，這些“遺漏”也會(huì)影響到最終勘探結(jié)果的評(píng)估。

鑒于此，Kobold Metals將使用“機(jī)器學(xué)習(xí)”的方式探索到新的鈷礦來(lái)源。通過(guò)建立一個(gè)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入地球物理和地球化學(xué)方面的信息，然后將其代入算法，尋找指示鈷濃度增加可能性的信號(hào)，從而指導(dǎo)尋找新的鈷資源。

此外，澳洲的礦業(yè)公司也開(kāi)始采用新的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和機(jī)器人測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)金屬，檢測(cè)對(duì)象包括沙子、地下水，乃至桉樹(shù)葉。

澳洲80％的地表被數(shù)米的沉積物和沙子覆蓋。礦業(yè)公司以新的方式將新技術(shù)和已有方法相結(jié)合進(jìn)行勘探，包括由政府機(jī)構(gòu)制作的新一代多層地圖。

目前，IBM在加拿大開(kāi)發(fā)了一個(gè)資源平臺(tái)Watson，該平臺(tái)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)更好地預(yù)測(cè)礦物所在地，使用人工智能將政府鉆探結(jié)果和航磁測(cè)量等數(shù)據(jù)與歷史視覺(jué)數(shù)據(jù)（包括以前未曾做過(guò)的手繪地圖）相結(jié)合。傳統(tǒng)上，地質(zhì)學(xué)家將80％的時(shí)間用于分類(lèi)數(shù)據(jù)，試圖找到、關(guān)聯(lián)、組織數(shù)據(jù)，然后計(jì)算模型。但現(xiàn)在，地質(zhì)學(xué)家只用在這方面投入20％的時(shí)間，用更多的時(shí)間從信息中得到判斷，并對(duì)潛在勘探地區(qū)做出更好的決策。

 

AI，正在改變勘查技術(shù)，地質(zhì)師的工作也在重新定義。

② 無(wú)人駕駛礦車(chē)

目前AI在大型礦業(yè)公司的應(yīng)用主要是為了改善運(yùn)營(yíng)效率。

現(xiàn)在談無(wú)人駕駛技術(shù)，主要關(guān)注的是民用領(lǐng)域。在礦山，無(wú)人駕駛車(chē)輛早已在露天礦使用，主要原因是：容易唄！因?yàn)槁短斓V是處于圍欄概念的限定區(qū)域。

2014年，SAE International(國(guó)際汽車(chē)工程師協(xié)會(huì))制訂了一套無(wú)人駕駛汽車(chē)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分為L(zhǎng)0-L5幾個(gè)等級(jí)。也有認(rèn)為SAE分級(jí)之外，有必要再加一個(gè)維度，也就是按照地理圍欄(Geofence)的概念，進(jìn)行Geo1~-Geo5的簡(jiǎn)單分級(jí)（表1）。隨著數(shù)據(jù)的積累以及技術(shù)的提升，無(wú)人車(chē)可行駛區(qū)域從Geo1礦區(qū)無(wú)人車(chē)少到Geo5基本沒(méi)有圍欄，逐步放大區(qū)域并最終實(shí)現(xiàn)自主駕駛。

基于地理圍欄的無(wú)人駕駛礦卡系統(tǒng)設(shè)置

現(xiàn)在力拓使用的卡車(chē)無(wú)人駕駛主要通過(guò)自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)（Autonomous Haulage System，AHS）實(shí)。系統(tǒng)用控制裝置、GPS衛(wèi)星、無(wú)線通信技術(shù)和軟件來(lái)取代原來(lái)坐在駕駛室內(nèi)的司機(jī)。

 

力壓拓使用的自卸卡車(chē)無(wú)人駕駛原理示意圖

 

首先，露天礦山無(wú)人駕駛卡車(chē)應(yīng)該是卡車(chē)智能調(diào)度系統(tǒng)的一部分，在整個(gè)卡車(chē)智能調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)以下分步操作：

1）由裝備了高精度定位能力GPS系統(tǒng)的車(chē)隊(duì)監(jiān)測(cè)中心控制裝置管理，為每輛車(chē)指定裝載機(jī)的位置和運(yùn)輸路線，車(chē)輛通過(guò)接收無(wú)線指令以合適的速度按照目標(biāo)路線運(yùn)行；

2）卡車(chē)由GPS、監(jiān)測(cè)中心控制裝置無(wú)線指令和其它導(dǎo)引裝置來(lái)確定車(chē)輛在礦山的準(zhǔn)確坐標(biāo)并了解周?chē)�的情況，使得卡車(chē)能在無(wú)人操作的情況下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的裝載、運(yùn)輸和卸載循環(huán)的自動(dòng)運(yùn)行；

3）裝載時(shí)，由同樣安裝了GPS的挖掘機(jī)或裝載機(jī)來(lái)計(jì)算并引導(dǎo)卡車(chē)至正確的位置，由裝載機(jī)自動(dòng)進(jìn)行裝載；

4）卸載時(shí)，監(jiān)測(cè)中心控制裝置發(fā)送卸載點(diǎn)的位置和路線信息，卡車(chē)在相應(yīng)設(shè)備引導(dǎo)下到達(dá)卸載點(diǎn)，準(zhǔn)確進(jìn)行卸載；

5）安全方面，在AHS運(yùn)行下如果障礙物偵測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)行走路線上有其它車(chē)輛或人，卡車(chē)就會(huì)馬上減速或停車(chē)。

在無(wú)人駕駛卡車(chē)上，通常裝備有以視覺(jué)為主的多融合傳感器，包括攝像頭、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等傳感器。其中，主要基于攝像頭實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知，以激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等其他傳感器來(lái)提升系統(tǒng)冗余度。通過(guò)系統(tǒng)配備的深度學(xué)習(xí)感知算法，能夠做到讓攝像頭像人眼一樣實(shí)時(shí)感知行車(chē)周邊環(huán)境，檢測(cè)和跟蹤視野中的各種物體，能夠?qū)�可視�?chǎng)景進(jìn)行像素級(jí)的解讀。

F 主要技術(shù)提供商：日本小松+GE、卡特彼勒、沃爾沃

目前，以小松的無(wú)人駕駛礦卡應(yīng)用最為廣泛，這里重點(diǎn)介紹小松的無(wú)人駕駛礦卡情況。

礦卡從人工操作到AI水平示意圖

小松目前的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人駕駛礦卡”，下一步是“無(wú)人礦山”，最后是“AI礦山”。

 

     日本小松公司第一輛77t無(wú)人駕駛卡車(chē)首先在日本一家水泥公司的采石場(chǎng)試驗(yàn)，用雷達(dá)檢測(cè)障礙物，最大運(yùn)行速度36km/h，1996年又在澳大利亞昆士蘭礦山使用。1996年，小松公司5輛無(wú)人駕駛卡車(chē)在西澳大利亞投入運(yùn)行，采用架線供電方式，沿道路每150m設(shè)一根標(biāo)桿，以10次/s的偶合脈沖激光校準(zhǔn)制導(dǎo)和GPS定位系統(tǒng)準(zhǔn)確地引導(dǎo)卡車(chē)，以cm級(jí)精度在礦區(qū)道路上運(yùn)行。2005年，小松公司在智利的銅礦開(kāi)始進(jìn)行無(wú)人運(yùn)輸系統(tǒng)的試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有為無(wú)人駕駛研制新型卡車(chē)，而是采用現(xiàn)有車(chē)型，為其安裝了多種傳感器、控制器和通信組件等設(shè)備，確保其可在指令之下自動(dòng)行駛。而整個(gè)系統(tǒng)還需要地面控制中心、通信基站等設(shè)備，并在導(dǎo)航衛(wèi)星的支持下工作。

2008年年底，力拓（Rio Tinto）公司位于澳大利亞的幾座鐵礦也開(kāi)始運(yùn)營(yíng)小松公司的無(wú)人駕駛卡車(chē)。位于澳大利亞西北部的皮爾巴拉（Pilbara）地區(qū)是聞名于世的鐵礦石產(chǎn)區(qū)，運(yùn)輸鐵礦石的卡車(chē)每天24小時(shí)不間斷地在廣袤而空曠的褐紅色土地上飛馳（見(jiàn)圖2、圖3）。而這些兩三層樓高的卡車(chē)沒(méi)有駕駛員，也沒(méi)有隨車(chē)人員，一切全由1500公里外珀斯市的計(jì)算機(jī)控制中心來(lái)遠(yuǎn)程控制（見(jiàn)圖4）。迄今為止，力拓集團(tuán)在澳大利亞4個(gè)礦山中啟用了73輛無(wú)人駕駛卡車(chē)。

    此外，小松還計(jì)劃增強(qiáng)無(wú)人運(yùn)輸系統(tǒng)在混合型車(chē)隊(duì)的應(yīng)用能力，即一個(gè)車(chē)隊(duì)中同時(shí)運(yùn)行有人駕駛和無(wú)人駕駛卡車(chē)，這有利于現(xiàn)有礦山逐漸過(guò)渡到全自動(dòng)礦山。

小松現(xiàn)在的無(wú)人駕駛礦卡的FrontRunner 系統(tǒng)示意圖

    2016年，小松發(fā)布一款無(wú)人駕駛礦用卡車(chē)（見(jiàn)圖5），直接取消了卡車(chē)上的司機(jī)駕駛室。新設(shè)計(jì)的車(chē)身重量被平均分配到了四個(gè)輪子上，同時(shí)還配備四輪驅(qū)動(dòng)和四輪轉(zhuǎn)向，卡車(chē)有更好的控制性和可操作性，從而將無(wú)人駕駛的概念執(zhí)行得十分徹底。該車(chē)長(zhǎng)15m，有效荷載為230t，最大功率2700馬力，最高時(shí)速可達(dá)64km/h。

小松取消駕駛室后的無(wú)人駕駛礦卡

③ 預(yù)測(cè)性維護(hù)

由于噴砂工藝處理不佳造成機(jī)械表面的瑕疵，成為了培育AI在礦業(yè)領(lǐng)域快速推廣的沃土，即：設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。

在預(yù)測(cè)性維護(hù)領(lǐng)域，已誕生初創(chuàng)公司的獨(dú)角獸，美國(guó)的Uptake公司最近一輪估值已達(dá)23億美金。Uptake采用機(jī)器學(xué)習(xí)，協(xié)助使用這項(xiàng)技術(shù)的公司理解嵌入在全球工業(yè)設(shè)備上的傳感器收集的令人眼花繚亂的數(shù)據(jù)。此外，Uptake為了完善工業(yè)數(shù)據(jù)源，收購(gòu)了APT（Asset Performance Technologies）。APT的數(shù)據(jù)庫(kù)能透過(guò)辨識(shí)設(shè)備何時(shí)發(fā)生故障，協(xié)助客戶防止代價(jià)高昂的停機(jī)和維修。Uptake的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)會(huì)隨著消化更多數(shù)據(jù)而變得更智能，而APT的資料庫(kù)包含成千上萬(wàn)關(guān)于設(shè)備故障原因的歷史經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。兩家公司合并后，預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)已應(yīng)用到了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障預(yù)警等高端領(lǐng)域，進(jìn)一步說(shuō)明了AI是可以自我學(xué)習(xí)的，如果給AI大量營(yíng)養(yǎng)（數(shù)據(jù)），AI會(huì)成長(zhǎng)的更快。

預(yù)測(cè)性維護(hù)帶給礦山的直接收益是：減少非計(jì)劃停機(jī)、節(jié)省成本、創(chuàng)造更高效益。主要是通過(guò)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)建議合理的配件采購(gòu)量，減少不必要的庫(kù)存，保持系統(tǒng)穩(wěn)定性和開(kāi)機(jī)率，合理安排運(yùn)維計(jì)劃等細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

預(yù)測(cè)性維護(hù)算法的核心是需要辨識(shí)機(jī)械部件在出故障或損壞前的各種特征。這些可能導(dǎo)致零部件損壞的特征，是通過(guò)設(shè)置在機(jī)械具體部位的傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)里正常運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線和導(dǎo)致機(jī)械故障的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析和比對(duì)得出的。在機(jī)械故障或零部件損壞前，通常設(shè)備的溫度、振動(dòng)、噪音、電流等數(shù)據(jù)都會(huì)有所變化。通過(guò)這些變化，AI能提前告知管理人員哪個(gè)設(shè)備的哪個(gè)部件可能會(huì)出問(wèn)題，提示管理人員提前排除故障，從而實(shí)現(xiàn)“預(yù)測(cè)性維護(hù)”的目的。

2018年剛上線時(shí)的Alpha公司（安爾法智控科技）的預(yù)測(cè)性維護(hù)運(yùn)維平臺(tái)

 

預(yù)測(cè)性維護(hù)的工作原理

第一步：傳感器連接，直接“貼”到需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備的相關(guān)部位；

第二步：數(shù)據(jù)采集，持續(xù)的采集數(shù)據(jù)到云端；

第三步，分析，機(jī)器學(xué)習(xí)算法通過(guò)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)設(shè)備運(yùn)行健康/故障；

第四步，實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)電腦或手機(jī)，以及微信推送實(shí)時(shí)掌握設(shè)備狀況。

 

國(guó)內(nèi)成功使用預(yù)測(cè)性維護(hù)的案例

神木煤業(yè)石窯店選煤廠

川煤集團(tuán)敘永選煤廠

（詳細(xì)案例情況，請(qǐng)參與Alpha網(wǎng)站）

 

敘永選煤廠斗式提升機(jī)故障預(yù)測(cè)及提前排障過(guò)程

持續(xù)關(guān)注：為了確認(rèn)設(shè)備的情況，在正常檢修時(shí)間之前，繼續(xù)關(guān)注設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)接下來(lái)的幾天時(shí)間監(jiān)測(cè)，并且根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的積累，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析后，預(yù)測(cè)在兩三天內(nèi)三軸振動(dòng)峭值有可能出現(xiàn)明顯的增加。

系統(tǒng)預(yù)測(cè)振動(dòng)曲線

微信預(yù)警信息推送

檢修過(guò)程：10月31日，車(chē)間檢修師傅通過(guò)系統(tǒng)提示，在現(xiàn)場(chǎng)斗提機(jī)運(yùn)行的時(shí)候進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)斗提機(jī)存在轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)力的情況，于是立即停機(jī)，拆下電機(jī)的減速機(jī)等，進(jìn)行檢查。經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)：減速機(jī)滾鍵，造成了軸的鍵槽與齒輪的鍵槽損壞失效。在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)地在外對(duì)鍵槽進(jìn)行修復(fù)后，斗提機(jī)運(yùn)行恢復(fù)正常。更大故障乃至于停產(chǎn)的發(fā)生被扼殺在了搖籃之中，可能出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)損失被有效地避免了�，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理人員特別贊賞了此次準(zhǔn)確的信息預(yù)警，并表示之后會(huì)更加利用系統(tǒng)的信息推送，以及專家建議，將設(shè)備的維護(hù)做到更好。

鍵軸損壞情況

值得一提的是，Alpha（安爾法）的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)，已將礦山設(shè)備資產(chǎn)的生命周期智能化管理考慮在內(nèi)，并與微信打通，管理員與系統(tǒng)的“人機(jī)交互”形式更為豐富和實(shí)用。

 

國(guó)外成功使用預(yù)測(cè)性維護(hù)的案例

英美資源，澳大利亞Moranbah North Mine煤礦，在選煤廠中所有的渣漿泵使用了預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)。

Barrick Gold公司旗下多數(shù)金礦的采礦設(shè)備及選礦廠均實(shí)施了預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)。

除減少非計(jì)劃停機(jī)外，預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)在幫助系統(tǒng)更穩(wěn)定時(shí)，選礦廠設(shè)備都都處于最佳性能，這樣帶來(lái)的附加好處是：提升選礦廠的回收率。

國(guó)內(nèi)智能采礦，智慧礦山，智能化選煤廠等已不是新概念，遺憾的多數(shù)選擇大聲疾呼，僅有少數(shù)公司能專注于技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。國(guó)內(nèi)的礦山，嚴(yán)格意義來(lái)講，暫時(shí)沒(méi)有一個(gè)真正的“智慧礦山”。行業(yè)缺標(biāo)準(zhǔn)，營(yíng)銷(xiāo)靠想象，礦山搞政績(jī)，把自動(dòng)化當(dāng)智能化……這些現(xiàn)象只能給礦業(yè)的智能化之路帶來(lái)負(fù)能量。智能化不能一步到位，不是搞大而全工程，也不是高投入就一定有效果。

這樣的大環(huán)境下，堅(jiān)持踏實(shí)研發(fā)，逐步將智能化技術(shù)落地的公司，一定會(huì)收獲豐厚的回報(bào)。

科技的發(fā)展將重塑礦業(yè)，并為這一古老的行業(yè)增加新的發(fā)展動(dòng)力。 

在礦業(yè)，一起做AI

 

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