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走向矿业的未来─智能采矿中南大学古德生2013年6月前言现代采矿科学技术发展很快，新的学术思想、理论、技术不断涌现。纵观矿业发展的大趋势，我国金属矿业面临三大发展主题：①坚持矿业的发展道路——绿色开发②开拓矿业的前沿领域——深部开采③走向矿业的未来目标——智能采矿本报告要讲的是第三个发展主题—智能采矿。进入21世纪，信息技术快速发展，给传统矿业带来巨大的冲击。我国是个矿业大国，但不是强国,1是个相对落后的行业。要改变这种状况，唯一的出路是发挥后发优势,走工业化与信息化融合发展的道路,推进矿业走向未来——智能采矿。下面讲六个问题：①金属矿业支撑着国家经济发展②以信息技术带动矿业的发展③矿业工业化与信息化的融合④矿山信息化的基础—数字矿山⑤矿业未来的目标—智能采矿⑥创新驱动智能采矿技术研究2一、金属矿业支撑着国家经济发展1.我国已成为世界工业大国◆工业发展速度与规模—1979年,全国工业总产值约4600亿元，到2011年增加到85万亿元，增长了184倍。发展速度和规模前所未有。●◆工业化水平—2005年，我国工业化水平综合指数为50，多年来，综合指数年均提高4-5；到2012年，工业化水平综合指数已达到80左右,已由改革开放初的工业化早期阶段，进入到了工业化后期阶段。32.国家的金属产量持续增长近十年来，金属产量大幅增长(如下表1)。从1990-2010年，人均GDP增长20.8倍，同期钢增长8.4倍，十种有色金属增长7.5倍。没有金属产量同步增长，就没有国民经济的可持续发展。年度1990199520002002200520082010人均GDP,美元2005818201090170332664361钢产量，万吨653596361285022234349365400063000十种有色金属量,万吨239496783126016352520180043.人均资源消耗强度的高峰期据有关研究，工业化过程中，随人均GDP的增长，人均资源消耗将呈“S”形曲线变化，（如图1）。mn人均矿产资源消耗人均GDP今后15-20年，我国人均资源消耗强度将达到高峰期，资源供给问题将更加严峻。5我国粗钢、铝、铜等主要金属消耗量，将于2015—2025年达到高峰期（如下表2）。年份金属2009年2015年2020年2025年2030年高峰期年粗钢,亿吨6.56-76.65.62015铝,万吨14392000270016002025铜,万吨75380014009002025当前,我国六种金属Cu、Pb、Zn、Al、Ni、M0的人均消费量,只有美国的1/5.9--1/32.4。64.主要金属资源的对外依存度高由于工业化城市化的快速发展，资源消耗猛增，资源对外依存度攀升（如下表3）。2010年中国人均GDP为7371美元,粗钢消费强度达69.4吨/百万美元,已超过发达国家消费峰值的上限，理应缓慢下行。但并非如此。金属品种时间,年金属消耗量万吨/年年消耗量占全球比例%达峰值时间,年峰值需求量,万吨/年资源对外依存度%钢铁201365000/20156-7亿吨65-75%铝201016504620252700-300050%铜20107533620251400-160070%7二、以信息技术带动矿业的发展1.人类文明过程中矿业的发展阶段(见图2)●据人类各发展阶段的矿产品的需求，划分为:①传统矿业阶段。铁.铜.铅.锌.锡.煤,是人类社会初期到工业化初期、所依赖的矿产品。②现代矿业阶段。铝.铬.锰.钨.镍.矾.石油.天然气等，是工业化时期急迫需求的矿产品。③新兴矿业阶段。新需求的矿产品有锗.铂.稀土.钛.锂.铀等，是后工业化进入高技术的时代。8目前,我国金属矿业正处于现代矿业的中期阶段。时间生产力水平图2人类文明过程中的矿业发展阶段传统矿业阶段现代矿业阶段新兴矿业阶段农业经济工业经济知识经济A.手工凿岩技术B.机械凿岩技术C.无轨开采技术D.矿山信息化技术E.智能采矿技术ABCDE92.我国金属矿业的基本状况●矿山有19600多座，地下开采为主，分三类：①少数现代化大型矿山。其装备技术水平和资源综合利用程度，接近矿业发达国家水平。②相当数量的中型矿山。其装备为上世纪七十年代水平，资源综合利用率较低，管理粗放。③大量的小型矿山。机械化程度低、管理粗放、安全、环境问题突出，资源浪费严重。我国金属矿业总体上落后于国家工业化的整体水平。103.发展矿业信息技术的战略意义①何谓信息技术？——是研究信息的获取、传输和处理的技术；主要包括计算机技术、通信技术、传感技术和微电子技术。●信息技术具有三个特性——应用的广泛性；技术间的融合性；发展空间无限性。这些特性驱动着传统产业的变革、使企业效益倍增、工业化进程加快。11②发展信息技术是重大战略举措信息技术是新技术革命的支柱：其一，是因为GDP增量的贡献最大,为其他产业发展提供了支撑；其二，是它对整个社会政治、经济、文化生活（从电子政务.电子商务.网上银行.现代服务业到多媒体和文化产业等）产生重大影响，对全球经济做出巨大贡献。改变人类一个时代。金属矿业如何实现跨越式发展，唯一出路是用信息技术改造传统矿业。124.关于矿业发展路径的思考●人类发展史是先有农业国的工业化，然后才有工业国的信息化。因此，有人就认为我国矿业的发展应该先工业化，后信息化，似乎“两化”只能非此即彼。持这观点人认为，矿业信息化并非当务之急，因此，矿业信息化也就举步维艰，这是个误解。事实上，信息化是发展最快、最为先进的生产方式，它代表了人类社会的前进方向。虽然信息化不能代替工业化，但它是各行业发展工业化的巨大推动力。135.走工业化与信息化融合的发展路径我国矿业在面向未来的追赶中，应该选择现代化的运河战略—走工业化与信息化融合的协调发展道路（见下图），理由如下：①是实现矿业经济现代化目标的需要我国目标是在2050年达到发达国家水平。然而，当前我国矿业总体上只处于中等发达的阶段,如果走传统发展道路，则中国矿业现代化需要60-80年时间。所以，要开拓创新，另辟新径。14②是经济全球化的需要世界矿业经济已经走向全球化。我国是个相对落后的矿业大国，矿产资源对外依存度很高，如果走传统发展道路，中国矿业如何适应经济全球化，参与国际矿业的竞争。基于上述原因，中国矿业必须利用先进信息技术这一后发优势，走工业化与信息化融合的协调发展道路，才有可能实现跨越式发展，实现矿业强国的梦，别无选择。15工具制造人类诞生工业革命农业经济文明发展知识经济知识革命工业经济农业革命原始经济智能采矿技术矿业驱动力—矿山信息化技术信息化工信化矿业驱动力—无轨开采技术矿业驱动力—手工凿岩技术矿业驱动力—机械凿岩技术工业化生产力结构生产力水平MNMNABCDE传统发展路径MN工业化与信息化融合发展路径图3人类文明进程中矿业发展路径选择图ABCDE16三、矿业工业化与信息化的融合1.何谓信息化？——在信息网络环境下，高度应用信息技术，共享信息资源，人的智能潜力和社会资源潜力得到充分发挥，个人行为、组织决策和社会运行趋于理想状态。这个由信息技术驱动的经济增长和社会发展模式的转变过程，称为信息化。172.“两化”融合的内涵●1993，开始讨论“两化”融合问题。其内涵是：①发挥信息化的主导作用。在“两化”融合中，由信息化主导矿业工业化的发展方向，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化。②推动“两化”彼此兼容和渗透。“两化”的融合，是信息技术产业的发展与传统矿业改造的紧密结合，是两者兼容和渗透的动态发展过程。③实现“两化”融合的目标。推动矿业的优化和升级，从而实现传统矿业的改造和跨越。183.以信息化推动矿业的发展①我国金属矿业落后于国家工业的总体水平表现在六个方面：矿业增长主要依靠要素投入，技术水平提升缓慢，不可持续；矿山装备研发能力不强，中小企业的技术装备长期得不到更新;行业组织结构问题不少，设计、研究与生产脱节；科技研发能力相对薄弱，缺乏重大创新性成果；缺少有竞争实力的跨国企业；高端的工程技术与管理人员严重不足等等。19②矿业要顺应信息化的大趋势●欧盟曾发表《21世纪的挑战和道路》白皮书，把建立信息化社会看作是“21世纪的生死攸关的问题”。在国民经济中信息经济正逐渐占据主导地位。一些有识信之士已认识到：信息化已逐渐成为衡量一个国家和一个企业发展水平的标志。只有重视信息化基础建设，推进矿业“两化”融合，才能实现矿业的升级改造，实现矿业的跨越式发展，与其他行业同步走向知识经济。204.智能采矿是向知识经济过渡的产业形态●何谓“知识经济”？是指建立在知识与信息的生产、传播与应用基础上的经济。它是相对于工业经济而言的概念。知识经济的基本内涵——以智力资源为依托，高科技产业为支柱,以知识和技术创新为动力，以创造教育为本源的一种新型经济。信息技术是推动矿业走向知识经济的主导技术；智能采矿是矿业向知识经济过渡的产业形态，该形态的表述可参考下表。21项目工业经济知识经济（信息经济）推动力蒸汽机技术，机电技术信息技术.新能源.新材料.生命科学.空间科学支柱产业工矿制造业（资本密集型产业）高新技术服务业（知识密集型产业）资本形态金融资本（产生剩余价值的价值）智力资本（产生超值价值的价值）资产形态有形资产（厂房.设备.能源.原材料）无形智力资产（专利、商标、软件）资源形态有形资源（矿产.土地.农作物.森林等）无形资源（智力劳动物化的智力资料，如数据.信息.知识等）劳动力结构直接在车间的生产工人占80%以上从事智力生产和传播人员占80%以上社会主体工人阶层知识阶层分配方式1）按劳分配,计时工资制；2）必要劳动（工人）和剩余劳动（资本家）按业绩付薪酬，人人都是经济主体，和企业的关系相对松散22四、矿山信息化的基础——数字矿山●1.何谓“数字矿山”——在统一时空框架的矿山整体环境下，对采矿过程及其相关工程响应进行统一描述、全面监控、数字表达与集成，并由此再现的虚拟矿山，称为数字矿山。●在数字矿山发展过程中,出现许多如数字矿山、智能采矿、智慧采矿、自动化采矿、遥控采矿、无人采矿等等同义词，近义词。其中“数字矿山”和“智能采矿”两词比较科学，但它所表述的不是同一概念。232.数字矿山的初期发展——矿山数字化的研究，可追朔到上世纪60年代，即电子管计算机年代，当时只用于通风网络解算；——上世纪80年代微电子技术的发展，矿山数字化和信息化的研究，主要作为一种数值计算与模拟的辅助工具、用于矿山管理与采矿技术领域；——早期的矿山智能化的研究，多局限于单台矿山设备的操作与自动控制；24——矿山信息化与智能化研究，长期处于独立进行之中，上世纪末，才开始矿山整体信息化智能化的探索，进入了智能采矿研究的新阶段。3.矿山数字化、信息化与智能化三者的关系数字矿山是实现矿山信息化与智能化的基础环境；矿山信息化智能化的融合与发展，是实现未来智能采矿的创新过程；而智能采矿是矿山数字化、信息化与智能化发展的最终目标。三者的关系，表现为相互渗透、融合的有机整体。254.数字矿山涵盖的基本内容●为了对数字矿山有个基本了解和实感认识,数字矿山的主要内容概略表述如下：①矿山空间数据获取与应用；②矿山地质建模与空间插值技术；③基于空间信息模型的采矿系统工程；④矿床开采方式与优化；⑤数字化采矿设计；⑥矿山生产计划编制技术；⑦采矿模拟仿真与虚拟现实；⑧矿山数字化的生产与安全管控系统；⑨智能采矿装备与自动化技术……。26五、矿业的未来目标—智能采矿1.何谓“智能（化）采矿”？——在矿床开采中，以开采环境数字化.采掘装备智能化.生产过程遥控化.信息传输网络化和经营管理信息化为特质，以安全.高效.经济.环保为目标的采矿工艺过程，称为智能采矿。未来矿山的智能采矿，是富有知识经济时代特点的采矿模式，是21世纪矿业发展的前瞻性目标。它将给矿业带来根本性的变革。272.实现“智能采矿”的基本任务①创建采矿生产管控一体化的综合信息平台。采用信息技术实现资源科学评价与管理、优化开采设计与生产计划、保障安全环境监测与预警等。②研发大型化智能化的遥控与自动定位采矿设备。特别要加大投入,加强矿山