讓礦業(yè)更智能、高效、可持續(xù)
——礦業(yè)行業(yè)新興技術現狀及發(fā)展評述
2020年04月13日 14:31 3996次瀏覽 來源： 中國礦業(yè)報 分類： 地質礦業(yè) 作者： 趙相寬 姜煥琴 高曦 吳西順 張煒
礦業(yè)行業(yè)技術發(fā)展是第四次工業(yè)革命的組成部分，其特征是生產效率更高的機器以及某些操作任務的自動化、數字化、更快更大規(guī)模的連接性，以及智能網絡在整個價值鏈的應用。我們期望礦業(yè)行業(yè)能夠變得更加智能、高效、可持續(xù)，在就業(yè)方面變得更加高效、靈活。從目前的情況來看，技術創(chuàng)新正在以前所未有的速度提高礦業(yè)產能和效率。
技術創(chuàng)新是礦業(yè)行業(yè)面臨的一次顛覆性變革。礦業(yè)行業(yè)之前所經歷的變革，與此次變革的速度和規(guī)模不可同日而語。這些可能發(fā)生的變革不僅會從根本上改變礦業(yè)的面貌，還將深刻地改變人們的生活和工作方式，以及人與機器和工作場所的關系，進而改變整個行業(yè)的規(guī)則。更重要的是，它將徹底改變行業(yè)（礦業(yè)企業(yè)、供應商）與東道國（政府、地方社區(qū)、其他非國家行動者等）之間已建立的關系。
新興技術的主要類別
在評估技術變革的影響之前，必須清楚地了解礦業(yè)行業(yè)正在開發(fā)和應用的各項技術以及影響，這樣才可以利用這些技術助推礦業(yè)行業(yè)發(fā)展。
——數字化基礎技術。主要包括傳感器技術、連接的可穿戴設備技術、無人機技術以及全球定位衛(wèi)星（GPS）技術。
傳感器和可穿戴設備可應用于礦業(yè)行業(yè)價值鏈的各個環(huán)節(jié)，能夠支持可提升采礦流程操作性能和效率的其他技術。例如，加拿大黃金公司在其位于加拿大的Eleonore礦山通過使用智能傳感器每年可節(jié)省150萬-250萬美元的使用成本。而連接性可穿戴設備既可以提高工人的能力，又可以通過礦山和工廠管理人員捕獲關鍵的實時信息，促進無縫溝通，并在必要時提供遠程專家協(xié)助，從而解決問題、修復損壞的設備。澳大利亞的許多礦業(yè)企業(yè)，如力拓集團、必和必拓、紐克雷斯特礦業(yè)公司等都為員工配備了智能頭盔等技術，旨在通過監(jiān)測腦電波來測量疲勞程度，以減少疲勞引起的傷亡風險。
無人機技術用途多種多樣，包括獲取地質數據、場地規(guī)劃、巖面檢查、實時爆破控制、水樣采集、天氣和環(huán)境條件的評估以及安全監(jiān)測。
一些企業(yè)在炮眼鉆機和電纜鏟車上安裝的GPS系統(tǒng)有助于實時并準確地獲取露天開采作業(yè)中的鉆孔點或鏟道位置的三維可視化信息。
——利用大數據優(yōu)化產能的技術。主要包括機器學習、高級分析、硬件和設備自動化、機器人流程自動化、軟件自動化、數字孿生以及云計算等。
機器學習能夠提升描述性、預測性和規(guī)范性任務的執(zhí)行能力，例如能夠實現預見性維護，從而減少停機時間和運營成本，同時提高產量；結合數據分析和算法，礦業(yè)企業(yè)能夠基于對數據的認知做出更多的戰(zhàn)略決策。硬件機器人和自動化設備由人工智能和機器學習驅動，盡管這些設備仍然需要人工進行遠程控制操作，但自動化設備能夠取代人力勞動。機器人流程自動化（RPA）工具能夠執(zhí)行后臺財務操作和供應鏈管理等重復性任務。軟件自動化工具有助于持續(xù)地實施控制作業(yè)，從而提高安全性和效率。
數字孿生應用通過對采礦環(huán)境和作業(yè)設施的精確化、電子化、數字化呈現，提供了一個沉浸式虛擬環(huán)境，能夠顯著改善規(guī)劃、管理和決策。
——集成和追蹤大數據提高性能的技術。包括物聯網和工業(yè)物聯網、區(qū)塊鏈以及射頻識別和實時定位系統(tǒng)標簽。
（工業(yè)）物聯網平臺可以提高效率、最小化成本支出、優(yōu)化設備管理、增加資產利用率、改善作業(yè)流程的實時性能監(jiān)控，而5G網絡的出現有望釋放物聯網平臺的巨大潛力并提高其性能。2015年，德勤會計師事務所預計，全球物聯網技術的增量貢獻在2014年至2018年間從4000億美元增至1萬億美元，到2020年達到1.9萬億美元。
區(qū)塊鏈技術可以提高信用度和透明度，并能夠自動檢測欺詐，降低了借貸套利和雙重融資的風險。戴比爾斯鉆石公司開發(fā)了一個區(qū)塊鏈平臺來追蹤其鉆石的去向，有助于解決可靠性和合規(guī)性問題。
——優(yōu)化采礦流程的技術。包括水處理技術和節(jié)水技術、尾礦管理與回收技術、智能能源系統(tǒng)、電力采礦設備、生物技術以及生物采礦和生物礦化技術。這些新技術正被應用于綠色礦山，可以有效節(jié)約水資源、減少碳排放、減少污染等。在智利，加拿大巴里克黃金公司宣布，到2020年其所屬的Zaldívar銅礦將會全部使用可再生能源，每年能夠減少35萬噸溫室氣體排放。英美資源集團制定了未來智能采礦計劃，其目標之一是在采礦過程中不使用淡水，尤其是在礦石和廢物（尾礦）的分離和運輸過程中。
——可能影響采購的技術。主要包括增材制造技術，也就是為人熟知的3D和4D打印技術。它們能夠建造更輕、更堅固的部件和系統(tǒng)，從而減少生產和交付時間。該工藝可以根據需要生產特定備件，并根據需要更換的部件特點進行定制。由于備件可以在距離礦山更近的地方生產，因此可以大大減少停機時間。這不僅與產品相關，還有可能徹底顛覆制造業(yè)。
新興技術的應用趨勢
創(chuàng)新技術形式多樣，功能繁雜，究竟哪些技術在短期或中期最可能投入應用？2017年，埃森哲咨詢公司（Accenture）進行了一項關于未來5年最受礦業(yè)企業(yè)青睞技術的調查。調查結果表明，截至2022年，排名前4的技術分別為：一是機器人和自動化（預計超過50%）；二是無人駕駛車輛和無人機的應用；三是可穿戴設備和其他連接性裝備的應用；四是遠程運營中心，此項技術必須基于前3項技術。這些技術的結合足以改變礦業(yè)行業(yè)的組織和業(yè)務結構，從而改變企業(yè)與雇員、供應商、地方社區(qū)及東道國政府之間的關系。
事實上，礦業(yè)企業(yè)正在尋求更先進、更尖端的中期技術，從而使目前正在實施的數字化、自動化和一體化環(huán)境的效益最大化。下一階段的投資將繼續(xù)優(yōu)化先進過程控制系統(tǒng)，以在采礦作業(yè)的不同流程之間，尤其是在價值鏈的不同部分之間，建立更大的融合和更強的橫向聯系。
在非洲，針對自動化的投資已不鮮見。在南非Northern Cape的Finsch鉆石礦，全自動無人駕駛卡車已投入運營超過10年。2014年，英美資源集團在南非林波波省的Venetia地下鉆石礦綠地項目中投資了全自動卡車、鉆機和運輸火車。
剛果金的Kibali地下礦山同樣對自動化和機械化進行了大量投資，以期提高產能。然而，這些礦山的盈利能力取決于能否獲得價格實惠的電力。為此，礦業(yè)企業(yè)投資建設了水電系統(tǒng)，以確?？煽康碾娏Ｔ摰V山配備了非洲首個一體化的自動化礦石處理和豎井系統(tǒng)。
在剛果金，加拿大艾芬豪礦業(yè)公司正在建設Kamoa/Kakula銅礦項目，預期將成為全球第二大銅礦，實現高度機械化地下作業(yè)。
在加納，由于轉向合同開采，南非盎格魯黃金公司通過對更為機械化作業(yè)的投資實現對Obuasi礦的現代化改造。該礦因改造而臨時關閉時曾有4300個工作崗位，到2014年礦山重啟時僅保留了550個工作崗位，這意味著減少了87%的勞動力。
在拉丁美洲，智利在過去10年間一直在推動礦業(yè)行業(yè)的技術創(chuàng)新。自2008年以來，全球最大的銅出口商——智利國家銅業(yè)在其位于Antofagasta地區(qū)的Gabriela Mistral露天礦投入了18輛自動卡車。
同樣在智利，必和必拓成功測試了一種被稱為“智能頭盔（Smartcap）”的探測駕駛員疲勞的技術。通過在駕駛員的額頭上裝備電子條帶測量用于指示疲勞程度的腦電波，其中的傳感器與卡車車廂內的一個小型裝置進行無線通信，向駕駛員和主管發(fā)出警告。
Antofagasta地區(qū)的Minera Centinela礦正在測試新一代的全自動無人機，這些無人機將被用于繪制地圖以及測量體積和地形。通過將數據輸入到一個數據處理軟件中，能夠進行數據分析、規(guī)劃和決策。
英美資源集團在智利的Los Bronces礦，利用數字孿生技術監(jiān)測運輸性能。該技術還被用于監(jiān)測巴西長達500千米的泥漿管道，以防止可能的泄漏。截至目前，該公司通過應用數字技術設備，經營額提高了約30%（其中，約15%來自于產能提升，約15%來自于成本下降）。
在巴西，淡水河谷建立了人工智能中心，能夠獲取并分析其項目數據，從而提高基礎設施的效率。其中一個項目專注于預測Carajás鐵路線的鋼軌斷裂，那里經常發(fā)生嚴重的事故。通過結合數據和分析，淡水河谷在Salobo礦節(jié)省了800萬美元，在一年內將越野卡車輪胎的使用壽命提高了約30%。
在加拿大，越來越多的礦業(yè)企業(yè)正使用數字工具和技術來提高產能。在Glencore的Onaping Depth礦，數字系統(tǒng)被用于規(guī)劃班組（shift-level）任務、監(jiān)督任務進展、追蹤延誤和設備可用性。其目標是利用基于人-流程-技術整合的方法，減少操作可變性并提高產能。
在中亞的哈薩克斯坦，Kacharsky礦已投入1000萬美元，用于建立一個針對生產流程的新型模塊化自動系統(tǒng)，該系統(tǒng)已被集成到現有的地理信息系統(tǒng)和企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)中。通過傳感器可以實時監(jiān)控礦山，檢測出在采礦過程中需要改變的地方，從而提高產能。當地政府于2017年宣布，將支持礦業(yè)行業(yè)的數字技術發(fā)展，為第四次工業(yè)革命做好充分準備。
新興技術發(fā)展的影響因素
為何會產生這種顛覆性的變革？其驅動因素和阻礙因素又是什么？這些都是礦業(yè)行業(yè)健康快速發(fā)展必須破解的問題。
具體來說，礦業(yè)行業(yè)產生顛覆性變革的驅動因素主要源于以下七點：一是礦業(yè)行業(yè)需要降低工人的健康和安全風險。對于一些在極端環(huán)境或偏遠地區(qū)進行的采礦作業(yè)，不僅費時而且費用昂貴，同時還對工人的健康和安全造成威脅。因此，大量減少復雜和深部開采作業(yè)或偏遠地區(qū)條件下工人數量的技術，有助于改善工人的安全，降低事故率和傷亡率，這也是礦業(yè)企業(yè)及其員工關心的重大問題。二是礦業(yè)行業(yè)需要降低運營成本，提高資產生產能力。由于市場波動、不可預測的商品周期、全球經濟增長放緩等外部因素，礦業(yè)行業(yè)承受著巨大的現金流壓力，不得不提高運營效率以緩解壓力。創(chuàng)新技術的目的大都是為了提高產量和產能，建立更精干高效的生產和組織體系，因此能夠為礦業(yè)企業(yè)管理運營成本提供新途徑。三是礦業(yè)行業(yè)需要降低資產開發(fā)成本。全球仍有大量礦床有待勘探和開發(fā)。但是，伴隨著不斷增加的前期資本投資、新的資產位置越來越偏遠、資源的開采難度或儲存深度增加等因素，資產開發(fā)成本愈發(fā)增加。技術解決方案是降低這些資產開發(fā)成本的一種方式，但考慮到前期大量的資本投入，前沿技術能否成功應用還取決于投資項目的經濟可行性和技術可行性。四是勞動力老齡化問題凸顯。無論是在發(fā)達經濟體還是新興經濟體，礦業(yè)行業(yè)都面臨著勞動力迅速老齡化、退休率上升等問題。這些動態(tài)變化反過來又會轉化為因技能短缺產生的巨額工資溢價，這些因素促使人們決定采用新技術。五是技術開發(fā)成本大幅下降。相比于勞動力等成本，技術開發(fā)和應用成本大幅下降，對于礦業(yè)行業(yè)來說具有更高的性價比。此外，礦業(yè)周期的許多環(huán)節(jié)已經非常適合市場化技術的集成（例如數據優(yōu)化、自動車輛、高風險應用、無人機勘探、適用于變電站的手動任務等）。不得不承認，隨著愈發(fā)成熟的技術市場化，礦業(yè)行業(yè)中的某些部分可能發(fā)生更快的變革。六是礦業(yè)企業(yè)改變傳統(tǒng)思想，勇爭龍頭。傳統(tǒng)上最先實施新技術的企業(yè)會承擔較大的金融和監(jiān)管風險，因此眾多礦業(yè)企業(yè)更傾向于成為第二梯隊成員，使用經過測試、成本低廉、發(fā)展成熟的新技術。但是，當今全球的技術投入明顯增加，科技企業(yè)間的競爭愈發(fā)激烈，礦業(yè)企業(yè)的態(tài)度正在迅速轉變，迫切需要創(chuàng)新。七是礦業(yè)行業(yè)面臨著不斷增加的環(huán)保壓力。無論是投資規(guī)則還是對于可持續(xù)發(fā)展的承諾，都大幅增加了礦業(yè)行業(yè)面臨的環(huán)保壓力。礦業(yè)行業(yè)在整個供應鏈上越來越多地采用“綠色”技術，以減少水資源和能源的消耗，減少溫室氣體排放，增加對廢物的回收利用等。
雖然眾多因素驅動礦業(yè)行業(yè)的顛覆性變革和技術迅速發(fā)展，但仍有一些因素會減緩或阻礙礦業(yè)行業(yè)對新技術的應用。例如，應用新技術會打破長期以來形成的價值鏈，因此面臨著價值鏈中眾多環(huán)節(jié)的障礙，包括經濟上和政治上的障礙；應用新技術同樣會帶來新的安全挑戰(zhàn)，對于一些不習慣使用新技術的工人，很可能給其帶來危險；應用新技術還會給管理勞動力轉化帶來挑戰(zhàn)，需要平衡管理趨于使用更少勞動力變化與填補勞動力缺口之間的關系；新技術的開發(fā)和應用需要較高的前期成本；新技術的應用需要全新的標準和規(guī)范，從而實現不同技術的可操作性。
即使部分因素阻礙或減緩了技術創(chuàng)新和使用，但從大的發(fā)展趨勢來看，新興技術（尤其是顛覆性技術）在礦業(yè)行業(yè)中的應用愈發(fā)突出。過去10年間，技術創(chuàng)新和應用的步伐加速，對礦業(yè)行業(yè)產生了前所未有的影響，使企業(yè)和政府措手不及。從人工智能和聊天機器人的興起，到機器人和物聯網，新興技術和創(chuàng)新性商業(yè)模式正在推動巨大的范式轉變，未來政府和礦業(yè)企業(yè)需要“高瞻遠矚”，這樣才能在變革中站穩(wěn)腳跟，實現跨越式發(fā)展。□
（作者單位：中國地質調查局國際礦業(yè)研究中心、中國地質調查局地學文獻中心）
責任編輯：張雪卉
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