矿山数字化在矿业4.0时代的积极作用
发布时间:2020-04-06
麦肯锡咨询公司（McKinsey）指出，人工智能（AI）、机器人、物联网、自动驾驶车辆、3D打印、纳米技术、生物技术、材料科学、能量储存和量子计算是第四次工业革命的关键因素。所有这些因素都可能完全“颠覆”传统制造业，从而使物理、数字和生物领域之间的界限变得模糊。然而，第四次工业革命总体上由三大技术发展趋势驱动，即连接性、智能化和灵活的自动化（图1）。
图1 三大技术发展趋势制造业的第四次工业革命仍然是私营和公营机构中众多领导者的最优先事项。这对价值链、行业和运营模式有着巨大的破坏性影响，代表了经济发展的下一代引擎，并且以过去工业革命未有的方式为获取价值开创机遇。技术创新的繁荣发展不仅出现在矿业企业，也出现在全球其他行业，他们的共同点是数字化。尽管与数字化有关的不同定义众多，但其本质上是增加对现今世界所有方面实时数据的获取和处理。通过更高的处理能力、更强且更快的网络、更好的传感器（包括GPS、雷达和激光雷达）的应用，以及改进后的软件和算法，正在实现数字化。数字化确保了对数据的分析和认识，并允许系统内的反馈（手动、自动或人工智能），可利用实时数据实现对商业运营的即刻可视化、控制和优化，应用于矿山运营的所有方面。许多人认为，阻碍数字转型的不再是技术，而是适合于越来越高级且不断变化的环境组织能力，有时也取决于成本。为了实现经营和数字技术应用上的成功，采矿设备、技术和服务行业所开展的技术创新必须是强力、持续且具有经济效益的。此外，与管理之间的界面必须是实用且简洁的。麦肯锡咨询公司曾于2015年11月做出预测：估计在2025年前，通过增加产能、减少浪费和提高安全性，矿山数字化能够带来的潜在经济影响可达3700亿美元。其中2500亿美元来自对资源基础的更深入了解，对物质流和装备流的优化，基于自动化对机械化程度的提高，以及对计划下的性能的实时监测。2017年1月，世界经济论坛与埃森哲咨询公司的合作研究指出，在2025年前，矿业行业可节省4280亿美元。预期其中的最大来源是集成采购、数据交换和贸易，其次为可穿戴设备（850亿美元）、远程运营中心（840亿美元），以及自动化作业和机器人（560亿美元）。他们认为，这将使劳动力减少近5%。埃森哲咨询公司认为，认知网络是全球所有行业正在采用的新一代技术。通过对非结构化数据的分析，使机器具备像人类一样的思考和行动能力，从而推动整个矿业价值链的真正转变。人工智能的使用将为人机交互及创建一个具有自完善、自学习、自修复和自控制的环境提供路径，这也是未来矿山的发展目标。近几十年来，矿业行业在技术上取得的重大突破非常少。在矿物加工方面，重大技术突破还是100年前的浮选技术和50年前的溶剂萃取技术。在采矿方面，革命性的发展包括炸药的发明、硬质合金钻头的引入、地下大规模采矿方法的采用，以及露天采矿设备的升级换代。尽管缺少重大技术突破，但由于生产系统的不断升级，目前的采矿变得比25年前更安全、更高效、更“绿色”。主要的趋势包括：一是矿山的持续机械化；二是维护、管理和供应系统的建立；三是地质与工程技术的优化软件；四是矿山和矿物加工厂规模的扩大；五是过程控制中信息技术的广泛应用，实现了采矿与矿物加工的连通。第四次工业革命不再是一个逐渐提高的过程，而是表现为阶跃式变化。目前，数字技术在矿山的不同环境中已得到不同程度的使用。虽然数字技术还在不断完善中，但已经得到广泛应用，并开始整合到价值链中。矿业企业的成功不仅是采用最新的应用和技术，更重要的是将数字化和创新理念融入经营策略中。德勤会计师事务所《2019年发展趋势》报告指出，技术和人工智能将在矿业行业中发挥重要的作用，不仅可帮助企业预测未来情况，也可帮助企业识别风险和改变供应链。此外，金融平台、传感器技术、自动驾驶车辆、基于云的解决方案，以及数据分析也会促进数字矿山的设计。矿业行业的先行者之一——力拓集团于2008年启动了“未来矿山”计划。该计划旨在从地球深部采收矿物的同时，降低环境影响及进一步提高安全性。2010年，玻利顿公司（Boliden）、波兰KGHM矿业公司、瑞典LKAB矿业公司及几家全球性供应商和学术机构，启动了针对未来矿山共同愿景的概念研究。2018年，英美资源集团启动 “未来智能矿山”计划，其他许多矿业企业也开始了非正式活动和计划。南非金田公司（Gold Fields）首席执行官（CEO）Nick Holland连续数年谈到未来矿山，其中于2018年谈到矿业企业需要“拥抱”技术，因为发现和开发矿山变得越来越难、耗时更长且矿石品位不断下降。他相信技术创新对矿业行业而言就像一场海啸，“你”有可能“乘风破浪”也有可能“被浪冲走”。金田公司的目标是在2028年前，实现露天或地下矿山的完全远程操控。他相信，与科技企业的协作将为目标的实现提供解决方案。澳大利亚雷索卢特矿业公司（Resolute Mining）基于未来矿山概念在马里建设了高度自动化的Syama地下金矿，该矿山于2018年12月开始生产。矿山在设计之初便要求采用最优的采矿、运输和加工技术，并允许运营商安装先进移动设备的监测和控制系统，而这些技术也必将逐渐整合到整个矿山的运用中，这有利于提高矿山的安全性和产能。ABB集团的一个视频展示了他们对未来矿山概念的观点，包括数字孪生技术（digital twin）。该集团计划在其位于瑞典斯特罗斯市的协同操作中心开发用于未来采矿的数字技术。通用电气公司的数字部门（GE Digital）也给出了关于数字矿山的观点，即结合其Predix平台建立工业互联网，以连接所有的矿业资产来减少计划外停机时间，优化运营，以及确保主动过程。力拓集团在其位于西澳的Koodaideri矿引入了数字孪生技术，即利用获取的工厂设计、建设、试运行和运营数据建立一个数字工厂，以提高实时决策能力。埃森哲咨询公司认为，数字矿山就是利用最优的数字技术、物联网以及云平台或内部应用平台（on-premise platform），连接从矿山到市场及传感器到董事会会议的矿业价值链，将来自孤立数据库（如车队管理、调度、历史发展和企业资源计划解决方案）的数据进行整合。采用统一且有效的分析方法实现运营智能化和趋势分析、平板电脑上的全面可视化、智能设备的远程控制等，这可以使用户根据客户和市场情况更好地规划企业发展，了解企业运行情况，提高产能。目前，矿业行业还只是处在数字转型的早期阶段，尽管发展步伐仍然缓慢，但矿业行业高管们开始认识到，通过整个数据链的数据可视化及新技术的应用可实现产能的提高。行业世界经济论坛报告指出，技术成本的不断降低加快了社会发展的步伐，实现数字技术的综合利用才能确保这些技术发挥最大作用。行业专家表示，通过采用可增强矿山收益性和可持续性的新技术，对处于危机中的矿业行业具有重大影响，但为了实现价值必须以有效且可持续的方式采用新技术。力拓集团首席执行官Jean-Sebastian Jacque表示，数字化将彻底改变矿业行业。从人工智能到物联网的新数字技术以及新的生物技术，将使管理变得更具创造力。在营销和贸易上，数字技术、大数据技术和区块链技术将在帮助用户（从政府到消费者）核查所有产品的道德和价值及其环保认证上发挥重要作用。波士顿咨询集团认为，新兴数字技术的进一步发展，将会以几乎无法想象的方式为矿业行业带来彻底变革。其中，无人机用于原位观测，转基因细菌或纳米机器人用于分子水平下的采矿，深水机器人用于水下采矿，大数据和算法用于端到端的跟踪与通信及实时的供需管理……这些新技术将来可能颠覆现有的商业模式以及矿业企业与用户、供应商和竞争者之间的传统角色和关系。矿业企业正在逐渐调整策略和商业模式，包括将技术创新作为其发展战略的基石。目前来看，能使矿山运营能力发生阶跃式变化的关键创新是采用数字技术。一些企业几十年前就已经提出 “未来矿山”概念，且已开发、测试和应用了新的数字技术。然而，还有一些企业却迟迟未动，影响了 “未来矿山”实现进程。麦肯锡咨询公司的分析显示，人工智能在矿业行业的应用将为技术创新“领跑者”带来累计122%的现金流变化，而只能为“跟跑者”带来10%的现金流变化。“领跑者”将拥有最初的竞争优势，使他们的成本曲线下降，并使他们在与竞争者的比拼中占据优势，如取得更高的利润和市场价值。可以说，整个行业将深刻意识到数字技术将成为一个成本降低因素，该因素可使整个行业的成本曲线下降并最终使矿产品价格保持在较低水平。很显然，矿业企业长远发展的关键是在创新上保持领先。需要说明的是，数字化的可及性对所有规模的企业或运营商以及中小企业是“开放”的，并不会被发达经济体所独享。矿业行业的先行者之一——力拓集团于2008年启动了“未来矿山”计划，旨在找到采收矿物的同时降低环境影响及进一步提高安全性的先进方式。这一概念听起来有些宽泛，但作为行业技术创新的引领者之一，近年来他们主要关注四个领域：自动卡车运输系统（autonomous truck haulage system）、自动钻掘系统（automated drill system）、从矿山到港口的自动铁路（轨道）运输系统（AutoHaul）以及其位于澳大利亚珀斯的远程运营中心。力拓集团于2018年末投入运营第一个无人驾驶铁路系统，实现了上述4个领域的发展目标。力拓集团铁矿公司首席执行官Chris Salisbury表示，力拓集团启用了位于澳大利亚布里斯班的开创性实验室，这将有助于力拓集团4.0概念的实现，并最终使矿业行业变得更好、更快且更高效。2018年，英美资源集团启动了“未来智能矿山”计划，旨在应用创新思维和技术发展应对矿业行业面临的主要挑战。他们建立了四个指导性概念来开展工作：一是集约型矿山（concentrated mine），将先进的破岩技术、大规模矿石分选技术和粗颗粒回收技术整合在一起，在实现矿山产量（金属与矿石比）最大化的同时，实现矿山运营和资本成本及其环境影响最小化。二是现代化矿山（modern mine），正在开发并测试自动且连续的岩石切削设备，在不需要炸药爆破的情况下安全地开采深部地下矿山，从而建立更安全的矿山环境，降低运营成本，提高矿物资源价值。三是智能矿山（intelligent mine），将海量数据用于智能预测，主要关注利用实时钻掘分析、高光谱岩心成像，以及3D和虚拟现实地质模拟的综合分析来识别矿物和材料特性，同时开发定制化学习方法来预测工厂所需的控制参数，力求实现监测和预见性维护。四是无水化矿山（waterless mine），正在通过大规模的闭合环路方法减少采矿过程中对清水的使用，尤其是矿石和废石（尾矿）的分离和运输过程。尽管必和必拓（BHP）并没有对其股票持有人宣布正式计划，但其技术战略的重心是一体化。他们的一体化策略是在2025年前实现所有事项之间的连接，以在目前和未来之间建立一个“桥梁”，以及为全面整合和高度自动化的运营奠定基础。必和必拓已实现技术发展的全球化，目前已将研发、方案执行和技术运营运用于整个价值链。该公司正在应用“系统工程”方法并结合其资产情况来分析矿山生命周期，以确定限制条件和优化投资项。这有助于该公司整个运营过程中最佳实践的快速复制。必和必拓技术战略的一个重要支柱是与知名公司和新公司（许多来自原始设备制造商）建立一个合作伙伴生态系统。这些合作关系可以使必和必拓获得领先技术和外部优秀人才，帮助其寻找复杂问题的解决方案。必和必拓通过投资建立了与大学的合作关系，其中捐款300万美元给墨尔本大学、斯坦福大学和剑桥大学组成的联盟，以引起全球对CO2储存的关注以及支持未来大规模碳捕集与封存工程的建立。在加拿大，Teck资源公司拥有4个研发中心，涵盖不同的技术研发和创新工作，其中包括对目前技术有效性的评估以及对新的突破性技术的开发。Teck资源公司的技术创新集中于四大方面，即安全性、可持续性、产能和增长，目前正在开展的运营数字化工作将支撑这四个方面的实现。Teck资源公司与区域和全球性的企业建立战略合作伙伴关系，以开发和应用开创性技术，如开源车队管理系统、第一个电动半自动钻掘系统、虚拟现实矿山，以及第一个铲装矿石分选技术。同时， Teck资源公司组建了专门的跨学科领域团队来审视和促进新技术研发和创新的机遇，这有助于对新技术效益的分析以及对技术测试、验证和示范的规划。金田公司于2017年开始实施新的技术创新战略，旨在现代化、一体化和优化现有系统和过程。一旦实现，该公司将考虑更全面地推动矿山全自动化。该战略的最终目标是致力于打造金田公司的未来矿山，这将基于自动化、综合数字数据平台、远程机器操作、虚拟现实，以及减少的采矿废石（尾矿）。此外，与处于行业领导的信息技术企业和原始设备制造商建立合作伙伴关系，将对战略的成功实施至关重要。纽蒙特矿业公司（Newmont Mining）于2018年年初通过投资开启了对创新技术的探索。目前，该公司正在制定为期5年~10年的企业技术创新战略。他们的数字整合方式集中于对可靠采矿实践的促进，以最大化企业可持续价值。以战略数字机遇为目标的专业团队，旨在通过相互连接、流线化和全面分析建立有关技术和基础设施的信息化和业务化集成架构。矿山监测和控制团队关注于提高作业效率和安全的可穿戴技术，而机器控制和自动化团队旨在通过人工智能和其他工具来提升设备性能、安全性和相容性。加拿大Goldcorp公司将数字转型瞄准了其所拥有的新矿山，通过配备强大且可靠的技术装备来确保目标的实现。其中一个实例为，在éléonore地下矿山部署了一个多服务器IP网络，以通过安全的无线通信来提高安全性以及降低运营和维护成本。作为该公司数字转型战略的一部分，以6个领域作为新的技术发展机遇，即大数据与机器学习、连通式采矿设备（connected miner）、自动化采矿作业、具有更少环境影响的更可持续性矿山、运营和复垦（reclamation），以及安全性和环境再造（re-engineering），涵盖矿山生命周期的每个阶段，从勘查开发到运营和复垦。加拿大Goldcorp公司是#DisruptMining活动（采矿技术创新竞赛）的领导者和创始合伙人之一。该活动为创新人员和企业家提供了一个将颠覆性技术和指数发展型技术用于矿业行业的平台。在欧洲，KGHM公司、玻利顿公司和LKAB公司自2010年以来与几家大型供应商和学术机构开展合作，以期实现在2030年前建立未来矿山的共同愿景。该愿景具有7个主要特征，即一个控制室、生产区无人化、连续机械挖掘（mechanical excavation）、矿石预富集、矿石固有价值的最大化、可描述岩石及其结构以辅助过程控制的系统，以及矿山最终产物的可持续性。该学术机构已开展了研发项目，并从LKAB公司的Kiruna矿山及其选矿厂、玻利顿公司的Kristineberg矿山及其选矿厂，以及KGHM公司的Lubin、Polkowice和Rudna矿山及其选矿厂获取了有关数据。在加拿大，位于安大略省萨德伯里的NORCAT地下中心是一个正在运营的地下矿山，作为创新和培训中心，旨在促进技术的开发、测试和示范以及开展实习培训。该中心每年要支持近50项采矿技术项目的开展且接待近50家全球矿业企业的参观，以了解矿业行业最新的技术发展。在澳大利亚，澳大利亚矿业研究所（CRC ORE）建立的Kalgoorlie-Boulder采矿技术创新中心旨在开发和部署新的采矿技术。该研究所通过矿业企业以及采矿装备、技术和服务企业和研究机构组成的全球性联合体来促进对创新解决方案的制订。智利政府于2015年启动Alta Ley计划，旨在汇聚所有可以在创新进程中发挥作用的实体，不断促进矿业科技的进步与发展。
目前，尽管对部分创新技术是否有效实施和获取高于预期的成本效益存在怀疑，但矿业行业已从中看到了积极效果且充满积极性。这条道路肯定不会“一马平川”，并且回报也不会“一成不变”。很多创新运用并不广泛，最重要的原因之一是缺少技能型人才。总体上来看是缺少对技术的深入了解，具体来说，是缺少具有熟练操作经验的自动化作业人员和开发人员，因此需要加强矿业行业不同层面人员的技能培训，不断提高行业人员的综合素质。还有一个因素来自于原始设备制造商，由于其已有库存和有限的资金投入，对于更新设备和车辆造成了一定限制。然而，现有供应商必须尽快提高设备性能，增强市场竞争力，以防其他竞争者获得机会。同时，矿业行业的资本可供性也是一个问题，但近年来这种情况有所下降。此外，矿业行业的“保守主义”也是一个不可忽视的原因，行业内有些企业本身不愿意采用新的或未经验证的技术，因为这需要较高的资本成本且面临较高的运营风险和声誉风险。矿业行业技术创新还面临一个问题，就是如何开发以及如何获取最终效益，大部分矿业企业对他们的实际策略和正在开展的项目仍相对保密。矿业行业与原始设备制造商合作还存在一个潜在问题，如何分享知识产权带来的利益，尽管二者都能够获得大量认知和经验，但通常后者获利更大。
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