我国智能化露天矿山建设共识性文件三：
露天矿山智能化的基本内涵与数据价值产出的基本逻辑
作者简介：孙健东博士华北科技学院（应急管理大学（筹））智能化无人开采研究所副所长，河北省矿山智能化开采技术重点实验室副主任，国家安全生产监管监察执法综合实训华北基地露天室负责人，北京中矿露采科学技术研究院首席科学家。担任《智能化露天矿山》（“十四五”国家重点图书出版申报计划——《智慧矿山丛书》系列）编制委员会联络员。长期从事露天开采工艺优化与设计、露天开采装备智能化技术等相关研究工作。年以技术负责人身份主持完成了国内首个智慧露天矿山规划工作，参与了国家能源局智能煤矿（露天）验收办法的制定工作；年至今带领团队参与十余座国有大型露天矿山智能化矿山规划研究、建设研讨及项目评审工作。辅助指导博硕士60余名，承担横向课题20余项，参与国家重点研发计划1项，国家自然科学基金2项，荣获省部级及行业协会科技进步奖3项，发表论文40余篇，授权发明型专利20余项。
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引言
当前智能化露天矿山的建设工作中，存在以下两个关键问题：
第一，无论是矿山企业还是信息化建设方，对于智能化的认识多停留在“5G”、“无人卡车”、“远程电铲”等以装备应用为中心的建设方向上，而对于智能化技术与“以矿山设计及矿山工程为主体展开的庞大露天开采技术体系”的深度融合内容较为茫然。
第二，诸多研究工作的重心放在了整体框架的宏观阐述之上，研究中普遍是自上而下的提出类似“决策-管理-执行”的宏观结构、类似“数据采集系统、应用系统、过滤系统和核心系统”的宏观建设目标、类似“物联网、大数据及人工智能、云计算技术”的宏观技术手段[1-7]，然而对基础理论方法、底层逻辑思想的相关研究工作相对较少。
我们认为，如果不追本溯源，始终停留在概念性、方向性的表象认识上，就无法深刻把握智能化露天矿山的基本内涵。因此必须立足于系统化的专业知识体系，形成基础的专业逻辑分析与推理方法，方能深刻的把握智能化露天矿山的发展方向及实施途径。
鉴于此，《智能化露天矿山》（“十四五”国家重点图书出版申报计划——《智慧矿山丛书》系列）编制委员会露天开采专家组经研讨撰写此文，针对智能化露天矿山的内涵进行阐释，揭示露天矿山智能化升级中价值产出的基本逻辑，目的是重塑认识、统一思想、形成共识，进而为我国露天矿山的智能化建设工作指明方向。
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01露天开采的特点
1.1露天开采与地下开采的差异性（1）地下开采特点地下开采指从地表向地下掘进一系列井巷通达矿体，在地下封闭空间内建立完整的提升、运输、通风、排水、供电、供水等生产系统及其辅助生产系统并进行有用矿物回采作业的总称。我国煤矿地质、水文地质条件总体上十分复杂，因此对于大多数地下开采矿山而言，需要时刻警惕着顶板事故、气体粉尘、气体喷出、坑内火灾、水灾等煤矿灾害事故。据统计，年至年，仅顶板事故就占到煤矿事故总数的50%，顶板和瓦斯、火灾事故死亡人数分别35.5%、27.8%和7.32%，占到了煤矿事故总数的70.62%，尽管随着国家采取了一些强有力的措施，煤矿死亡事故呈现为大幅度下降，但重特大事故仍时有发生，安全生产形势依然相当严峻。根据海因里希事故因果连锁理论，人的不安全行为、物的不安全状态是事故发生的主要原因。由于地下开采复杂多变的生产环境难以控制，生产过程中存在着大量的随机性和复杂性，导致很多事故是人为不可控的，因此地下开采智能化升级的首要目标是解决安全生产的问题，其次才是劳动生产率的问题。鉴于上述原因，袁亮院士提出：地下开采迫切的需要将不同地质条件的煤炭开采扰动影响、致灾要素、开采引发生态环境破坏等统筹考虑，时空上准确高效的煤炭无人（少人）智能开采与灾害防控一体化的采矿新模式[8-9]。（2）露天开采特点露天开采是借助工程机械设备对地表直接开挖，自上而下逐层移走矿体上的覆盖物，在地表形成阶梯状的深坑直至坑底境界，最终得到所需矿物的过程。露天开采的穿孔、爆破、采装、运输、排弃等主要生产环节均在地上开放空间进行，因此露天开采本质上就是大型的土石方移运工程。露天开采中主要的事故种类包括滑坡灾害、水患、煤层自燃、粉尘污染、噪音危害等，开采过程中在生产安全方面的压力远远低于地下开采。因此与地下开采显著不同的是，露天开采生产环境一般较为简单，安全程度较高，灾害类型简单、可控程度较高，生产过程中存在着随机性和复杂性往往首先影响的是开采的经济效益。以美国为例，年全美煤矿行业死于安全事故的只有66人，到年，数字降为40人。到年，降低为煤矿年死亡人数30人左右，百万吨死亡率长期控制在0.1以下，特别近几年来，其百万吨死亡率降到了0.03[10]。美国矿山安全性较高的重要原因之一就是美国仅有约个煤矿，且大多数是安全系数更高、更容易开采的露天矿，露天矿产量占煤炭总产量的比重高达70%。（3）露天采矿专业学科特点在国内学科分类方法中，露天开采及地下开采同属于采矿工程专业二级学科，但国外诸多大学却将露天开采专业划分至土木工程学科之下，其主要原因就是露天开采及地下开采两个方向完全是由两套基础理论体系支撑。例如中国矿业大学采矿专业中地下开采方向本科专业课程设置为矿山压力及其控制、井巷工程、矿井通风与安全、采掘机械等，学科侧重于力学、安全、通风等方向；而露天开采方向的专业课程设置为露天矿设计原理、露天采矿工艺、露天采掘机械、露天矿运输设备、露天矿爆破工程、露天矿环境保护、露天矿边坡工程等，学科侧重于运筹与决策等方向。在华北科技学院（应急管理大学（筹））露天开采专业建设过程中，综合考虑现场对生产组织管理及工程经济分析相关人才的迫切需求，更是将土木工程专业的施工组织管理、工程概预算等课程纳入了露天开采方向的新版课程大纲。从学科基础上来看，露天开采基础理论体系更贴近系统工程，侧重系统的决策与控制，呈现出较强的软科学特征，因此公众甚至非露天开采领域的矿业专家学者往往据此认为有别于以固体力学、流体力学、工程力学等专业为基础的地下开采，露天开采缺乏专业核心技术。鉴于上述偏见及误解，因此必须对露天开采的本质进行澄清。1.2露天开采专业技术及知识体系露天开采本质上是大型的土石方剥离工程，与地下开采方式相比，露天开采方式受经济可行性的限制远大于技术可行性的限制。毫不夸张地讲，仅以现有的常规技术手段，如不考虑生产成本，任意赋存条件的矿石几乎都可以采用露天开采方式以接近%的回采率开采出来。由于露天矿山生产安全性远远高于地下开采，除了法规、政策因素外，工程经济问题是露天开采最大的限制条件，因此露天开采整套系统的自由度远远大于地下开采。从大系统控制论的角度来看，露天矿山生产、经营及管理的本质是以工程经济为宏观约束条件对矿山大系统状态加以控制，使得系统能够达到且稳定保持“安全、高效、环保及可持续发展”的状态。行业在发展中逐步发展形成了一整套露天开采技术及知识体系，具体包括：（1）露天开采基础理论体系。为了实现对复杂大系统的描述、分析与控制决策，发展了包括矿床地质模型及地质资源评价理论、露天煤田开发优序决策理论、开采境界设计理论、设备选型与配套方法、生产工艺及系统优化、开采程序优化设计、土岩流量流向优化设计、剥采计划优化设计、方案经济评价、边坡稳定、绿色开采等等诸多内容的基础理论体系。（2）工程经验知识体系。为了实现对复杂大系统的实际控制，露天开采行业在生产实践中逐步积累了穿孔、爆破、采装、运输、排弃、整备/工务、机电管理、供电辅助、边坡治理、安全环保等等一系列业务自身、业务与业务之间协调配合的工程生产组织管理与工程实践经验体系。经验知识体系本质上是一种非结构化知识体系，比较难以用语言、图表、数据等明确表示，进行交流、教授时也较为困难。必须通过亲自实践实现知识的传承，这是露天采矿作为工程应用学科有别于其他理工科的最大特点。（3）工艺及装备技术体系。机械装备是矿山工程的执行单元，装备的发展促进了开采工艺的革新，工艺的革新又带动了矿山工程经验知识体系与露天开采基础理论体系的发展。我国露天开采工艺从最初的单斗铁道工艺、单斗-卡车间断式工艺，逐步引入了破碎站半连续工艺、拉斗铲倒堆工艺、轮斗铲全连续工艺等等，向着设备大型化、开采技术多样化、开采工艺简约化的方向不断发展。必须补充说明的是，生产工艺仅有适用条件之分，而未有好坏优劣之分，同时不同工艺系统及装备的智能化发展路径也存在一定区别。上述露天开采基础理论体系、工程经验知识体系、工艺及装备技术体系共同构成了庞大的露天开采技术与知识体系，在过去的近一百年里推动了露天采矿行业的进步。???
02露天矿山智能化发展的基本内涵
2.1露天开采大系统的决策与控制问题尽管露天开采理论体系始终在发展，但理论与实践应用之间已经在一定程度上出现了脱节。实际上，近二十年来露天开采行业的进步更多依赖于工艺及装备技术体系的发展（例如制造厂商装备制造水平的进步与国外先进开采技术的引入）与工程经验知识体系的积累（以矿山企业为主导开展的工程实践）。上述情况的根本原因在于露天生产工艺、生产设备和生产过程、内外部环境越来越复杂，人们对露天复杂大系统的认知与控制能力呈现出逐渐减弱的趋势，传统理论指导下的系统决策与控制手段收效愈发不明显，具体解释如下[11-16]：第一，对矿山大系统的准确描述是实现系统控制的前提条件，必须建立受控系统以及控制过程的模型。然而露天矿山是一个由生产环境、生产工艺、生产过程、生产设备、生产人员等要素构成的复杂的大系统，系统要素众多，系统与要素、要素与要素、子系统与外部环境形成的结构与层次复杂、系统整体与局部功能多样，且系统始终处于动态变化之中，因此基于理论开展系统建模的难度大、准确性低，生产中必须需要大量经验丰富、理论扎实的技术及研究人员作为重要支撑，而当前行业高水平综合专业人才严重匮乏。第二，为了实现有效控制，还需要获取完整的决策与控制信息。因此矿山生产、经营及管理中必须具备信息搜集、信息传递、信息加工三个环节的正常功能。然而在传统的露天矿山生产中，无论是矿山设计、生产组织还是经营管理工作中，普遍缺乏精准、快捷的感知手段，作业场景中所蕴含着大量的重要数据无法被准确获取。因此，在露天矿山数字化建设工作完成之前，基本无法对决策与控制信息的真实性、及时性、适用性与系统性作较高的要求。第三，决策是实现大系统控制至关重要的环节。由于分析与决策时常缺乏关键数据及方法的支撑，搜集到的信息无法准确全面地反映研究对象的内在规律与外部联系，且理论在各种复杂的主客观条件下不可行，因此实践中工程经验知识体系不得不替代理论优化设计指导决策；另一方面，人本身对于复杂大系统的认识就存在一定的局限性，随着系统复杂程度的提高，仅仅凭借人的脑力已经无法实现对系统的全面认知与全局考虑，难以开展科学决策。第四，精准且有效的执行是系统决策与控制的最终环节。然而由于难以实现矿山大系统的准确描述、分析与决策时缺乏关键数据及方法、执行时仅能依靠以人为经验为主导的模糊控制，最终导致了矿山生产中形成了“模糊感知、粗略分析、经验决策、粗放执行”模式，因此长久以来露天矿山处于一种相对粗放的生产、管理与经营状态。综上所述，露天开采大系统的自由度高、系统复杂、不确定性大、系统实际控制能力弱，表面上是理论与实践的脱节、设计与生产的脱节，本质上是大系统感知、分析的部分环节缺失、决策与执行环节的脱节。上述情况导致露天开采技术的发展遇到了巨大的瓶颈，而智能化技术将是辅助行业突破发展瓶颈的关键。2.2智能化露天矿山的内涵上世纪初发展成型的信息论、系统论、控制论（简称三论）是露天矿山智能化的三大理论基石，为露天开采行业乃至任一行业的智能化发展奠定了底层逻辑。露天采矿行业近30年以来在发展过程中出现的“智慧矿山”、“矿山物联网”、“数字矿山”、“感知矿山”、“智能化矿山”、“矿山信息物理系统”、“互联网+矿山”、“工业4.0+矿山”、“矿山两化融合”等等所有与矿山信息化相关的概念皆是三论思想的不同表述方式，本质上都是将以往矿山生产、管理、经营中经验驱动的粗放性决策控制变为数据驱动的精细化决策控制。（1）露天矿山智能化的基本逻辑露天矿山智能化的基本逻辑就是通过信息化技术的应用提高矿山生产、经营及管理大系统的决策与控制水平，进而解决露天矿山的高效、安全、环保与可持续问题，考虑到信息化技术特点、露天采矿特点与当前行业制约性因素，露天矿山通过智能化建设在安全与环保方面上可获取的边际收益很低，实际上最终落脚点仍是高效与可持续。然而当前无论是矿山企业还是信息化建设方，对于智能化的认识多停留在“5G”、“无人卡车”、“远程电铲”等以装备应用为中心的建设方向上，其根本性错误第一在于误解了露天矿山智能化建设的根本目的；第二缺乏露天开采专业技术及知识体系的全局认识，认为露天矿山大系统局部环节的执行单元的自动化就是大系统的智能化。同时值得强调的是，我们认为露天矿山的“智能化”不等同于“无人化”的概念，主要原因如下：第一，描述对象不同，“智能化、智慧化”的描述对象是“露天矿山大系统”，强调的是“大系统决策与控制水平的高低”；“无人化”的描述对象主要是“矿山装备”，强调的是“设备的自动化运行”；第二，应用场景不同，露天开采场景的重要特点是生产安全、劳动条件好，不能照搬地下开采“少人则安、无人则安”的概念。现阶段针对复杂的作业场景，无论是从当前科学技术水平上看，还是投入产出的效益看，都没有必要大规模开展无人化建设工作。上述基本认识是开展智能化露天矿山建设工作的必要前提。（2）露天矿山智能化的基本内涵智能化露天矿山生产中，通过现代通信、传感器、物联网、大数据等信息技术的应用，生产、经营及管理中人、机、物、环、管等等诸多关键要素得以精准采集，大系统内外部各种现象的内在因果及关联关系得以精准的量化描述，进而将传统的经验性认识升级为量化的规律性知识，再结合实际业务特点，依据量化的数据与规律做出科学决策对大系统进行控制。从信息论角度来看，露天矿山智能化升级的本质是通过数字化技术构建了信息获取、传递、加工、转化处理的基本流程与手段，将未知或者模糊的信息精准量化，很大程度上减少了地质与勘探、矿山设计与决策、矿山工程生产组织管理、矿山装备维检、矿山安全管理、矿山经营管理等诸多业务系统的不确定性。从系统论角度来看，露天矿山智能化升级的本质是通过科学、精确的分析方法，定量描述了采矿大系统内部机制与发展过程的状态演化过程，提高了人们对不同采矿业务系统及子系统之间结构、层次、要素、功能等内部特征、演化机理、发展过程的认知水平，进而更科学的对大系统施加控制。从控制论的角度来看，露天矿山智能化升级的本质是基于充足的矿山生产、管理及经营信息以及对大系统内部特征、演化机理、发展过程的深刻认识，依据内外部条件变化对矿山大系统施加控制并精准执行，使得大系统稳定保持在“高效、安全、环保、可持续”的预定状态。（3）智能化露天矿山的基本特征传统露天矿山与智能化露天矿山的根本差异在于决策与控制水平的不同，智能化露天矿山呈现出以下重要特征[17-18]：第一，针对系统优化控制的频率，从传统生产中的静态控制转为动态优化控制，根据地质情况、装备状态、市场情况、外部政策等不同内外部状态，实时动态调整生产计划、设备作业方式、生产经营目标等。不断提高生产、管理、经营过程优化控制的频率以追求经济效益与社会效益的最大化。第二，针对系统优化控制的范围，充分发挥对露天采矿大系统的全新认识，摒弃以往“头痛医头脚痛医脚”的落后方式，实现跨设备部件、跨作业设备、跨生产环节、跨工艺系统、跨业务范畴的全局考虑，从传统的局部单一环节优化控制转为整体大系统的全局优化控制。第三，针对系统优化控制的方法论，从实体优化走向虚实结合优化，打破传统理论优化方法及主观经验分析方法中所存在的局限性，从传统的“实践试错”转为“计算机模拟推演仿真”，实现优化方案的提前预演，提高生产、管理与经营决策控制的综合性、全面性、可实施性。???
03智能化露天矿山数据价值产出的基本逻辑
人类生活中任一项事务开展的过程都可以划分为“精准感知、专业分析、科学决策、精准执行”四个环节，“精准感知”是前提、“专业分析”是必要过程，“科学决策”是关键核心、“精准执行”完成闭环，最终达成的目的是控制[19]。
露天矿山智能化升级的本质就是由经验驱动的粗放性决策控制变为数据驱动的精细化决策控制，从“模糊感知、粗略分析、经验决策、粗放执行”变为“精准感知、专业分析、科学决策、精准执行”，在这一过程中，“隐性信息”依次加工成“显性数据”、“规律性知识”、“策略性知识”。
智能化露天矿山建设成效的关键就在于数据的高价值利用，按照数据驱动的先后次序，我们将产生的价值命名为：“展示价值”、“研究价值”、“潜在应用价值”、“应用价值”（如图1、图2），详细阐释如下：
图1经验驱动的粗放性决策控制逻辑
图2数据驱动的精细化决策控制
3.1“精准感知”产生“展示价值”
“精准感知”是对系统内外部状态数据的获取，本质是物理世界的数字化。例如露天矿山作业时蕴含着大量的隐性信息，这些信息暗含在生产过程中的方方面面，如温度、压力、尺寸、速度、电流等诸多物理量，以及面积、功率、压强等等基于基础物理量计算得出的导出量。
在缺乏精准测量手段的条件下，人们仅能对上述物理量得出感性的描述，而通过传感器、物联网等数据采集技术，将这些蕴含在物理实体背后的隐性信息加以量化，使得数据不断“可见”。
智能化露天矿山的基础就是构建一套针对物理世界数据自动收集、自动传递、自动加工的运行体系，为决策与控制提供精准的数据。
在这一过程中，“隐性信息”通过感知变为“显性数据”，产生了“展示价值”。例如通过传感器技术获取了钻机钻进时的振动及钻杆阻力等等数据，但如果缺乏现场生产经验及基础理论知识，那么获取这些数据之后仅能用于展示，却不知数据背后的深层含义，亦无法进一步挖掘数据的价值，还需要进行专业分析。
当前传感器、通讯及存储等技术非常成熟，这一环节中阻碍展示价值产出的原因在于信息化建设者往往不了解“有什么数据？要采什么数据？”等一系列关键问题。
因此必须在深刻理解露天开采基础理论体系、工程经验知识体系、工艺及装备技术体系的基础上，第一明确感知目标，将与研究目标相关的人、机、物、环、管等等相关数据信息进行系统性、全面性的采集；第二明确不同目标场景下数据信息的具体要求，确保数据的真实性与适用性；第三根据不同目标场景选择合理的感知、通讯及存储手段，确保数据的及时性与可靠性。
3.2“专业分析”产生“研究价值”
“专业分析”是在对隐性信息显性化的基础上，对显性数据的进一步加工与理解。大量的显性数据并不一定能够直观的体现出物理实体之间的内在联系，这就需要经过专业分析环节，一般包括以下三种形式：
第一，针对矿山某一特定场景，不涉及系统内部的结构和相互关系，仅从其输入输出的特点了解该系统规律，在“黑箱条件”下建立输入输出的对应关系。这种形式常是基于弱人工智能技术的研究思路，不需要人为过多干预，由系统自主提炼数据处理规则；
第二，涉及系统部分结构和相关关系，但在机理模型的构建方面尚不完善，在“灰箱条件”下建立输入输出的对应关系，需要人工参与开展分析与建模；
第三，对系统内部的结构与相互关系完全掌握，建立完善的机理模型，从而在“白箱条件”下建立完整的对应关系。通过上述三类形式，最终实现对生产中的各种现象的内在因果性或关联性关系的量化描述。
“专业分析”是决策与控制的前置环节，在这一环节中，“显性数据”通过专业分析变为“规律性知识”，产生了“研究价值”。
例如通过长期积累获得了不同岩石条件下钻机钻进的振动及钻杆阻力等数据的海量数据，那么通过数据分析就可以在一定程度上得到岩石性质和钻杆阻力等指标之间的规律，进而可以将这种规律形成公式、图表、数据库等诸多形式的描述。这种规律性知识对于优化改进钻机设备、提高钻机生产效率、指导爆破设计等等方面都具有重要的理论研究价值。
当前数据分析与处理等技术非常成熟，这一环节中阻碍研究价值产出的原因在于信息化建设者往往泛泛的去谈大数据分析、数据挖掘技术，但实际上完全不了解“数据到底怎么分析？哪些规律是有价值的？”等一系列关键问题。
例如当前普遍建设的露天矿山综合管控平台在分析能力上较为薄弱，往往缺乏与矿山业务紧密结合的高价值专业分析，仅仅起到了展示价值。这是因为信息化建设者一般缺乏对于具体露天开采专业底层逻辑与原理的认知，而露天矿山生产中的诸多问题属于开放性复杂系统问题，仅靠“黑箱手段”根本无法得到充分解决，最终导致系统仅能实现简单的统计分析功能，与智能化建设目标相去甚远。
3.3“科学决策”产生“潜在应用价值”
“科学决策”是对信息的综合处理，在这一环节中，“规律性知识”通过“科学决策”变为“策略性知识”，产生了“潜在应用价值”。
从“专业分析”环节开始，具体专业技术知识在价值产出中就起到了关键的主导作用，直至“科学决策”环节，才能产出真正的实际价值，这是一个连续且不可分割的过程。
为了便于理解，上文所举的岩石性质和钻杆阻力的例子中做了很大程度上的简化，岩石性质指标实际上包括了岩石弹性模量、泊松比、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度等等诸多指标，钻机钻进中的工况参数包括了转速、扭矩、钻速、功率等等数，钻杆钻进中还承受了巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动，诸多参数及指标相互耦合，呈现出极为复杂的非线性关系。
在深刻认识上述规律的基础上对爆破策略进行改进时，还需要基于外部环境参数（岩石爆破特性、断层裂隙发育情况），对炸药配置组分相关参数、抛掷爆破控制参数（孔网参数、装药参数、起爆方式）、抛掷爆破高台阶参数（台阶宽度、台阶高度）等等进行深入分析。
露天矿山生产环节是环环相扣的，爆破质量提高之后，电铲挖掘作业时能耗降低、铲齿、绷绳等耗材成本降低、效率也得到了提高，由此产生了一连串的潜在应用价值。
以上可以看出，智能化露天矿山建设中越是能产生重大价值的场景，其内部规律获取及策略制定的难度就越大，需要专业化的科学研究团队开展长期的科研与积累，需要大量基础学科背景知识作为支撑，不可能是仅仅通过数据挖掘、数据分析等弱人工智能技术就可以直接得到的，这亦是整体上阻碍智能化露天矿山价值产出的关键所在。
因此，我们认为“专业分析”、“科学决策”环节中价值产出的主导者应是于采矿、机电、管理等具体专业技术研究人员。
3.4“精准执行”产生“应用价值”
“精准执行”是依据“策略性知识”在生产中执行决策的过程。“精准执行”是完成大系统控制的最终环节，在这一环节中“策略性知识”得以实践，产生“应用价值”。
由于露天矿山业务特点的不同，这种执行过程的体现形式是多样的，我们简单的划分为以下两类：
第一，针对复杂的组织管理行为，“精准执行”的体现形式可以是OA任务管理系统，通过流程搭建任务分配机制，责任落实明确到人、具体到事、精确到时，实现对任务全过程状态的监控和互动，同时与绩效考核制度挂钩，提高运营效率和管理水平；
第二，针对重复性的、机械性的操作行为，“精准执行”的体现形式是利用自动化技术部分替代或者全部替代人的作业，例如针对推土机整备作业的复杂作业场景，应用自动化辅助驾驶系统提高工程施工的准确性；又例如针对固定式破碎站的简单作业场景，应用自动化控制系统实现无人值守。
这一环节中决定应用价值产出的关键在于“策略性知识”与“精准执行”的融合程度。
例如OA任务管理系统仅是实现了任务的系统化管理，但管理工作的“策略性知识”来源于决策者的基础理论与实践经验，如果决策者的专业技术水平不足，那么引入OA任务管理系统也难以发挥其应用价值；又例如，无人卡车在一定程度上减少了人员的工作量，但卡车作为露天矿山运输环节的执行单元，其“策略性知识”来源于矿山采运排设计与矿山生产组织管理，如果脱离了大系统运行逻辑仅发展设备单体的无人化，那么就无法最大化发挥无人卡车的重要应用价值。
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04智能化露天矿山数据价值递增的逻辑
露天采矿大系统业务层级多、系统结构复杂、子系统众多，每个子系统都是“感知、分析、决策、执行”全过程的数据流动闭环，同时子系统又是上一层级系统中数据流动中“感知、分析、决策、执行”局部环节，因此价值产出的闭环过程往往由多个系统、子系统相互组合共同组成。
为了实现智能化露天矿山价值的最大化产出，就必须充分发挥各个子系统的功能与作用，使得元数据经过不同闭环的反复加工，由次级子系统不断向上级系统流动，实现“展示价值、研究价值、潜在应用价值、应用价值”的循环迭代，螺旋上升，进而使得数据价值不断递增，这亦是“露天矿山大系统整体大于各部分的总和”的思想的体现。
图3数据价值不断递增的过程露天矿山智能化是智能化技术和以“矿山设计及矿山工程为主体展开的庞大露天开采技术体系”的深度融合，是复杂大系统全面转型升级的过程。“矿山设计-矿山工程”是露天矿山最为根本、最为核心的业务主线，矿山所有部门都是围绕这条主线开展工作。
同时纵观智能化露天矿山整个大系统，所有子系统的数据最终都流向“矿山设计-矿山工程”的顶层数据闭环，在此实现价值的最大化。
价值产出的基本逻辑、大系统的价值递增逻辑是开展智能化露天矿山规划的重要依据，同时也是指导“国家能源局智能化示范煤矿验收管理办法”（露天部分）制定的重要依据，我们以验收办法初稿中的“矿山设计-矿山工程”业务主线为例，对建设基本思路进行简要介绍，受篇幅所限，涉及到的具体建设内容不作展开。
（1）精准感知
露天矿山设计与生产中所需要的信息涵盖了“人、机、物、环、管”各个方面，我们定义空间地理信息（三维矿床信息、三维地表信息）代表“环”，生产管理信息代表“人、机、物、管”，精准感知环节的建设思路如下[20-21]：
三维矿床信息：煤炭开采全寿命周期中，地质条件的精细探查是实现精准开采的基础。由于传统钻孔勘探手段解释精度有限，因此根据地质条件复杂程度，逐步引入磁法勘探、电法勘探、地震勘探等立体化地质勘探技术，辅助实现地质透明化感知，降低开采环境的不确定性。
三维地表信息：露天采场各要素的空间分布特征是规划设计、勘探建设、生产和运营管理的重要依据，为了实现快速、高精度获取上述信息，逐步引入三维激光扫描技术（车载或机载激光雷达）、图像序列建模技术（无人机图像序列建模）、卫星遥感技术等等，作为传统测绘技术的补充。
生产管理信息：露天矿山生产信息包括生产计划信息、工程质量信息、生产安全信息、能耗及材料消耗信息、设备运维信息、配件库存信息、各工艺环节生产管理信息等等。上述信息的获取途径较为复杂，受限于感知技术及人们对信息逻辑关系的认识程度不足，当前大部分数据仍需要人工统计，我们将上述信息的感知工作统称为“露天矿山再数字化建设”。
（2）专业分析
获取到空间地理信息与生产管理信息后，需要专业的软件平台系统对数据信息开展分析处理，之后才能为决策工作提供参考依据，该环节主要实现以下功能[22]：
三维矿床模型管理：基于钻探、物探等手段获取的数据，构建露天矿高精度三维矿床模型；实现原始勘探数据、生产勘探数据和煤质数据的数字化管理、可视化展示；实现模型的实时更新、资源/储量的动态管理等功能，为采矿设计提供基础数据支撑。
三维地表模型管理：在三维矿床模型基础上，结合图像或激光扫描技术数据，实现三维地理空间信息数据的加工处理和控制功能；联合构建露天矿采场三维地表模型，实现剥、采、排矿山工程时空位置的动态更新与展示；为开采设计、生产计划编制、工程测量验收等工作提供重要的基础地理空间信息和决策支持。
露天矿山时空演化过程管理：基于生产信息数据库，将三维动态矿山模型及其演变所形成的模型序列纳入时间维度下管理，形成可供量测和空间分析的动态三维时空数据库，具备实时模拟整个工程的时间和空间顺序的功能，实现露天矿历史生产状况回溯与超前演示。同时对生产、经营、管理全过程的实时数据实现统一采集、存储、管理、分析、展示等功能。
（3）科学决策
矿山设计是矿山生产、管理与经营的灵魂，在矿山大系统中起到核心决策的作用，是矿山生产中最具有技术含量的业务工作，矿山设计智能化主要体现在先进辅助设计软件的应用上。
在智能化初、中级阶段，至少应实现以下功能：短期生产计划的自动化编制、工艺的工作面参数、设备作业方式等工艺系统的辅助优化设计、台阶划分、工作线布置及推进方式、采场延深方式等开采程序问题的辅助优化设计、开拓运输系统的辅助优化设计、原煤及岩土调运方案的流量流向辅助优化设计、生产剥采比均衡、中长期剥采计划编制，排土计划编制。
在智能化高级阶段，通过露天矿山虚拟仿真平台的应用，实现采矿计划仿真模拟与推演。综合考虑地质赋存可能存在的动态变化、矿山开采中设备作业规律的随机性、各作业环节突发事件的概率性等影响开采过程连续性、稳定性、高效性的因素，以各环节、各部门的标准化作业流程及安全作业规程为基础规则，以一班甚至更短时间作为单位对实际开采过程进行逐步细致推演，实现各环节、各阶段工程量、工程成本、工程进度的准确掌控，提高设计的综合性、全面性、可实施性。
（4）精准执行
露天矿山数据信息通过“精准感知、专业分析、科学决策”形成了策略方案后，需要通过矿山工程开展执行工作。
在生产组织管理上，建立露天矿山的综合调度指挥平台，具体实现采装工程智能化管控、运输工程智能化管控、破碎环节作业计划与运行智能化管控、露天矿山排土及尾矿库生产计划智能化管控。
在装备执行层面上，将开采方案、施工计划直接推送至工程机械，实现钻机、挖掘机、卡车、推土机等设备作业的智能引导、辅助操作、甚至无人操作等功能。例如推土机自动找平系统中，推土机利用GNSS、惯性导航等技术手段实时获取当前自身位置及轨迹信息，严格与无线终端所接收的采场模型进行比对，以增强现实、虚拟现实等手段将挖掘、回填物料区域、物料量等诸多信息呈现给操作人员，确保施工精度。
矿山设备既是“精准执行”环节中大系统的执行单元，又是“精准感知”环节中大系统的感知单元，源源不断的将采集到的空间地理信息及生产管理信息反馈给露天矿山时空演化过程管理系统，进一步指导生产计划、设备作业方式的动态调整。
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05结论
（1）露天生产工艺、生产设备和生产过程、内外部环境越来越复杂，人们对露天复杂大系统的认知与控制能力呈现出逐渐减弱的趋势，传统理论指导下的系统决策与控制手段收效愈发不明显，露天开采基础理论体系的发展与实践应用逐步出现脱节，智能化技术将是辅助突破行业发展瓶颈的关键。
（2）露天矿山智能化技术升级是智能化技术与以“以矿山设计、矿山工程为主体展开的庞大露天开采技术体系”的深度融合，是复杂大系统全面转型升级的过程。露天矿山智能化的基本逻辑是通过智能化技术的应用提高矿山生产、经营及管理大系统的决策与控制水平，进而解决露天矿山的高效、安全、环保与可持续问题。
（3）传统露天矿山与智能化露天矿山的根本差异在于决策与控制水平的不同，智能化露天矿山在生产过程的控制频率上实现了动态优化控制，在系统优化控制范围上实现了整体大系统的全局优化控制、在系统优化控制方法上实现了计算机模拟推演仿真。
（4）露天矿山智能化升级的本质就是由经验驱动的粗放性决策控制变为数据驱动的精细化决策控制，从“模糊感知、粗略分析、经验决策、粗放执行”变为“精准感知、专业分析、科学决策、精准执行”，依次产生了“展示价值”、“研究价值”、“潜在应用价值”和“应用价值”。
（5）根据露天矿山智能化价值产出的基本逻辑，建设中越是能产生重大价值的场景，其内部规律获取及策略制定的难度就越大，这是整体上阻碍智能化露天矿山价值产出的关键。因此，“专业分析”、“科学决策”环节中价值产出的主导者应是于采矿、机电、管理等具体专业技术研究人员。
（6）为了实现智能化露天矿山价值的最大化产出，就必须充分发挥各个子系统的功能与作用，使得元数据经过不同闭环的反复加工，由次级子系统不断向上级系统流动，实现“展示价值、研究价值、潜在应用价值、应用价值”的循环迭代，螺旋上升，进而使得数据价值不断递增。
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