1、第 44 卷 S1 期 包 装 工 程 2023 年 4 月 PACKAGING ENGINEERING 277 收稿日期：20221201 基金项目：国家社会科学基金艺术学重大项目“中国设计智造协同创新模式研究”（20ZD09）；国家重点研发计划“面向智能交互产品的创意服务设计技术与平台”（2021YFF0900600）作者简介：宋一鸣（1995），男，硕士，主攻生态与可持续设计。通信作者：刘永红（1972），男，博士，教授、博士生导师，主要研究方向为智能产品设计、设计协同创新。基于人资源环境视角的智能矿山系统设计研究 宋一鸣，刘永红（湖南大学，长沙 410082）摘要：目的目的 在双碳目标
2、的背景下，为适应矿山新技术的发展，解决矿山高污染、高风险问题，更好地对智能矿山进行设计与升级。方法方法 以人资源环境视角为基础，梳理三者的关系与矿山智能设计机制，从矿山智能监控设计和矿山安全行为管理设计两方面构建智能矿山系统设计架构与策略。结果结果 得出从人资源环境视角出发，利用矿山开采智能监控设计与矿山安全行为管理设计的智能矿山系统设计方法。结论结论 智能矿山系统设计是目前矿山发展的必然趋势，能够解决以安全、环保为核心的矿山主要矛盾；从人资源环境视角出发能够有效的处理各视角平衡关系，强化人在矿山问题中的主导地位，精准找到矿山开发过程中的可持续问题类型。通过矿山智能监控设计及矿山安全行为管理设
3、计对矿山进行智能化设计升级能够提高效率，降低风险，促进矿山生态可持续发展。关键词：人资源环境视角；智能矿山；系统设计；矿山监控；行为管理 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)S1-0277-08 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.S1.043 近年来，矿业发展进程仍然面临着资源能源效益差、安全威胁大、环境损害重等的困难，以及产业结构不合理、产品附加值偏低等的问题，严重制约着矿产资源开发利用的可持续发展1-3。工业互联网、高速网络等新技术的出现，促使诞生了 1 系列矿山问题解决方案4。2019 年 3 月 5 日，在国务院政
4、府工作报告中第 1 次出现了新名词“智能+”，并指出要创建工业互联网平台，拓展“智能+”技术的运用范围，为传统产业转型赋能。为了实现可持续开发，传统矿山的智能化升级迫在眉睫，对矿山系统智能化设计值得深入研究。矿山智能化以工业互联网为基础，诞生了 1 系列的矿山技术解决方案，但是无法综合地、系统地解决智能矿山在升级过程中的安全、控制等管理性问题，缺乏从矿山综合管理视角的智能矿山系统设计方法5。1 智能矿山系统设计方法现状 2004 年，刘桥喜等人6利用 GIS 信息技术，构建和发展了矿井安全性地理信息系统，并进行了对矿井安全性的管理监测。宋金玲等人7通过物联网 3 个感知理念，采用分布式方法对周
5、围的功能环境进行感知与预警。申琢等人8利用云计算技术，对矿井灾害预警系统进行了研究，利用该信息技术能够及时发现、分析与评估危害安全管理工作中的情况。丁恩杰等人9介绍了矿井物联网的主要方面，如利用云计算技术、大数据分析和安全生产管理的信息技术，5S 应用，即感知人员、感知灾害、感知系统、感知矿井、感知监管等。毛善君等人10提出了透明化矿井的 5 大原则，并提出了包含三维引擎层、智能煤矿平台层和生产操作层面的透明化矿井体系建设的新系统框架。张瑞新11与吴群英等人12共同研究，提出了智能矿井层次关系与管理、智能矿井构建原则和“1+4”智能化服务网络，即 1 个基本平台是矿井基本支持智能化系统，4 个
6、业务系统实现矿山时空演化、矿山设备及工艺升级、矿山生产计划与工程管理、矿山综合管理等功能，实现“人人”“人物”“物物”的深度交互功能；付恩三等人13采取了“5 层+3 体系”的管理模式，“5 层”自下而上先后为基础设备层、业务数据层、分析服务层、分析业务层和分析展现层，“3 体系”先后是数据分析标准体系、安全规范标准体系、元数据及代码规范标准体系。目前，对智慧矿山的探索已基本完成了框架搭建，主要重点放在矿山智能化的技术实现以及架构搭建上，实现了该领域从“0”到“1”的初步跨越，形成了多层次、多架构的智慧矿山搭建元模型。但是大【设计实践】278 包 装 工 程 2023 年 4 月 部分研究对于
7、矿山智能化停留在矿山通讯互联、技术 响应，未能深入到应用层面，特别是重点聚焦在通讯效率等单一视角上。针对单一具体问题，对解决目前矿山的迫切复杂问题影响较弱，无法进行问题根本溯源，缺乏以安全、环保的综合性视角的智能矿山设计方法。2 人资源环境视角与智能矿山设计机制 2.1 人资源环境视角概念与特点 矿山生产是由人资源环境组成的统一系统，传统矿山开发多针对污染现象进行监控评估，较多出现“污染治理污染”的反复现象，而忽视了人是这个系统的核心主体。人是整个系统的管理者、既得利益者，也是保证矿山系统正常运行的维护者，具有决定性的作用，同时人也是矿山开发所带来环境及经济效应的承担者11。应对自然资源可持续
8、开发过程中的挑战，不仅需要在资源利用效率及环境影响层面去思考，还需要从人类活动及开发行为耦合机制中进行协调，以期达到资源、人、环境的和谐统一14。人与环境关系框架见图 1。图 1 人类活动与环境的耦合关系 人资源环境视角具有以下特点：（1）建立矿山开发过程中的社会、经济、技术、人本、文化、生态和其他方面充分联系起来的多视角与系统性的观点。深度挖掘环境要素的共性与联结，关注环境与人、环境与资源之间的深层关系，探索环境要素与生态资源开发流程之间的交互关系。重点关注人类活动的溯源与治理，认识到谁在矿山开发中做什么，为什么做，以及谁在促成问题的产生谁承担了自然资源不合理开发结果等关键问题15；（2）全
9、面看待自然资源的低碳可持续开发，丰富矿山的低碳开发范式，从开发的各个环节以及开发的时间跨度上去系统思考可持续开发方法与导向16；（3）基于人类活动、人资源环境协同发展视角下的矿山低碳开发，意味着协调所有行为相关者及与生态资源开发关联的所有活动，需要在保证人的生存及发展需求条件下，不损害自然资源和环境系统长期的生存能力和系统完整性，重点关注矿山安全、矿山效率、矿山经济、矿山环境等领域。2.2 智能矿山系统中的设计机制 矿山开发是 1 个复杂的、多层次的系统工程，需要多学科多领域进行协同推进。基于对矿山生产环节的分析，矿山目前主要矛盾集中在矿山开发与操作人员安全、矿山开发与周边环境影响、矿山开发与
10、开采作业效率几个领域。为了解决目前几个重点问题，实现矿山平衡可持续发展，需要从矿山“无人”“少 人”等矿山运营理想状态入手17。传统矿山面临着无网络连接、开采工况低、生产污染重、安全无防护保障的问题，自动化机械、工业互联网等技术的兴起从开采技术、矿山监控方式和矿山网络 3 个角度解决矿山基本问题，实现矿山“物物”之间的联结能力。在技术解决矿山问题的基础上，又出现了矿山信息冗余、数据孤岛、管理复杂等衍生问题，未能处理好矿山“人物”之间的关系。因此需要以人为基础，溯源矿山开发活动中的细节，通过设计方法，对技术升级后的矿山进行系统优化，对功能进行取舍、优化信息呈现方式，强化管理，从智能可视设计、智能
11、评估搭建、智能行为管理、智能装备开发视角进行设计问题解决。矿山问题设计解决机制见图 2。3 矿山智能系统设计及策略方法 3.1 智能高效利用的矿山系统设计框架 智能矿山系统设计框架包含管理层、数据层及监控层18。管理层以人为主导，由负责领导、工作人员、系统管理员构成，主要负责矿山的控制与管理。数据层由煤矿安全元数据库、煤矿安全综合数据库、煤矿安全专家知识库组成底层，元数据库管理系统、可视化平台和知识库管理系统构成应用层面，负责处理大量的矿山数据，并对数据进行整理、清洗、排列、筛选。矿山监控层包括矿山开采智能监控系统和矿山安全行为管理系统，前者主要用于对矿山运营状况、第 44 卷 S1 期 宋一
12、鸣，等：基于人资源环境视角的智能矿山系统设计研究 279 图 2 矿山问题设计解决机制 生产状况和设备环境进行监控，后者则来自于人的行为对资源开发与环境的影响溯源，并构建安全行为系统并对危险源和隐患进行管理。智能矿山系统设计架构见图 3。3.2 矿山开采智能监控设计 智能监控设计利用物联网平台，整合矿井生产信息，并集成了供电系统、输送装置、水泵系统等全矿所有与安全生产有关子系统的信息，通过集成的信息 可实时地在安全生产可视化系统中实现信息提示和预警，从而达到了对全矿安全生产情况的实时监测和控制19。同时，还可将与安全生产有关的历史数据保存到实时数据库或关系式数据库中，从而建立全矿统一的安全生产
13、历史综合信息库，以完成对全矿安全生产历史情况的检索和大数据分析。矿山开采智能监控包括矿井运营状态监控、矿井生产监控、矿井设备环境监控，是智能矿山系统设计重要的数据来源。矿山开采智能监控设计架构见图 4。图 3 智能矿山系统设计架构 280 包 装 工 程 2023 年 4 月 图 4 矿山开采智能监控设计架构 3.2.1 矿井运营状态监控系统设计 矿井运营状态监控系统设计包括安全生产监测管理系统、人员定位管理系统、应急避险系统、压风救援系统、供水施救管理系统和通信联络系统等 6 大系统。1）安全生产监测管理系统。要求实现煤矿安全参数的远程监测监控，能实现巷道信息、监测点信息导航查询、监测数据报
14、警、历史数据分析以及实现储量变化、地质变动、井巷工程等信息管理。2）人员定位管理系统。人员定位管理系统用于对煤矿井下作业人员进行监测、管理和救护，能够完成井下作业人员、作业场所在采掘场工地平面图中即时动态显示身份、状态等项目，并且具有报警及提醒的功能；该系统同时具有考勤管理系统的功能，面向煤矿公司管理部门开展员工日活动、每月下井考勤记录。3）井下应急避险系统。井下应急避险系统就是对煤矿井下紧急避险设备进行监控、管理的体系，并在采掘工程平面图中实时动态显示井下避难硐室位置、状态及语音视频信息，以及报警和提示功能；当井下出现水灾、火灾和紧急情况时，系统能够显示避难人员信息、氧气、水、存储物资状态等
15、，通过通讯及工业电视系统与避难硐室内人员进行联络。4）矿井压风救援系统。压风救援系统是一套煤矿矿井压风系统监测、监控、管理系统，除了实现综合自动化系统压风系统功能之外，还能在 GIS 平台采掘工程平面图上实时显示系统的运行和压风管线的供气情况。并在水灾、火灾和紧急情况时，合理调度为所需地点供气。5）供水施救管理系统。供水施救管理系统是一套煤矿矿井供水系统监测、监控、管理系统，除了实现综合自动化系统防尘供水系统功能之外，还能在GIS 平台采掘工程平面图上实时显示当矿井出现系统的运行和供水管线阀门供水情况，并根据人员避险位置（人员定位系统提供的数据）合理调度将水输送到所需地点。6）矿井通信联络系统
16、。在 GIS 平台采掘工程平面图上实时显示通讯系统分站、话机的位置和通讯状态，当矿井出现水灾、火灾和紧急情况时系统可以实时显示通讯状况和各个通讯分站的运行情况。3.2.2 矿井生产监控系统设计 矿井生产监控系统设计主要包含机车运输监控系统、主副井提升监控系统、煤流运输监控系统、综掘工作面监控系统。1）机车信号集闭系统。为增强线路通过能力，保障机车的安全运营，按照设计规范需要设有轨道监测系统。系统可随时反映各段仪表和感应器的动作状况；故障自动检测、告警，录入运行状态信息，实现告警、自动记录运行状态信息和打印报告的功能。监控管理系统，可实现将岔位信息上传并进行对道岔故障的集中监测与管理，并具有机车车载按键遥控系统。2）主副井提升监控系统。主副井提升监控系统需要，能自动收集、读取提升机的所有工作参数，提升机正常运行；可以通过检测到的信息确定提升机的运行状态，事故后可迅速发布报警信号。控制系统应能与矿井的调度管理系统无缝衔接，实现信息的资源共享。3）主煤流运输集控系统。其主要用途，就是在主煤流交通运输系统中对每一段传输带进行调控，并对每段传输带主要防护类型进行了检测和分析，以及向本地调度指挥服
