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采矿与航天科技有哪些相通之处?

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2021-04-08
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摘要 : 人类跨入21世纪,最古老的采矿与位于科技前沿的航天科技正在进行无缝衔接。安全有效地从地下挖出矿石所使用的的技术,与探测太空的航天科技是相通的,尤其是在机器人、数字孪生、远程管控、人工智能与大数据几个方面,已经有了充分的技术共享。


摘要


人类跨入21世纪,最古老的采矿与位于科技前沿的航天科技正在进行无缝衔接。安全有效地从地下挖出矿石所使用的的技术,与探测太空的航天科技是相通的,尤其是在机器人、数字孪生、远程管控、人工智能与大数据几个方面,已经有了充分的技术共享。

一、引言:我们都需要“火箭科学”

笔者有一个有趣的发现:我们有些人每当觉得某项技术并不难搞出来时,就会发出诘问:“它难道比两弹一星还难!” 那意思是,再困难的技术都不会比航天技术还难。请注意:两弹一星是指原子弹、导弹和人造卫星,其中导弹和人造卫星本身就是航天技术,而剩下的原子弹,其实战发射也离不开航天技术。

例如,大家听到经常有人诘问:“芯片再难,还能比两弹一星难?”

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图1. 诘问:芯片还能比两弹一星还难?

美国人和中国人在强调航天技术的难度时,很难得地取得了共识。

美国人聊天时,如果认为某项技术并不是有多牛时,就会上口头语:“它肯定赶不上火箭科学!”例如,儿子某项科目的考试成绩不佳,还找借口说并不是自己不努力,而是这个科目太难了。这时老爸就会摇头:“Gee…, it’s not rocket science.”意思是:“你得了吧!那也不是火箭科学。”

大家都知道,姚明效力的美国篮球队叫做“休斯顿火箭队” Houston Rockets。为什么称“火箭队”?因为美国宇航局NASA约翰逊航天中心就坐落在这个城市。美国老百姓把航天等同于发射火箭,把火箭科学当成尖端科技的代名词。

我国军队上次改编时,把二炮改称为“火箭军”。

这里加个插播:航天员的英语名称是Astronauts,而在英语中“中国航天员”还有一个专门名词Taikonauts(前缀是“太空”拼音)。由此可见中国航天事业在世界上的影响力有多大!

相比之下,墨西哥人就很实在,往往把难学的东西说成是“比中国话还难学!”我第一次听到墨西哥人告诉我他们的这个比喻时,就很喜欢。这听起来比“火箭科学”比喻要接地气多了。墨西哥人内部还流传着很多调侃自己比中国人笨的笑话,很多都比上面这个比喻要重口味。

但是,如果要较真的话,我会说:探地技术与航天技术的难度要大!要大好多好多倍!

如果有人不服气,请答题,问:人类探测到达地球深部有多深?

抢答:一万三千米!这是上世纪50年代前苏联实施“地球望远镜”探地工程、历时20多年达到的垂直深度,是已知人类探测器到达地下最深记录。

但是,人类的太空探测器飞行距离可不止这个数。目前飞行最远是美国的“旅行者1号”,于1977年9月5日发射,到访过木星及土星,目前已经飞到太阳系最外层边界,已经超过不知多少亿万倍地球直径尺度了。

从这个这方面看问题,就会觉得,入地比上天的难度大多了!


二、采矿与航天的异曲同工

 

采矿和航天有很多共同之处。首先,这两项不同的工作,都有一个同样的要求:第一线作业现场的工作人员越少越好。

这并不是航天科技工作者怕艰苦而不愿意去太空第一线,而是因为航天运输成本极其昂贵,运送到太空的人员数目控制越少,就越节省开支。以外,太空环境对作业人员的身体素质要求实在太苛刻,普通体质的人根本无法胜任。

同样地,采矿作业环境艰苦危险,在满足生产需求的情况下,安排现场作业人员人数越少越安全;尤其是开采深度越来越深,矿山地理位置越来越向高寒地区转移,因此对采矿工人的体质要求也越来越严格。

终有一天,对于采矿工人的身体素质要求会接近航天员;那时候,深入地下几千米的矿工,不但要求身体素质要扛得住高温、高压、高强度劳动,而且技术上要求一人全能,以一当十。

总有一天,第一线矿工数目会像航天员一样少,个个技艺高超,他们的报酬待遇可媲美航天员。我觉得这个可以有!

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2. 太空航天员与深部采矿工人作业现场比较

恩格斯曾说:“社会一旦有技术上的需要,则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。”人类跨入21世纪,正在见证最古老的采矿与位于科技最前沿的航天科技的无缝衔接。

对于采矿工作者来说,吸收航天领域的相关技术,实现采矿作业远程遥控、自动化、自主智能化,不仅是提高生产效率的技术保证;更重要的是,在全国上下强调“以人为本”乃至世界范围共识“人命贵”的今天,采矿工作者更是需要从根本上消除人身安全事故发生的根源,正如中国工程院于润沧院士早在十多年前就提出:“实现井下无人作业、采矿工作办公室化,这就从根本上避免了安全事故的发生。”

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图3. 于润沧院士(左六)曾指出:“实现井下无人作业、采矿工作办公室化,这就从根本上避免了安全事故的发生。”(笔者站位左一)

笔者将要从人才跨界、机器人、数字孪生、远程管控、人工智能与大数据等几个方面,谈谈采矿与航天科技的共通之处。


三、采矿与航天的人才跨界

若干年前,笔者参加国际学术会议,遇到一位留着大胡子、顶着爱因斯坦式蓬松发型、很有“古鲁”范(Guru,大师)的美国宇航局NASA科学家。他来自加州理工学院的著名JPL实验室(即钱学森早年参与创建的喷气推进实验室),已经参与了好几代火星探测车研制。

我不禁为他点赞:“加州理工比哈佛还难考进去!”

谁知这位大师满脸骄傲地说:“我是科罗拉多矿业学院采矿专业毕业!”

原来他在读采矿工程博士的研究课题是采矿作业面矿岩地质采样智能化;科罗拉多矿业学院毕业后,他去JPL火星探测车课题组做博士后,专门负责机器人火星表面岩石采样和自动化验;然后他就留在了JPL火星探测项目组工作。

这是采矿跨界到航天的案例。

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图4. 爱因斯坦式科学家“古鲁”范常见造型

无独有偶。在疫情到来之前的2019年年底,笔者曾经拜访澳洲联邦科工组织CSIRO(类似于中国科学院的地位)矿业研究部。接待我的是一位智能采矿专家。

在聊天过程中,觉察到他使用不同专业用词的熟悉程度差别时,我问到他的专业背景。他马上回答我的疑问:“我是航天工程博士。”

这位智能采矿专家来自北欧某国,过去曾经在欧洲航天局工作,专搞航天机器人视觉研究;后来他得到一个合作科研机会,参加澳洲地下矿山无人机研发项目。他立即爱上了四季如春的澳洲;项目结束以后,他就不再想回到冰天雪地的北欧;他“乐不思蜀”,于是就留在澳洲CSIRO矿业研究部搞起了智能矿山。

这是航天跨界到采矿的案例。

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图5. 欧洲航天局图标。著名的“阿丽亚娜火箭”就是由欧洲航天局研制。

国内航天跨界矿山的例子更是多见。例如,中国航天科工系统占据了我国矿卡市场的半壁江山,目前正在努力打入国际市场。引人注目的是,航天科工的“5G+无人驾驶矿用车”正在全国各地矿山现场大显身手。笔者还注意到,最近国内有一家创业公司在矿用车无人驾驶领域锋头正劲,其创始人就是北京航空航天大学的教授、学者。

预计将来会有越来越多的采矿科技人员进入航天相关领域(包括太空采矿、原位资源开采供应等);同时也会有越来越多的航天科技人员为采矿领域带来更为先进的理念、技术和实践经验。


四、机器人大显身手

1.“古已有之”的中国机器人原型

饶有趣味的是,我国史书《隋书》里曾经提到机器人原型。那时候是不是真的做出来了,不敢保证;但至少这得算是最早的机器人设计,即使放在今天,也是能够申请专利保护的。

一千五百多年前的隋炀帝杨广附庸风雅,喜欢与文士一起饮酒作诗。他命宫廷工匠按照当时著名文士柳抃的模样做成木偶,装上机关,能坐能站会磕头。杨广兴致来了,就和柳抃木偶机器人在花间月下对饮欢笑。

这可能是关于机器人在中国“古已有之”的最早记录了。

严格地说,仿人并不是机器人的必备特点。

国际上对机器人的定义是:机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务的机器。

按照这个定义,人形并不是机器人的必备项。

2.中、美火星机器人探测车PK

美国宇航局NASA“毅力号”火星探测车于2021年2月18日着陆火星表面,结束其七个月的飞向火星之旅。此时火星距离地球2亿多公里,火星探测车和地球通信的时延高达11分钟,由此可知火星探测车无法由人员从地球通过信号进行实时控制,必须具备自主智能(Autonomy,不同于自动化Automation)才能胜任火星探测工作!

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6. NASA“毅力号”火星探测车于20212月18日成功登陆火星实况

中国的“天问一号”火星探测车计划于2021年5月至6月在火星着陆。

这些火星探测车都具有机器人自主漫游能力,属于机器人的一种类型。

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图7. 中国“天问一号”火星探测车登陆火星效果图

3.地下矿山远程遥控自动化铲运机
航天领域以外,矿山无人驾驶可能是最早部署机器人应用的工业领域之一。
早在20世纪80年代中期,加拿大诺兰达公司、鹰桥公司就着手研发地面遥控地下矿山铲运机的光学导航系统和远程控制系统。
最近推向市场的山特维克远程遥控自动化铲运机,配备先进的传感功能和人工智能,以3D方式感知周围的环境,并实时做出反应,实现车辆自动适应和规划路线,甚至在不断变化的环境中找到最合适的路线,完全能够满足地下矿山采矿自动化、无人化的生产需要。

8 - 640?wx_fmt=png.jpg8. 山特维克远程遥控自动化铲运机

4.露天矿卡机器人自动驾驶
露天矿山卡车运输具有鲜明的特点,即路线明确,所有车辆均可控制,尤其适合应用无人自动驾驶技术,达到可减少安全风险、改善司机工作环境、控制采矿成本的积极作用。国际上卡特皮勒和小松等矿山设备公司较早涉足露天矿无人驾驶领域,目前已经在世界各国矿山取得了较好应用效果。

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9. 小松无人驾驶矿卡。既然是无人驾驶,干脆连驾驶室都省了吧!

在露天矿无人驾驶领域,中国车企毫不落后。中国科工、中国重汽、徐工等公司都已推出了露天矿无人驾驶卡车,在准能煤矿、洛阳钼矿、城门山铜矿都已取得成功的应用。

5.世界上最大号的“机器人”

上面提到,仿人形不是机器人的必要条件。世界上最大规模的机器人,其实是部署在力拓集团西澳皮尔巴拉矿区AutoHaul铁路自动化运输系统,由1500公里以外位于帕斯的力拓运营中心进行远程监控。

铁路全长1,700公里,完全依靠机器人自动调度和驾驶,安全有效地将铁矿石从16个矿山运到到4个运输码头。

据称,力拓西澳AutoHaul铁路自动化运输系统,每年可产生数十亿美元的利润增长。

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10. 力拓西澳AutoHaul铁路自动化运输系统

6.地下矿山机器人无人机
地下矿山有些人员难以进入的区域,例如放矿口、溜井、采空区、爆破后的采场,以及深部开采的高应力对巷道和采场的围岩造成破坏,以及高温、有毒有害气体进一步恶化了井下生产设备和井巷设施的使用条件,这一切都对矿山安全生产带来严峻考验。
如何安全快速地采集现场数据,对于矿山测量人员历来是个极大挑战。于是专门应用于地下矿山无GPS信号环境、基于SLAM的自主导航无人机测量技术应运而生。
澳洲翼目神公司研制的地下矿山机器人无人机,已经实现自动避障、自主导航功能,是危险采场和空区测量的好帮手,目前在中国黄金、山东黄金、宝武集团等著名矿企的下属矿山得到成功应用,为我国矿山安全生产做出了贡献。

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11. 20199月全国首次地下矿山自主智能无人机试飞成功


五、数字孪生:从航天走向矿山

数字孪生技术最早发端于美国宇航局NASA。最早的数字孪生原型是NASA航天飞机和空间站的地面虚拟仿真模型,它可让科研人员在地面模拟空间站环境,快速测试不同条件下的空间站的反应情况。后来各种新型号的航天器设计和测试以及发射前检查都在数字孪生环境下进行。

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12. NASA航天器实体与数字孪生

好技术都是自带翅膀的,不用推销也传播得很快。

现在国外矿山设计和采矿生产智能管控,都在使用数字孪生技术。
数字孪生矿山使用的数据,来自于矿山设计原始数据、生产历史数据以及生产现场实时数据,使得决策人员可以在远离现场的指挥调度中心、办公室或其他远程地点就能随时掌握和分析这些数据,用于改善矿山设备运行情况,及时作出正确的判断。

13 - 640?wx_fmt=png.jpg图13. 实体矿山与数字孪生矿山:智能管控系统


六、管控中心:安能辨我是管天管地

1.NASA约翰逊航天中心管控中心

约翰逊航天中心太空飞行管控中心主要职责是管理太空飞行,通常从发射点到着陆或任务结束为止。它是航天器运行地面部分的一部分。飞行控制人员和其他支持人员使用遥测技术监视任务的各个方面,并使用地面站将命令发送给飞行器。

14 - 640?wx_fmt=png.jpg图14. NASA约翰逊航天中心太空飞行管控中心

2.力拓集团远程管控中心
力拓集团远程管控中心位于西澳首府帕斯市,与位于休斯顿的约翰逊航天中心太空飞行管控中心内部结构非常相像。真正生产现场皮尔巴拉矿区远在1500公里之外。矿山上各种庞大机械的一举一动,包括无人驾驶机械,都在帕斯控制室内200多名调度员的鼠标控制之下。中心顶端巨大超长的屏幕上,红绿黄等各种灯光不停闪烁,展示着15座矿山、4个港口和24条铁路之间铁矿石运输流程的各种进度。哪列火车在装(卸)矿石,还有多长时间装(卸)完;哪一列火车正在行驶中,还有多长时间到达港口;哪个港口正在装船,已装了多少吨等等。一切清清楚楚,仿佛置身科幻大片。
这个先进的“未来矿山”项目,始于2008年。该项目并不仅仅与某一座矿山相关,而是关系到如何在力拓所有的业务中创造未来价值。其领先之处在于,通过与研究机构和大学合作,把研究成果转化为商业价值,通过领先的技术在矿业生产和运营方面实现跨越式发展,从而增强力拓的竞争优势。

15 - 640?wx_fmt=png.jpg15. 力拓远程管控中心。右图雕刻英文名称RioTinto OPERATIONS CENTER的大块铁矿石,来自于1500公里以外的皮尔巴拉矿区。

3.城门山铜矿智能管控中心
位于江西九江市的城门山铜矿,自2018年启动智能化矿山建设以来,已打造出一套智能采矿方案。矿山生产管控中心可实现各平台、各系统的集中管控,数字采矿平台、第三代矿用车联网平台、虚拟矿山平台形成智能采矿新模式,形成资源与开采治理流程化、装备及生产智能化、信息传输收集化、治理与决议科学化的治理模式,实现了由矿山智能管控、智能采矿、智能选矿构成的智能矿山生产一体化管控。

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16.  城门山铜矿智能管控中心


七、人工智能和大数据

NASA航天飞行管控中心每小时收集数百TB的数据,这些数据用于近到预测地球天气,远至探测遥远的星系。打个比方,如果把 1 TB的数据都写在纸上,那么制造这么多纸张需要砍伐5万棵树。

矿山各种来源、各种类型的数据,包含大量复杂信息,如果分析使用得当,将会产生巨大的经济效益。

矿山数据通过云端实时传递,从单个设备位置,到下一个爆堆的地质化验结果;从最新矿体建模数据,到选矿厂磨机反馈来的矿石品位变化数据。例如,力拓远程管控中心每天收到的数据,如果仍然使用常规方法处理,则大约需要上百年的数据处理分析时间,也就是说,是根本不现实的。但是通过一些巧妙的人工智能、机器学习算法,则可以大大缩短数据处理时间。

澳大利亚采矿软件公司Maptek的科学家Chris曾经告诉笔者,过去每次更新一个大型矿山的地质模型都需耗时数周;现在使用一种地质数据机器学习算法,则需要数小时即可按需更新地质模型,精度能够达到传统方法的90%以上,完全满足矿山实际生产决策需要。

在矿山云计算平台上,可以在几微秒内分析数据并做出决策。选矿厂磨机可以直接与配矿系统进行信息交流,实时指挥无人驾驶卡车去几号矿石爆堆装载多少矿石。

矿山用人工智能方法处理数据,有助于最大程度地减少停机时间,减少能源消耗,降低运营成本。


八、结语:我们都爱“火箭科学”

可以不夸张地说,安全有效地从地下挖出矿石,所使用的技术与探测太空的航天科技基本相同。甚至有些方面采矿技术难度要超过航天技术。

我们都需要钻研和共享尖端前沿的“火箭科学”。

下接地气,上达天听。这就是采矿与航天科技的融合之道。


作者介绍

孟丹:天河道云(北京)科技有限公司首席科学家兼副总经理,中国矿业信息化协同创新北京市工程研究中心专家,加拿大北方先进矿业技术中心执行主任兼首席咨询顾问。

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