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让矿业更智能、高效、可持续——矿业行业新兴技术现状及发展评述

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-05-03  浏览次数:522
核心提示:让矿业更智能、高效、可持续——矿业行业新兴技术现状及发展评述
 矿业行业技术发展是第四次工业革命的组成部分,其特征是生产效率更高的机器以及某些操作任务的自动化、数字化、更快更大规模的连接性,以及智能网络在整个价值链的应用。我们期望矿业行业能够变得更加智能、高效、可持续,在就业方面变得更加高效、灵活。从目前的情况来看,技术创新正在以前所未有的速度提高矿业产能和效率。
  技术创新是矿业行业面临的一次颠覆性变革。矿业行业之前所经历的变革,与此次变革的速度和规模不可同日而语。这些可能发生的变革不仅会从根本上改变矿业的面貌,还将深刻地改变人们的生活和工作方式,以及人与机器和工作场所的关系,进而改变整个行业的规则。更重要的是,它将彻底改变行业(矿业企业、供应商)与东道国(政府、地方社区、其他非国家行动者等)之间已建立的关系。
  新兴技术的主要类别
  在评估技术变革的影响之前,必须清楚地了解矿业行业正在开发和应用的各项技术以及影响,这样才可以利用这些技术助推矿业行业发展。
  ——数字化基础技术。主要包括传感器技术、连接的可穿戴设备技术、无人机技术以及全球定位卫星(GPS)技术。
  传感器和可穿戴设备可应用于矿业行业价值链的各个环节,能够支持可提升采矿流程操作性能和效率的其他技术。例如,加拿大黄金公司在其位于加拿大的Eleonore矿山通过使用智能传感器每年可节省150万-250万美元的使用成本。而连接性可穿戴设备既可以提高工人的能力,又可以通过矿山和工厂管理人员捕获关键的实时信息,促进无缝沟通,并在必要时提供远程专家协助,从而解决问题、修复损坏的设备。澳大利亚的许多矿业企业,如力拓集团、必和必拓、纽克雷斯特矿业公司等都为员工配备了智能头盔等技术,旨在通过监测脑电波来测量疲劳程度,以减少疲劳引起的伤亡风险。
  无人机技术用途多种多样,包括获取地质数据、场地规划、岩面检查、实时爆破控制、水样采集、天气和环境条件的评估以及安全监测。
  一些企业在炮眼钻机和电缆铲车上安装的GPS系统有助于实时并准确地获取露天开采作业中的钻孔点或铲道位置的三维可视化信息。
  ——利用大数据优化产能的技术。主要包括机器学习、高级分析、硬件和设备自动化、机器人流程自动化、软件自动化、数字孪生以及云计算等。
  机器学习能够提升描述性、预测性和规范性任务的执行能力,例如能够实现预见性维护,从而减少停机时间和运营成本,同时提高产量;结合数据分析和算法,矿业企业能够基于对数据的认知做出更多的战略决策。硬件机器人和自动化设备由人工智能和机器学习驱动,尽管这些设备仍然需要人工进行远程控制操作,但自动化设备能够取代人力劳动。机器人流程自动化(RPA)工具能够执行后台财务操作和供应链管理等重复性任务。软件自动化工具有助于持续地实施控制作业,从而提高安全性和效率。
  数字孪生应用通过对采矿环境和作业设施的精确化、电子化、数字化呈现,提供了一个沉浸式虚拟环境,能够显著改善规划、管理和决策。
  ——集成和追踪大数据提高性能的技术。包括物联网和工业物联网、区块链以及射频识别和实时定位系统标签。
  (工业)物联网平台可以提高效率、最小化成本支出、优化设备管理、增加资产利用率、改善作业流程的实时性能监控,而5G网络的出现有望释放物联网平台的巨大潜力并提高其性能。2015年,德勤会计师事务所预计,全球物联网技术的增量贡献在2014年至2018年间从4000亿美元增至1万亿美元,到2020年达到1.9万亿美元。
  区块链技术可以提高信用度和透明度,并能够自动检测欺诈,降低了借贷套利和双重融资的风险。戴比尔斯钻石公司开发了一个区块链平台来追踪其钻石的去向,有助于解决可靠性和合规性问题。
  ——优化采矿流程的技术。包括水处理技术和节水技术、尾矿管理与回收技术、智能能源系统、电力采矿设备、生物技术以及生物采矿和生物矿化技术。这些新技术正被应用于绿色矿山,可以有效节约水资源、减少碳排放、减少污染等。在智利,加拿大巴里克黄金公司宣布,到2020年其所属的Zaldívar铜矿将会全部使用可再生能源,每年能够减少35万吨温室气体排放。英美资源集团制定了未来智能采矿计划,其目标之一是在采矿过程中不使用淡水,尤其是在矿石和废物(尾矿)的分离和运输过程中。
  ——可能影响采购的技术。主要包括增材制造技术,也就是为人熟知的3D和4D打印技术。它们能够建造更轻、更坚固的部件和系统,从而减少生产和交付时间。该工艺可以根据需要生产特定备件,并根据需要更换的部件特点进行定制。由于备件可以在距离矿山更近的地方生产,因此可以大大减少停机时间。这不仅与产品相关,还有可能彻底颠覆制造业。
  新兴技术的应用趋势
  创新技术形式多样,功能繁杂,究竟哪些技术在短期或中期最可能投入应用?2017年,埃森哲咨询公司(Accenture)进行了一项关于未来5年最受矿业企业青睐技术的调查。调查结果表明,截至2022年,排名前4的技术分别为:一是机器人和自动化(预计超过50%);二是无人驾驶车辆和无人机的应用;三是可穿戴设备和其他连接性装备的应用;四是远程运营中心,此项技术必须基于前3项技术。这些技术的结合足以改变矿业行业的组织和业务结构,从而改变企业与雇员、供应商、地方社区及东道国政府之间的关系。
  事实上,矿业企业正在寻求更先进、更尖端的中期技术,从而使目前正在实施的数字化、自动化和一体化环境的效益最大化。下一阶段的投资将继续优化先进过程控制系统,以在采矿作业的不同流程之间,尤其是在价值链的不同部分之间,建立更大的融合和更强的横向联系。
  在非洲,针对自动化的投资已不鲜见。在南非Northern Cape的Finsch钻石矿,全自动无人驾驶卡车已投入运营超过10年。2014年,英美资源集团在南非林波波省的Venetia地下钻石矿绿地项目中投资了全自动卡车、钻机和运输火车。
  刚果金的Kibali地下矿山同样对自动化和机械化进行了大量投资,以期提高产能。然而,这些矿山的盈利能力取决于能否获得价格实惠的电力。为此,矿业企业投资建设了水电系统,以确保可靠的电力供应。该矿山配备了非洲首个一体化的自动化矿石处理和竖井系统。
  在刚果金,加拿大艾芬豪矿业公司正在建设Kamoa/Kakula铜矿项目,预期将成为全球第二大铜矿,实现高度机械化地下作业。
  在加纳,由于转向合同开采,南非盎格鲁黄金公司通过对更为机械化作业的投资实现对Obuasi矿的现代化改造。该矿因改造而临时关闭时曾有4300个工作岗位,到2014年矿山重启时仅保留了550个工作岗位,这意味着减少了87%的劳动力。
  在拉丁美洲,智利在过去10年间一直在推动矿业行业的技术创新。自2008年以来,全球最大的铜出口商——智利国家铜业在其位于Antofagasta地区的Gabriela Mistral露天矿投入了18辆自动卡车。
  同样在智利,必和必拓成功测试了一种被称为“智能头盔(Smartcap)”的探测驾驶员疲劳的技术。通过在驾驶员的额头上装备电子条带测量用于指示疲劳程度的脑电波,其中的传感器与卡车车厢内的一个小型装置进行无线通信,向驾驶员和主管发出警告。
  Antofagasta地区的Minera Centinela矿正在测试新一代的全自动无人机,这些无人机将被用于绘制地图以及测量体积和地形。通过将数据输入到一个数据处理软件中,能够进行数据分析、规划和决策。
  英美资源集团在智利的Los Bronces矿,利用数字孪生技术监测运输性能。该技术还被用于监测巴西长达500千米的泥浆管道,以防止可能的泄漏。截至目前,该公司通过应用数字技术设备,经营额提高了约30%(其中,约15%来自于产能提升,约15%来自于成本下降)。
  在巴西,淡水河谷建立了人工智能中心,能够获取并分析其项目数据,从而提高基础设施的效率。其中一个项目专注于预测Carajás铁路线的钢轨断裂,那里经常发生严重的事故。通过结合数据和分析,淡水河谷在Salobo矿节省了800万美元,在一年内将越野卡车轮胎的使用寿命提高了约30%。
  在加拿大,越来越多的矿业企业正使用数字工具和技术来提高产能。在Glencore的Onaping Depth矿,数字系统被用于规划班组(shift-level)任务、监督任务进展、追踪延误和设备可用性。其目标是利用基于人-流程-技术整合的方法,减少操作可变性并提高产能。
  在中亚的哈萨克斯坦,Kacharsky矿已投入1000万美元,用于建立一个针对生产流程的新型模块化自动系统,该系统已被集成到现有的地理信息系统和企业资源规划系统中。通过传感器可以实时监控矿山,检测出在采矿过程中需要改变的地方,从而提高产能。当地政府于2017年宣布,将支持矿业行业的数字技术发展,为第四次工业革命做好充分准备。
  新兴技术发展的影响因素
  为何会产生这种颠覆性的变革?其驱动因素和阻碍因素又是什么?这些都是矿业行业健康快速发展必须破解的问题。
  具体来说,矿业行业产生颠覆性变革的驱动因素主要源于以下七点:一是矿业行业需要降低工人的健康和安全风险。对于一些在极端环境或偏远地区进行的采矿作业,不仅费时而且费用昂贵,同时还对工人的健康和安全造成威胁。因此,大量减少复杂和深部开采作业或偏远地区条件下工人数量的技术,有助于改善工人的安全,降低事故率和伤亡率,这也是矿业企业及其员工关心的重大问题。二是矿业行业需要降低运营成本,提高资产生产能力。由于市场波动、不可预测的商品周期、全球经济增长放缓等外部因素,矿业行业承受着巨大的现金流压力,不得不提高运营效率以缓解压力。创新技术的目的大都是为了提高产量和产能,建立更精干高效的生产和组织体系,因此能够为矿业企业管理运营成本提供新途径。三是矿业行业需要降低资产开发成本。全球仍有大量矿床有待勘探和开发。但是,伴随着不断增加的前期资本投资、新的资产位置越来越偏远、资源的开采难度或储存深度增加等因素,资产开发成本愈发增加。技术解决方案是降低这些资产开发成本的一种方式,但考虑到前期大量的资本投入,前沿技术能否成功应用还取决于投资项目的经济可行性和技术可行性。四是劳动力老龄化问题凸显。无论是在发达经济体还是新兴经济体,矿业行业都面临着劳动力迅速老龄化、退休率上升等问题。这些动态变化反过来又会转化为因技能短缺产生的巨额工资溢价,这些因素促使人们决定采用新技术。五是技术开发成本大幅下降。相比于劳动力等成本,技术开发和应用成本大幅下降,对于矿业行业来说具有更高的性价比。此外,矿业周期的许多环节已经非常适合市场化技术的集成(例如数据优化、自动车辆、高风险应用、无人机勘探、适用于变电站的手动任务等)。不得不承认,随着愈发成熟的技术市场化,矿业行业中的某些部分可能发生更快的变革。六是矿业企业改变传统思想,勇争龙头。传统上最先实施新技术的企业会承担较大的金融和监管风险,因此众多矿业企业更倾向于成为第二梯队成员,使用经过测试、成本低廉、发展成熟的新技术。但是,当今全球的技术投入明显增加,科技企业间的竞争愈发激烈,矿业企业的态度正在迅速转变,迫切需要创新。七是矿业行业面临着不断增加的环保压力。无论是投资规则还是对于可持续发展的承诺,都大幅增加了矿业行业面临的环保压力。矿业行业在整个供应链上越来越多地采用“绿色”技术,以减少水资源和能源的消耗,减少温室气体排放,增加对废物的回收利用等。
  虽然众多因素驱动矿业行业的颠覆性变革和技术迅速发展,但仍有一些因素会减缓或阻碍矿业行业对新技术的应用。例如,应用新技术会打破长期以来形成的价值链,因此面临着价值链中众多环节的障碍,包括经济上和政治上的障碍;应用新技术同样会带来新的安全挑战,对于一些不习惯使用新技术的工人,很可能给其带来危险;应用新技术还会给管理劳动力转化带来挑战,需要平衡管理趋于使用更少劳动力变化与填补劳动力缺口之间的关系;新技术的开发和应用需要较高的前期成本;新技术的应用需要全新的标准和规范,从而实现不同技术的可操作性。
  即使部分因素阻碍或减缓了技术创新和使用,但从大的发展趋势来看,新兴技术(尤其是颠覆性技术)在矿业行业中的应用愈发突出。过去10年间,技术创新和应用的步伐加速,对矿业行业产生了前所未有的影响,使企业和政府措手不及。从人工智能和聊天机器人的兴起,到机器人和物联网,新兴技术和创新性商业模式正在推动巨大的范式转变,未来政府和矿业企业需要“高瞻远瞩”,这样才能在变革中站稳脚跟,实现跨越式发展。□
  (作者单位:中国地质调查局国际矿业研究中心、中国地质调查局地学文献中心)
 
 
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