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从历史上来看，矿业行业在采用新方法和新技术方面相当保守。这既是由于缺乏为可提高运营效率的新技术提供资金的经济激励机制，又是由于缺乏管控矿业企业运营的强有力监管框架。
然而，矿业行业的高质量发展离不开资源和设备的大量投入。矿业企业在监测人员和设备状态方面表现出了极大的积极性，已开始与原始设备制造商（OEM）合作实施基于连接性采矿理念的示范应用。
但是，解决新的挑战需要新的方法。具体而言，矿业企业需要监测重型固定设备并实现这些设备的自动化作业，需要将分散的、多样化的且地处偏远的生产运营连接起来，从而提高作业人员的生产效率并确保其安全。
目前，矿业行业正在加速推进采矿自动化。据市场研究机构预测，到2025年，智能采矿市场的规模预计将增长三倍，届时预计25%的矿山将采用自主运营。
（1）创建更加安全的作业环境
采矿作业往往将工作人员置于潜在危险的环境中。美国劳工统计局将采矿列为最危险的十大职业之一。根据美国劳工部的统计，在过去40年里，更严格的安全法规以及行业安全措施令人欣慰地将美国煤矿行业的年死亡率降低了90%。
在提高安全性的同时，生产能力并没有受到影响。相反，生产能力也得到了提高，从而使矿山更安全且更具盈利能力。
尽管采矿作业仍然面临危险，但是智能采矿有可能拯救生命。根据埃森哲与世界经济论坛发布的一份白皮书，在未来10年里，矿山数字化、智能化发展可以避免多达1000人死亡和44000人受伤。这意味着死亡人数将减少10%，受伤人数将减少20%。
（2）通过连接性实现可持续发展
矿业企业的首席执行官们面临的另一项重大挑战是保留其经营许可证。这取决于他们控制和减少采矿对环境和社会重大影响的能力。
尽管如此，在上个世纪，由于越来越多技术的采用，该行业的安全和环境记录有所改善。如果实现矿山工作人员、环境模拟和自动化作业之间的互连，矿山经营者就可以监测矿山生产并及早发现潜在的危险情况，以便在任何人受到伤害之前排除隐患。实现自动化作业将使矿业企业通过减少燃料消耗和降低二氧化碳排放来提高其可持续发展能力。
（3）防止网络攻击
数字化转型仍然是矿业行业的首要目标之一。这涉及大数据的获取与分析，这是因为数据驱动的运营将更好地优化其资产配置，提高利润率并促进更长期的管理。
但是，随着矿业行业运营的进一步数字化，他们意识到必须加强网络安全，因为网络攻击变得越来越普遍。例如，根据安永发布的《2018~2019年全球信息安全调查》报告，在2017年，54%的矿业企业报告过一次重大网络安全事件。这些频繁的攻击凸显需要具备更好的网络安全，以保护矿业企业的敏感数据。
（4）客户成为新的竞争对手
矿业企业面临的另一项挑战是，他们必须面对其来自技术行业的客户的竞争。这些大型科技企业已经非常擅长利用数据和智能技术实现他们的目标。为了寻找新的方式满足其对原材料需求，一些技术公司已经开展了属于自己的矿业领域经营。
例如，为了降低采购成本，特斯拉计划进军矿业行业，开采属于自己的锂资源以用于汽车电池的生产。根据Melissa Garside发布的《2018~2025年全球锂需求预测》报告，到2025年，仅作为电池关键原材料的锂的需求就将增长三倍。
矿业行业只有在创新矿物开采、运输和加工方式时，才能适应新的数字时代。例如，实现卡车、铲运机和钻机的自主和远程作业不仅能提高效率，也能让工作人员远离危险。
矿山管理团队可以通过获取和分析有关车辆、设备和人员的精确位置和作业表现的跟踪数据来进一步优化运营。此外，矿山管理团队还可以获取有关矿产资源赋存位置和品位的数据，以评估价值链内的矿石量和废石量。
目前，智能采矿技术的应用仍处于早期阶段，但市场上已经出现大量可供使用的系统和产品，可大幅度降低成本、提高效率和改善安全性，为投资者、员工和其他利益相关者带来实实在在的利益。
虽然智能采矿刚刚起步，但是有一点我们非常确定，那就是未来的智能矿山将建立在万物互联的基础上。专用蜂窝网络可提供互联能力，从而帮助建设未来智能矿山。
[专用蜂窝网络，在本地部署的仅供机构自己使用的内部蜂窝网络。对于采矿作业，专用蜂窝网络通常包括非常偏远地区和地下巷道内的设施，这些设施通常不在公共峰窝网络的覆盖范围以内。目前，大部分专用蜂窝网络都是具备5G功能的4G LTE网络。到2021年，基于5G蜂窝技术的专用网络有望广泛普及。]
无论部署何种新技术，智能采矿都依赖于提供基于无线连接的强大基础网络。该基础网络便是蜂窝网络。矿业企业部署的任何网络基础设施必须能够处理车辆、设备和工作人员产生的大量数据。例如，远程凿岩系统和无人驾驶飞行器（UAV）产生的实时视频流必须传输至一个远程运营系统。为了正常运行，这需要足够的带宽和高度可靠的网络连接。为了避免人员伤亡和尽量减少经济损失，语音和数据通信服务对采矿作业至关重要，在紧急情况下尤其如此。5G专用蜂窝网络完全能够满足上述所有要求。
正如下面案例将要证明的，5G专用蜂窝网络可以提供智能采矿需要的功能最强大的连接能力。虽然许多专用蜂窝网络是具有5G功能的4G LTE网络，但是在高设备密度环境中，5G专用蜂窝网络的高速连接、低延迟和强劲性能在实现智能采矿方面将发挥关键作用。
5G专用蜂窝网络将减少95%的往返延迟，为智能矿山运营提供所需的高上行速度。将利用极其高效的图像编码算法处理8K超高分辨率图像。
5G专用蜂窝网络还针对物联网进行高度优化，提供了低能耗、高安全性和高设备密度网络环境。与传统网络相比，5G专用蜂窝网络为许可和未许可的频谱提供了一个完整的解决方案以及无缝的蜂窝车联网（c-v2x）连接能力。
这种高数据量与低延迟相结合的方式可以形成在竞争中领先所需的商业优势。
下面将介绍的5个案例是爱立信（Ericsson）与小松（Komatsu）和安百拓（Epiroc）合作开展的研究，确定了智能采矿技术能在短期内创造的最大效益。具体包括：无人驾驶车辆，实时状态监测，遥控凿岩，无人机巡检，智能通风控制。
[小松总部位于日本东京，是一家全球化的重型设备制造企业，所服务的行业涉及建筑业、矿业、林业等。小松为矿业行业提供重要的设备、系统和解决方案。世界各地的矿业企业利用小松的产品开采重要矿物，以满足现代基础设施建设、技术发展和消费品生产对矿产品的需求。小松旗下品牌包括Modular Mining、P&H、Joy和Montabert。这些子公司都为矿业及相关行业提供设备和服务。]
[安百拓总部位于瑞典德哥尔摩，是一家旨在提升全球矿业和基础设施行业生产能力的设备制造企业。安百拓利用尖端技术开发和生产创新、安全且可持续的钻机、岩石采掘及建筑设备和工具。该公司也提供世界级的服务和解决方案，满足对自动化和互操作性的需求。]
（1）研究方法
自2017年以来，通过与理特管理顾问公司（Arthur D.Little）合作，爱立信发布了一系列关于蜂窝网络连接和5G技术如何为各个工业领域创造价值的研究报告。
在这项研究中，爱立信扩大了合作范围，包括小松和安百拓，目的是深入研究蜂窝网络和5G技术在智能采矿方面的应用。
2020年完成的这项合作研究全面、深入地分析了这些技术在矿业行业能创造高附加价值并解决行业最急迫痛点的5个案例。为了评估这些案例能够创造的经济、社会和环境效益，根据实际矿山提供的具体并经确认的关键绩效指标，选择了两座基准矿山，包括一座露天矿和一座地下矿，然后，对于部署的每个由蜂窝网络连接赋能的案例，全面分析了其从部署至进入稳定运行状态为矿山创造的附加价值。
这些分析结果经过了小松、安百拓和其他专家的仔细确认。将每个案例创造的附加价值进行累加，计算得出所有案例创造的总效益。两座基准矿山的基本信息如下：
露天矿：位于阿根廷的一座金矿，开采规模为2500万吨/年，收入5.3亿美元，毛利润1.7亿美元。
地下矿：位于巴西的一座金矿，开采规模为200万吨/年，收入1.95亿美元，毛利润8500万美元。这两座基准矿山具有足够大的规模，允许详细模拟所有的关键采矿参数和计算各案例创造的实际效益。
（2）无人驾驶车辆
虽然工业化矿山内已采用了成本高昂的安全防范措施，但是将矿石从矿山运输至附近堆矿场然后再转运至选厂仍然对工作人员构成严重风险。用于矿石运输的车辆通常很大，使驾驶人员的视野常常受到限制。
据美国劳工部矿山安全与健康管理局统计，在矿山的所有事故死亡人数中，运输事故的占比高达25%。据Robin Burgess-Limerick在人体工程学开放期刊中发表的论文称，对于地下矿，装运卸（LHD）作业发生的事故在所有伤亡事故中的占比高达8%，车辆驾驶人员最常受到伤害。运输成本在矿山成本中的占比也非常高。
据Boliden于2008年发布的《矿山成本因素》报告称，在一座典型的露天矿，运输成本约占采矿成本的约30%。目前，无人驾驶运输系统实现了高度的自动化，所有核心功能实现了自主控制。这类卡车安装有车载传感器和回传系统以及用于进行边缘计算和车辆最终控制的本地计算设备。无人驾驶车辆可以显著提高矿山效率和安全性。
因此，实施无人驾驶运输不仅能提高安全性，还能显著降低成本。截至2020年，只有相对较少的露天矿采用了无人驾驶矿用卡车。因此，在矿业行业推广无人驾驶运输系统仍有很多机会。
对于矿业行业，无人驾驶运输是一项提高生产能力的开创性技术。作为全球最大的金属和采矿企业之一的力拓集团就是例证。据Sam Francis在《Robotics & Automation》期刊发表的论文称，在采用小松的FrontRunner无人驾驶运输系统之后，该公司的生产能力提高了34%。卡车的控制得到了明显改善，单位运行时间的维修成本平均减少了13%。此外，燃油消耗也有所下降。自2008年首次应用以来，无人驾驶运输已经取得长足的进步。
最初，运输车辆仅实现辅助性和部分自动化，即其中一些操作决策实现了自动化，并向驾驶人员提供反馈信息，使其提高任务执行的效率。这些应用利用了车辆管理系统和全球导航卫星系统（例如GPS）。后来，运输系统实现了有条件的自动化以及核心功能的自动化。这种自动化使得操作人员只有在必要时或者操作复杂功能时才进行干预。稳健的通信网络是无人驾驶运输系统的一项关键赋能技术。
5G专用蜂窝网络提供了一个具有高灵活性、高可用性和低延迟的通信网络，以提供所需的覆盖范围、容量和响应能力。此外，这些网络可以与许可和未许可的频谱相结合，也就是说，卡车只需要一个回传网络就可以满足所有的通信需求。由于5G网络需要的节点数更少，因此在大多数情况下，矿山需要维护的现场设备也更少。
无人驾驶运输本身不需要很多的带宽，但是确实需要稳定的网络连接。然而，在地下应用中需要传输视频流，因此自动化装运卸作业对带宽的需求要高得多。
在地下应用中，净链路传输能力应允许至少16兆字节/秒。随着技术的成熟，实现完全自动化的道路是明确的。完全自动化将使所有功能实现自动控制，包括整个矿山计划的自动执行。无人驾驶车辆从矿山工作人员安全性、环境和整体经济性三个方面为矿山创造明确的底线效益。这里将基准露天矿的经济效益达到总收入的约1.6%作为年度稳态净值。因此，到第十年时，投资回报率为72%。投资回收期少于7年。
（3）实时状态监测
矿山环境非常恶劣。在这样的环境中，设备的使用对部件的寿命和操作人员的安全都有很大的影响。
根据对1995~2005年美国采矿作业中与设备相关的致命事故的分析，多达90%的致命采矿事故与设备相关，维修成本占矿山设备成本的41%。然而，Stephan Romeder在《预测性维护如何影响未来工厂》论文中指出，通过获取和分析设备数据，可以防止70%与设备相关的故障。
为了提供具有成本意识且完美的设备维护，必须针对各台设备量身定制维护计划。如果只在需要时才进行维护，矿业企业不仅可以确保其资产始终处于良好状态，而且可以显著降低维护成本。
实时状态监测优化了设备运行时间，提高了矿山安全性。根据Modular Mining的维护管理网络研讨会，如果从被动维护策略过渡至主动维护策略，则计划外维护工作量可减少25%。这降低了总维护成本，使矿山经营者减少备用设备数量，从而减少总资本支出。在这次网络研讨会上，与会者提出，如果专注于排除特定设备的故障，而不是实施“一刀切”的维护计划，则矿山经营者可以将平均故障间隔时间延长150%。考虑到实时状态监测具有许多优势，矿山经营者可以使被监测设备的维护成本平均降低20%。根据模拟结果，80%的设备适合进行实时状态监测。采矿设备管理系统已经使用了数十年。
现在，对健康和维护过程的实时监测使矿山经营者进行积极主动的维护，从而通过大大减少故障排除和设备维修的时间来优化设备的正常运行时间。这些能力有助于矿山就如何优化维修计划作出知情决策。
矿山运营商首先通过原始设备制造商的系统或第三方的系统从车载采矿设备获取数据。这些数据被收集于一台车载计算机中，然后通过无线网络传送至中央云计算环境，在那里可以对这些数据进行分析，以提供可视化信息和深度认识。这种对设备状态的“大数据”积累使作业人员不仅能够了解设备的历史和当前状态，而且能够预测设备的未来状态。
虽然采矿设备的维护管理可以在有限的带宽环境中进行，但是5G专用蜂窝网络可以扩大数据储量，增加捕获的指标个数，增加可监测的机器和设备的数量。随着带宽的增加，可以捕获更多的指标。这包括与设备维护状态可能间接相关的指标，例如温度的变化。
此外，随着带宽的增加，能够以更高的分辨率捕获指标，以更高的频率捕获和传输数据。在每分钟内仅有一秒钟捕获和传输数据与在每分钟内每一秒钟都捕获和传输数据之间存在很大的差异。连续捕获数据使信息密度增加了60倍。
实时状态监测不仅能使设备处于良好状态，也能显著提高矿山的总体经济效益以及改善工作人员的安全性。这里将基准露天矿的经济效益达到总收入的约1%作为年度稳态净值。因此，到第五年时，投资回报率为288%。投资回收期少于2年。
（4）遥控凿岩
露天和地下钻掘是露天矿和地下矿不可或缺的工序。在一座典型的露天矿，凿岩成本占采矿成本的5%。但是，凿岩尤其是地下凿岩对工作人员的安全、环境和矿山经济效益构成很大风险。如果实现钻机遥控和自动作业，操作人员可以提高凿岩的精度、准确度和成本效益。
实现凿岩自动化的理由很有说服力。根据安百拓发表的一篇标题为“Aitik矿——大步走向全面自动化”的文章，在Aitik矿实现凿岩遥控和半自动化后，设备利用率提高了75%。在这种情况下，由操作人员启动钻机的凿岩过程，钻机会自动在钻孔之间自动移动进行凿岩。
据牛津大学发布的《Technology at Work》报告称，与手动控制凿岩相比，遥控凿岩的速度更快，生产能力可被大幅提高60%。
Apatit JSC旗下的Kirovsk磷灰石矿是自动凿岩的一个成功案例。该矿是俄罗斯的一座“闭路循环”矿山，从世界最大的磷矿床之一开采磷灰石矿石，并生产磷灰石精矿。2018年，Apatit在Kirovsk矿的3台钻机上安装了安百拓的遥控凿岩系统以及用于钻机遥控和监测的远程信息处理系统。在项目试验期间，在地面建立了一个专门的钻机控制站。试验结果表明，该矿山通过实现地下凿岩自动化显著降低了操作人员的安全风险，也使钻机的生产能力提高了20%，其中一台钻机的利用率提高至95%。
为了发挥遥控和自动凿岩的优势，在遥控凿岩时，必须将同一台钻机上的多个系统同时接入网络，为视频流提供高带宽，以及为高质量的服务建立可靠的网络连接。
由于5G专用峰窝网络能在许可和未许可的频谱中使用，并且具有高上行链路速度和非常低的延迟，因此为遥控凿岩提供了理想的网络连接解决方案。
遥控凿岩从矿山工作人员安全性、环境和整体经济性三个方面为矿山创造明确的底线效益。
这里将基准地下矿的经济效益达到总收入的约0.6%作为年度稳态净值。因此，到第十年时，投资回报率为200%。投资回收期少于4年。
（5）无人机巡检
至少自2016年以来，力拓（Rio Tinto）、必和必拓（BHP）和英美资源集团（Anglo American）等矿业巨头一直在测试无人机的应用。无人机可以监测、巡检和测绘对工作人员具有潜在危险的地下环境。
此外，无人机可以显著提高采空区的巡检速度，生成更精确的采空区模型，允许矿山经营者制定更精确的和成本效益更高的充填计划，从而减少采空区的充填材料需求。
在地下矿进行爆破后，必须为车辆建立新的行驶路线。通常情况下，这项工作基本上每天进行一次，造成车辆等待时间长达约一个小时。根据理特管理顾问公司和安百拓2020年的一次访谈调查中一名专家的估计，如果采用无人机对爆破后尚未确认对工作人员是否安全的区域进行巡检，则可以使上述的设备等待时间缩短7%。
利用无人机进行矿山巡检和测绘需要一个稳健的无线通信网络。在采集实时视频流时，无人机会消耗大量带宽。为了精确操纵飞行中的无人机，无人机接入的网络必须满足传输4K视频对低延迟和高可靠性的要求。
对实现无人机巡检的投资将帮助矿山提高经济效益。这里将基准地下矿的经济效益达到总收入的约0.3%作为年度稳态净值。因此，到第五年时，投资回报率为153%。投资回收期少于3年。
（6）智能通风控制
通风是控制地下矿空气条件的基础，是稀释井下空气中有毒有害物质的主要方法，也是地下矿的一个重要成本构成要素。因此，通风控制非常重要。据Leandro de Vilhena Costa和José Margarida da Silva在《REM》国际工程类期刊发表的论文称，通风在矿山能源成本中的占比可能高达50%，占矿山总成本的约15%。
一座地下矿的未来效率取决于能否提供有效的地下通风。更清洁的井下空气将显著提高生产效率。
智能通风有可能提高未来的生产效率，自动化将提供许多优势。智能通风将创造更安全的环境，通过使用传感器优化空气质量并降低通风总成本。
一个有效且高效的通风系统可以更快速地驱散炮烟以及缩短爆破后的设备等待时间。根据ABB的《2015年智能通风》报告，按需求自动通风可以使地下矿的通风成本减少30%。
实现通风机、通风窗（百叶窗和活动窗）和通风门的自动控制和监测还可以进一步节省20%的能源成本。实时监测可以提高通风效率，进一步节省10%的成本。综上所述，智能通风可以使地下矿的通风成本最高降低60%。
智能通风需要一个可靠且安全的网络连接，具有足够高的带宽和足够低的延迟，从而实现实时数据传输。5G专用蜂窝网络的低延迟、高可靠性和高安全性使其成为了实现智能通风的一项关键赋能技术，提供了安全的网络功能，可以覆盖任何矿山的深部工作区。
遥控凿岩从矿山工作人员安全性、能源利用率和整体经济性三个方面为矿山创造明确的底线效益。
这里将基准地下矿的经济效益达到总收入的约1.9%作为年度稳态净值。因此，到第五年时，投资回报率为40%，完全基于节省的通风成本计算。投资回收期少于3年。
上面所述的5个智能采矿案例为矿业行业提供了可以采用并具有吸引力的商业案例。这些案例可以增加企业的灵活性，提高企业的运营效率，提升企业的智能化水平。无论在露天矿或地下矿，都将创造显著的安全效益、环境效益和经济效益。
（1）露天矿
在露天矿，无人驾驶车辆、实时状态监测和遥控钻机都将提高效率、生产能力和安全性以及降低环境影响。
如果这三个案例都在基准露天矿部署和应用，总的年度稳态净值效益将达到1500万美元，占矿山收入的2.9%。这意味着，在总投入4000万美元之后，到第十年，这三个案例的总投资回报率为207%。
（2）地下矿
无人驾驶车辆、实时状态监测和遥控钻机也可以为地下矿创造效益。但除此之外，本报告还增加了经济效益非常显著的无人机巡检和智能通风控制两个案例。
虽然与露天矿相比，在地下矿实施这些应用更加复杂，但是创造的效益在收入中的占比要高得多。
如果这五个案例都在基准地下矿部署和应用，总的年度稳态净值效益达到900万美元，占矿山收入的4.4%。这意味着，在总投入2100万美元之后，至第十年，这五个案例的总投资回报率为256%。
|来源：地质云
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