摘要
任何新的理論都有適用范圍,并要給出準(zhǔn)確的定義,才能正確指導(dǎo)其發(fā)展方向。發(fā)展智能爆破已經(jīng)成為業(yè)界的共識(shí),但是如何定義智能爆破,以及智能爆破應(yīng)該研究哪些內(nèi)容,業(yè)內(nèi)尚無定論。根據(jù)“智能”的外延、內(nèi)涵及“爆破”的研究范疇,闡明了“智能爆破”定義:采用5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù),將爆破的設(shè)計(jì)、施工、管理、服務(wù)等各環(huán)節(jié)生產(chǎn)活動(dòng)相聯(lián)結(jié)與融合,建立具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能特性的綜合集成爆破技術(shù),解決以往需要人類專家才能處理的爆破問題,達(dá)到安全、綠色、智能、高效的工程目的。在此基礎(chǔ)上,明確了智能爆破的主要研究?jī)?nèi)容,包括:智能爆破的理論與方法、爆破過程多元異質(zhì)信息采集與挖掘技術(shù),爆破環(huán)境的智能感知技術(shù),高度智能化的爆破施工設(shè)備與技術(shù),爆破信息的傳輸、交互與處理技術(shù),并討論了智能爆破的典型工程應(yīng)用場(chǎng)景。最后指出了今后一段時(shí)期智能爆破的發(fā)展方向,供相關(guān)研究參考。
作者及單位
吳春平1,2， 汪旭光1,3
1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.礦冶科技集團(tuán)有限公司
作者介紹
吳春平，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師。主要從事采礦工藝、智能爆破、爆破安全等領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作，先后主持或參與國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家科技支撐計(jì)劃、公益性科研專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、企業(yè)橫向項(xiàng)目或課題30余項(xiàng)。出版《智能爆破》等學(xué)術(shù)專著2部，參編學(xué)術(shù)專著4部。發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)、實(shí)用新型專利1項(xiàng)。參與制修訂北京市地方標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)5項(xiàng)、二等獎(jiǎng)6項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。兼任國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)評(píng)審專家、中國(guó)工程爆破協(xié)會(huì)第五屆理事會(huì)理事、中國(guó)爆破行業(yè)協(xié)會(huì)第六屆理事會(huì)理事、中國(guó)爆破行業(yè)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員、中國(guó)爆破行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員、科技部國(guó)家科技專家、工業(yè)和信息化部工業(yè)領(lǐng)域評(píng)標(biāo)評(píng)審專家、《金屬礦山》雜志編委等職。
引用格式
吳春平,汪旭光.智能爆破的基本概念與研究?jī)?nèi)容[J].金屬礦山,2023(5):59-63.
正文
為了促進(jìn)“智能爆破”的健康發(fā)展,有必要給“智能爆破”一個(gè)準(zhǔn)確的定義,明確其主要研究?jī)?nèi)容。“智能”并非近年才出現(xiàn)的概念,人們往往對(duì)“智能”有一些誤解,所以從哲學(xué)層面厘清“智能”的含義才能真正理解“智能爆破”的實(shí)質(zhì)。此外,合理界定“爆破”的范疇,是確定“智能爆破”應(yīng)用場(chǎng)景的必然要求。本研究闡明了“智能爆破”的定義及其內(nèi)涵,進(jìn)一步明確了其研究?jī)?nèi)容,為后續(xù)相關(guān)研究提供有益參考。
1 智能爆破的定義
要給“智能爆破”一個(gè)準(zhǔn)確的定義是一件非常困難的事。首先,要解決什么是“智能”的哲學(xué)含義;其次,要界定“爆破”的范疇。而這兩點(diǎn)至今學(xué)術(shù)界尚無定論。
1.1 什么是“智能”
智能是人類個(gè)體有目的的行為、合理的思維以及有效適應(yīng)環(huán)境的綜合能力。人類個(gè)體的智能是一種綜合能力,可以包括感知與認(rèn)識(shí)客觀事物、客觀世界與自我的能力,通過學(xué)習(xí)取得經(jīng)驗(yàn)、積累知識(shí)的努力,理解知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)分析問題和解決問題的能力,聯(lián)想、推理、判斷、決策的能力,運(yùn)用語言進(jìn)行抽象、概括的能力,發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、創(chuàng)造、創(chuàng)新的能力,實(shí)時(shí)地、迅速地、合理地應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的能力,預(yù)測(cè)、洞察事物發(fā)展變化的能力等。
人們往往有個(gè)誤區(qū),是將“人工智能”與“自動(dòng)化”混為一談。不可否認(rèn),自動(dòng)化系統(tǒng)有相當(dāng)多的智能特征,但是自動(dòng)化是在規(guī)定的范圍內(nèi)所做的操作。而人工智能的算法及運(yùn)算步驟雖然從理論上可以追蹤,但是因?yàn)樗挠?jì)算量巨大,使得算法追蹤變得困難甚至不可能,所以人們感覺有“智能”的存在。
人工智能是分層次的概念,從發(fā)展階段來說,一般分為3 個(gè)層次,即:弱人工智能、強(qiáng)人工智能、超人工智能。目前的人工智能還處于第1 個(gè)層次,智能在某些領(lǐng)域與人差不多,但還無法超越人類。
1.2 “爆破”的范疇
爆破是利用炸藥的爆炸能量對(duì)介質(zhì)做功,以達(dá)到預(yù)定開挖、拆除和加工處理等工程目標(biāo)的作業(yè)。
現(xiàn)代工程爆破主要包括巖土爆破、拆除爆破、地震勘探爆破、油氣井燃燒爆破、爆炸加工、高溫爆破、水下爆破、滅火爆破、醫(yī)學(xué)微型爆破等類型。根據(jù)爆破方法或者應(yīng)用場(chǎng)景的不同,這些爆破又可以細(xì)分為具體的爆破方式。
按照狹義的理解,爆破的范疇涉及爆破設(shè)計(jì)、布孔、鑿巖、裝藥、連線、起爆、監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)。
按照廣義的理解,爆破的范疇除了狹義概念外,還應(yīng)包含炸藥、雷管等爆破器材的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用,以及為爆破作業(yè)的順利實(shí)施,與爆破相關(guān)的設(shè)備、儀器的安裝、使用,直至各類爆破作業(yè)的組織與實(shí)施完成。
因此,智能爆破所述“爆破”范疇?wèi)?yīng)包含炸藥、雷管等爆破器材從生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)绞褂?全生命周期所涉及的裝備、實(shí)施過程。
1.3 “智能爆破”的定義
根據(jù)“智能”的外延、內(nèi)涵和“爆破”的研究范疇,作者出版的《智能爆破》一書中首次提出了“智能爆破”的準(zhǔn)確定義:采用5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù),將爆破的設(shè)計(jì)、施工、管理、服務(wù)等各環(huán)節(jié)生產(chǎn)活動(dòng)相聯(lián)結(jié)與融合,建立具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能特性的綜合集成爆破技術(shù),解決以往需要人類專家才能處理的爆破問題,達(dá)到安全、綠色、智能、高效的工程目的,其英文名稱為“Intelligent Blasting”。
上述定義明確了智能爆破的核心是利用新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)爆破的智能化,確定了智能爆破的范疇是爆破的設(shè)計(jì)、施工、管理、服務(wù)等生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié),給出了實(shí)現(xiàn)智能爆破的途徑是建立具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策以及精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能特性的綜合集成爆破技術(shù),指明了智能爆破的目標(biāo)是解決人類專家才能處理的爆破問題,達(dá)到安全、綠色、智能、高效的工程目的(圖1)。
圖1 智能爆破的應(yīng)用場(chǎng)景
Fig.1 Application scenario of intelligent blasting
2 智能爆破的主要研究?jī)?nèi)容
智能爆破除了包含傳統(tǒng)爆破的內(nèi)容外,最主要的還是研究包括新一代信息技術(shù)在內(nèi)的現(xiàn)代化技術(shù)手段在爆破行業(yè)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)爆破的設(shè)計(jì)、施工、管理、服務(wù)等生產(chǎn)活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化[5]。其主要內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面。
2.1 智能爆破的理論與方法
爆破理論研究的公式多為通過大量的試驗(yàn)研究獲得的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式,或者通過設(shè)定假設(shè)條件、采用量綱分析方式推導(dǎo)得出。在爆破設(shè)計(jì)或校核過程中,經(jīng)過這些公式推導(dǎo)得出的往往不是精確解,而是非確定解,通常還需要有經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行判斷,選取合適的值。但是這種專家經(jīng)驗(yàn)的取值方式因人而異,往往差異較大,難以保證每次爆破都能取得相同的爆破效果。
人工智能技術(shù)通過深度學(xué)習(xí)等手段,可以經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算過程,不斷學(xué)習(xí),無限接近最優(yōu)解,從而解決爆破理論經(jīng)驗(yàn)公式存在的非確定解問題。
雖然利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)爆破飛石預(yù)測(cè)、爆破方法選擇等方面,已經(jīng)有了大量的研究.但是采用人工智能技術(shù)研究智能爆破理論才剛起步,仍然有很多實(shí)際工作需要做,研究過程中也會(huì)遇到各種技術(shù)難題,需要爆破行業(yè)內(nèi)的廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員共同努力。
2.2 爆破過程多元異質(zhì)信息采集與挖掘技術(shù)
爆破伴隨著炸藥的爆炸和巖石等介質(zhì)的物理作用過程,將產(chǎn)生大量的信息,例如爆破振動(dòng)速度、加速度、頻率,巖性參數(shù)等。這些信息是多元、異質(zhì)的,目前所能采集的信息仍然十分有限。因此需要研究這些信息的采集技術(shù),解決爆破信息的全面采集難題,確保大數(shù)據(jù)的有效性、完整性。
采集到的信息對(duì)爆破設(shè)計(jì)、施工是否有用,需要通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行深度分析,最終確定需要采集的信息類型,以提高信息采集效率和針對(duì)性。同時(shí),大數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果還將用于爆破參數(shù)和爆破方案的優(yōu)化。
2.3 爆破環(huán)境的智能感知技術(shù)
爆破施工所面臨的環(huán)境信息千差萬別。例如:在礦山爆破過程中,礦體的形狀、品位信息;在拆除爆破過程中,建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)形態(tài)、地下管網(wǎng)等信息。這些環(huán)境信息的感知對(duì)爆破作業(yè)成功實(shí)施起到重要的支撐作用。目前已有三維激光掃描技術(shù)[8]可以獲取礦山爆破的表面輪廓、坐標(biāo)信息。將這些信息與三維爆破設(shè)計(jì)軟件相結(jié)合,可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。在拆除爆破方面,已經(jīng)有學(xué)者通過無人機(jī)航拍等手段,將拍攝的二維圖片進(jìn)行三維重建,獲取建(構(gòu))筑物及周邊環(huán)境的三維圖像[9],使得爆破環(huán)境的感知能力大幅提升。
上述嘗試只是爆破在向智能化方向邁出的一步,要準(zhǔn)確感知爆破環(huán)境信息,還需要做大量的工作,將新一代信息技術(shù)和傳感器技術(shù)大量應(yīng)用到爆破領(lǐng)域,大幅提高爆破環(huán)境的感知能力和速度,提高信息感知的質(zhì)量,才能保證爆破的設(shè)計(jì)、施工有精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
2.4 爆破環(huán)境的智能感知技術(shù)
爆破是一門技術(shù)科學(xué),它既需要理論的指導(dǎo),更需要爆破施工設(shè)備與技術(shù)實(shí)施。高度智能化的爆破施工設(shè)備與技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能爆破設(shè)計(jì)意圖的重要途徑。例如在鑿巖穿孔方面,傳統(tǒng)的氣腿式鑿巖機(jī)定位誤差較大,人工作業(yè)效率低,無法有效滿足智能爆破的高精度要求。先進(jìn)的智能化鉆機(jī)可以將爆破設(shè)計(jì)方案輸入車載計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)快速定位鉆孔位置、自動(dòng)打孔,并能將鉆孔深度、角度等信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,大大提高了施工的精度、效率和信息化程度。在炸藥裝填技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)已研制成功基于炮孔圖像識(shí)別、無線通信、定位導(dǎo)航等技術(shù)的地下智能乳化炸藥混裝車,實(shí)現(xiàn)了乳化炸藥裝填作業(yè)過程的智能化和無人化(圖2)。
圖2 智能地下乳化炸藥混裝車
Fig.2 Intelligent underground emulsion explosives loading truck
爆破施工設(shè)備與技術(shù)今后發(fā)展的方向應(yīng)是在智能爆破思想指導(dǎo)下,對(duì)傳統(tǒng)爆破所涉及的鑿巖、裝藥等技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行智能化改造,或者研發(fā)更好的替代技術(shù)和設(shè)備,使智能爆破貫穿爆破的全過程,實(shí)現(xiàn)鑿巖、裝藥、起爆以及爆破效果監(jiān)測(cè)、分析等工序與相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)的協(xié)同和無縫銜接。
2.5 爆破環(huán)境的智能感知技術(shù)
由于信息獲取的技術(shù)手段有限且信息傳輸?shù)臏笮缘纫蛩?傳統(tǒng)爆破信息的孤島效應(yīng)十分突出。爆破信息不能實(shí)現(xiàn)交互,使得爆破信息利用率不高,爆破的設(shè)計(jì)、分析、決策等環(huán)節(jié)可以參考的信息較少,往往造成誤判。例如在地下爆破過程中,爆破作業(yè)面距離主巷道往往達(dá)到數(shù)百米,由于現(xiàn)有技術(shù)的限制,爆破作業(yè)面通常不會(huì)布設(shè)通信設(shè)施,鉆孔、裝藥、連線、起爆等爆破信息無法及時(shí)傳輸?shù)秸{(diào)度中心,使得爆破作業(yè)效果分析無法及時(shí)開展。5G、可見光通信等技術(shù)將為爆破信息的傳輸提供高速率、低延時(shí)的支撐條件。
可見光通信技術(shù)是利用可見光波段的光作為信息載體,無需光纖等有線信道的傳輸介質(zhì),在空氣中直接傳輸光信號(hào)的通信方式。它具有高速率性、無電磁輻射、密度高,成本低、頻譜豐富、高保密性等優(yōu)勢(shì)。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)、可見光通信技術(shù)的逐漸成熟,今后在地下開展爆破作業(yè)時(shí)利用新的通信技術(shù),實(shí)時(shí)傳輸爆破信息,將爆破相關(guān)的信息節(jié)點(diǎn)打通,實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互與處理,是實(shí)現(xiàn)智能爆破的重要前提條件(圖3)。
圖3 5G 網(wǎng)絡(luò)在地下礦山實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用
Fig.3 Industrial application of 5G network in underground mines
爆破信息的交互與處理技術(shù)也是重要的研究方向。由于爆破信息計(jì)算的實(shí)時(shí)性需求以及大數(shù)據(jù)量的運(yùn)算復(fù)雜性,需要云計(jì)算(Cloud Computing)、霧計(jì)算(Fog Computing)、邊緣計(jì)算(Edge Computing)技術(shù),以解決智能爆破數(shù)據(jù)的快速計(jì)算與反饋問題,提高爆破作業(yè)的智能化程度。
2.6 典型工程應(yīng)用場(chǎng)景
爆破是應(yīng)用科學(xué),智能爆破的理論需要大量的工程應(yīng)用進(jìn)行檢驗(yàn),并在實(shí)踐過程中對(duì)智能爆破理論和技術(shù)體系進(jìn)行完善。因此,在今后發(fā)展中,需要對(duì)露天、地下、隧道、水下、爆炸加工等典型工程背景的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行智能爆破理論和技術(shù)研究,以促使智能爆破技術(shù)不斷進(jìn)步。特別是針對(duì)具有“三高一擾動(dòng)”特征的深部地下礦山、高寒高海拔地區(qū)礦山和條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣的爆破環(huán)境,應(yīng)加快研究如何通過智能爆破技術(shù),減少或避免人員直接暴露在高風(fēng)險(xiǎn)爆破環(huán)境中,提高爆破作業(yè)的安全水平。
3 結(jié) 論
本研究從“智能”的哲學(xué)含義、“爆破”的范疇著手,給出了“智能爆破”的準(zhǔn)確定義,明確了“智能爆破”的研究?jī)?nèi)容。所得結(jié)論如下:
(1)根據(jù)“智能”的外延、內(nèi)涵及“爆破”的研究范疇,“智能爆破”的定義可表述為:采用5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù),將爆破的設(shè)計(jì)、施工、管理、服務(wù)等各環(huán)節(jié)生產(chǎn)活動(dòng)相聯(lián)結(jié)與融合,建立具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能特性的綜合集成爆破技術(shù),解決以往需要人類專家才能處理的爆破問題,達(dá)到安全、綠色、智能、高效的工程目的。
(2)智能爆破除了包含傳統(tǒng)爆破的內(nèi)容外,最主要的還是研究包括新一代信息技術(shù)在內(nèi)的現(xiàn)代化技術(shù)手段在爆破行業(yè)的應(yīng)用。其主要研究?jī)?nèi)容包括:智能爆破的理論與方法,爆破過程多元異質(zhì)信息采集與挖掘技術(shù),爆破環(huán)境的智能感知技術(shù),高度智能化的爆破施工設(shè)備與技術(shù),爆破信息的傳輸、交互與處理技術(shù),智能爆破典型工程應(yīng)用場(chǎng)景。
(3)由于以5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等為代表的新一代信息技術(shù)發(fā)展的日新月異,“智能爆破”的技術(shù)體系與研究?jī)?nèi)容應(yīng)隨著新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不斷更新,期待業(yè)內(nèi)研究者不斷完善與發(fā)展,共同促進(jìn)爆破技術(shù)的智能化變革。
(4)現(xiàn)階段人們對(duì)“智能爆破”的認(rèn)識(shí)有待進(jìn)一步深入。今后一段時(shí)期,“智能爆破”應(yīng)著重從無人化智能起爆技術(shù)、爆破環(huán)境智能感知技術(shù)與裝備、爆破三維設(shè)計(jì)與模擬分析軟件、智能鑿巖與裝藥設(shè)備等方面逐個(gè)突破,以實(shí)現(xiàn)“智能爆破”的工業(yè)化應(yīng)用。
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