北京科技大学吴春平教授：智能爆破的基本概念与研究内容
发布时间:2023-09-21
任何新的理论都有适用范围,并要给出准确的定义,才能正确指导其发展方向。发展智能爆破已经成为业界的共识,但是如何定义智能爆破,以及智能爆破应该研究哪些内容,业内尚无定论。根据“智能”的外延、内涵及“爆破”的研究范畴,阐明了“智能爆破”定义:采用5G、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术,将爆破的设计、施工、管理、服务等各环节生产活动相联结与融合,建立具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能特性的综合集成爆破技术,解决以往需要人类专家才能处理的爆破问题,达到安全、绿色、智能、高效的工程目的。在此基础上,明确了智能爆破的主要研究内容,包括:智能爆破的理论与方法、爆破过程多元异质信息采集与挖掘技术,爆破环境的智能感知技术,高度智能化的爆破施工设备与技术,爆破信息的传输、交互与处理技术,并讨论了智能爆破的典型工程应用场景。最后指出了今后一段时期智能爆破的发展方向,供相关研究参考。
吴春平1,2， 汪旭光1,3
1.北京科技大学土木与资源工程学院；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室；3.矿冶科技集团有限公司
吴春平，教授，博士，博士研究生导师。主要从事采矿工艺、智能爆破、爆破安全等领域的教学与科研工作，先后主持或参与国家863计划、国家科技支撑计划、公益性科研专项、国家重点研发计划、企业横向项目或课题30余项。出版《智能爆破》等学术专著2部，参编学术专著4部。发表学术论文40余篇，获授权发明专利3项、实用新型专利1项。参与制修订北京市地方标准1项、团体标准1项。获省部级科技进步一等奖5项、二等奖6项、三等奖3项。兼任国家科技奖励评审专家、中国工程爆破协会第五届理事会理事、中国爆破行业协会第六届理事会理事、中国爆破行业协会专家委员会委员、中国爆破行业协会标准化技术委员会委员、科技部国家科技专家、工业和信息化部工业领域评标评审专家、《金属矿山》杂志编委等职。
吴春平,汪旭光.智能爆破的基本概念与研究内容[J].金属矿山,2023(5):59-63.为了促进“智能爆破”的健康发展,有必要给“智能爆破”一个准确的定义,明确其主要研究内容。“智能”并非近年才出现的概念,人们往往对“智能”有一些误解,所以从哲学层面厘清“智能”的含义才能真正理解“智能爆破”的实质。此外,合理界定“爆破”的范畴,是确定“智能爆破”应用场景的必然要求。本研究阐明了“智能爆破”的定义及其内涵,进一步明确了其研究内容,为后续相关研究提供有益参考。
1 智能爆破的定义
要给“智能爆破”一个准确的定义是一件非常困难的事。首先,要解决什么是“智能”的哲学含义;其次,要界定“爆破”的范畴。而这两点至今学术界尚无定论。
智能是人类个体有目的的行为、合理的思维以及有效适应环境的综合能力。人类个体的智能是一种综合能力,可以包括感知与认识客观事物、客观世界与自我的能力,通过学习取得经验、积累知识的努力,理解知识、运用知识和运用经验分析问题和解决问题的能力,联想、推理、判断、决策的能力,运用语言进行抽象、概括的能力,发现、发明、创造、创新的能力,实时地、迅速地、合理地应对复杂环境的能力,预测、洞察事物发展变化的能力等。人们往往有个误区,是将“人工智能”与“自动化”混为一谈。不可否认,自动化系统有相当多的智能特征,但是自动化是在规定的范围内所做的操作。而人工智能的算法及运算步骤虽然从理论上可以追踪,但是因为它的计算量巨大,使得算法追踪变得困难甚至不可能,所以人们感觉有“智能”的存在。人工智能是分层次的概念,从发展阶段来说,一般分为3 个层次,即:弱人工智能、强人工智能、超人工智能。目前的人工智能还处于第1 个层次,智能在某些领域与人差不多,但还无法超越人类。爆破是利用炸药的爆炸能量对介质做功,以达到预定开挖、拆除和加工处理等工程目标的作业。现代工程爆破主要包括岩土爆破、拆除爆破、地震勘探爆破、油气井燃烧爆破、爆炸加工、高温爆破、水下爆破、灭火爆破、医学微型爆破等类型。根据爆破方法或者应用场景的不同,这些爆破又可以细分为具体的爆破方式。按照狭义的理解,爆破的范畴涉及爆破设计、布孔、凿岩、装药、连线、起爆、监测等环节。按照广义的理解,爆破的范畴除了狭义概念外,还应包含炸药、雷管等爆破器材的生产、运输、储存和使用,以及为爆破作业的顺利实施,与爆破相关的设备、仪器的安装、使用,直至各类爆破作业的组织与实施完成。因此,智能爆破所述“爆破”范畴应包含炸药、雷管等爆破器材从生产、运输到使用,全生命周期所涉及的装备、实施过程。根据“智能”的外延、内涵和“爆破”的研究范畴,作者出版的《智能爆破》一书中首次提出了“智能爆破”的准确定义:采用5G、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术,将爆破的设计、施工、管理、服务等各环节生产活动相联结与融合,建立具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能特性的综合集成爆破技术,解决以往需要人类专家才能处理的爆破问题,达到安全、绿色、智能、高效的工程目的,其英文名称为“Intelligent Blasting”。上述定义明确了智能爆破的核心是利用新一代信息技术实现爆破的智能化,确定了智能爆破的范畴是爆破的设计、施工、管理、服务等生产活动的各个环节,给出了实现智能爆破的途径是建立具有信息深度自感知、智慧优化自决策以及精准控制自执行等功能特性的综合集成爆破技术,指明了智能爆破的目标是解决人类专家才能处理的爆破问题,达到安全、绿色、智能、高效的工程目的(图1)。图1 智能爆破的应用场景
Fig.1 Application scenario of intelligent blasting智能爆破除了包含传统爆破的内容外,最主要的还是研究包括新一代信息技术在内的现代化技术手段在爆破行业的应用,实现爆破的设计、施工、管理、服务等生产活动各个环节的智能化[5]。其主要内容包括如下几个方面。爆破理论研究的公式多为通过大量的试验研究获得的经验或半经验公式,或者通过设定假设条件、采用量纲分析方式推导得出。在爆破设计或校核过程中,经过这些公式推导得出的往往不是精确解,而是非确定解,通常还需要有经验的专家进行判断,选取合适的值。但是这种专家经验的取值方式因人而异,往往差异较大,难以保证每次爆破都能取得相同的爆破效果。
人工智能技术通过深度学习等手段,可以经过复杂的运算过程,不断学习,无限接近最优解,从而解决爆破理论经验公式存在的非确定解问题。
虽然利用神经网络方法对爆破飞石预测、爆破方法选择等方面,已经有了大量的研究.但是采用人工智能技术研究智能爆破理论才刚起步,仍然有很多实际工作需要做,研究过程中也会遇到各种技术难题,需要爆破行业内的广大学者和工程技术人员共同努力。
爆破伴随着炸药的爆炸和岩石等介质的物理作用过程,将产生大量的信息,例如爆破振动速度、加速度、频率,岩性参数等。这些信息是多元、异质的,目前所能采集的信息仍然十分有限。因此需要研究这些信息的采集技术,解决爆破信息的全面采集难题,确保大数据的有效性、完整性。采集到的信息对爆破设计、施工是否有用,需要通过数据挖掘技术进行深度分析,最终确定需要采集的信息类型,以提高信息采集效率和针对性。同时,大数据分析得到的结果还将用于爆破参数和爆破方案的优化。爆破施工所面临的环境信息千差万别。例如:在矿山爆破过程中,矿体的形状、品位信息;在拆除爆破过程中,建(构)筑物的结构形态、地下管网等信息。这些环境信息的感知对爆破作业成功实施起到重要的支撑作用。目前已有三维激光扫描技术[8]可以获取矿山爆破的表面轮廓、坐标信息。将这些信息与三维爆破设计软件相结合,可以快速、准确地进行爆破设计。在拆除爆破方面,已经有学者通过无人机航拍等手段,将拍摄的二维图片进行三维重建,获取建(构)筑物及周边环境的三维图像[9],使得爆破环境的感知能力大幅提升。上述尝试只是爆破在向智能化方向迈出的一步,要准确感知爆破环境信息,还需要做大量的工作,将新一代信息技术和传感器技术大量应用到爆破领域,大幅提高爆破环境的感知能力和速度,提高信息感知的质量,才能保证爆破的设计、施工有精确的基础数据。爆破是一门技术科学,它既需要理论的指导,更需要爆破施工设备与技术实施。高度智能化的爆破施工设备与技术是实现智能爆破设计意图的重要途径。例如在凿岩穿孔方面,传统的气腿式凿岩机定位误差较大,人工作业效率低,无法有效满足智能爆破的高精度要求。先进的智能化钻机可以将爆破设计方案输入车载计算机,由计算机快速定位钻孔位置、自动打孔,并能将钻孔深度、角度等信息传输到计算机中,大大提高了施工的精度、效率和信息化程度。在炸药装填技术方面,国内已研制成功基于炮孔图像识别、无线通信、定位导航等技术的地下智能乳化炸药混装车,实现了乳化炸药装填作业过程的智能化和无人化(图2)。图2 智能地下乳化炸药混装车
Fig.2 Intelligent underground emulsion explosives loading truck爆破施工设备与技术今后发展的方向应是在智能爆破思想指导下,对传统爆破所涉及的凿岩、装药等技术和设备进行智能化改造,或者研发更好的替代技术和设备,使智能爆破贯穿爆破的全过程,实现凿岩、装药、起爆以及爆破效果监测、分析等工序与相关设备、系统的协同和无缝衔接。
由于信息获取的技术手段有限且信息传输的滞后性等因素,传统爆破信息的孤岛效应十分突出。爆破信息不能实现交互,使得爆破信息利用率不高,爆破的设计、分析、决策等环节可以参考的信息较少,往往造成误判。例如在地下爆破过程中,爆破作业面距离主巷道往往达到数百米,由于现有技术的限制,爆破作业面通常不会布设通信设施,钻孔、装药、连线、起爆等爆破信息无法及时传输到调度中心,使得爆破作业效果分析无法及时开展。5G、可见光通信等技术将为爆破信息的传输提供高速率、低延时的支撑条件。可见光通信技术是利用可见光波段的光作为信息载体,无需光纤等有线信道的传输介质,在空气中直接传输光信号的通信方式。它具有高速率性、无电磁辐射、密度高,成本低、频谱丰富、高保密性等优势。随着5G 网络、可见光通信技术的逐渐成熟,今后在地下开展爆破作业时利用新的通信技术,实时传输爆破信息,将爆破相关的信息节点打通,实现信息的实时交互与处理,是实现智能爆破的重要前提条件(图3)。图3 5G 网络在地下矿山实现工业应用
Fig.3 Industrial application of 5G network in underground mines爆破信息的交互与处理技术也是重要的研究方向。由于爆破信息计算的实时性需求以及大数据量的运算复杂性,需要云计算(Cloud Computing)、雾计算(Fog Computing)、边缘计算(Edge Computing)技术,以解决智能爆破数据的快速计算与反馈问题,提高爆破作业的智能化程度。
爆破是应用科学,智能爆破的理论需要大量的工程应用进行检验,并在实践过程中对智能爆破理论和技术体系进行完善。因此,在今后发展中,需要对露天、地下、隧道、水下、爆炸加工等典型工程背景的应用场景进行智能爆破理论和技术研究,以促使智能爆破技术不断进步。特别是针对具有“三高一扰动”特征的深部地下矿山、高寒高海拔地区矿山和条件复杂、环境恶劣的爆破环境,应加快研究如何通过智能爆破技术,减少或避免人员直接暴露在高风险爆破环境中,提高爆破作业的安全水平。
本研究从“智能”的哲学含义、“爆破”的范畴着手,给出了“智能爆破”的准确定义,明确了“智能爆破”的研究内容。所得结论如下:(1)根据“智能”的外延、内涵及“爆破”的研究范畴,“智能爆破”的定义可表述为:采用5G、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术,将爆破的设计、施工、管理、服务等各环节生产活动相联结与融合,建立具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能特性的综合集成爆破技术,解决以往需要人类专家才能处理的爆破问题,达到安全、绿色、智能、高效的工程目的。(2)智能爆破除了包含传统爆破的内容外,最主要的还是研究包括新一代信息技术在内的现代化技术手段在爆破行业的应用。其主要研究内容包括:智能爆破的理论与方法,爆破过程多元异质信息采集与挖掘技术,爆破环境的智能感知技术,高度智能化的爆破施工设备与技术,爆破信息的传输、交互与处理技术,智能爆破典型工程应用场景。(3)由于以5G、人工智能、大数据、云计算等为代表的新一代信息技术发展的日新月异,“智能爆破”的技术体系与研究内容应随着新技术的发展和应用不断更新,期待业内研究者不断完善与发展,共同促进爆破技术的智能化变革。(4)现阶段人们对“智能爆破”的认识有待进一步深入。今后一段时期,“智能爆破”应着重从无人化智能起爆技术、爆破环境智能感知技术与装备、爆破三维设计与模拟分析软件、智能凿岩与装药设备等方面逐个突破,以实现“智能爆破”的工业化应用。
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