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1、1 井上下一体化三维管理平台建设及 应用前景 卢小平程钢 摘要：井上下一体化三维管理平台（数字矿山管理系统）是将煤矿井上、井下各种 监测监控设备、 人员定位系统、通信联络系统、紧急避险系统等，有效集成在基于地理空间 信息构建的井上下一体化管理与应急指挥信息系统中。本文介绍了数字矿山三维管理平台的 构建方法、 系统构架与硬件组成、系统特点及功能，并展望了该系统在我国矿山企业的产业 化应用前景。 关键词：数字矿山 井上下一体化三维管理平台 一 引言 “数字矿山” 是指在统一的时间坐标和空间框架下，科学合理地组织各类矿山信息，将 海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合。目前， 国际上
2、矿业发达国家 数字矿山建设主要是实现远程遥控和自动化采矿。加拿大国际镍公司（Inco）正在研究整个 采矿过程的遥控操作，并已制订出到2050 年的远景规划，即在加拿大北部边远地区建设一 个无人化矿山， 通过卫星操控矿山的所有设备实现机器破碎和自动采矿。美国已成功开发出 大范围的采矿调度系统，即采用计算机、无线数据通讯、调度优化及GPS 技术进行露天矿 生产的计算机实时控制与管理，基本实现露天矿无人采矿。在软件方面， 具有代表性的有英 国 Datamine 公司开发的Datamine 采矿软件，美国Intergraph 公司、 Rockwell 公司开发的 Intergraph 交互式图形处理系
3、统和Whittle FourD 露天矿优化设计软件等。 2001 年以来，国内有关学术组织相继召开了一系列以数字矿山为主题的学术会议。2006 年煤炭工业技术委员会和煤矿信息与自动化专业委员会在新疆乌鲁木齐召开了“数字化矿山 技术研讨会” ，提出了建设安全、高效、绿色、和谐的新型现代化矿井的目标。山东新汶矿 业集团翟镇煤矿是我国第一座数字矿山，在国内首开数字化矿井技术应用之先河。随后， 国 内一些大型矿业公司积极地投入到数字矿山建设中，广泛应用各种先进适用的信息技术，有 卢小平，博士，教授，河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室副主任；程钢， 河南理工大学。 2 效提升了生产
4、效率和管理水平，如神华集团神东公司的综合自动化采煤系统，开滦集团的企 业信息化与电子矿图系统，枣庄柴里矿的生产与安全集中监测监控系统等。其中， 潞安集团 漳村煤矿综合自动化与信息管理系统在国内、甚至在国际上都处于领先地位。此外， 国内一 些煤炭高等院校相继开展了采矿机器人、矿山地理信息系统、三维地学模拟、 矿山虚拟现实、 矿山定位等方面的技术开发，以及矿业软件的开发研究工作，但仍处于起步阶段。 近年来， 国内一些单位研制开发了一体化的安全生产管理信息系统，但由于对数字矿山 本体认识的不一致及软硬件开发环境不同，各个系统相互独立，存在很大程度的异构性，难 以共享和互操作，且与空间地理信息没有实质
5、性的联系。随着测绘地理信息技术、三维可视 化技术、信息获取与传输技术、传感网技术等的快速发展，信息化、可视化与网络化正逐步 应用于社会的不同领域，并成为各行业数字化管理的重要手段，在企业管理与决策中发挥十 分重要的作用。 因此，利用现代化的信息技术将矿山六大系统建设纳入到统一的井上下一体 化三维信息管理平台，从根本上提高安全生产信息化管控能力，提高矿山数字化、智能化管 理水平，是亟待解决的关键问题，也是数字矿山发展的主要趋势。 二 平台架构及特点 井上下一体化三维管理平台是矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室研发 的基于三维数字矿山的管理系统，能够将煤矿井下六大避险系统和井上地理信息系
6、统有效集 成在一个三维可视化管理平台。该平台运用先进的网络技术、海量数据处理等技术可有效集 成多源信息， 构建集矿井远程监测监控、分析计算、 督办调度和安全管理于一体的实时三维 影像可视化信息系统，综合矿井的实时安全监测、通风系统、采掘跟踪、隐患排查、调度指 挥管理、地质灾害动态监测与预计等功能，能够实现对矿山安全生产的多级监控和应急管理， 并具有功能完备、安全可靠和较强的实用性和经济性等特点。 （一）平台架构 系统架构分为四个层次。一层是服务器集群，利用互联网技术将整个矿区的服务器、交 换机、网络设备组成一个局域网络作为系统运行的硬件基础，作为系统运行和信息传输的载 体；二层是数据层，采用数
7、据库将地理数据、影像数据、模型数据、专题数据及各类生产数 据等进行存储和管理，并建立它们之间的有效联系，便于数据的快速检索和更新；三层是业 务逻辑层，以IGIS 组件及其他中间件为基础，负责实现系统的核心逻辑功能；四层是用户 3 层也称表示层， 主要是用户界面及各类操作接口，负责将矿区所有硬件采集到的信息和通信 系统信息存入数据库中，如摄像仪采集的图像、人员出入井信息、 人员位置信息、 供水通风、 提升系统、 机电设备传感器等的数据和通信信息，并提供与用户交互接口界面。如图 1 所示。 服务器等硬件及网络系统 数据存储 影像数据地理数据模型数据专题数据生产数据 平台支持 GIS平台可视化插件其
8、他中间件 应用系统 人员定位 应急指挥生产统计 监测监控三维操作 图 1. 系统架构图 （二）平台特点 系统能对矿井生产情况实现无人自动监测、报警，确保安全管控准确、实时、 快速运行， 保证安全救护、 生产调度、地测采管理高效运作，并提供全面系统的决策资料。具体特点如 下。 1、零漏读、误读。系统在无线编码发射器和采集控制器之间采用先进可靠的无线及有 线通讯交互方式，当批量人员同时通过采集控制器时，不会发生漏读、误读情况， 确保了数 据的准确性和高可靠性。 2、设置安全生产数据中心。根据矿山现场条件，建立统一的实时数据处理中心，实现 4 对井上下不同终端与软件环境中数据的采集、存储、 运算和分
9、析， 为安全生产和事故分析提 供可靠依据。 3、数据实行分级共享和监测。通过完善的用户管理机制，实现数据的分级共享和监测。 矿山安全生产监控中心可以监测辖区（监控点）内任何纳入系统管理矿井的生产实时状况， 监测管理职权范围内矿井的安全生产情况。 4、报警防范及时。系统提供生产安全数据的超限报警功能，以闪烁、声音等形式实时 提醒，并充分利用短消息机制，及时传递给相关人员。 5、数据分析快速。通过数据分析工具，采用多样化的数据展示方式对煤矿安全生产实 时数据进行分析和智能化应用，实现生产数据及设备状态的自动统计、分析， 为管理人员进 行科学决策提供技术支持。 三 平台功能 该平台主要功能如图2 所
10、示， 围绕提高矿山数字化、信息化管理水平，提高矿山避险抗 灾能力，本文着重对系统以下几项功能进行介绍。 （一）矿区大范围三维可视化 基于覆盖矿区的多源遥感数据建立矿区地形地貌的三维影像景观，实现多级分辨率遥感 影像的快速三维可视化和全区范围内的无缝漫游，为用户提供一个真实的地面三维场景，并 通过创建索引机制和数据压缩，实现遥感影像建库快速查询和更新维护。在此基础上， 构建 地表专题要素三维模型，采用多图层叠加和融合技术，实现地物与地表图层的融合。 （二）井下三维可视化实时监测监控 利用矿井实测数据与调查数据，采用虚拟现实技术和各种实体建模技术对三维巷道、工 作面、机电设备、井巷工程等进行建模，
11、构建三维可视化系统，实时显示监测监控数据，浏 览、查询井下设备的各种参数和实时状态信息。系统实现了三维信息查询、三维编辑、 三维 剖切， 自动生成符合制图规范的剖面图等功能，可对通风线路、避灾线路、下井路线等进行 展示与模拟。构建岩石层、含水层、隔水层、矿层、断层等三维地质层立体模型，并利用地 质勘探数据与测量数据构建巷道三维立体模型；按实际位置和长度在地质层立体模型中建立 主井、副井、天井、采场、矿石废石溜井等采掘工程模型；在建立的统一坐标系下，将地上 5 地下的模型、矢量、栅格等矿山相关的数据合理高效地组织、管理在三维空间场景中，使地 表数据、 地质层模型数据、巷道三维模型数据实现无缝衔接
12、，从而展现矿山井上下真实的空 间场景。 井 上 下 一 体 化 三 维 管 理 平 台 系 统 管 理 漫 游 三维可视化 信息查询 飞行录制 业 务 功 能 基 本 功 能 监测监控 生产统计 远程操控 用户组创建及设置 用户创建及密码管理 应 急 安 全 人员跟踪 人员定位 避险路线 应急指挥 图 2. 系统主要功能 （三）基于三维可视化的井下工作人员定位、跟踪与监测 基于 Web GIS 技术和射频定位识别技术并结合数据库管理系统，将井下人员的位置和 身份信息进行实时动态显示，自动统计矿工的上、 下井时间， 并实时跟踪井下人员流动路线， 监督安全生产岗位人员上岗情况。一旦发生事故或灾难，
13、可提供最佳避灾路线选择。 （四）井上下对照实时三维可视化 将矿区与巷道、 矿层、 天井以及回采工作面的三维可视化叠加，即可形成一种新型的井 上下三维对照图。 6 （五）报警与应急救援 能对下井人员设定出入时间和地点，如果有人超过授权时间或进入未经授权地点就会触 发报警设备发出警示，使管理人员迅速做出反映并采取有效措施。 当井下人员遇险时，只要触发 “ 求救 ” 按钮，系统将及时报警，并可查询显示是在什么时 间、什么地点发出的求救信息，监控中心在第一时间即可知道被困人员的基本情况，为事故 救助工作的开展提供决策。在接收到报警信息或发生事故情况下，为应急指挥人员决策提供 在线、实时、可视、真实三维
14、信息服务，真正做到应急措施制定的及时、科学。 （六）生产统计 将地质统计学的分析方法与三维立体空间分析方法相结合，以矿产储量估算与分类理论 为指导，以地矿点源数据库为基础，结合GIS 及相关计算机技术，利用三维可视化信息平 台，采用组件式技术设计并实现固体矿产储量估算功能，为用户提供基于传统矿产储量估算 方法的矿产储量动态估算与管理平台。 （七）基于三维可视化信息的安全生产管理 基于三维可视化信息实现管理层的辅助决策应用分析，如监测监控、避灾线路分析等。 系统采用面向矿区应用的专业三维矢量数据模型，使用几何建模、碰撞检测、三维交互、立 体视觉、图形加速以及颜色和光照材质、纹理贴图等技术。 四
15、关键技术 （一）局部坐标系和局部观察相机构建 通过建立局部坐标系和局部观察相机，可以进入一个巷道模型中进行流畅的漫游和浏 览。 （二）复杂地质层建模 主要指断层、 陷落柱等复杂地质构造的三维数学描述与模拟。可根据地质剖面解译而形 7 成的剖面数据及区域地质调查获得的有关数据，基于二维或三维剖面形成合理的断层面，然 后建立地质体的网格模型。 （三）计算地质体顶点法向量与地质层拾取 计算地质层点的法向量，使加上光照后， 达到更逼真的效果。每个点的法向量为共享该 顶点的所有三角形面的法向量的平均值，并可以实现地质层的拾取，显隐、透明度设置，每 个地质层可单独设置。 （四）巷道建模 单巷道建模， 可利
16、用巷道高和宽可以控制巷道的断面形状，对巷道拱顶进行离散化。通 过遍历巷道数据，得到单巷道中线数据集；根据中线节点加载断面。 多巷道建模关键在于判断相交关系，根据交点，缩进巷道线，并对转弯处剔除处理。 多交叉巷道建模，则根据巷道中线和巷道断面构网建立巷道模型，巷道交叉拼接处通过 曲面拟合的方法实现。 （五）碰撞检测技术 为提高真三维沉浸性、增强用户体验效果，设计开发碰撞检测功能，增强漫游效果。 （六）实施定位技术 井下人员定位系统由数据传输接口、读卡分站、隔爆兼本安型不间断电源、识别卡、 接 线盒等组成，数据传输采用CAN总线方式（也可使用光纤及以太网）。可对井下人员实时 跟踪监测、 自动显示位
17、置、准确地统计全矿井下及某个区域的人员数量，实时跟踪查询、计 录当前及某时间段井下人员数量、活动轨迹及分布情况。设置定位分站独立工作功能，当井 下人员定位分站与地面中心站失去联系时，分站仍可独立工作，并自动存储人员监测数据； 当通讯恢复后，监控主机可自动提取数据完成数据的修复（存储数据大于2000 条） 。 五 产业化应用前景 井上下一体化三维管理平台利用先进的地理信息技术，在充分采集地面、 地下资料的同 8 时，真实反应井上下三维空间状况；在物联网、传感网的支持下，可对三维系统的井下部分 进行实时补充，做到井下是真实的四维，即点、线、面、时间上的完美融合。 数字矿山井上下一体化三维管理平台的建立，可极大地提高矿山企业管理的数字化、信 息化和智能化水平，帮助矿山企业根据已积累的各种数据，建立矿区地表开采沉陷与生态环 境监测三维地质地理模型，开发完成具有生产环境的风险评价、事故模拟与调查分析、生产 过程的动态模拟功能，为矿山企业的规划决策、生产管理、 勘查评价、 资源预测、 灾难防控、 环境保护提供科学依据，减少因灾难、决策等因素造成的人员、财产损失，可为矿区治理、 矿区生态环境保护、保障矿山合理规划提供科学依据。