智慧矿山关键技术研究初探

第１１期　２０１４年１１月　・山西焦煤科技　Ｓｈａｎｘｉ　Ｃｏｋｉｎｇ　Ｃｏａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．１１　ＮＯＶ．２０ｌ４　试验研究・　智慧矿山关键技术研究初探　徐国萍　（山西焦煤西山煤电集团公司，山西　太原０３００５３）　摘要通过分析智慧矿山建设中存在的问题，对西山煤电集团官地矿智慧矿山建设提出“搭平　台、搞集成、建标准”三步走战略，初步完成智慧矿山建设任务，建议适时提出国家或行业的建设规范　标准，达到智慧矿山建设的格式统一和标准化。　关键词智慧矿山；数字化；ＧＩＳ技术；虚拟仿真　中图分类号：ＴＤ６７文献标识码：Ｂ文章编号：１６７２—０６５２（２０１４）１　１－００３３—０４　１　当前智慧矿山建设存在问题　网络技术和采矿专用技术，建立起系列化的数据采　我国智慧矿山建设在煤炭黄金十年期间，逐步进　入了良性发展轨道，一些国内研究机构和煤炭企业完　成了煤矿专用ＧＩＳ软件平台，信息化工作取得了阶段　性成果，但智慧矿山归纳起来，主要存在以下几个方　面问题：１）理论研究落后，资金和人才投入有限，信　集、传输、分析、输出和决策支持模型以及软硬件系　统，能够实现采矿过程的信息化和智慧化管理。　西山煤电集团在官地矿进行了第一步搭平台，第　二步启动搞集成，将已有的子系统（人员定位、变电硐　室无人值守等）和准备研发的子系统（通风网络解算、　息化基础低，数据处理和管理模式较为落后。２）智慧　矿山海量数据处理的核心技术没有全面突破。３）专　业划分太细，没有统一的信息化数据处理平台，信息　井下运输机车安全调度信息系统、井下高清电子探头　系统等）全部集成到本平台，最终实现办公电脑、移动　终端（ｉｐａｄ、手机）的在线实景展示和分析。第三步就　孤岛严重。４）现有软件系统只能进行简单的事务处　理，无法对重大危险源进行高精度的分析、预警、决　策。５）目前煤矿管理模式不能充分发挥信息技术快　是以此平台建设为模板（蓝本），制定集团的《智能矿　山技术规范和应用展示标准》。　２．１核心技术　速、准确、实时的优点。６）没有建立多专业、多学科集　成的重大危险源检测、识别和预警模型。７）各检测、　监测系统及数据管理平台相对独立，信息不能共享。　８）传感网建设和技术攻关滞后，数据获取设备的实　时在线功能弱。　该平台是引入目前较为先进的空间ＧＩＳ技术和虚　拟仿真技术，将矿山地表设施、地形地貌、井巷工程、　矿体围岩等客观空间构造，在平台系统中真实再现，　同时将各类实时监控数据、生产数据、设备信息、人员　信息、管理信息等植人系统，实现三维矿山全息化展　示、生产工艺流程三维可视化管理、地测数据管理、生　上述问题的存在使得大量智慧化建设成果（硬　件、软件产品）在煤矿安全生产过程中得到较好应用。　２智慧矿山建设构想　产调度信息管理、安全监管监控等业务功能。　２．２主要功能　智慧矿山是以矿山采掘系统的完整过程和具体　需求为基础，以地理空间为参考系，依托煤矿综合自　动化技术、在线数据检测技术、计算机技术、３ｓ技术、　１）矿山三维地理信息管理（基于真实坐标系，构　建高精度三维地形地貌）。　三维数字化矿山管理平台能够将企业所处地理　收稿日期：２０１４—０９—２６　作者简介：徐国萍（１９６５一），女，河南人，１９８７年毕业于山西矿业学院，高级工程师，主要从事煤炭科技工作　（Ｅ－ｍａｉｌ）ｘｇｐ８８８９＠１２６．ｔｏｍ　山西焦煤科技　２０１４年第１１期　位置及其周边地形地貌清晰的展现，对于叠加在三维　地形地貌上的各类地理信息要素和环境要素，包括星　空、地球、地球大气层、水域等，可以将地理要素与虚　拟现实相结合进行综合展现，融合道路、河流、植被、　居民地等矢量线划信息，可为后期规划、设计、维护提　供基础地理数据。系统支持实时地理信息查询、标绘　等功能，用户可以在三维场景下进行道路、建筑物、区　域等信息的标绘。　２）三维地质构造拟合计算与地测数据管理（依　据钻孔、物探数据等进行地质计算，显示真实空间坐　标的三维构造）。　通过对企业现有勘探、钻孔、水文地质等地学数　据进行整理植入，生成三维地形、构造、煤层空问拓扑　专题数据库，结合地质学算法拟合生成真实三维矿体　围岩、地质构造模型；可在地表上任意地点、任意方式　（直线、折线、多边形、矩形）剖切查看地下的岩层和煤　层构造等，以分层分块抽取方式展现煤层、岩层等地　质层次，并能够可视化地查询陷落柱、积水区、断层等　地质构造位置及空间分布。　３）设备三维可视化场景管理（管线、设备等完全　基于测点位置生成，坐标可调，场景可调）。　建立真实的场地、设施、建筑等三维模型，能够在　三维可视化对象上绑定现场采集的设备运行状态、Ｈ　常流转信息等丰富的属．１生数据，支持面向设施设备等　实体模型进行点击查询。平台提供场景编辑、维护功　能，可由用户根据需要调整设备位置、添加新的装置、　改变巷道和工作面位置等，可以对照井下生产进度来　调整场景保持两者对应一致。平台系统具有工艺流程　制作、查询展示等功能，能够真实再现井下生产运输、　通风等工艺流程，以动态可视化的形式展示出来。　４）应急预案与应急资源管理。　系统提供专门的数字化预案制作工具，基于真实　的场景、真实的周边情况和真实的数据，通过设定灾　情，策划救援及抢修的行动方案，将文本预案制作成　可视化预案，进行展示、存储。系统根据不同科室、部　门的不同角色，归纳、分拣预案内容，体现预案的处置　流程。在事故发生时，用户可以根据不同的身份、角　色，登陆引导界面，系统的预案提示功能将自动识别　使用者，显示该使用者应该如何操作、调配相关资源　等信息。　５）安全综合监测预警（对通风、瓦斯、设备等运　转状态实时监视）。　三维数字化矿山管理平台系统提供统一标准化　接口，将现有系统的数据和信息从不同的专业系统、　不同的应用平台中进行整合，提取各系统中隐患报警　数据，结合系统提供的数据显示、定位等服务功能，在　隐患报警的同时，快速定位显示报警位置、周边工作　实际三维场景，并在确定报警位置后，自动触发对该　隐患信息相关分析数据的综合对比，进行逐项问题排　查，确定问题发生原因，进而实现隐患数据的综合监　测分析，帮助管理者和工程师寻找解决方案。　３智慧矿山建设技术研究　智慧矿山将实现一个跨地区、跨部门、跨系统、跨　专业的共享信息、共享知识、共享应用的集成决策支　持平台，提供技术支持和服务，核心内容如下：　３．１　智慧矿山框架体系和标准规范研究　１）系统研究井上下人、地层、机电设备、通讯、危　险源检测、企业管理模式、“采、掘、机、运、通”专业技　术方法等内容，提出以物联网云计算平台为核心的智　慧矿山架构和详细设计。　２）智慧矿山的构成包括数据采集、数据传输、信　息集成、分析优化、信息展现等方面的内容，具体可分　为三层：感知层、网络层和应用层。　３）智慧矿山数据标准研究。包括：元数据标准；　数据编码、传输、存储、发布和展示标准；信息资源目　录体系标准。　４）智慧矿山模型研究，包括：　管理模型：根据矿山资源（人、财、物）和生产现　状，监测并预测其发展，加强生产过程的宏观管理与　预警，从而达到合理开发煤炭资源，实现煤炭企业的　可持续发展。　生产模型：生产全过程所有生产环节的自动规划　和协同，如作业规程编制、采区衔接等。　技术模型：建立生产矿井生产过程最新海量数据　的分析需求与矿、集团、科研院所和社会专家的分级　关联模型，实现双向的选择和过程决策。　数据模型：主要指不同部门对相同数据的自适应　修正。　３．２　面向智慧矿山的物联网关键技术　研究先进的物联网和传感器技术，实现对井下重　大危险源（如水、火、瓦斯、顶板、冲击地压）的检测、传　输和存储。　２０１４年第１１期　徐国萍：智慧矿山关键技术研究初探　３．３专用地理信息系统软件平台技术　１）煤矿空间数据仓库。　煤矿空间数据仓库主要由煤矿空间数据库和煤　矿空间元数据库两部分组成。前者主要是煤矿图形　库、图象库、属性库（包括综合自动化和在线检测、监　测系统获取的海量数据）以及专业模型库的组织、管　理、综合分析和事务处理等；煤矿空间元数据库主要　服务于煤矿空间数据的组织、管理和分析；同时还有　专业应用ＧＩＳ程序元数据库和空间服务的元数据库。　２）煤矿专用２ＤＧＩＳ平台。　ａ）针对煤矿行业的需求，特别是煤矿行业空间　数据具有复杂、活跃、动态变化等特点，研究面向对象　的一体化实体数字数据模型、支持多源数据集成的空　间数据引擎，以及可扩展的二三维可视化引擎等技术　方法。ｂ）结合目前ＩＴ行业在云计算等网络服务技术　方面的新发展、新趋势，重点研究桌面、网络服务一体　化的地理信息系统基础平台方案，即基于统一ＧＩｓ内　核的煤矿地理信息系统桌面平台以及网络服务平台。　根据ＳＯＡ的思想，采用最新的网络、ＷｅｂＧＩＳ等技　术，在与桌面平台相同的ＧＩＳ核心模块基础上，设计并　实现面向分布式网络的企业级应用，如煤矿空问信　息、视频信息、属性信息的实时共享和管理，以及与专　业功能应用相关的万维网服务发布等。　３．４虚拟矿井平台（ＶＧＩＳ）技术　研究虚拟现实和各种实体建模技术，开发分布式　虚拟矿井平台，构建井上下虚拟环境，并能够通过与　其它系统的接口（如瓦斯监测系统、矿压在线检测系　统、综合自动化系统等），实现煤矿井下安全生产信　息、设备和工况信息的三维查询和实时展示，从而达　到身临其境，无需下井亦可掌握矿井最新生产信息，　实现决策管理层对全矿井生产状况的实时整体把握，　为决策分析服务。　实现工程技术人员的可视化安全生产和技能培训。　３．５智慧煤矿空间分析、决策支持与安全管理技术　基于云计算平台以及决策支持系统，尽量实现矿　井的智慧生产和管理。　１）动态生产数据的实时处理。　精细三维地质模型和巷道模型的动态修改；地　测、采矿、设计、机电、调度等专题数据的自动分布式　处理；通风网络的智慧解算；应急预案的自动修改与　分发等。　２）实现对重大危险源的识别、预测和预警。　通过专有云，构建矿井重大危险源评价指标体系　库，主要依据《煤矿安全规程》、《防突细则》作业规程　和有关瓦斯、防治水管理和技术规定等不同指标体　系及其临界值建立相应的指标体系库，建立基于ＧＩＳ　空间分析的模型库和方法库，实现对水、火、瓦斯等的　动态预测、预警。　３）多源空间信息融合、综合处理、实时分发服务。　管理决策层和上级主管部门可以通过煤矿分布　式多源异构信息共享协作平台或云计算平台获取各　种分布式生产矿井的专业信息和相应的处理资源，其　操作通过ＷＥＢ协作服务平台传到终端服务器，由该终　端具体负责获取并装载运行当前所请求的专业信息　处理资源，访问所请求的煤矿专业信息，并执行所请　求的相关操作，融合多源异构数据，进行可视化表达。　４）专家会诊煤矿安全事故。　专家会诊煤矿安全事故是管理决策层、煤矿安全　生产专家通过公有云，借助煤矿专业应用模型库、知　识库、方法库、推理机库以及数据挖掘方法集等进行　紧急磋商并尽快寻求应急措施，以降低事故的危　害程度。　３．６智慧矿山系统平台的设计与开发　智慧矿山将扩展对井上下空间对象的检测范围　和监视详细程度，其集成管理平台将实现如下功能：　１）整合各种管理和实时信息，为管理和技术人　员提供全面、完整、细致的生产状态视图，实现对生　产业务的分析和优化。　２）不同开采技术条件的煤炭企业可以根据自己　的业务目标和要解决的关键问题，对智慧矿山平台　进行裁剪和调整，以适合自己的情况。　３）为煤炭行业各级主管部门、科研院所、个体专　家或公众提供具有权限的服务平台，实现全社会（包　括矿工家属）对矿山安全的分析与监督。　３－７基于云计算和物联网的煤矿安全动态诊断系统　以大数据、云计算、物联网技术为支撑，各类行　业、集团、矿井制定的安全生产规程为依据，结合综合　自动化、在线检测（水、火、瓦斯、顶板等等）、日常生产　获取的动态数据和历史数据以及动态的三维地质模　型为基础，三维可视化系统为表达手段，实现动态诊　断，即建立煤矿安全生产卫士管理系统。如计算机杀　病毒３６０安全卫士一样，实现对煤矿安全动态诊断并　山西焦煤科技　２０１４年第１１期　打分，给出低分的原因（列表的形式），并根据行业规　程或应急预案等给出解决方案或措施。　１）形成具有我国完全自主知识产权的数字煤矿　软件系统，实现示范矿井的全面应用，安全生产的动　态分析和决策支持，而且系统实用、稳定。　２）建立我国数字煤矿建设的信息化标准。　３）成果将逐步在煤炭工业得到全面推广，实现　掘进、工作面的回采以及传感网数据的动态更新，实　现精细二维和三维地层和巷道模型、“采、掘、机、运、　通”专题模型以及瓦斯、水等危险源空间属性模型的　动态修正。　５）对安全生产的综合分析、评价与预警技术。根　据煤矿安全生产规程，融合传感网的多源在线检测数　据以及精细地质模型，结合数值计算和模拟系统、地　测系统、通风系统、排水系统、提升运输系统、供电系　跨地区、跨部门、跨专业的共享信息、共享知识、共享　应用的集成决策支持平台，彻底改变煤炭工业落后的　管理和决策支持模式。　４）实现空间信息技术、物联网技术、大数据技　术、煤矿专用数据处理技术的集成开发和应用。　５）成果达同行业国际领先水平。　４智慧矿山建设目标　统、通信系统等，研究基于ＧＩＳ的空间分析技术，实现　设备、线路和通风网络系统的故障诊断、水和瓦斯危　险区采掘报警等关键技术；基于ＧＩＳ空间分析结果，　实现应急预案和救援方案的自动生成。　６）基于大数据的数据挖掘技术。基于云计算、大　数据数据挖掘技术，实现安全生产的动态诊断，并根　据行业规程或应急预案等给出解决方案或措施。　５经济、社会效益分析　１）数据交换和共享标准。综合自动化、在线检测　系统、安全生产管理信息系统的数据共享标准、元数　据标准、信息资源目录体系标准。　２）基于物联网的数字煤矿服务平台架构和关键　技术。基于“按需服务、按需计算”的思想，设计能够　１）将大大提高煤炭工业的安全管理水平，逐步　扭转信息化水平低下，安全生产管理手段落后所造　成的重大人员伤亡的不利局面，产生明显的经济和社　会效益。　实现“发现、描述、生成、执行、求解”全过程的数字煤　矿服务平台架构，研究资源层、知识层、服务层、用户　层的技术体系和实现方法。　３）数据在线检测集成系统的设计。基于物联网　和矿区动态精细三维空间对象模型，设计实时检测煤　矿危险源和空间对象状态（如水、火、瓦斯、顶板、人员　２）减少井下工作人员，提高劳动生产率。项目在　集团公司推广应用后，每单位减少员５２２００人，假设每　人年总花费２０万元，单矿井年经济效益４　０００万元。　３）减少或杜绝安全生产事故的发生，公司年经　济效益大于２亿元。　位置等）的集成科学诊断网络系统，为云计算提供海　量的基础数据，实现对危险源的预测预警。　４）动态生产数据的实时处理技术。随着巷道的　４）社会效益：项目的成功实施，将使我国管理和　信息技术落后的煤炭工业正式全面步人高科技的　管理轨道。　参考文献　［１］马清法，逯楠．中国电信“智慧矿山”信息化解决方案［Ｊ］．山东通信技术，２０１１，３１（３）：５２—５５．　［２］张科利，任长忠．机遇物联网的智慧矿山的智能生产系统展望［Ｊ］．中国矿业，２０１２，１（Ｓ１）：７６—７９．　［３］王强．智慧矿山建设之解析［Ｊ］．电脑知识与技术，２０１３（２）：４１—４３．　［４］张旭平，赵甫胤，孙彦景．基于物联网的智慧矿山安全生产模型研究［Ｊ］．煤炭工程，２０１２（１０）：１２３—１２５．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ‘Ｍｉｎｅ　Ｘｕ　Ｇｕｏ－ｐｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｉｎｅ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｒｅｅ　ｓｔｅｐｓ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｔｏ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｉｎｅ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｕａｎｄｉ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｉｎ　Ｘｉｓｈａｎ　ｃｏａｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｇｒｏｕｐ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，　ｍａｋｉｎｇ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔａｎｄａｒｄ，ｉｎｉｔｉａｌｌｙ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔａｓｋ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｉｎｅ，ｓｕｇｇｅｓｔｓ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｏｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ，ｒｅａｃｈｅｓ　ｔｈｅ　ｕｎｉｆｉｅｄ　ｆｏｒｍａｔ　ａｎｄ　ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｉｎｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｉｎｅ；Ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ；ＧＩＳ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｖｉｓｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ