孫久虎，相恒茂，李浩，梁玉才

(山東省國土測繪院，山東 濟南　250102)

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數(shù)字礦山三維動態(tài)監(jiān)管關鍵技術研究與應用

孫久虎，相恒茂，李浩，梁玉才

(山東省國土測繪院，山東 濟南250102)

以數(shù)字礦山框架為基礎，利用虛擬現(xiàn)實、無線傳感網、視頻監(jiān)控和產量監(jiān)控等技術，提出三維動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)關鍵技術和系統(tǒng)框架，基于統(tǒng)一地理空間框架建立的礦山三維模型，研究基于Zigbee技術的人員定位精度優(yōu)化。使用物聯(lián)網技術采集礦山開采實時信息，研究礦山傳感數(shù)據(jù)的實時接入手段與動態(tài)融合方法，通過實時數(shù)據(jù)的獲取，分析動態(tài)監(jiān)管礦山開采行為。在山東省開展了試點應用，通過與礦權法定范圍實時比對，實現(xiàn)對超層越界非法開采行為的監(jiān)管。集成了礦山產量監(jiān)控信息，并結合視頻監(jiān)控技術，實現(xiàn)對礦山超能力開采行為監(jiān)管，有效保護和合理利用礦產資源。

數(shù)字礦山；三維模型；物聯(lián)網；動態(tài)監(jiān)管

引文格式：孫久虎，相恒茂，李浩，等.數(shù)字礦山三維動態(tài)監(jiān)管關鍵技術研究與應用[J].山東國土資源，2015，31(9)：63-66.SUN Jiuhu, XIANG Hengmao, LI Hao,etc.Research on Key Technologies and Application of 3D Dynamic Supervision for Digital Mine[J].Shandong Land and Resources,2015，31(9)：63-66.

礦產資源是非可再生的自然資源，是社會生產發(fā)展的重要物質基礎。近年來，我國礦產資源管理面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，特別是地下礦產資源非法開采、越層越界開采現(xiàn)象較隱蔽，常規(guī)的巡查管理已經無法監(jiān)管違法開采行為，誘發(fā)了一系列的社會、經濟、生態(tài)環(huán)境和災害問題[1]。2000年以來，李梅和僧德文研究了數(shù)字礦山中3DGIS關鍵技術[2-3]，張申研究數(shù)字礦山與礦山綜合自動化技術的關系[4]，白立飛研究了三維激光掃描技術在數(shù)字礦山中的應用[5]，目前已形成較為完整的數(shù)字礦山理論體系，在單礦山管理形成了較成熟的技術框架，但面向于國土部門監(jiān)管領域的研究較少。為實現(xiàn)礦產資源的可持續(xù)利用和動態(tài)監(jiān)管礦產資源儲量變化，國土部門需建立礦山動態(tài)監(jiān)管體系，有效監(jiān)管礦山企業(yè)合理開發(fā)利用礦產資源，實現(xiàn)礦產資源的最優(yōu)耗竭。根據(jù)地下礦山現(xiàn)狀和國土部門的監(jiān)管需求，通過建立礦山三維模型，統(tǒng)一空間定位基準，通過礦山傳感數(shù)據(jù)的實時接入與動態(tài)融合，通過實時數(shù)據(jù)的獲取與分析監(jiān)管礦山開采行為，形成數(shù)字礦山三維動態(tài)監(jiān)管技術體系。

1　研究思路

長期以來，國土部門非常重視礦產資源監(jiān)管，露天開采礦山開采通過年度土地礦產衛(wèi)片執(zhí)法檢查或日常巡查及時發(fā)現(xiàn)進行監(jiān)管，對于井采地下礦山監(jiān)管是一個難題，遙感技術無法發(fā)現(xiàn)地下開采情況，監(jiān)管人員下礦巡查無法確定坐標位置信息，給監(jiān)管工作帶來了極大的困難。以上問題的解決，需要掌握礦山開采實時信息，通過數(shù)據(jù)分析比對實現(xiàn)對礦產資源管理。

采用虛擬現(xiàn)實技術建立礦山三維模型，基于礦山安全避險“六大系統(tǒng)”(井下監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、緊急避險、壓風自救、供水施救和通信聯(lián)絡系統(tǒng))，引入產量監(jiān)管系統(tǒng)，以通信聯(lián)絡系統(tǒng)為鏈路，建立礦山物聯(lián)網，匯集接入視頻監(jiān)控、人員定位實時信息和產量監(jiān)控信息，匯集礦山開采實時信息，實現(xiàn)對超層越界、礦山超能力開采等非法行為監(jiān)管。建立面向國土資源部門的三維動態(tài)監(jiān)管體系(圖1)，采用SOA架構設計，分為采集層、數(shù)據(jù)層、服務層和用戶層。

圖1　三維動態(tài)監(jiān)管體系架構圖

(1)采集層：利用物聯(lián)網技術，以礦山通信聯(lián)絡系統(tǒng)為鏈路，匯集接入視頻監(jiān)控、人員定位實時信息和產量監(jiān)控信息，并實時將礦山時空信息通過3G或互聯(lián)網傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層。

(2)數(shù)據(jù)層：搭建包含礦政管理數(shù)據(jù)、三維礦山、礦山時空信息等統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，在線調用“天地圖”提供的在線基礎地理信息服務，實現(xiàn)統(tǒng)一時空基準、統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準和統(tǒng)一集成平臺。

(3)服務層：通過數(shù)據(jù)挖掘規(guī)則、知識發(fā)現(xiàn)模型和空間分析技術，提供三維礦山、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控和產量監(jiān)控等服務，為礦山開采全過程的可視化、精細化、動態(tài)化監(jiān)管提供共享服務。

(4)用戶層：系統(tǒng)采用B/S結構，滿足省、市、縣和礦山多級用戶使用，通過礦山實時信息的監(jiān)測，為礦山管理提供決策支持。

2　關鍵技術與系統(tǒng)集成

2.1地下礦山三維建模

在數(shù)字礦山建設中，利用虛擬仿真技術，使用礦區(qū)高分辨率彩色數(shù)字正射影像、地面數(shù)字高程模型與礦井CAD數(shù)據(jù)，以1980西安坐標系和1985國家高程基準為統(tǒng)一空間基準，對礦權范圍、地面建筑、井巷、礦體等礦山地理對象，以及人員定位、視頻監(jiān)控、產量監(jiān)控等設施進行三維建模，實現(xiàn)對三維地層環(huán)境、礦山實體、采礦活動、采礦影響等進行真實的、實時的真三維可視化再現(xiàn)、模擬與分析。

利用地下井巷工程數(shù)據(jù)，通過中線或腰線自動生成立體井巷三維模型?？稍O定參數(shù)自動生成并標注巷道間的變道、交叉口，同時自動生成對應工程節(jié)點坐標與相對關系表。對視頻監(jiān)控、人員定位等設施通過現(xiàn)場勘察確定坐標，在巷道建模過程中集成，滿足查詢、分析與應用及采礦行為的模擬、分析與預測(圖2)。

圖2　巷道三維建模流程圖

2.2井下人員定位技術

綜合利用無線傳感網和數(shù)據(jù)通訊技術等，利用礦山三維模型監(jiān)測模擬井下人員和設備的當前位置及活動范圍，并對人員及設備的歷史信息和未來位置信息提供綜合查詢和預測，為礦山開采活動的監(jiān)管決策支持。目前，采用RFID技術的井下人員定位系統(tǒng)是人員定位系統(tǒng)應用的主流，滿足實時掌握下井人員的動態(tài)分布及安全管理的需要，但是該類系統(tǒng)屬于區(qū)域定位系統(tǒng)，不能實現(xiàn)人員精確定位。因此，研究了基于Zigbee技術的精確定位系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)管需要，在井口及主要巷道的分岔口、各工作面等關鍵部位安裝定位基站，礦工佩帶的定位標簽定時發(fā)射一定頻段的射頻信號，定位基站通過讀取移動目標的信息和信號強度，計算礦工距基站位置，進而確定人員坐標信息。

基站獲取礦工射頻信息，采用RSSI(Received Signal Strength Index)定位算法測算人員距基站位置，并根據(jù)基站已知坐標確定人員坐標信息，利用巷道空間特征對坐標進行二、三維變換，使其變成三維全局坐標，生成人員定位坐標序列，形成人員軌跡，通過與礦業(yè)權三維范圍比對，判斷是否超層越界開采[6](圖3)。

圖3　人員定位技術流程

2.3礦山物聯(lián)網信息集成

在礦山部署信息集成服務，根據(jù)統(tǒng)一規(guī)范，通過礦山通信聯(lián)絡系統(tǒng)，匯集礦山接入人員定位實時信息和產量監(jiān)控信息，將礦山實時信息通過3G或互聯(lián)網傳輸?shù)奖O(jiān)管數(shù)據(jù)庫，視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量較大，采用用戶主動請求方式調用。

(1)人員定位信息集成。人員定位信息集成需實現(xiàn)礦山原有人員定位系統(tǒng)和新增精確定位系統(tǒng)對接。針對由于系統(tǒng)廠家較多、人員定位數(shù)據(jù)存儲類型不統(tǒng)一等問題，研究了3種規(guī)范化的對接方式，最終通過調用數(shù)據(jù)匯集Webservice寫入監(jiān)管數(shù)據(jù)庫，如下表所示。

表1　人員定位信息對接方式

(2)產量監(jiān)控系統(tǒng)集成。產量監(jiān)控信息是通過秤體實時計算出每時每刻的產量。根據(jù)研究，產量監(jiān)控系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，參照人員定位信息集成，采用“數(shù)據(jù)庫連接—SQL查詢—寫入”方法對接。

(3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成。通過在礦山端部署單端口視頻遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將視頻碼流、用戶登錄訪問等數(shù)據(jù)所使用的不同端口封裝為一個端口(即所有客戶端與服務端之間的數(shù)據(jù)交換均通過一個端口訪問)，服務端與客戶端之間運用了雙向握手協(xié)議，并在數(shù)據(jù)、碼流傳輸過程中采用了加密技術，從而保證內外網視頻數(shù)據(jù)連接的安全性，有效降低了互聯(lián)網對礦山業(yè)務網的干擾。

3　應用實踐

結合山東省正在開展的“科技管礦”工作，選擇煤、金、鐵重點礦山開展“山東省地下采礦三維動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)”建設。以“兼容接入為主，改造提高為輔”為原則，基于礦山現(xiàn)有礦山安全避險“六大系統(tǒng)”，引入Zigbee技術的精確定位系統(tǒng)與產量監(jiān)控系統(tǒng)；建立礦山三維模型，融合礦山物聯(lián)信息，通過對礦山開采行為的實時監(jiān)控，實現(xiàn)對礦山超層越界和超能力開采行為監(jiān)管，提升礦產資源監(jiān)管水平。

礦山三維模型完成了工業(yè)廣場、采礦權法定范圍、豎井、斜井、巷道、采空區(qū)、礦體和人員定位、視頻監(jiān)管等監(jiān)測設施，提供了統(tǒng)一時空基準和統(tǒng)一數(shù)據(jù)集成平臺(圖4)。

圖4　礦山三維模型

系統(tǒng)功能包括礦山三維展示、人員監(jiān)控、產量監(jiān)控和視頻監(jiān)控等?；诰_定位系統(tǒng)的人員定位精確定位誤差3m，準確掌握井下坑道作業(yè)面工作人員的位置，分布情況和每個人員任意時刻所在的位置及各時間段的活動軌跡(圖5)。

圖5　人員定位功能

4　結論

數(shù)字礦山、物聯(lián)網和空間地理信息集成等新一代信息技術促進了智慧礦山的發(fā)展，以礦山三維模型為空間載體，采用物聯(lián)網技術匯集礦山人員、產量、視頻等實時信息，建立礦山實時GIS時空數(shù)據(jù)模型，逐步形成以礦山系統(tǒng)集成、礦山智能感知為特征的智慧礦山體系。以單礦山為基礎，利用面向服務架構技術，集成單礦山時空數(shù)據(jù)，建立數(shù)字礦山三維動態(tài)監(jiān)管平臺，建立了省級、市級、縣級和礦山四級互聯(lián)互通的監(jiān)管體系，通過對礦山實時數(shù)據(jù)的獲取與分析動態(tài)監(jiān)管礦山開采行為，智能監(jiān)控礦山超層越界和超能力開采等非法開采行為，可提升礦產資源監(jiān)管水平，維護礦產資源勘查開采秩序，遏制違法行為，有效保護和合理利用礦產資源。

[1]宋韋劍，李淑貞，閔濤，等．礦產資源開采遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].國土資源科技管理，2013，30(3)：93-97.

[2]李梅，毛善君．數(shù)字礦山中3DGIS關鍵技術研究[J].煤炭科學技術，2004，32(8)：44-48.

[3]僧德文，李仲學，張順堂，等．數(shù)字礦山系統(tǒng)框架與關鍵技術研究[J].金屬礦山，2005，(12):47-50.

[4]張申，丁恩杰，趙小虎，等．數(shù)字礦山及其兩大基礎平臺建設[J].煤炭學報，2007，32(9):997-1001.

[5]白立飛，潘寶玉，張?zhí)m.三維激光掃描技術在數(shù)字礦山領域的應用[J].山東國土資源，2013，29(8):43-46.

[6]劉志高，李春文，耿少博，等．帶盲區(qū)巷道網絡人員全局定位系統(tǒng)[J].煤炭學報，2010，35(S0):236-242．

Research on Key Technologies and Application of 3D Dynamic Supervision for Digital Mine

SUN Jiuhu, XIANG Hengmao, LI Hao, LIANG Yucai

(Shandong Institute of Land Surveying and Mapping, Shandong Jinan 250102, China)

Based on the framework of digital mine, by using virtual reality, wireless sensor network, video monitoring and yield monitoring technologies, key technologies and framework of 3D dynamic supervision system have been put forward. Based on uniform geographical spatial framework, three-dimensional model of mine has been set up, and optimization of precision personnel location based on Zigbee technology has been studied. By using epc system network, real-time information of mines have been gained, and real-time access means and dynamic fusion method of mining sensor data have been studied. Through real-time data acquisition and analysis, mining practices have been supervised dynamically. Furthermore, experimental application of this technology has been carried out in Shandong province. Through contrast the results with legal scope, illegal mining beyond the scope of mining right will be supervised, and production capacity will be monitored. Combining with video monitoring, the behavior of the mining over capacity will be supervised. Thus, effective protection and rational utilization of mineral resources can be realized.

Digital mine; three-dimensional model; epc system network; dynamic supervision

2015-06-23；

2015-07-10；編輯：曹麗麗

孫久虎(1983—)，男，山東濟寧人，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)應用和國土資源信息化建設；E-mail：sunjhgis@126.com

P208

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