孫久虎，相恒茂，李浩，梁玉才

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南　250102)

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數(shù)字礦山三維動(dòng)態(tài)監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

孫久虎，相恒茂，李浩，梁玉才

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南250102)

以數(shù)字礦山框架為基礎(chǔ)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、無線傳感網(wǎng)、視頻監(jiān)控和產(chǎn)量監(jiān)控等技術(shù)，提出三維動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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(shù)的人員定位精度優(yōu)化。使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集礦山開采實(shí)時(shí)信息，研究礦山傳感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入手段與動(dòng)態(tài)融合方法，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取，分析動(dòng)態(tài)監(jiān)管礦山開采行為。在山東省開展了試點(diǎn)應(yīng)用，通過與礦權(quán)法定范圍實(shí)時(shí)比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超層越界非法開采行為的監(jiān)管。集成了礦山產(chǎn)量監(jiān)控信息，并結(jié)合視頻監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山超能力開采行為監(jiān)管，有效保護(hù)和合理利用礦產(chǎn)資源。

數(shù)字礦山；三維模型；物聯(lián)網(wǎng)；動(dòng)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(dòng)態(tài)監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)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(chǎn)資源是非可再生的自然資源，是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，我國礦產(chǎn)資源管理面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，特別是地下礦產(chǎn)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(jīng)無法監(jiān)管違法開采行為，誘發(fā)了一系列的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和災(zāi)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(guān)鍵技術(shù)[2-3]，張申研究數(shù)字礦山與礦山綜合自動(dòng)化技術(shù)的關(guān)系[4]，白立飛研究了三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)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(shù)框架，但面向于國土部門監(jiān)管領(lǐng)域的研究較少。為實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的可持續(xù)利用和動(dòng)態(tài)監(jiān)管礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量變化，國土部門需建立礦山動(dòng)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(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)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(zhǔn)，通過礦山傳感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入與動(dòng)態(tài)融合，通過實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)監(jiān)管技術(shù)體系。

1　研究思路

長期以來，國土部門非常重視礦產(chǎn)資源監(jiān)管，露天開采礦山開采通過年度土地礦產(chǎn)衛(wèi)片執(zhí)法檢查或日常巡查及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行監(jiān)管，對(duì)于井采地下礦山監(jiān)管是一個(gè)難題，遙感技術(shù)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(biāo)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(shí)時(shí)信息，通過數(shù)據(jù)分析比對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦產(chǎn)資源管理。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立礦山三維模型，基于礦山安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”(井下監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、緊急避險(xiǎn)、壓風(fēng)自救、供水施救和通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng))，引入產(chǎn)量監(jiān)管系統(tǒng)，以通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)為鏈路，建立礦山物聯(lián)網(wǎng)，匯集接入視頻監(jiān)控、人員定位實(shí)時(shí)信息和產(chǎn)量監(jiān)控信息，匯集礦山開采實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)態(tài)監(jiān)管體系(圖1)，采用SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)，分為采集層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和用戶層。

圖1　三維動(dòng)態(tài)監(jiān)管體系架構(gòu)圖

(1)采集層：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以礦山通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)為鏈路，匯集接入視頻監(jiān)控、人員定位實(shí)時(shí)信息和產(chǎn)量監(jiān)控信息，并實(shí)時(shí)將礦山時(shí)空信息通過3G或互聯(lián)網(wǎng)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(shí)空信息等統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，在線調(diào)用“天地圖”提供的在線基礎(chǔ)地理信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一集成平臺(tái)。

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

(4)用戶層：系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，滿足省、市、縣和礦山多級(jí)用戶使用，通過礦山實(shí)時(shí)信息的監(jiān)測，為礦山管理提供決策支持。

2　關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成

2.1地下礦山三維建模

在數(shù)字礦山建設(shè)中，利用虛擬仿真技術(shù)，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(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)為統(tǒng)一空間基準(zhǔn)，對(duì)礦權(quán)范圍、地面建筑、井巷、礦體等礦山地理對(duì)象，以及人員定位、視頻監(jiān)控、產(chǎn)量監(jiān)控等設(shè)施進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維地層環(huán)境、礦山實(shí)體、采礦活動(dòng)、采礦影響等進(jìn)行真實(shí)的、實(shí)時(shí)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(dòng)生成立體井巷三維模型?？稍O(shè)定參數(shù)自動(dòng)生成并標(biāo)注巷道間的變道、交叉口，同時(shí)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)工程節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與相對(duì)關(guān)系表。對(duì)視頻監(jiān)控、人員定位等設(shè)施通過現(xiàn)場勘察確定坐標(biāo)，在巷道建模過程中集成，滿足查詢、分析與應(yīng)用及采礦行為的模擬、分析與預(yù)測(圖2)。

圖2　巷道三維建模流程圖

2.2井下人員定位技術(shù)

綜合利用無線傳感網(wǎng)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)等，利用礦山三維模型監(jiān)測模擬井下人員和設(shè)備的當(dāng)前位置及活動(dòng)范圍，并對(duì)人員及設(shè)備的歷史信息和未來位置信息提供綜合查詢和預(yù)測，為礦山開采活動(dòng)的監(jiān)管決策支持。目前，采用RFID技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)是人員定位系統(tǒng)應(yīng)用的主流，滿足實(shí)時(shí)掌握下井人員的動(dòng)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(shí)現(xiàn)人員精確定位。因此，研究了基于Zigbee技術(shù)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(guān)鍵部位安裝定位基站，礦工佩帶的定位標(biāo)簽定時(shí)發(fā)射一定頻段的射頻信號(hào)，定位基站通過讀取移動(dòng)目標(biāo)的信息和信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算礦工距基站位置，進(jìn)而確定人員坐標(biāo)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(biāo)確定人員坐標(biāo)信息，利用巷道空間特征對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行二、三維變換，使其變成三維全局坐標(biāo)，生成人員定位坐標(biāo)序列，形成人員軌跡，通過與礦業(yè)權(quán)三維范圍比對(duì)，判斷是否超層越界開采[6](圖3)。

圖3　人員定位技術(shù)流程

2.3礦山物聯(lián)網(wǎng)信息集成

在礦山部署信息集成服務(wù)，根據(jù)統(tǒng)一規(guī)范，通過礦山通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，匯集礦山接入人員定位實(shí)時(shí)信息和產(chǎn)量監(jiān)控信息，將礦山實(shí)時(shí)信息通過3G或互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)管數(shù)據(jù)庫，視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量較大，采用用戶主動(dòng)請(qǐng)求方式調(diào)用。

(1)人員定位信息集成。人員定位信息集成需實(shí)現(xiàn)礦山原有人員定位系統(tǒng)和新增精確定位系統(tǒng)對(duì)接。針對(duì)由于系統(tǒng)廠家較多、人員定位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型不統(tǒng)一等問題，研究了3種規(guī)范化的對(duì)接方式，最終通過調(diào)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(duì)接方式

(2)產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)集成。產(chǎn)量監(jiān)控信息是通過秤體實(shí)時(shí)計(jì)算出每時(shí)每刻的產(chǎn)量。根據(jù)研究，產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)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(duì)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(yuǎn)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(gè)端口(即所有客戶端與服務(wù)端之間的數(shù)據(jù)交換均通過一個(gè)端口訪問)，服務(wù)端與客戶端之間運(yùn)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(shù)，從而保證內(nèi)外網(wǎng)視頻數(shù)據(jù)連接的安全性，有效降低了互聯(lián)網(wǎng)對(duì)礦山業(yè)務(wù)網(wǎng)的干擾。

3　應(yīng)用實(shí)踐

結(jié)合山東省正在開展的“科技管礦”工作，選擇煤、金、鐵重點(diǎn)礦山開展“山東省地下采礦三維動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)”建設(shè)。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(xiǎn)“六大系統(tǒng)”，引入Zigbee技術(shù)的精確定位系統(tǒng)與產(chǎn)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(duì)礦山開采行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山超層越界和超能力開采行為監(jiān)管，提升礦產(chǎn)資源監(jiān)管水平。

礦山三維模型完成了工業(yè)廣場、采礦權(quán)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(shè)施，提供了統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)集成平臺(tái)(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(chǎn)量監(jiān)控和視頻監(jiān)控等。基于精確定位系統(tǒng)的人員定位精確定位誤差3m，準(zhǔn)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(gè)人員任意時(shí)刻所在的位置及各時(shí)間段的活動(dòng)軌跡(圖5)。

圖5　人員定位功能

4　結(jié)論

數(shù)字礦山、物聯(lián)網(wǎng)和空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)促進(jìn)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(wǎng)技術(shù)匯集礦山人員、產(chǎn)量、視頻等實(shí)時(shí)信息，建立礦山實(shí)時(shí)GIS時(shí)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(chǔ)，利用面向服務(wù)架構(gòu)技術(shù)，集成單礦山時(shí)空數(shù)據(jù)，建立數(shù)字礦山三維動(dòng)態(tài)監(jiān)管平臺(tái)，建立了省級(jí)、市級(jí)、縣級(jí)和礦山四級(jí)互聯(lián)互通的監(jiān)管體系，通過對(duì)礦山實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取與分析動(dòng)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(chǎn)資源監(jiān)管水平，維護(hù)礦產(chǎn)資源勘查開采秩序，遏制違法行為，有效保護(hù)和合理利用礦產(chǎn)資源。

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

[2]李梅，毛善君．?dāng)?shù)字礦山中3DGIS關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32(8)：44-48.

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

[4]張申，丁恩杰，趙小虎，等．?dāng)?shù)字礦山及其兩大基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(9):997-1001.

[5]白立飛，潘寶玉，張?zhí)m.三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山領(lǐng)域的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)人員全局定位系統(tǒng)[J].煤炭學(xué)報(bào)，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(jì)寧人，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)應(yīng)用和國土資源信息化建設(shè)；E-mail：sunjhgis@126.com

P208

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