疏禮春

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，1000133.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

★ 煤炭科技·機電與信息化 ★

基于二三維與全景一體化的數(shù)字礦山綜合管理平臺研究與應用*

疏禮春1,2,3

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，1000133.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

針對當前數(shù)字礦山綜合管理平臺多采用三維建模方式實現(xiàn)礦山場景及監(jiān)測監(jiān)控數(shù)字化現(xiàn)狀，提出了基于二三維與全景一體化的數(shù)字礦山三維綜合管理平臺，介紹了該平臺的架構(gòu)、功能以及關鍵技術，最后闡述了該平臺在王坡煤礦的實際應用情況。實際應用表明，該平臺實現(xiàn)了礦山企業(yè)減人增效和提升安全的效果。

數(shù)字礦山 二三維與全景一體化 綜合管理平臺 數(shù)據(jù)融合

近年來，二三維GIS在數(shù)字礦山系統(tǒng)建設中有著廣泛的需求和應用前景。數(shù)字化礦山的核心任務是建立統(tǒng)一的礦山時空框架，整合各類礦山數(shù)據(jù)資源，建立數(shù)字化的礦山空間數(shù)據(jù)倉庫和集成化的礦山實景三維空間模型，關聯(lián)礦山各類軟件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)流程，為礦山設計、生產(chǎn)作業(yè)、安全管理、應急救援等提供基礎平臺和決策支持。

利用二三維地理信息系統(tǒng)和全景系統(tǒng)作為支撐工具，構(gòu)建二三維與全景一體化的數(shù)字礦山綜合管理平臺，將礦山地形地貌、地表設施、井巷工程、礦山地質(zhì)等空間構(gòu)造在平臺中真實再現(xiàn)，同時將礦山監(jiān)測監(jiān)控、生產(chǎn)自動化、風險預控、生產(chǎn)調(diào)度管理、地測管理等系統(tǒng)的實時和動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備信息、人員信息、管理信息等植入平臺，從而構(gòu)建成能真實反映煤礦復雜生產(chǎn)環(huán)境和狀態(tài)的實景三維數(shù)字礦山，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控、信息跟蹤、多系統(tǒng)互聯(lián)互動和數(shù)據(jù)融合分析等功能，為礦井的日常監(jiān)測監(jiān)控以及調(diào)度管理提供信息支撐，各專業(yè)部門能夠通過綜合管理系統(tǒng)獲取本部門所有與安全生產(chǎn)有關的信息，在突發(fā)事件下為決策者提供全面的應急決策信息支持，最大程度地降低發(fā)生事故的概率和減少事故造成的損失。

1 數(shù)字礦山綜合管理平臺架構(gòu)設計

數(shù)字礦山綜合管理平臺架構(gòu)包含數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)中心層以及平臺功能層3層，其架構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)資源層

該層為平臺提供數(shù)據(jù)源的4類系統(tǒng)，包括監(jiān)測監(jiān)控類系統(tǒng)、生產(chǎn)自動化類系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理類系統(tǒng)、地測類系統(tǒng)。通過制定的煤礦監(jiān)測監(jiān)控異構(gòu)系統(tǒng)集成規(guī)范，利用TXT或XML文件作為數(shù)據(jù)接口，平臺能夠?qū)崟r動態(tài)采集各類監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)；通過OPC接口方式，平臺能夠?qū)崟r動態(tài)采集生產(chǎn)自動化類系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過ODBC接口方式，平臺實時采集安全生產(chǎn)管理類、地測類系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

圖1 基于二三維與全景一體化的數(shù)字礦山綜合管理平臺架構(gòu)圖

1.2 數(shù)據(jù)中心層

該層主要包括實時數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫以及空間數(shù)據(jù)庫，開發(fā)針對各類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及解析軟件，通過OPC方式采集的數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)庫，TXT或XML文本文件數(shù)據(jù)存入關系數(shù)據(jù)庫，井上和井下空間三維建模及全景影像數(shù)據(jù)存入空間數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)中心層可對煤礦上級單位提供多種形式的數(shù)據(jù)接口。

1.3 平臺功能層

該層以二三維地理信息系統(tǒng)和全景系統(tǒng)為支撐工具，開發(fā)了礦區(qū)地理信息三維可視化、安全生產(chǎn)監(jiān)測預警、多系統(tǒng)聯(lián)動、數(shù)據(jù)融合分析等功能模塊。整個平臺可供調(diào)度室集中監(jiān)測監(jiān)控和生產(chǎn)調(diào)度管理使用，同時可通過權限管理給各個專業(yè)部門提供所關注的信息，還可以與其他生產(chǎn)設計和經(jīng)營管理類系統(tǒng)互聯(lián)互通。

2 數(shù)字礦山綜合管理平臺數(shù)據(jù)中心

數(shù)字礦山綜合管理平臺的數(shù)據(jù)中心建設包括信息采集與處理系統(tǒng)、存儲生產(chǎn)自動化類系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫、存儲監(jiān)測監(jiān)控類和管理類系統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫以及存儲模型文件的空間數(shù)據(jù)組成。

2.1 實時動態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理

信息采集與處理軟件主要包含基于文件、OPC、ODBC三種方式的數(shù)據(jù)采集與處理軟件。采用文件交換方式采集礦山安全監(jiān)控、人員定位、產(chǎn)量監(jiān)控、頂板壓力等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)；采用OPC方式采集綜采監(jiān)控、帶式輸送機監(jiān)控、主副井提升監(jiān)控、供電監(jiān)控、洗煤廠監(jiān)控等生產(chǎn)自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)；采用ODBC方式采集風險預控、生產(chǎn)調(diào)度、地測等管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，監(jiān)測監(jiān)控、生產(chǎn)管理、地測系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析后進入數(shù)據(jù)中心關系數(shù)據(jù)庫，生產(chǎn)自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析后進入數(shù)據(jù)中心實時數(shù)據(jù)庫，三維模型數(shù)據(jù)直接存入空間數(shù)據(jù)庫。整個信息采集與處理過程包括數(shù)據(jù)讀取、傳輸、接收、存儲、緩存、安全等環(huán)節(jié)。

(1)數(shù)據(jù)讀取。信息采集與處理軟件實時監(jiān)視煤礦各個系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)集成規(guī)范提供的接口數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行格式校驗和錯誤檢查，而后交由數(shù)據(jù)上傳模塊進行發(fā)送。

(2)數(shù)據(jù)傳輸。采用高效的網(wǎng)絡異步通信技術對實時采集的數(shù)據(jù)進行傳輸，傳輸模塊重點考慮時間同步性和斷點續(xù)傳。當數(shù)據(jù)讀取模塊發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)來源，立即把這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送至數(shù)據(jù)接收模塊。

(3)數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)接收是采集數(shù)據(jù)的關鍵環(huán)節(jié)，在數(shù)據(jù)接收模塊需要重點考慮數(shù)據(jù)的并發(fā)處理能力和高效性，采用多線程的并發(fā)數(shù)據(jù)處理模式。數(shù)據(jù)接收模塊收到數(shù)據(jù)后按照數(shù)據(jù)集成規(guī)范進行解析，然后采用批量方式集中寫入到數(shù)據(jù)中心各對應的數(shù)據(jù)庫中。

(4)數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)存儲采用能大規(guī)模響應的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，從各個系統(tǒng)采集過來的數(shù)據(jù)會安照一定的規(guī)則存儲到數(shù)據(jù)庫中，重要數(shù)據(jù)會存儲5年以上，為了節(jié)省存儲空間，采集軟件會把一些過期或無用的數(shù)據(jù)定期進行自動清理以加快系統(tǒng)的運行速度。

(5)數(shù)據(jù)緩存。數(shù)據(jù)傳輸時具有數(shù)據(jù)緩存能力，能夠保證不會因通訊故障等原因而導致數(shù)據(jù)的中斷或丟失。

(6)數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)在傳輸過程中采用加密機制，防止數(shù)據(jù)被篡改對系統(tǒng)存在潛在威脅或攻擊。

2.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理

靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括井上井下全景影像數(shù)據(jù)、圖紙文檔數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù)等。全景影像數(shù)據(jù)采集包括地面影像數(shù)據(jù)采集和井下影像數(shù)據(jù)采集，地面采用背包式全景采集相機進行采集，根據(jù)礦山工業(yè)廣場平面圖事先規(guī)劃采集點，采集點主要布置在礦區(qū)的道路上，采用GPS坐標進行采集點的定位工作。由于井下無GPS信號，巷道全景影像數(shù)據(jù)采集采用坐標基點的方式，然后在自主研發(fā)的三輪車上安裝里程計，采用定點的方式進行采集。工作面、掘進頭及硐室等采用三腳架全景相機的方式采集。采集完的全景影像數(shù)據(jù)，采用自主研發(fā)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)軟件進行全景影像與地面坐標點的匹配數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作。圖紙文檔及三維模型數(shù)據(jù)采用FTP方式直接上傳到對應的數(shù)據(jù)庫存儲即可。

3 數(shù)字礦山綜合管理平臺功能設計

數(shù)字礦山綜合管理平臺通過融合礦區(qū)的地理信息、井上井下場景、地質(zhì)體及動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等多維度信息，進行統(tǒng)一的動態(tài)監(jiān)測，實時動態(tài)感知礦山安全生產(chǎn)態(tài)勢，主要功能模塊如下：

3.1 礦區(qū)地理信息三維可視化模塊

該模塊通過加載礦區(qū)高精度地形數(shù)據(jù)，將礦區(qū)地形地貌、礦區(qū)所處地理位置及其周邊地形地貌清晰再現(xiàn)，融合交通道路、河流、植被、村莊等，可為礦區(qū)后期的整體規(guī)劃、設計和維護提供基礎地理數(shù)據(jù)。在礦區(qū)地形圖上顯示礦界以及井下采掘圖在地面的逆投影，從地面就可以看出井下巷道的布置、采空區(qū)、工作面等位置，為礦區(qū)的規(guī)劃設計提供決策參考。通過井上井下對照，可以查詢出井下任意巷道位置對應地表的垂直位置坐標，為井下救援打孔時定點定位提供支持。

3.2 井上井下場景三維可視化模塊

該模塊基于礦區(qū)現(xiàn)有的地面工業(yè)廣場圖紙，整合現(xiàn)場采集的數(shù)字化信息，構(gòu)建實景三維礦區(qū)場景，工業(yè)廣場以及井上井下設施等均按照實體建模，井上井下重要位置用三維實景的形式呈現(xiàn)。該模塊提供場景編輯和維護功能，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整設備位置、添加新設備、更新掘進巷道和回采工作面位置等，對照井下生產(chǎn)進度來調(diào)整場景保持對應一致。

3.3 礦山地質(zhì)體三維可視化模塊

該模塊通過對礦山現(xiàn)有勘探、鉆孔、采掘工程、水文地質(zhì)等地學數(shù)據(jù)進行整合分析，生成三維地形、地學構(gòu)造、煤層空間拓撲專題數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)學算法擬合生成實景三維礦體和地質(zhì)構(gòu)造模型；用戶可在地表上任意地點剖切查看地下的巖層和煤層構(gòu)造等，以分層抽取方式展現(xiàn)煤層和巖層等地質(zhì)層次，并能夠可視化展示陷落柱、積水區(qū)、斷層、地質(zhì)瓦斯含量等地質(zhì)構(gòu)造位置及空間分布，并可查詢井下任意位置周邊存在的陷落柱和積水區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造，對在該區(qū)域進行掘進和回采作業(yè)的班組進行預警提示。

3.4 安全生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測預警模塊

該模塊通過對礦山標準化數(shù)據(jù)集成規(guī)范，將現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息從不同的專業(yè)系統(tǒng)和不同的應用平臺進行整合，同步提取各系統(tǒng)中實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及隱患報警數(shù)據(jù)，具有監(jiān)測點數(shù)據(jù)大幅度變化預報警提示功能。結(jié)合數(shù)據(jù)顯示和定位等服務功能，在監(jiān)測點報警的同時能快速定位到報警位置以及周邊三維場景，并自動觸發(fā)對該隱患信息相關聯(lián)的信息，逐項排查，確定問題發(fā)生的原因，實現(xiàn)隱患數(shù)據(jù)的綜合監(jiān)測分析，幫助調(diào)度人員和管理者尋找解決方案。

3.5 生產(chǎn)工藝流程仿真模塊

該模塊依托礦山實際的生產(chǎn)工藝，采用虛擬現(xiàn)實技術，綜合應用三維動畫和同步語音等技術，以動態(tài)可視化的形式再現(xiàn)井下采煤、煤流運輸、通風、洗煤、絞車提升等工藝流程，為礦山各個專業(yè)員工的安全培訓提供可視化教材。

3.6 數(shù)據(jù)融合分析模塊

該模塊對井下環(huán)境監(jiān)測易報警位置進行自動篩選、重點監(jiān)測以及特征分析，為相關部門和工作人員采取針對措施提供決策支持。該模塊對井下傳感器校驗報警數(shù)據(jù)與真實報警數(shù)據(jù)進行自動辨識，并根據(jù)礦井采掘圖生成井下巷道網(wǎng)絡拓撲圖，結(jié)合井下巷道3D GIS數(shù)據(jù)、實時動態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及井下作業(yè)人員位置等信息，動態(tài)規(guī)劃井下避災路線，自動圖文提示最優(yōu)避災路線及長度。

3.7 多系統(tǒng)聯(lián)動模塊

該模塊實現(xiàn)安全監(jiān)控、人員定位、視頻監(jiān)控以及擴播系統(tǒng)之間的聯(lián)動，自動提示瓦斯報警、CO超限信息、人員信息以及視頻監(jiān)控畫面，報警信息自動傳送到擴播系統(tǒng)進行廣播，通知特定區(qū)域人員撤離，并在井下逃生指示牌中顯示避災路線。

3.8 輔助決策模塊

在統(tǒng)一的時間與空間框架下，以安全、生產(chǎn)和管理為主線對信息進行全面、有序、高效整合、挖掘和分析， 實現(xiàn)礦區(qū)地理信息、礦山地質(zhì)體以及井上井下場景三維可視化、生產(chǎn)工藝流程仿真、安全生產(chǎn)綜合監(jiān)測預警以及數(shù)據(jù)與場景融合，滿足礦山企業(yè)通過一個平臺進行全礦生產(chǎn)過程的集中監(jiān)測監(jiān)控和調(diào)度管理的需要。各個專業(yè)部門通過平臺可以掌握本部門關注的監(jiān)測監(jiān)控、設備實時運行狀態(tài)以及生產(chǎn)管理信息，通過多個系統(tǒng)融合的數(shù)據(jù)以及多維度的挖掘分析進行監(jiān)測監(jiān)控、井下避災和應急演練等輔助決策。

3.9 基礎數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊實現(xiàn)井下設備資料的管理，包括設備基礎信息、部署位置、廠商資料和主要技術資料等，為設備維修提供基礎。

3.10 運維管理模塊

該模塊實現(xiàn)井下巷道及機電設備的檢修和維護記錄以及監(jiān)控中心值班信息的管理，包括維修和改造信息管理、維修改造計劃、維修改造記錄以及統(tǒng)計維修改造信息等功能，可以自動生成運維報表，并可進行導出和打印。

3.11 應急管理模塊

該模塊實現(xiàn)應急物資管理、應急隊伍管理以及應急預案管理，支持新增、編輯、刪除、查看詳情等功能，支持文檔的上傳和下載。

3.12 圖檔管理模塊

該模塊實現(xiàn)礦山設計和維護階段相關的各類紙質(zhì)或電子圖檔資料的管理，包括項目準備階段文件、監(jiān)理文件、施工文件、竣工驗收文件、竣工圖、地下設施竣工測量成果以及電子文件等，并提供上傳、存檔、查看和下載等功能。該模塊能夠提高圖檔管理工作的效率，確保各種工程圖紙和各階段文件的完整性管理，便于查閱和使用圖檔資料。與此同時，圖檔可與具體的三維模型掛接。

4 數(shù)字礦山綜合管理平臺關鍵技術研究

4.1 井下地質(zhì)體精細化建模及快速更新技術

研究通過地測的鉆孔、采掘圖以及測量等數(shù)據(jù)構(gòu)建精細化三維地質(zhì)體模型；研究通過地測管理系統(tǒng)自動更新平臺中地質(zhì)體、工作面以及掘進頭等信息；研究通過地質(zhì)體剖切查看井下斷層的走向以及巷道頂?shù)装逶诿簩雍蛶r層的走向，為井下采掘工作提供地質(zhì)三維可視化技術支持。

4.2 井下全景影像采集技術

研究井下低照度環(huán)境下全景影像的采集技術，研究無GPS信號情況下全景采集點與井下采掘圖點對點匹配技術，研制基于防爆三輪車(加裝里程計、全景相機和照明裝置)的井下巷道全景采集裝置，研制基于三角架、電動云臺和單相機的采掘面、硐室全景采集裝置，實現(xiàn)井下影像的高效采集。

4.3 井下全景與GIS集成技術

通過二維GIS軟件轉(zhuǎn)化煤礦采掘圖為二維GIS圖，通過研發(fā)全景數(shù)據(jù)生產(chǎn)軟件在GIS圖上繪制全景影像采集軌跡線，實現(xiàn)任意條巷道的全景點可平均固定到各條軌跡線上，實現(xiàn)全景影像與巷道固定位置的關聯(lián)。

4.4 多系統(tǒng)之間的聯(lián)動技術

在數(shù)據(jù)融合的基礎上，通過二三維GIS空間信息自動計算井下重要位置瓦斯傳感器周圍一定距離的人員定位分站、廣播以及攝像頭的位置，當瓦斯報警或短時間上升幅度過大時，平臺自動進行報警提示，同時關聯(lián)廣播通知區(qū)域內(nèi)人員進行撤離，并自動彈出區(qū)域內(nèi)視頻監(jiān)控畫面。

5 數(shù)字礦山綜合管理平臺應用效果

山西天地王坡煤業(yè)有限公司生產(chǎn)能力為 300萬t/a，井田面積為25 km2，地質(zhì)儲量為2.96億t，屬于高瓦斯礦井。礦井安裝了安全監(jiān)控、人員定位、緊急避險、通信聯(lián)絡、壓風自救和供水施救等安全避險六大系統(tǒng)以及綜采監(jiān)控系統(tǒng)、主通風機監(jiān)控、副井提升監(jiān)控和選煤廠監(jiān)控等生產(chǎn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)，具備平臺建設條件。2014年5月，公司啟動了數(shù)字礦山綜合管理平臺建設，2015年11月，該平臺建設完成并進行了實際應用。該平臺實現(xiàn)了公司井下地質(zhì)體的精細化建模及三維可視化展示，建立了礦井9個標志性巖層，3個主采煤層的地質(zhì)可視化，包含煤層中的斷層、陷落柱、瓦斯含量分布以及煤層等高線等，并可進行地質(zhì)體剖切，為井下采掘巷道布置提供決策支持。在二三維與全景一體化集成場景中實現(xiàn)15個系統(tǒng)聯(lián)合監(jiān)測、一張圖監(jiān)控、多系統(tǒng)互聯(lián)互動以及數(shù)據(jù)與場景融合，達到了高效監(jiān)測、自動定位報警地點以及自動提示可能報警原因等效果。通過實時動態(tài)采集的多系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行融合分析，融合井下實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與巷道空間拓撲的避災路線實時動態(tài)規(guī)劃與發(fā)布，對設備耗能情況以及人員生產(chǎn)績效進行了綜合分析，實現(xiàn)了設備能耗以及人員績效的可視化管理，為提高管理方式和方法提供了支持。

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(責任編輯 路 強)

Research and application of digital mine integrated management platform basedon integration of two or three dimension and panorama

Shu Lichun1,2,3

(1. China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization, Chaoyang, Beijing 100013, China;3. Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Chaoyang, Beijing 100013, China)

For the current situation that digital mine integrated management platform often use 3D modeling method for digitalization of mine scene and monitoring and inspecting, digital mine 3D integrated management platform based on integration of two or three dimension and panorama was proposed. The framework, functions and key technology of the platform were introduced, and the practical application condition of the platform in Wangpo Coal Mine was elaborated. The results showed that the platform realized efficiency increasing, payrolls downsizing and safety promotion.

digital mine, integration of two or three dimension and panorama, integrated management platform, data fusion

國家科技重大專項項目(2016ZX05045007)

TD-9

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疏禮春(1981 -)，男，安徽安慶人，工程師，碩士，主要從事煤礦信息化類軟件的設計及開發(fā)研究工作。