譚章祿，吳琦，肖懿軒，王震，李爍

(中國礦業(yè)大學(北京) 管理學院， 北京 100083)

0 引言

智慧礦山在當前煤礦信息化發(fā)展背景下應運而生，其是充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、多源異構數(shù)據(jù)融合、可視化等技術，結合現(xiàn)代管理方法進行流程再造，優(yōu)化運行中的物質流、信息流、控制流、知識流、價值流，解決煤礦信息化建設中數(shù)據(jù)利用不充分、系統(tǒng)聯(lián)動程度低、技術應用不到位等關鍵難題，實現(xiàn)礦山企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中的透徹感知、深度互聯(lián)、高度自治、深度學習、智能服務、可視化展現(xiàn)，實現(xiàn)“本質安全、高產(chǎn)高效、綠色環(huán)保” 新型礦山的信息化發(fā)展階段。

智慧礦山最早出現(xiàn)在1992年芬蘭智能礦山計劃中。面對煤礦信息化發(fā)展的要求，越來越多的學者意識到智慧礦山是當前及未來礦山工程發(fā)展的趨勢。近年來，學者分別從智慧礦山關鍵技術[1-2]、整體架構[3]、全局化發(fā)展[4-5]等角度進行了研究。其中關于智慧礦山可視化方面的研究均圍繞智慧礦山三維場景搭建問題進行論述和探討，更多的是強調技術和實際應用[6-8]，且大多從三維虛擬場景搭建和真實場景監(jiān)控兩方面進行研究，忽視了從管理人員關注點的角度進行有選擇性的信息可視化展示。

智慧礦山是一個巨型系統(tǒng)，信息冗雜。不同管理人員關注的有效信息不同，應針對不同認知主體的需求有針對性地進行信息展示。本文基于以認知主體為中心的思想，提出了智慧礦山總體架構及其信息可視化管理思路，著重分析了智慧礦山可視化信息框架。

1 智慧礦山架構及其信息可視化管理

1.1 智慧礦山總體架構

智慧礦山總體架構可概括為“四橫三縱”，如圖1所示。“四橫”包括應用層、數(shù)據(jù)及應用支撐層、網(wǎng)絡通信層和感知控制層；“三縱”分別為信息系統(tǒng)標準化體系、管理運維體系和信息安全體系。感知控制層是智慧礦山最底層的支撐體系，以物聯(lián)網(wǎng)等技術為核心，感知獲取煤礦井下設備、人員、環(huán)境、災害等信息。網(wǎng)絡通信層負責將感知控制層采集的數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)及應用支撐層，是感知控制層和數(shù)據(jù)及應用支撐層的橋梁。數(shù)據(jù)及應用支撐層實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合及應用融合，由基礎信息、物聯(lián)網(wǎng)信息、業(yè)務信息、共享交換信息、互聯(lián)網(wǎng)信息及煤礦企業(yè)建立的各種數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)中心等構成。應用層通過分析智慧礦山背景下的煤礦企業(yè)需求，明確各信息系統(tǒng)應實現(xiàn)的功能，按照業(yè)務流程進行關聯(lián)，最終通過智慧生產(chǎn)、智慧安全、智慧調度等可視化平臺實現(xiàn)其智慧化功能，為國家有關部門、行業(yè)協(xié)會、煤礦企業(yè)管理決策者及員工提供智能服務?！叭v”為智慧礦山各層面提供支撐，確保通過智慧礦山信息化建設實現(xiàn)煤礦企業(yè)生產(chǎn)自動化、管理高效化及網(wǎng)絡基礎設施智能化等，并全面保障智慧礦山信息化建設有效實施。

圖1 智慧礦山總體架構

1.2 智慧礦山信息可視化管理

煤礦企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營過程中會產(chǎn)生海量的同源異構數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)無法直接被管理人員使用，需要進行加工處理?？梢暬夹g[9]將海量數(shù)據(jù)中隱含的信息以圖形、圖表等形式展示，方便管理人員直觀查看，從而降低管理人員認知負荷，提高管理效率?？梢暬芾韽娬{的是管理對象可視、管理問題可視、管理流程可視[10]。因此，可視化管理的關鍵在于明確哪些信息適合可視化管理，管理人員需要哪種管理方式，在此基礎上設計合適的信息系統(tǒng)。

可視化管理貫穿智慧礦山信息化建設的始終，可視化方式的選擇對于建設智慧礦山信息系統(tǒng)具有重要意義。本文立足于管理人員關注點，基于智慧礦山下煤礦生產(chǎn)管理過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)及管理人員所關注的信息，探討信息可視化方式選擇，并分析智慧礦山可視化信息框架。

2 智慧礦山可視化信息框架

基于認知科學與智慧礦山可視化需求，采用可視化方式選擇模型ISVE(Information-Subject-Visualization-Effectiveness，信息-認知主體-可視化展示-效果)[11]構建智慧礦山可視化信息框架。

ISVE模型描述認知主體對客體內(nèi)容中以不同可視化方式展示的信息進行認知的過程。信息均以認知主體為中心進行可視化展示，選擇最符合認知主體認知偏好和認知效率最高的可視化方式。智慧礦山信息可視化方式選擇的基礎是明確需要展示的信息，從而為后續(xù)認知場景的構建提供依據(jù)。因此，本文以智慧礦山可視化信息框架的構建為著眼點進行分析。

2.1 智慧礦山可視化信息框架及其屬性

基于智慧礦山總體架構，立足于應用層，將智慧礦山信息系統(tǒng)按照面向服務對象劃分為工程數(shù)字化系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)和管理信息化系統(tǒng)3類，如圖2所示。工程數(shù)字化系統(tǒng)主要從技術角度出發(fā)，為智慧礦山信息系統(tǒng)的構建提供信息化和數(shù)字化技術環(huán)境。綜合自動化系統(tǒng)立足于為物質(人員、設備、環(huán)境)的運動狀態(tài)服務。管理信息化系統(tǒng)建立在上述2類系統(tǒng)基礎上，主要為管理人員服務，對辦公、生產(chǎn)作業(yè)、決策和考核等進行系統(tǒng)化設置。3類系統(tǒng)之間相輔相成，旨在構建數(shù)據(jù)高度集成的信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)從簡單的物理整合向邏輯融合的過渡。

圖2 智慧礦山可視化信息框架

2.1.1 工程數(shù)字化系統(tǒng)

在智慧礦山應用層中，工程數(shù)字化系統(tǒng)涉及三維可視化系統(tǒng)、井下虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)及網(wǎng)格化定位系統(tǒng)，體現(xiàn)了智慧礦山智能服務和可視化展示特征，通過直觀、清晰地呈現(xiàn)煤礦安全信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、在線瀏覽、圖層控制、實時更新等功能，進而建立共享的采礦圖形信息資源[12]，同時能夠動態(tài)標志預警信息，提高管理人員的認知效率。

礦山數(shù)據(jù)既包括圖表和文檔中展現(xiàn)的靜態(tài)地質數(shù)據(jù)，也包括生產(chǎn)過程中隨生產(chǎn)活動不斷變化的動態(tài)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段我國智慧礦山建設的主要任務是全面收集和整理礦山的地質數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將其按照統(tǒng)一的標準進行管理[13]。煤礦生產(chǎn)中涉及很多時空信息，在工程數(shù)字化系統(tǒng)建設初步階段，煤礦企業(yè)需基于3DGIS地理地測信息平臺和地質信息數(shù)據(jù)庫，將涵蓋開拓、掘進、采煤、運輸、排水、提升、選煤、外運、供電、通風、安全、通信、人員定位等各個作業(yè)環(huán)節(jié)[14]的礦山地理、地質地形、礦山建設、礦山生產(chǎn)、礦山安全、產(chǎn)品加工與運銷、礦山生態(tài)等信息全面數(shù)字化。

礦山信息分類既要考慮數(shù)據(jù)本身的屬性，又要考慮數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。在工程數(shù)字化系統(tǒng)中，按照信息狀態(tài)將其分為固有信息和動態(tài)信息。固有信息包括原始數(shù)據(jù)、相關標準和地質空間信息，主要劃分為地質地形信息、資源勘探信息、礦圖文件信息及礦山工程信息。動態(tài)信息包括生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡信息，通風、調度、供電等場景的生產(chǎn)信息，安全監(jiān)控信息(“一通三防”數(shù)據(jù)、危險源管理情況等)，生產(chǎn)經(jīng)營管理信息[15]。以采掘工程為例，其涉及的動態(tài)信息屬性主要包括采掘工作面名稱、類型、編號、日期、開采方法、采掘深度、作業(yè)人數(shù)等。

2.1.2 綜合自動化系統(tǒng)

綜合自動化系統(tǒng)可視為能夠對礦井人、機、環(huán)等各類數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測監(jiān)控，完成礦山所有信息的全面感知、高效傳輸、遠程控制，并借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、可視化、人工智能等技術實現(xiàn)采煤自動化及礦山的自感知、自分析、自決策，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)管理等過程的可視化、智能化、自動化，最終達到無人化的智慧礦山信息系統(tǒng)。綜合自動化系統(tǒng)采用自動控制、礦用傳感器及智能設備、人工智能等技術，為實現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和故障自動報警，提升礦井自動化、信息化、數(shù)字化水平，評估礦山生產(chǎn)安全風險等提供技術支持。目前綜合自動化系統(tǒng)處于按初始設定程序執(zhí)行任務階段，在系統(tǒng)或設備自學習方面需進行深入研究。

基于綜合自動化系統(tǒng)的面向服務對象，將其信息按照自身的作用和特性，分為人員、機器設備、環(huán)境3類。

(1) 人員類信息。當管理者需要了解礦井各場所人員情況，以便進行合理、高效的調度安排等決策或井下救援時，需要人員類信息提供支撐。人員類信息分為人員定位數(shù)據(jù)信息、人員基本數(shù)據(jù)信息、人員生命體征信息。人員定位數(shù)據(jù)信息屬性包括井下人員數(shù)量、位置、移動方向、活動軌跡、高度、速度、下井時長、下井位置、行為狀態(tài)等；人員基本數(shù)據(jù)信息屬性包括人員ID(或卡號、編號等)、姓名、身份證號、職務工種(崗位)、所在部門等；人員生命體征信息屬性包括呼吸頻率、心率、皮膚溫度等。

(2) 機器設備類信息。管理人員根據(jù)該類信息了解煤礦各臺機器設備情況，以便設備出現(xiàn)故障時及時維修，保證煤礦生產(chǎn)順利進行。對于井下機器設備，按照運行、操作、檢查、維修4個方面，將其信息分為設備運行情況數(shù)據(jù)信息、設備操作情況數(shù)據(jù)信息、設備點檢情況數(shù)據(jù)信息、設備維修情況數(shù)據(jù)信息4類。設備運行情況數(shù)據(jù)信息屬性包括設備名稱、所屬部門、位置、檢修員、參數(shù)動態(tài)運行情況、參數(shù)名稱(電壓、電流、功率等)等；設備操作情況數(shù)據(jù)信息屬性包括操作名稱、操作時長、操作次數(shù)、操作方式、操作人員等；設備點檢情況數(shù)據(jù)信息屬性包括點檢員、設備名稱、點檢方式、點檢異常值、點檢值等；設備維修情況數(shù)據(jù)信息屬性包括設備名稱、位置、維修人員、維修時間、維修材料及工具等。

(3) 環(huán)境類信息。管理人員可根據(jù)該類信息全面了解井下環(huán)境狀況，及時預測或發(fā)現(xiàn)問題并盡早解決，以降低煤礦安全事故發(fā)生率。將環(huán)境類信息分為重要氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、通風監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)信息及供電監(jiān)測數(shù)據(jù)信息5類。重要氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)信息屬性包括氣體名稱、實時氣體濃度、氣體報警閾值、氣體監(jiān)測時間、氣體濃度動態(tài)波動范圍、氣體濃度變化趨勢等；通風監(jiān)測數(shù)據(jù)信息屬性包括通風機型號、風速、風量、報警閾值等；礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)信息屬性包括測量深度、支護阻力、報警閾值等；水文監(jiān)測數(shù)據(jù)信息屬性包括涌水量、水位、水溫、水質、環(huán)境溫度等；供電監(jiān)測數(shù)據(jù)信息屬性包括電力負荷、饋電狀態(tài)、斷電閉鎖控制、變電所位置等。

2.1.3 管理信息化系統(tǒng)

管理信息化系統(tǒng)以經(jīng)營管理內(nèi)容為主，其信息包括人、財、物、產(chǎn)、供、銷6個方面。人員信息包括個人辦公、行政辦公、工作流轉、統(tǒng)計分析、企業(yè)交流等信息；財務信息包括工資核算、合同管理、價格管理、成本走廊等信息；物資信息包括設備管理、材料管理、安全管理等信息；生產(chǎn)信息包括開采、掘進、機電、運輸、通風等信息；供應信息包括供應商、采購、庫存等信息；銷售信息包括采購方、合同管理、過磅等信息。根據(jù)信息內(nèi)容可以對其屬性進行歸納，以人員信息為例，其屬性包括人員性別、民族、籍貫、出生日期、學歷、員工類別、員工性質、年齡、參加工作時間、政治面貌、職務級別等。

2.2 信息分類下屬性特點

基于面向服務對象的信息分類方式及相應屬性描述，根據(jù)共有特征對屬性分類，形成描述信息集合的基礎，以便后續(xù)可視化展示。本文將智慧礦山可視化信息屬性分為基本屬性、狀態(tài)屬性和預警屬性3類。

基本屬性用來描述信息在靜止狀態(tài)下的固有屬性，如人員性別、民族、ID，機器設備編號、型號、所在位置，工程數(shù)字化系統(tǒng)中涉及的礦床固有屬性等靜止參數(shù)。狀態(tài)屬性用來描述信息在當前狀態(tài)下的實時屬性，如人員位置，設備電壓、功率、風速、風量，環(huán)境氣體濃度等。預警屬性用來描述監(jiān)測監(jiān)控信息的屬性，如環(huán)境類信息涉及的報警、設備點檢狀態(tài)、井下人員生命體征等。預警屬性建立在狀態(tài)屬性和基本屬性基礎上，通過比較臨界值與預警值產(chǎn)生。

3 智慧礦山信息可視化方式

3.1 以認知主體為中心的可視化方式選擇

煤礦安全事故頻發(fā)是安全生產(chǎn)監(jiān)管的一大難題，煤礦企業(yè)管理人員作為企業(yè)的領導核心，對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)負直接責任。由于各煤礦企業(yè)組織結構存在差異，所以不同企業(yè)的崗位設置不同。本文從管理層級的角度，將管理人員分為高層、中層和基層管理者。每一層級每一崗位的職責和要求不同。在智慧礦山信息化建設中，管理人員的層級不同，對信息類型的需求也不同，管理人員層級越高，關注的信息越綜合。高層管理者關注綜合信息及政策法規(guī)、企業(yè)文化等，所需信息可視化方式應承載盡可能多的信息量。對于高層管理人員，可視化展示的不是單獨信息，而是經(jīng)過整合后相關聯(lián)的信息集合，呈現(xiàn)的是不同認知管理場景，如人員定位狀態(tài)圖、設備信息圖、環(huán)境信息圖等。中層管理者起上傳下達作用，更關注部門綜合信息，相應的信息可視化方式應實現(xiàn)對生產(chǎn)與管理過程的實時監(jiān)控?；鶎庸芾碚咧饕P注日常生產(chǎn)經(jīng)營活動中產(chǎn)生的具體信息，對應的信息可視化方式應簡潔直觀，力求重點突出、清晰明了。

基于認知主體的管理層級，通過分辨各層級關注信息集合中的對象及屬性，采用技術手段及煤礦安全管理專業(yè)知識，結合具體的管理需求場景選擇信息可視化方式，可最大化認知效率，便于管理人員快速高效地對安全隱患及災害信息做出決策并制定措施。

3.2 可視化方式管理及效應評價

可視化方式管理主要包括可視化方式設計與選擇?？梢暬绞皆O計主要從設計要素的角度出發(fā)。對認知場景中出現(xiàn)的所有數(shù)據(jù)進行加工處理后形成可被管理人員識別和使用的信息，而屬性作為描述信息的元素，與管理人員的崗位職責、關注點等共同構成可視化方式的設計基礎?？梢暬绞竭x擇從管理人員認知偏好和認知效率的角度出發(fā)。信息可視化展示主要是管理主體認知識別客體的過程，應針對不同的信息及其屬性選擇符合管理人員認知需求的展示方式。影響管理人員認知需求的因素包括內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素指管理人員自身的特質，如認知風格、先驗知識、工作年限、專業(yè)背景、所在崗位及職責等，不因環(huán)境變化而轉移；外在因素指管理人員所關注信息的復雜性、展示方式的可接受性、外界噪聲等。

可視化方式的效應評價主要從主觀和客觀兩方面進行。主觀評價主要通過設計一系列評價量表，以認知主體評分的方式判斷在通過可視化方式進行認知學習時的主觀感受，如PAAS量表、SWAT量表、OW量表等?？陀^評價主要結合現(xiàn)代醫(yī)療設備測量和捕捉認知主體的腦電波、心率、眼動和皮膚電反應等相關指標?？刹捎弥饔^與客觀相結合，“事中客觀，事后主觀”的方式評價認知主體的認知效率，最終選擇最科學的可視化方式。

4 結語

在煤礦信息化發(fā)展背景下，智慧礦山正向本質安全、高產(chǎn)高效、綠色環(huán)保的新型礦山發(fā)展。在智慧礦山應用層中采用可視化方式展示信息可提高管理人員的認知效率，進一步促進煤礦企業(yè)信息化和智慧化的發(fā)展。本文旨在倡導智慧礦山信息可視化管理理念，將智慧礦山信息系統(tǒng)分為工程數(shù)字化系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)及管理信息化系統(tǒng)，通過對3類系統(tǒng)中信息進行分類，構建了智慧礦山可視化信息框架。基于該框架，下一步將重點研究如何針對不同類別信息和管理人員選擇合適的可視化方式。