高 尚，李保飛

(陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦資源開發(fā)利用是一把“雙刃劍”，其在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致區(qū)域不同程度地出現(xiàn)資源耗竭、環(huán)境污染、生態(tài)破壞與區(qū)域發(fā)展衰退等問題[14]。目前國(guó)內(nèi)外煤礦區(qū)普遍將5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用于煤礦產(chǎn)業(yè)的智能化開采和實(shí)踐過程中，在水文水資源監(jiān)測(cè)、污染物監(jiān)測(cè)、井下開采及安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具備了一定的信息化建設(shè)基礎(chǔ)，但主要以展示和保障安全為主，還未能完全做到以智能綠色為導(dǎo)向，缺少統(tǒng)一的生態(tài)大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)，建設(shè)生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以更好地指導(dǎo)礦山科學(xué)合理規(guī)劃布局與綠色開采，服務(wù)礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展[58]。為此，針對(duì)礦井的采掘擾動(dòng)影響范圍進(jìn)行詳細(xì)的空天地立體數(shù)據(jù)的獲取、挖掘、分析，以地質(zhì)環(huán)境專業(yè)技術(shù)為主導(dǎo)，以空天地大數(shù)據(jù)平臺(tái)為依托，以多系統(tǒng)業(yè)務(wù)融合技術(shù)方式開展研究與設(shè)計(jì)工作，研究煤礦資源開發(fā)利用與自然資源環(huán)境之間的相互關(guān)聯(lián)，以期滿足監(jiān)管要求、內(nèi)部分析決策需要、業(yè)務(wù)創(chuàng)新需要的要求。

1 煤礦大數(shù)據(jù)研究現(xiàn)狀

芬蘭、瑞典等國(guó)家早在20世紀(jì)90年代就制定了智能礦山和無人化礦山的發(fā)展規(guī)劃；德國(guó)魯爾集團(tuán)與 PSI公司一起開發(fā)了智能礦山一體化平臺(tái)；澳大利亞部分煤礦建成了智能礦山的大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)于2016年發(fā)布了煤炭工業(yè)“十三五”大數(shù)據(jù)建設(shè)指導(dǎo)意見，2018年工業(yè)和信息化部將著重支持煤炭智能采掘裝備研發(fā)和推廣應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)智能礦山大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究[910]。

在理論研究方面，王國(guó)法等[11]分析了智慧煤礦的構(gòu)成和建設(shè)目標(biāo)，提出以形成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理理論方法、復(fù)雜系統(tǒng)智能控制基礎(chǔ)理論及系統(tǒng)性維護(hù)構(gòu)成的數(shù)字煤礦及智能化開采基礎(chǔ)理論體系，為數(shù)字煤礦智能決策、精準(zhǔn)控制、可靠性保障提供理論支撐。王金華等[12]提出了煤炭開發(fā)的升級(jí)與換代技術(shù)的發(fā)展方向，其中就包括基于互聯(lián)網(wǎng)+的數(shù)字化、信息化礦井構(gòu)建技術(shù)通過三維實(shí)景煤礦綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、計(jì)劃、調(diào)度、采掘、機(jī)電、運(yùn)輸、供電、排水、通風(fēng)系統(tǒng)等信息監(jiān)測(cè)監(jiān)控，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)匯總處理、實(shí)時(shí)報(bào)警提示等。

2 煤礦區(qū)空天地生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 研究目的

針對(duì)煤礦開采對(duì)地表生態(tài)環(huán)境的影響問題，基于大數(shù)據(jù)、5G、智能傳感器技術(shù)構(gòu)建“空—天—地”大數(shù)據(jù)平臺(tái)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，制定大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的范圍、內(nèi)容、標(biāo)志性要素、核心要素，構(gòu)建礦區(qū)級(jí)生態(tài)、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多源多維數(shù)據(jù)的全方位感知、自動(dòng)采集、分析、存儲(chǔ)，重點(diǎn)研究煤礦開采對(duì)地表生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境數(shù)字化全局管控與決策，為煤炭行業(yè)的重大發(fā)展戰(zhàn)略提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2.2 平臺(tái)總體架構(gòu)

空天地生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體架構(gòu)以“透明礦井—智能開采—綠色開采—以人為本”的戰(zhàn)略思想貫穿頂?shù)?，使用云環(huán)境、5G和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建設(shè)基礎(chǔ)環(huán)境，打造“空—天—地”一體化生態(tài)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。借助多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、二三維一體化技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)可視化、人工智能、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接入、微服務(wù)、容器化、分布式計(jì)算、分布式存儲(chǔ)等最新技術(shù)，打造涵蓋全面、時(shí)空維度、兼顧治理的數(shù)據(jù)中臺(tái)，最終借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析形成成果數(shù)據(jù)存入成果庫。利用科學(xué)算法將指定功能建成模型并貫穿煤礦生態(tài)開發(fā)的生命周期全過程，以此建成可靈活管理配置的平臺(tái)門戶。煤礦生態(tài)地質(zhì)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體架構(gòu)示意圖，如圖1所示。

2.3 大數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

選取一個(gè)工作面范圍的地表衛(wèi)片進(jìn)行詳細(xì)分析，按月存儲(chǔ)該工作面對(duì)應(yīng)地表衛(wèi)片及解譯結(jié)果。根據(jù)使用需求具體分析、設(shè)定衛(wèi)片購買時(shí)間。利用文件存儲(chǔ)系統(tǒng)，分時(shí)段分區(qū)域的存儲(chǔ)衛(wèi)星遙感影像，對(duì)不同時(shí)間的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)生態(tài)環(huán)境的變化進(jìn)行對(duì)比研究。利用無人機(jī)不定期采集礦區(qū)或重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的植被、地貌、地災(zāi)等數(shù)據(jù)，形成傾斜攝影模型。大氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以TSP、PM10、SO2、NO2；降水、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、氣壓、日照為主。地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括植被(實(shí)測(cè))、土壤、地貌、高程、水系、水質(zhì)、地災(zāi)點(diǎn)(滑坡、裂縫、沉陷)、土地利用類型(耕地、工業(yè)廠、村莊、開發(fā)區(qū))、礦區(qū)分布等數(shù)據(jù)。其中，地表水的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括pH、懸浮物、溶解氧、COD、BOD5、石油類、揮發(fā)酚、氨氮、總磷、氟化物、硫化物、砷、汞、六價(jià)鉻、硫酸鹽、氯化物、糞大腸菌群等；工業(yè)場(chǎng)地土壤的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括砷、鎘、六價(jià)鉻、銅、鉛、汞、鎳；采區(qū)土壤的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包pH值、陽離子交換量、砷、鎘、鉻、銅、鉛、汞、鎳、鋅；地下數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括地下水(水質(zhì)、水位、水溫)、地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)構(gòu)造等數(shù)據(jù)；地下水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括pH、溶解性總固體、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、揮發(fā)酚、耗氧量、氟化物、砷、汞、鎘、六價(jià)鉻、鐵、錳、總大腸菌群、群落總數(shù)；地下水水井水位的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括坐標(biāo)、水位標(biāo)高。按照不同煤礦進(jìn)行分類，礦區(qū)開采數(shù)據(jù)包括井田邊界、開采進(jìn)度、采空區(qū)位置、含水層、關(guān)鍵隔水層、頂板裂隙發(fā)育高度、巖性、構(gòu)造數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。

污染及項(xiàng)目影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可分為水、氣、聲、固體廢物、生態(tài)。礦井處理站可在線數(shù)據(jù)包括水溫、流量、pH、SS、COD、氨氮，其他數(shù)據(jù)包括石油類、總錳、總砷、總汞、溶解性總固體、硫化物、氟化物。活污處理站可在線數(shù)據(jù)包括水溫、流量、pH、SS、COD、氨氮、總氮、總磷、溶解氧，其他數(shù)據(jù)包括五日生化需氧量、陰離子表面活性劑、糞大腸菌群、動(dòng)植物油、石油類、揮發(fā)酚。鍋爐煙可在線數(shù)據(jù)包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、煙氣溫度、煙氣流速、標(biāo)況煙氣量、二氧化碳，其他數(shù)據(jù)包括汞及煙囪高度、鍋爐運(yùn)行工況；無組織數(shù)據(jù)則為顆粒物。聲的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括東、南、西、北廠界噪聲，可在線，可移動(dòng)手持。固體廢物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要由矸石浸出毒性數(shù)據(jù)組成，包括pH、汞、砷、氟、銅、鎳、鋅、鉛、鎘、鉻，以及矸石場(chǎng)處置情況(工程措施及綠化措施，分處置前、處置中、復(fù)墾后)。生態(tài)監(jiān)測(cè)主要有地表沉降、植被及土壤侵蝕調(diào)查。其中，地表沉降監(jiān)測(cè)包括坐標(biāo)、標(biāo)高、沉陷面積、裂縫長(zhǎng)寬高；植被包括植被類型、蓋度、生物量；植被覆蓋指數(shù)；土壤侵蝕調(diào)查包括土壤侵蝕類型、侵蝕量。

圖1 煤礦生態(tài)地質(zhì)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.1 The overall architecture of the big data platform for coal mine ecological geological environment

2.4 大數(shù)據(jù)集成平臺(tái)

通過數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，用戶可以從不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)源中抽取數(shù)據(jù)(Extract)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的加工處理(Transform)，最后將數(shù)據(jù)加載到各種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中(Load)。同時(shí)管理平臺(tái)可提供豐富的管理Rest API接口和方便的管理擴(kuò)展機(jī)制，方便客戶集成統(tǒng)一管理平臺(tái)并擴(kuò)展自己的插件集成到平臺(tái)中。

2.4.1 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用數(shù)據(jù)集成ETL的集成開發(fā)工具，進(jìn)行流程的開發(fā)和調(diào)試工作。開發(fā)調(diào)試完成的流程所有相關(guān)信息，統(tǒng)一存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)集成ETL資源庫中，作為團(tuán)隊(duì)資源共享及運(yùn)行時(shí)引用。開發(fā)調(diào)試完成的流程ID信息(流程引用信息)，部署到數(shù)據(jù)集成ETL服務(wù)器上。運(yùn)行時(shí)，根據(jù)流程ID信息從ETL資源庫中獲取流程配置信息。圖2為數(shù)據(jù)集成流程示意圖。

圖2 數(shù)據(jù)集成流程Fig.2 Data integration flow

2.4.2 數(shù)據(jù)抽取

默認(rèn)情況下需提供通用的抽取功能，支持從不同數(shù)據(jù)源中抽取數(shù)據(jù)，抽取到的數(shù)據(jù)支持生成數(shù)據(jù)文件或流向管道，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供輸入數(shù)據(jù)；在抽取實(shí)現(xiàn)過程中支持提供SQL、HQL、SHELL等不同類別的行為定義腳本，數(shù)據(jù)采集執(zhí)行組件將根據(jù)定義行為腳本類型，調(diào)用相應(yīng)的腳本執(zhí)行來獲取數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)采用微信小程序發(fā)送到平臺(tái)，化驗(yàn)數(shù)據(jù)等采用Web頁面數(shù)據(jù)導(dǎo)入或者手動(dòng)輸入實(shí)現(xiàn)。

2.4.3 數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換指進(jìn)行不一致的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)粒度的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)去臟和一些轉(zhuǎn)換規(guī)則的計(jì)算。平臺(tái)支持批量清洗和實(shí)時(shí)清洗，針對(duì)批量離線數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式并行清洗轉(zhuǎn)換，針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行不落地清洗轉(zhuǎn)換。

2.4.4 數(shù)據(jù)共享

數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與內(nèi)部、外部應(yīng)用平臺(tái)信息交換共享，實(shí)現(xiàn)跨部門信息的采集和交換，并提供各類信息的共享和使用。形成數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，使得數(shù)據(jù)開放共享，根據(jù)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)提供統(tǒng)一的API接口，方便外部平臺(tái)對(duì)接，形成統(tǒng)一接口規(guī)范，并支持第三方平臺(tái)接入。數(shù)據(jù)集成架構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)集成架構(gòu)Fig.3 Data integration architecture

2.5 大數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.5.1 公共業(yè)務(wù)

面向環(huán)保部門，顯示各種監(jiān)測(cè)及監(jiān)測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)，提供報(bào)表和報(bào)告服務(wù)。面對(duì)應(yīng)急部門，實(shí)時(shí)顯示地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)，為地質(zhì)災(zāi)害提供預(yù)測(cè)預(yù)警。面對(duì)自然資源部門，根據(jù)不同的土地利用目的制定生態(tài)條件、生產(chǎn)方式和過程耦合的生態(tài)修復(fù)技術(shù)方案。

2.5.2 管理決策業(yè)務(wù)

提供生態(tài)擾動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、開采對(duì)礦區(qū)水資源影響、開采對(duì)礦區(qū)森林和植被影響、開采對(duì)地表沉陷及地裂縫影響、礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境動(dòng)態(tài)一張圖等礦區(qū)決策支持、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境演化等動(dòng)態(tài)信息。

2.5.3 生產(chǎn)業(yè)務(wù)

生產(chǎn)業(yè)務(wù)包含透明礦井地質(zhì)模型、巷道模型構(gòu)建、地質(zhì)監(jiān)測(cè)信息同步映射、地質(zhì)工作流程化管理。透明礦井構(gòu)建面向煤礦智能開采的高精度三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型，并實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)修正；構(gòu)建井巷模型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新，完成統(tǒng)一平臺(tái)下的多專業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化支撐。

2.5.4 科研業(yè)務(wù)

在透明礦井三維可視化模型的基礎(chǔ)上建立區(qū)域性的煤炭開采—覆巖結(jié)構(gòu)—水文地質(zhì)—生態(tài)環(huán)境演變的模型、信息系統(tǒng)、評(píng)價(jià)體系，為陜北礦業(yè)煤炭開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

(1)大數(shù)據(jù)平臺(tái)將煤礦區(qū)數(shù)據(jù)集成，通過各類計(jì)算模型，可用于研究開采對(duì)地表生態(tài)擾動(dòng)影響的核心因素分析、標(biāo)志性要素及其監(jiān)測(cè)方法優(yōu)選，礦區(qū)相關(guān)區(qū)域水系及地下水變化及生態(tài)植被衛(wèi)星監(jiān)測(cè)成果分析，礦區(qū)土壤特征、植物種類及適應(yīng)性研究，建立區(qū)域性的煤炭開采—覆巖結(jié)構(gòu)—水文地質(zhì)—生態(tài)環(huán)境演變的模型、信息系統(tǒng)、評(píng)價(jià)體系，為煤炭開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

(2)大數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)采集分析生態(tài)環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)、污染數(shù)據(jù)、災(zāi)害數(shù)據(jù)等，自動(dòng)預(yù)測(cè)預(yù)警，自動(dòng)生成面向環(huán)保部門、國(guó)土部門的報(bào)表和報(bào)告，減輕工作負(fù)擔(dān)。

(3)在大數(shù)據(jù)采集涉及區(qū)域內(nèi)，研究能源資源與土地資源、大氣環(huán)境、水資源和生態(tài)承載能力相適應(yīng)的環(huán)境承載能力，探索區(qū)域能源可持續(xù)開發(fā)利用模式。