“数字矿山”基本框架及其构建技术的研究

刁鑫鹏　贾朋风

【摘要】 回顾了数字矿山产生的背景，介绍了目前国内的几种数字矿山架构，并评价了他们的特点及存在的问题，还重点阐述了在构建DM过程中所运用的主要技术、存在的瓶颈。

【关键词】 数字矿山；背景；架构；3S技术；瓶颈

一、数字矿山的概念及产生背景

1．数字矿山（DigitalMine,DM）的概念

所谓数字矿山就是指在矿山范围内建立一个以三维坐标为主线，将矿山信息构建成一个矿山信息模型。描述矿山中每一点的全部信息，按三维坐标组织，存储起来，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段。使有关人员都可以快速准确、充分和完整地了解及利用矿山各方面的信息。可以说，数字矿山就是一个矿山范围内的以三维坐标信息及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入所获信息的总称。

2．数字矿山产生的背景

21世纪，是信息时代和数字时代，特别在以计算机为核心的信息技术早在全世界掀起了一场技术革命的风暴，信息化已成为社会发展的必然趋势，给各行各业的发展带来了全新的机遇和挑战。自1998年，美国副总统戈尔在做过题为《数字地球——对21世纪人类星球的认识》的演讲中提出“数字地球”的概念以来。世界各国相继提出了本国数字化的各种设想。我国也提出了建设数字中国的构想、紧接着诸如数字中国、数字城市和数字矿山等的数字工程也先后被提出了。其中数字矿山(DigitalMine，DM)概念的提出源于1999年首届“国际数字地球”大会。

二、数字矿山的几种基本框架

1．框架1

中国矿大的吴立新教授的观点：他认为DM作为一个复杂的系统，具有同心圆型的层次结构特点。按数据流和功能流进行剖分，DM结构由外向里依次为采集系统、调度系统、应用系统、过滤系统、核心系统共5部分。

2．框架2

中科院毕思文老师从基础理论和模型、技术支撑、系统工程和建设有中国特色的“数字矿山”部分思路的角度出发进行数字矿山架构的研究。其核心和目的是汇集并处理巨量的矿山信息，进而对矿山系统高分辨率、四维的描述。它由呈现某种可浏览的、适合于各种分辨率的多维矿山图像界面的用户界面和一种快速增长、连网的矿山信息系统，与整合和显示来自不同渠道的信息机制这两部分组成。

3．框架3

露天矿作为矿业组成的一部分也提出了自己的总体架构，即由核心系统、生产决策系统、生产调度监控系统、管理信息系统4个部分组成。其中后3部分与露天矿的决策、生产、管理3大业务相对应。核心系统将这3部分中分散的业务系统分层次有机合理地联系起来。形成统一完整的露天框信息系统，实现这3部分的信息集成与综合管理，并预留与数字矿区、数字行业的接口。

三、数字矿山的关键技术

1．3S及其集成技术

3S技术即指全球定位系统(GPS)、遥感(RS)和地理信息系统(GIS)。作为数字地球的基础核心技术，3S及其集成技术在我国的快速发展，使得数字矿山这一设想成为可能。我们使用GPS进行定位与导航，确定目标地物的位置及高程；运用RS技术拍摄高分辨率、多时相的卫星遥感影像，获取地物信息；最后利用GIS中对数据进行空间分析处理，为方案的实施提供依据。然而，当前3S及其集成技术在矿山的应用研究中还有很多问题急需解决，这也为我国的矿业提供了难得的发展机遇。

2．数据仓库、数据挖掘与知识发现技术

数据仓库 (DataWarehouse，DW)概念的创始人W.H.Inmon给数据仓库下的定义是：“数据仓库就是面向主题的、集成的、稳定的、不同时间和空间的数据的集合，用来支持经营管理中的决策过程”。而从数据仓库中提取出有用的信息、知识或规律称为数据挖掘(DataMining)或知识发现。针对矿山信息复杂多样、不确定、海量动态和多精度、多尺度的特点，必须要研究出适合于矿山信息存储、管理、分析的数据仓库技术和高效智能的数据挖掘技术，用于指导和预测矿山的生产、管理等活动。

3．三维可视化与虚拟现实技术

在DM的建设中，我们需要通过以地质层面、地质体三维可视化为主要研究内容的三维地学建模(3DGeologyModeling，3DGM)对不同来源和性质的空间数据进行集成，生成三维模型，进行可视化的表达、模拟和分析。通过虚拟现实技术在计算机的虚拟环境中，以极其逼真的效果来模拟各种矿业生产活动，像虚拟开采、虚拟爆破等，为生产活动的可行性、安全性提供判断依据，减少生产活动中的不必要的风险和损失。

4．人工智能技术

人工智能（ArtificialIntelligence,AI)利用计算机技术研究并模拟人类的智能行为的现代计算机科学中的一个重要分支，它在矿业工程中也得到了广泛的应用，先后经历了专家系统和神经网络两个阶段，开发出了像采矿方法选择系统、矿井通风设计专家系统、瓦斯危害预报专家系统等专家系统和测井资料岩性自动识别、爆破参数神经网络预测、矿产品成本预测系统等神经网络系统。这些高水平智能系统的出现极大地促进了矿业技术向更高水平的发展。

四、存在的“瓶颈”

1．矿内原有的管理系统不适用

数字矿山相对与原有经典管理模式下的矿山而言是一个新生事物，因此原有的管理系统、习惯的管理思维、管理方式与数字矿山存在不相匹配问题，使构建数字矿山的难度加大，引起矿山领导产生畏难情绪。甚至有的矿山害怕构建过程中引起管理混乱，出现安全事故或造成经济效益滑坡而敬而远之。

2．历史原因各矿信息基础太差

我国很多企业一方面由于多种原因对基础数据、信息不够重视，有的不全、有的遗失、有的混乱。另一方面对有的数据、信息企业本来就不知道采集。在残缺不全的信息基础上是不可能构建有效的数字矿山，勉强构建起来也只能是形象工程，没有实际意义。

3．各矿经济状态不同

由于历史原因很多矿的经济状况不是太好，有的刚刚才从过去的亏损转为盈利，根本无余力进行数字矿山的建设。有的虽有盈利但惧怕投资过大、周期过长。达数十年的周期，数千万的投入，开滦煤矿的数字化建设已使许多矿山产生了惧怕心理。

五、结束语

DM是未来矿山发展的必然方向，也是矿山工业可持续发展的必经之路。党在2007年的十七大报告再次强调要加强能源资源节约和生态环境保护，并指出，必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，这也是对我国矿山工业的一个要求。总之，DM对我国的矿山工业来说，是一种机遇，更是一种挑战。