数字化矿山建设的全域模型

张建平，柴洪静

（太原理工大学经济管理学院，山西太原 030024）

数字化矿山建设的全域模型

张建平，柴洪静

（太原理工大学经济管理学院，山西太原 030024）

根据矿山建设信息化、数字化的发展趋势，针对一些矿山企业在数字化矿山建设过程中存在的一些问题，简要介绍了数字化矿山的概念及其建设的必要性和意义。在分析矿山企业信息化特殊要求的基础上，提出了数字化矿山建设的四层全域模型，从决策层、管控层、数据层、设备层4个层次对整个数字化矿山的整体架构进行了设计，并分别对数字化矿山建设的全域模型及其建设过程中所需的关键技术进行了详细地描述。研究结果表明数字化矿山建设的全域模型可涵盖矿山的生产、管理、经营、资源、环境、安全、效益等各个方面，充分体现了矿山数字化、信息化的全面性、实用性和可操作性，对矿山企业的数字化和信息化建设具有一定的指导意义和参考价值。

数字化矿山;全域模型;综合自动化;企业信息化;体系结构

1 数字化矿山简介

数字化矿山的提法源于“数字地球”，是以实际的矿山系统为原型，以三维地理坐标为参考系，以矿山科学、计算科学、信息科学、人工智能为理论基础，以矿山的勘探和开采、GIS（地理信息系统）、GPS（全球定位系统）、多媒体网络、遥感遥测、虚拟仿真等技术为支撑，对矿山资源的开发利用、基础设施的建设和维护、生产进程、经营管理等相关信息进行自动采集、进程管理、动态监测、辅助及优化决策的技术系统［1］。它是对整个矿山实体的全面、统一认识和数字化的再现，目标是使矿山的生产、管理和经营的各个环节实现科学化、数字化、网络化、模型化、集成化和可视化，将整个矿山的实时监测与管理、生产调度、人力资源、生产要素及经营活动等方面的全部信息整合在一起，方便有关工作人员及时查询及充分利用这些信息，有利于企业资源的合理配置和决策的优化，从而提高矿山的生产效率和安全生产水平。

数字化矿山主要包括三方面的内容:一是矿山资源与地理位置方面的信息，如矿体赋存、地表地形、开拓与采掘方案等信息的数字化，将这些信息与三维坐标对应起来，从而建立三维立体模型，便于更加直观地了解矿山地表及地下的情况;二是矿山各种生产作业的相关设备和系统，如矿压监测与分析系统、人员定位系统、井下轨道运输信集闭系统、井下主煤流监控系统等的自动化、数字化和智能化管理;三是各个职能部门的信息化管理，如设备管理、物资管理、财务管理、运销管理及数据集成决策分析等系统的数字化的实现与智能化的管理。从而将矿山建设成为一个信息数字化、设备自动化、管理智能化的多维综合信息系统［1］。

2 建设数字化矿山的必要性及意义

2.1 数字化矿山建设的必要性

煤炭产业是我国国民经济的重要支柱产业，但与发达国家相比，我国的煤矿企业却普遍落后:一是煤矿设备的技术水平，尤其是设备系统的信息化、自动化及整体有效性水平不高，开采和生产效率低;二是煤矿安全水平不高、生产事故频发、环境和资源破坏严重，给人民的生命和国家的财产安全造成了严重的损失。究其原因主要是矿山行业的信息化程度不高、基础设施落后、管理决策水平低，缺少一套科学的、系统的对矿山的生产作业过程及环境安全状况进行动态监测、分析及实时有效控制的技术系统。随着矿山地质测量电子化，生产环节集中化、自动化，生产管理信息化以及井下高速网络的逐步实现，矿山企业想增强自身的竞争力，提高生产效率和安全生产水平，建设数字化矿山是必然选择。

目前，煤矿已投入使用的各种监测监控系统较多，但这些系统大多相互独立、信息无法互通，造成通信线路重复建设，资源浪费严重，系统维护工作量大，整体可靠性差，无法实现信息和资源的共享［2］。另外，矿山营运的数据量很大，来源不一，而且非结构化的数据多而散，格式不一，连续性、完整性和继承性差，搜集、整合、查询、利用的效率低，如果不能充分、及时、有效地处理这些数据，则对矿产资源的合理开发利用、矿山的生产规划及动态管理产生很大影响，不能实时地监控并预防由于矿产资源开发所造成的环境污染和地质灾害，从而严重影响矿山企业的经济效益。

基于上述问题，提出建设数字化矿山。数字化是矿山企业信息化的基础和表现形式，数字化矿山可实现从更高的层次和系统的、一体化的角度将其所涉及的理论、技术及其应用和矿山正在使用的设备或信息系统进行整合，把与矿山建设、矿产资源的勘探和开采、环境的保护与治理等有关信息和数据进行相应的传输、存储、表达及共享，从而提高矿山企业的生产效率和经济效益，开创出一条安全、高效、可持续的矿业发展之路。

2.2 数字化矿山建设的意义

数字化矿山依靠井上井下各自动化系统的集成和数据共享，为矿山企业的高效生产、决策优化、安全管理提供了先进的科学手段［3］。建设数字化矿山意义:

（1）可实现矿山生产、管理、经营等相关业务的数字化和集成化，形成统一的、完整的信息系统，提高各业务部门的信息化水平，实现部门间各类数据的统一和共享，从而提高工作效率。子系统的独立运行，其不仅要解决各个相互独立的

（2）数字化矿山采用GIS、虚拟现实、动态模拟及三维可视化技术，可将整个矿山的空间及地理环境在电脑上虚拟出来，使得技术或管理人员能够更直观、更形象地了解矿山的状况，从而实现井上井下环境的全方位、多角度、多视点的实时动态监测，保证矿山的正常运作和各类灾害的提前预警，从而有效避免灾难的发生，提高安全水平。

（3）数字化矿山在综合考虑生产、管理、经营、资源、环境、安全、效益等各种因素的基础上，实现整个生产流程的信息化、自动化、智能化和整体协调优化，提高企业的生产效率、降低劳动强度、实现减人增效以减少人员伤亡。

（4）决策支持的优化和管理的精细化，使得矿山的各种资源都得到充分的利用，可有效避免资源的浪费。

（5）数字化矿山的建设有利于环境的防治和保护，为建造绿色矿山创造了有利条件。

3 数字化矿山全域模型

为了增强煤矿企业的竞争力，我国许多大型的煤矿企业都将综合自动化引入了矿山系统中，但因管理层和生产过程层的数据存在不同程度的无法共享，而导致了信息孤岛的产生。数字化矿山的管控一体化可成功解决信息孤岛难题。数字化矿山要求对整个勘探、设计、开采、生产、加工过程进行自动化的建设和集成，建成一个统一的综合自动化系统，实现设备控制和经营管理的管控一体化，过程信息和管理信息的集成和共享，从而对整个生产、经营和管理过程进行优化［4］。数字化矿山是一个复杂的、动态的、开放的巨型系统，所涉及的是多种学科的交叉和多方面知识的融合，整个系统的各个部分之间也是互相影响、互相制约的。本文根据相关科研理论，借鉴现场实施矿山企业信息化的经验，按照矿山信息化的特殊需求，从决策层、管控层、数据层、设备层四个层面对整个数字化矿山的全域模型进行了架构，如图1所示。

（1）设备层 数字化矿山的设备层主要是布置在井上井下的一些环网、机电设备以及各个自动化系统，如:矿用人员管理系统、工业电视系统、地理信息系统、轨道运输信集闭系统等。该层是矿山企业能够运营起来的基础，而高速、双向的通讯网络则是矿山生产运作过程中语音、视频及三维数据能够快速传输的保证。数字化矿山的设备层不只是一台台机电设备的简单罗列，也不是各个自动化 自动化系统的兼容性问题，还需要分析各系统信息之间的联系，从而形成一个综合的自动化系统，为安全、高效、科学生产提供信息支持。

（2）数据层 主要运用计算机、网络、数据仓库和数据挖掘等技术，建立一个音频、视频、数据三网合一的环形工业以太网平台，便于对矿山的海量数据进行管理，为实现井上井下机电设备及自动化系统的自动控制提供数据支持。网络、服务器方面的基础设施支持主流操作平台 （如Windows，Unix，Linux），数据库支持 SQLServer，Oracle，DB2等关系型数据库以及IBMLotus Domino等文档数据库，应用的中间软件还支持J2EE和.net Framework等技术标准和主流产品。

（3）管控层 通过各个管控系统将从设备层采集来的矿山运作过程中的基础自动化和过程自动化的数据进行实时的综合处理、整合及反馈，实现整个矿山管理信息、生产信息和监测监控信息的高度集成，并采用先进的技术、设备及管理理念，实现在以现场控制为主的基础上，扩展到以分布控制、视频监控为主的全生产过程的管理和监控。管控层可实现对矿山生产过程中各环节的实时监控、协调与管理，实现矿山安全、生产调度、工况监测等方面各子系统的无缝集成以及整个矿山信息资源的实时传递与共享。

（4）决策层 在设备层各个自动化系统的基础上，通过数据层将管控层集成整合后的管理、运作等各个方面的信息传递到决策层，利用数据集成决策分析系统对这些信息进行系统性地分析，并依据不同的评价标准对分析后的结果进行综合评价，最终为矿山的生产、经营、管理确定最优决策。例如，若生产过程中出现设备突发故障或是生产能力改变等不确定性的情况时，决策层可以在煤炭资源生产计划的基础上，根据实际情况对采矿设备或生产过程进行调度优化，并提出动态性的建议和措施，保证矿山生产的正常运行，最终实现矿山效益的最大化［5］。另外，决策层的矿山ERP系统负责对生产、物资、财务、设备、运销、成本等供需链上的各个环节进行管理和控制;办公自动化、报表系统及电子商务的应用可极大地提高矿山日常办公的工作效率，减少信息冗余，保证信息传递的及时性与一致性。

图1 数字化矿山全域模型架构

4 数字化矿山全域模型的关键技术

（1）高速网络传输技术 矿山运营的数据量大、来源不一、种类繁多，且结构复杂，具有频带宽、传输距离远、抗电磁干扰性强等特点的工业以太网完全可满足矿山数据的传输，并且网络采用统一的TCP/IP传输协议，具有标准接口，方便各个系统的集成与扩展［6］。利用工业环形以太网技术建立起来的统一的网络传输平台可实现在信息传递的同时，达到音频、视频和数据的三网合一，让各个自动化系统的数据传输更高效、可靠、兼容。

（2）虚拟现实技术 综合三维图形、计算机仿真、调度并行的实时计算及多传感交互等技术，可将矿山实体进行虚拟并生成一个形象逼真、具有视觉、听觉甚至是触觉的可交互的动态世界。该技术可模拟矿山三维地层环境及井上井下的各种建筑实体和机电设备，通过分析处理设计、测量、钻孔、传感等方面的数据，实现数据动态维护，并与监测监控技术进行整合以实现实时监控、导航、虚拟场景漫游、交互控制和数据查询等功能［7］。

（3）数据仓库与数据挖掘 为数据集成决策分析系统及其他自动化系统提供了一个结构化的数据环境，并利用人工智能及工程技术为相关管理及工作人员从海量数据中挖掘有用的数据，便于进行决策分析。尤其是三维数据模型库，能够利用虚拟现实技术并结合矿山生产过程中所产生的各类数据标准，将安全监测监控数据与GIS信息进行整合，从而为矿山的数字空间提供原库调用服务［8］。

（4）数据分析集成技术 将不同来源的各类异构数据通过Web Services，XML等技术进行分析、集成和融合，以方便进行统一地表示、存储和管理［9］。建立数据仓库，将采集到的所有实时数据进行分析和处理，并对结果数据进行转换、匹配、验证和清理。将私有协议的信息转换为统一格式以避免异构和互联问题，以实现数据类型和数据编码的标准化。以矿用对象库的形式共享实时数据和空间数据，供矿山的可视化、一体化及其应用的各业务子系统查询调用。

5 结论

数字化矿山是矿山的虚拟化、信息化、集成化和数字化，是矿山标准的管控一体化。数字化矿山全域模型在综合考虑矿山生产、经营、安全、管理、效益等各方面要素的基础上，运用信息及自动化等技术对整个矿山进行整体协调优化，可降低矿山企业的生产成本，提高矿山的生产效率和安全生产系数，从而实现矿山企业综合效益的最大化，增强矿山企业在同行业市场竞争中的竞争力。目前，我国许多大型矿山在数字化建设方面已经取得了一些成果。当然，矿山的数字化是一个复杂、艰巨而又漫长的过程，需要各方面人员的共同探索、协同攻关，并且随着更多高新科技的不断研发，数字化矿山的内容也会越来越丰富。

［1］潘 冬.我国矿山数字化建设的探讨［J］.矿业研究与开发，2006（S1）:36－39.

［2］李 明.煤矿数字化矿山技术与实施途径 ［J］.同煤科技，2004（4）:39－42.

［3］尹 静，光正国.刍议信息化数字化矿山 ［J］.现代矿业，2011，27（7）:136－137.

［4］矫林岳，徐卓强.浅谈数字化矿山建设——漳村煤矿综合自动化与信息管理的数字化矿山研究与应用 ［J］.煤，2008，17（10）:17－20.

［5］宁选凤，苏昌学.矿山数字化的探讨［J］.现代矿业，2009，25（2）:31－32.

［6］李 鑫，王 坤，郭 勇.基于工业以太网的三网合一在数字化矿山中的应用［J］.中小企业管理与科技，2009（10）:279－280.

［7］王丰收，付光梅，李宝健.矿山数字化系统的研究 ［J］.工业安全与环保，2008，34（10）:16－17.

［8］赵安新，李白萍，卢建军.数字化矿山体系结构模型及其应用 ［J］.工程设计学报，2007，14（5）:423－426.

［9］吕鹏飞，郭 军.我国煤矿数字化矿山发展现状及关键技术探讨 ［J］.工矿自动化，2009，36（9）:16－20.

Whole Domain Model of Digital Mine Construction

ZHANG Jian-ping，CAI Hong-jing
（Economic Management School，Taiyuan University of Science＆ Technology，Taiyuan 030024，China）

Data mine concept and its necessity and signification was introduced．On the basis of analyzing especial requirement of mine enterprise information，4-level whole domain model of data mine construction was put forward．Whole structure of data mine was designed from decision level，management level，data level and equipment level．Whole domain model and key technologies were depicted．Results showed that whole domain model of data mine could cover every aspect including mining，management，operation，resources，environment，safety and profit．It reflected digitization，comprehensive information，practical applicability and maneuverability and could provide reference for digitization and information of mine enterprise．

data mine;whole domain model;comprehensive automatization;enterprise information;system structure

TD211

A

1006-6225（2012）02-0001-04

2011－12－15

张建平 （1960－），男，山西临猗人，教授，博士、硕士生导师，研究方向为管理科学与工程。

［责任编辑:施红霞］